WO2008050670A1 - Method of controlling electron beam focusing of pierce type electron gun and control device therefor - Google Patents

Method of controlling electron beam focusing of pierce type electron gun and control device therefor Download PDF

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pierce
type electron
piercing
control device
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Eiichi Iijima
Guo Hua Shen
Tohru Satake
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Ulvac, Inc.
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    • H01J2237/182—Obtaining or maintaining desired pressure

Definitions

  • the present invention relates to a control method for a piercing electron gun that can keep an electron beam stable over a long period of time, an electron beam control device for a piercing electron gun, and a vacuum apparatus including the same.
  • the pierce-type electron gun is characterized in that the beam generation source and the object to be irradiated can be separated from each other in a vacuum atmosphere, and the beam generation source can be held stably.
  • the energy source is electrons and can be easily swung and deflected, it is widely used as a heating source for vapor deposition equipment, melting furnaces and heat treatment furnaces.
  • Heat source for in-line type vapor deposition equipment for metal oxides such as MgO and SiO which requires a long-term stability of 300 hours or more, and can be heated to a predetermined evaporation rate in a short time. Al, Co—Ni, Cu, etc.
  • Fig. 9 shows an example of using an electron gun for an MgO vapor deposition device
  • Fig. 10 shows a winding vapor deposition device.
  • MgO magnesium oxide
  • an electron beam evaporation apparatus having a plurality of pierce-type electron guns has been developed (FIG. 15).
  • This device is configured, for example, as an electron beam vapor deposition device 81 or 82 in which two chambers of a charge / unload chamber and a vapor deposition chamber or three chambers of a charge chamber, a vapor deposition chamber and a discharge chamber are connected via a partition valve. .
  • the outline of the vapor deposition chamber 2 of the electron beam vapor deposition apparatuses 81 and 82 is as shown in FIG.
  • the Pierce-type electron gun 3 is mainly used as a heating source for continuously forming MgO, which is a protective film for the PDP. Emerge almost horizontally from a piercing electron gun fixed to the side wall of the deposition chamber
  • the electron beam F is deflected by the electron beam deflecting device 20 and irradiated to the evaporation point P of MgOl l in the hearth 4 which is the evaporation source, thereby generating a vapor flow of MgO and passing over it.
  • An MgO film is formed on the surface of the glass substrate 10 mounted on the carrier that moves to. That is, the vapor deposition chamber is also an electron beam irradiation chamber.
  • Such electron beam evaporation apparatuses 81 and 82 do not expose the vapor deposition chamber to the atmosphere.
  • the glass substrate 10 or the carrier on which the glass substrate is mounted is used. Since pretreatment such as degassing and heat treatment can be performed, the atmosphere in the deposition chamber can be maintained stably, and the production volume is large compared to batch type equipment. Power Long-term stable operation of the piercing electron gun is desired.
  • a force sword that could cause abnormal discharge of the electron gun was provided with a through-hole or ion collector for receiving ions and components scattered by the collision of ions (for example, see Patent Documents 1 and 2).
  • the spread of the beam inside the electron gun affects the components inside the electron gun and may overheat the components. As a result, there were cases where the electron gun itself was damaged.
  • the electron beam emitter (beam generator, generation unit) is stabilized against assembly accuracy and changes over time.
  • the electron gun itself is optimized and designed so that the force sword surface angle, Wehnelt angle, anode angle, force sword-enert dimension, force sword anode dimension, etc. are suitable for the above purpose. This is done for the purpose of stabilizing the beam bundling condition due to the electric field.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2004-14226 (Page 3, Fig. 1)
  • Patent Document 2 Japanese Patent Laid-Open No. 2005-268177 (Page 3, Figure 1)
  • Patent Document 3 Japanese Patent Laid-Open No. 2005-264204 (Page 4, Figure 1)
  • the present invention has been made in view of the above-described problems, and eliminates the effects of the space charge effect and the space charge neutralization action inside the electron gun, and completes the control of the electron beam. Mejiro-an.
  • the beam inside the electron gun is affected by the space charge effect as described above.
  • Figure 11 shows the electron beam spread and beam energy trends.
  • the temperature inside the electron gun is measured, fed back to the pumping speed of the vacuum pumping system, the pressure inside the electron gun is adjusted, and fluctuates due to the effects of space charge effects and space charge neutralization in the electron gun.
  • the focusing state of the electron beam is made constant.
  • the above problem is solved by a method of directly measuring the temperature inside the piercing electron gun and controlling the piercing electron gun according to the measured temperature.
  • control device for a pierce-type electron gun having means for directly measuring the temperature inside the pierce-type electron gun.
  • the beams entering the second focusing coil from the first focusing coil be as parallel as possible in consideration of the beam stability to the object.
  • This control is performed by adjusting the pressure inside the electron gun.
  • the beam is adjusted from almost parallel to slightly divergent.
  • an electron beam is output by electrical interlock, and a predetermined current flows through the focusing and swinging coils!
  • an in-line type vapor deposition apparatus that operates an electron gun continuously for a long time, it is produced by controlling the pressure in the vapor deposition chamber to be constant and at a constant process gas flow rate. If the amount of gas brought in from the outside varies, the deposition rate varies in the case of the method described later.
  • a reliable deposition rate measuring means such as a crystal oscillation type deposition controller is used to adjust the power of the electron gun, beam focusing and oscillation system Power to feed back, for metal oxides
  • the film formation rate measurement means for a long time was not enough.
  • the newly developed means has enabled us to supply effective control means for fluctuations in irradiation chamber pressure.
  • FIG. 1 is an electron gun evacuation system diagram of an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 shows Example 1 of the present invention. It is sectional drawing of a 30kW Pierce type electron gun. Indicates the location of thermocouples R1 and R2.
  • FIG. 3 is a vacuum exhaust system diagram of the lOOkW pierce-type electron gun according to Embodiment 2 of the present invention.
  • a differential exhaust pipe is installed in the differential exhaust hole.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of an lOOkW piercing electron gun according to Embodiment 2 of the present invention. Indicates the location of thermocouples R1 to R6.
  • FIG. 5 is a principle diagram of a piercing electron gun. The principle of electron beam emission is shown. Thermal electrons are emitted from the heated force sword 37, and the electrons are extracted and focused by the electric field formed by the force sword 37, Wehnelt 38 and anode 39. Therefore force Sword 37, Weinert 38, anode
  • the electron beam that has passed through the anode 39 is controlled by the focusing coil 40, the oscillating coil 41, and the electron beam deflecting device 20 so that the electron beam is not dissipated, and is applied to the necessary material 11 on the hearth 4. .
  • FIG. 6 is a graph of irradiation chamber pressure and flow register temperature according to the present invention.
  • FIG. 7 is a graph of beam current and flow resistor temperature according to the present invention.
  • the rotational speed of the turbo molecular pump 51 (Fig. 1) is controlled, the beam focusing state is changed even if the beam current is changed.
  • the state is constant and the temperature of the flow register is almost constant.
  • FIG. 8 is a graph of the beam current for comparison and the temperature of the anode and the flow resistor.
  • FIG. 6 is a diagram when the rotational speed control of the turbo molecular pump 51 (FIG. 1) is not performed. The flow register temperature decreases as the beam current increases!
  • FIG. 9 is a schematic view of an MgO vapor deposition apparatus.
  • four piercing electron guns 3 are arranged for four ring noses 4. Jingbing control is performed to irradiate the electron beam alternately to the two irradiation points P on Ringno and Sose by controlling the deflection coil.
  • the arrow in a figure represents the advancing direction of the glass substrate 10.
  • FIG. Also, the one located below the glass substrate 10 is represented by a broken line.
  • FIG. 11 It is a schematic diagram of a wind-up type vapor deposition apparatus.
  • the evaporation material in the evaporation material container 104 is irradiated with an electron beam from the piercing electron gun 3 to evaporate.
  • the tape substrate 110 fed from the unwinding reel 108 is wound around the main roller 107, it is exposed to the vapor of the evaporated material from the vapor deposition material container 104 disposed below, and a film is formed on the surface thereof.
  • the film-formed tape base material is taken up on a take-up reel 109. In this way, the apparatus continuously performs film formation.
  • A shows the magnetic field generated by the focusing coil.
  • B represents the electron beam diameter. As the rate of space charge effects increases, the beam diameter increases.
  • the deposition rate is the highest at the deposition pressure of 1.0E-02Pa.
  • the electron beam diameter expands due to the effect of the space charge effect, the power density decreases, the amount reaching the deposition material decreases, and the deposition rate decreases.
  • the atmospheric particles increase, which causes collisions with the electron beam and evaporated material, resulting in a decrease in film formation rate.
  • FIG. 14 is an example of a control method for a conventional in-line electron beam evaporation apparatus.
  • a monitor piece XR1, XR2, XR3, XL1, XL2, XL3 is provided near the ring hearth 4 and is fed back to the beam current or focusing coil current for stabilization.
  • One unit The irradiating points PR1 and PR2 on the material placed in the groove 4a on the ring hearth are alternately heated by the electron beam from the pierce-type electron gun 3 of Fig. 3 by heating.
  • one side is shown as a solid line, and the other side is shown as a dashed line to show the state of jimbing control.
  • FIG. 15 is a schematic diagram of an electron beam evaporation apparatus.
  • A is 2 rooms and B is 3 rooms
  • Electron gun body (housing)
  • Electron gun body (housing) Force sword chamber
  • thermocouple resistance temperature sensor
  • Fig. 1 shows a diagram of the evacuation system of the 30kW Pierce-type electron gun according to the embodiment of the present invention.
  • Figure 2 shows a cross-sectional view of a 30kW Pierce-type electron gun.
  • Figure 3 shows the vacuum system diagram of the lOOkW piercing electron gun.
  • Figure 4 shows a cross-sectional view of the lOOkW piercing electron gun.
  • Figure 5 shows the principle diagram of the piercing electron gun.
  • FIGS. 1 and 5 A typical structure of the Pierce-type electron gun 3 with an output of 30 kW and functions of each part will be described with reference to FIGS. 1 and 5.
  • the main components of a 30kW piercing electron gun are the filament 36 and the force Sword 37, Wehnelt 38, Anode 39, Focusing condenser 40, Oscillating condenser 41, Ion collector 42 (Fig. 5), Flow register 43, Body (housing) 30 and Vacuum exhaust system 49 (Fig. 1) is there.
  • Each function is as follows.
  • the filament 36 passes an alternating current, generates heat due to Joule heat, and emits thermoelectrons.
  • the force sword 37 is generated in the filament 36 by applying a positive voltage to the filament 36, is heated by receiving accelerated electrons, and emits thermoelectrons.
  • (Wenel HWehnelt) 38 also called the focus electrode, has the same potential as the force sword 37, and an electric field is formed between the anode 39 and the electron 39 in the center of the anode 39. Is generated.
  • the anode 39 is at a positive potential with respect to the force sword 37 and accelerates the thermal electrons generated by the force sword 37. Since the anode 39 is normally at ground potential, a negative voltage is applied to the force sword 37.
  • An electron beam passes through a hole in the center.
  • the focusing coil 40 may be referred to as a focusing lens or simply a lens.
  • the electron beam F that has passed through the anode 39 is focused on the material 11 of the hearth 4 by the generated magnetic field. Ions generated by collision with electron beam F are accelerated by the voltage of anode 39 and force sword 37, and cathode 37 is sputtered to form a hole.
  • the ion collector 42 receives the ion beam and prevents damage to the electron gun body when the hole penetrates the cathode 37 after long-term use.
  • the flow register 43 reduces the conductance and keeps the pressure in the force sword chamber (in the beam generator) 31 low.
  • the pierce-type electron gun having a normal output of 60kW or more includes the second focusing coils 46 and 76, the second flow register 73b (Fig. 4), and the differential in addition to the above. It has an exhaust system 49 '(Fig. 3).
  • An electron emission source of a general piercing electron gun uses an indirect heating tungsten power sword. The amount of thermionic emission per unit area from the force sword surface is determined by temperature. On the other hand, the maximum operating temperature is limited due to use in vacuum. For this reason, a force sword with a large diameter is required to obtain a large beam current. Accordingly, the anode hole diameter and the flow resistor hole diameter increase. For this reason, the conductance increases and a second exhaust system is required to secure the differential pressure from the irradiation chamber.
  • thermocouples Rl and R2 are directly attached to the anode 39 in the cathode chamber 31 and the flow register 43 in the swing chamber 32.
  • a turbo molecular pump 51 having an exhaust speed of 800 liters / second was attached to the vacuum exhaust system 49 via a partition valve 56.
  • This turbo molecular pump 51 used a pump capable of controlling the rotational speed (controlling the rotational speed and changing the exhaust speed).
  • the temperature of the flow register 43 obtained by the thermocouple R2 in FIG. 2 was fed back to the rotation speed of the turbo molecular pump 51.
  • Figures 6 and 7 show the results.
  • FIG. 8 shows the beam current and the temperature measurement results of the anode 39 and the flow register 43 when there is no feedback. While the temperature of the anode 39 is constant even when the beam current is increased, the temperature of the flow register 43 tends to decrease. This is because the beam was narrowed by space charge neutralization. This means that the beam diameter inside the electron gun has changed because there is no feedback!
  • FIG. 4 An embodiment of an lOOkW electron gun having a second focusing coil, a second flow resistor, and a differential exhaust system will be described with reference to FIGS. Note that the vacuum exhaust system and differential exhaust system not shown in FIG. 4 are connected to the exhaust port 64 and the exhaust port 65, respectively.
  • the temperature measurement position at the thermocouple is the thermocouple R4 of the ring 74a provided on the outlet side of the first flow register 73a of the intermediate chamber 62 in Fig. 4 or the ring 74b provided on the inlet of the second flow register 73b.
  • Thermocouple R5 is preferred.
  • the thermocouple R2 of the first flow register 73a or the thermocouple R6 of the second flow register 73b may be used.
  • the rings 74a and 74b are auxiliary members for pressure adjustment provided in the flow register.
  • the differential exhaust cylinder 44a in FIG. 3 and the aperture stop 44b in FIG. 13 are auxiliary members for pressure adjustment provided in the intermediate chamber 32.
  • the present invention can be applied to vacuum devices having other configurations. Further, it may be used in combination with other electron beam stabilization means.
  • the force conductance valve 56 (Figs. 1 and 3) using the turbo molecular pumps 50 and 51 that can vary the exhaust speed by controlling the rotation speed for pressure control inside the electron gun is controlled. May be.
  • conductance control methods such as butterfly type, gate type and iris type (camera aperture type), which are commonly used.
  • the temperature measurement result inside the electron gun may be fed back to the gas flow rate.
  • the method of feeding back the temperature measurement result inside the electron gun to the gas flow rate, the method of feeding back to the conductance, the method of feeding back the space charge neutral gas introduction amount, the pressure inside the irradiation chamber 2 and the pressure and temperature measurement results inside the electron gun By combining multiple methods such as the feedback method, a very stable evaporation system can be supplied.
  • an optimal electron beam irradiation dose is obtained in the irradiation chamber 2 that is not simply a constant temperature.
  • the temperature may be controlled to an appropriate preset value so that the beam stop corresponding to the pressure in the irradiation chamber 2 is obtained.
  • the film formation rate is highest at the vapor deposition pressure of 1 ⁇ 0E-02 Pa.
  • Deposition pressure 3. OE-03Pa is affected by the space charge effect, the electron beam diameter expands, the power density decreases, and the deposition rate decreases.
  • the atmospheric particles increase, which causes collisions with the electron beam and evaporated material, resulting in a decrease in the deposition rate.
  • the deposition pressure of 1.0E-02Pa is appropriate for the electron beam dose.
  • the present invention is not limited to MgO vapor deposition but can be applied to a vapor deposition apparatus using a piercing electron gun.
  • the container for depositing the vapor deposition material is provided with phosphorus.
  • a crucible may be used.
  • the present invention can be employed as a method for forming a metal oxide film such as a SiO film or a TiO film in addition to a method for forming an MgO film.
  • the method for forming a vapor-deposited film according to the present invention can be adopted as a method for forming a metal film such as an A1 film.

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Description

明 細 書
ピアス式電子銃の電子ビーム集束の制御方法及び制御装置
技術分野
[0001] 本発明は、長時間にわたって電子ビームを安定に保つことのできるピアス式電子銃 の制御方法、ピアス式電子銃の電子ビーム制御装置及びこれを備えた真空装置に 関する。
背景技術
[0002] ピアス式電子銃は、ビーム発生源と被照射物の真空雰囲気の分離ができ、ビーム 発生源を安定に保持できるという特徴がある。また、エネルギー源が電子であり容易 に揺動、偏向ができるため、蒸着装置、溶解炉及び熱処理炉の加熱源として幅広く 使われている。特に 300時間以上の長時間の安定性が要求される MgO及び SiOな どの金属酸化物用インライン式蒸着装置の加熱源、短時間で所定の蒸発速度まで 加熱でき Al、 Co— Ni、 Cuなどの金属を膜厚分布よく安定的にかつ大容量で蒸発さ せる必要がある巻取式蒸着装置の加熱源、また SiO、 ZrOなどの金属酸化膜を膜 厚分布土 1 %以内で再現性よく蒸発させる光学膜用の巻取式蒸着装置の加熱源等 、今後益々応用分野が広がることが期待される。 （図 9に MgO蒸着装置、図 10に巻 取式蒸着装置の電子銃使用例を示す。 )
[0003] 特に、プラズマディスプレイパネル (PDP)用のガラス基板の表面に保護膜として使 用される酸化マグネシウム（MgO)被膜は、近年ではマザ一ガラスの大型化、量産化 の流れに対応し、より一層均質かつ高速の成膜が望まれて!/、る。
[0004] そのような背景から、例えば、複数台数のピアス式電子銃を有する電子ビーム蒸着 装置が開発された（図 15)。この装置は、例えば仕込/取出室と蒸着室の 2室または 仕込室と蒸着室と取出室の 3室を仕切りバルブを介して連設した電子ビーム蒸着装 置 81、 82のように構成される。
[0005] なお、この電子ビーム蒸着装置 81、 82の蒸着室 2の概略は図 9の通りである。すな わち、 PDPの保護膜である MgOを連続して成膜する加熱源として、ピアス式電子銃 3が主に使用されている。蒸着室側壁に固定したピアス式電子銃から略水平に発せ られた電子ビーム Fを、電子ビーム偏向装置 20により偏向させて蒸発源であるハー ス 4内の MgOl lの蒸発ポイント Pに照射することで MgOの蒸気流を発生させ、その 上を通過するように移動するキャリアに搭載されたガラス基板 10の表面に MgO被膜 を形成する。すなわち、蒸着室は電子ビームの照射室でもある。
[0006] このような電子ビーム蒸着装置 81、 82は、蒸着室内を大気に曝すことがないこと、 仕込/取出室 83または仕込室 84においてガラス基板 10やガラス基板を搭載したキ ャリアに対し、脱ガスや加熱処理などの前処理を行うことが出来るので蒸着室内の雰 囲気を安定に維持することが出来ること、バッチ式の装置に比較して生産量が大きレ、 ことなどの特長がある力 ピアス式電子銃の長時間の安定動作が望まれている。
[0007] そこで従来から、ピアス式電子銃の長時間の安定動作のため様々な工夫がされて いた。
例えば、蒸着室内部には水分、残留ガス、蒸発粒子などが存在し、電子ビームを構 成する熱電子がこれらと衝突することでイオンが発生し、電子銃の力ソードに向かつ て逆流して電子銃を異常放電させることがあった力 力ソードにイオン及びイオンの 衝突によって飛散した成分を受け止めるための貫通孔ゃイオンコレクタを設けたもの 力 つた (例えば、特許文献 1、 2参照）。
[0008] し力、し、電子のもつ電荷による粒子間の相互作用によりビーム直径やエネルギー幅 が増大する空間電荷効果と、電子が雰囲気ガスに衝突し、ガスのイオン化による空 間電荷中和作用により、電子銃内部の電子ビーム直径と対象物に照射される電子ビ ーム直径 (パワー密度）は、電子銃内部の圧力及び照射物が置かれる雰囲気の圧力 により変動する。このため、蒸着を例にとれば、蒸着レートが安定しないなどの問題点 があった。従って、ピアス式電子銃の特徴の一つである、ビーム発生源と被照射物の 雰囲気分離による広域帯での安定的な運転を充分に生かせない場合もあった。
[0009] さらに、電子銃内部でのビームの広がりは、電子銃内部の構成品に影響をおよぼし 、その構成品を過熱することがある。その結果、電子銃自身にダメージを与えるケー スもあった。
[0010] そこで、電子銃内部でのビーム直径を安定させるため、すなわち電子銃内部でビ ームが大きく広がらないようにして電子銃本体へのダメージを防止するために、空間 電荷中和ガスとして電子銃内に Arを導入したり、フローレジスターのコンダクタンスを 調整したり、あるいは集束コイルを多段にするなどの手段を用いて!/、る。
[0011] また、電子ビームのェミッタ部（ビーム発生部、ジェネレーション部）を組み付け精度 及び経時変化に対して安定させている。つまり力ソード表面角、ゥエネルト角度、ァノ ード角度、力ソードーゥエネルト間寸法及び力ソード アノード間寸法等を上記目的 に対して適合するように電子銃自体を最適化設計する。これは、電界によるビーム集 束条件を安定化することを目的として行ってレ、る。
[0012] しかしながら、いずれの場合も適切なフィードバック手段がなぐ予め設定した値で 電子銃を運転したため、安定で精密な成膜プロセスを行うことが難しかった。また、 A r等の不活性ガスであっても、成膜プロセスに影響を与える場合もある。
[0013] そこで、ビーム出口及びビーム照射部でビーム直径を測定し、ビーム電流または集 束コイル電流にフィードバックする方法が開発された（特許文献 3参照）。図 14に示 すように、ビーム照射部であるリングノ、ース 4近傍に各々の電子銃 3から発せられる電 子ビームのビームポイント温度を電気信号として出力することができるモニタ一片 XR 1、 XR2、 XR3、 XL1、 XL2、 XL3を設け、ビーム電流及びまたは集束コイル電流に フィードバックして安定化を図ったものである。
し力、しながら、電子銃内部での空間電荷効果の影響が残り、完全ではなかった。
[0014] 特許文献 1：特開 2004— 14226号公報（第 3頁、図 1)
特許文献 2 :特開 2005— 268177号公報（第 3頁、図 1)
特許文献 3 :特開 2005— 264204号公報（第 4頁、図 1)
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0015] 本願発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、電子銃内部での空間電荷 効果及び空間電荷中和作用の影響を無くし、電子ビームの制御を完全なものとする ことを目白勺とする。
課題を解決するための手段
[0016] 電子銃内部のビームは前記のように空間電荷効果の影響をうける。電子ビームの 広がり及びビームエネルギーの傾向は図 11のようになる。電子銃内部でのビームの 広がりは、電子銃内部の構成品に影響をおよぼし、その構成品を過熱する。このため 電子銃内部の温度を測定し、真空排気系の排気速度にフィードバックして、電子銃 内部の圧力を調整し、電子銃内で空間電荷効果及び空間電荷中和作用の影響によ つて変動する電子ビームの集束状態を一定にした。
[0017] すなわち、上記課題は、ピアス式電子銃の内部の温度を直接測定し、その測定温 度に応じてピアス式電子銃を制御する方法によって解決される。
[0018] また、上記課題は、ピアス式電子銃の内部の温度を直接測定する手段を有するピ ァス式電子銃の制御装置によって解決される。
[0019] なお、 2式以上の集束コイルを持つ電子銃では、対象物へのビーム安定性を考慮 すると、第 1集束コイルから第 2集束コイルに入るビームをできるだけ平行にするのが 望ましい。この制御を電子銃内部の圧力を調整して行う。勿論レンズであるからビー ムはほぼ平行からやや発散に調整する。
発明の効果
[0020] PDPの性能、製品歩留まり及び製品安定性の向上のため、ガラス基板内の膜厚分 布を長時間安定に保つことが要求され、これに対応できるようになった。具体的には 、従来 42インチ 2面取りのマザ一ガラスに対し約 8000 A ± 10%で 144時間（約 1週 間）連続運転であったもの力 同サイズに対し、約 8000 A ± 5%以内で 240時間（1 0日間）以上の連続運転が可能になった。さらに 42インチパネル 6〜8面取りのマザ —ガラスに対して約 8000 A ± 7%以内で 2週間以上の連続運転を可能にしている。 また、従来は電子銃内のビーム直径を目視で概略測定し、集束コイル及び Ar等の 中和ガスの調整を行っていたが、温度を測定することにより再現性良く調整すること が可能になった。
[0021] また、これらの電子銃内部の温度をモニターすることにより、電子銃へのダメージを 防止するとともに、従来検出が難しかった製品不良の防止及び早期発見に応用でき る。従来は電気的なインターロックにより、電子ビームが出力され、集束及び揺動コィ ルに所定の電流が流れて!/、れば正常と判断して!/、た。
[0022] さらに、長時間連続で電子銃を運転するインライン式の蒸着装置では、蒸着室内の 圧力が一定になるように制御して生産する場合とプロセスガス流量を一定として生産 する場合があり、外部からのガスの持込量が変動すると後述の方法の場合、蒸着レ ートが変動する。このとき、蒸着材料が MgO以外のもの、例えば金属蒸着の場合、 水晶発振式成膜コントローラのような信頼性のある成膜レート計測手段を用いて電子 銃のパワー、ビーム集束及び揺動系にフィードバックできる力、金属酸化物の場合は
、長時間にわたっての成膜レート測定手段がな力 た。しかし、今回開発した手段に より、照射室の圧力変動に対しても有効な制御手段を供給出来ることになつた。
[0023] 以上によって、ビームを作る部分の安定化（電子銃自体の最適化設計）、ビーム輸 送部の安定化（本願発明の方法)及びビーム使用部の安定化（特許文献 3の方法） の全てについて対策できるようになった。
図面の簡単な説明
[0024] [図 1]本発明の実施の形態の電子銃真空排気系統図である。
[図 2]本発明の実施例 1を示す。 30kWピアス式電子銃の断面図である。 熱電対 R1 、 R2の設置位置を示す。
[図 3]本発明の実施例 2の lOOkWピアス式電子銃の真空排気系統図である。なお、 本実施例は差動排気孔に差動排気筒を設置している。
[図 4]本発明の実施例 2の lOOkWピアス式電子銃の断面図である。熱電対 R1〜R6 の設置位置を示す。
[図 5]ピアス式電子銃の原理図である。 電子ビームの放出原理を示す。加熱した力 ソード 37から熱電子を放出し、力ソード 37及びゥェネルト 38とアノード 39で形成され た電界により、電子の引出しと集束を行う。従って力ソード 37、ゥエネルト 38、アノード
39の寸法 '位置がビーム形成に重要である。アノード 39を通過した電子ビームは、 集束コイル 40、揺動コイル 41、電子ビーム偏向装置 20により、電子ビームが散逸し なレ、ように制御され、必要なハース 4上の材料 11に照射される。
[図 6]本発明による照射室圧力とフローレジスターの温度のグラフである。ターボ分子 ポンプ 51 (図 1)の回転数制御を行った場合、照射室側の圧力が変わっても、ビーム 集束状態が一定でフローレジスター 43の温度が一定であることが分る。
[図 7]本発明によるビーム電流とフローレジスターの温度のグラフである。ターボ分子 ポンプ 51 (図 1)の回転数制御を行った場合、ビーム電流を変えても、ビーム集束状 態が一定でフローレジスターの温度はほぼ一定である。
[図 8]比較のためのビーム電流とアノード及びフローレジスターの温度のグラフである 。ターボ分子ポンプ 51 (図 1)の回転数制御を行わない場合の図である。フローレジ スター温度がビーム電流の増加に伴!/、減少してレ、る。
[図 9]MgO蒸着装置の模式図である。 この例では、 4台のリングノヽース 4に対し、 4 台のピアス式電子銃 3が配置されている。リングノ、ース上の 2点の照射点 Pに対し、電 子ビームを偏向コイルの制御によって交互に照射するジヤンビング制御を行っている 。 なお、図中の矢印はガラス基板 10の進行方向を表す。また、ガラス基板 10の下 方に位置するものは、破線で表した。
園 10]巻取式蒸着装置の模式図である。ピアス式電子銃 3から電子ビームを蒸着材 料容器 104内の蒸着材料に照射して蒸発させる。巻出しリール 108から送り出された テープ基材 110が主ローラ 107に巻回すると下方に配置した蒸着材料容器 104から 蒸発した材料の蒸気に晒されてその表面に成膜される。この成膜されたテープ基材 を巻取りリール 109に巻き取る。このようにして連続的に成膜を行う装置である。 園 11]空間電荷効果による円筒電子ビーム直径の増大を説明する図である。 Aは 集束コイルの発生する磁界の様子を示す。 Bは電子ビーム直径を示す。 空間電荷 効果の割合が増すと、ビーム径は広がる。
園 12]蒸着圧力と成膜レートの関係を説明する図である。 この例の場合、蒸着圧力 1. 0E— 02Paで成膜レートが最も高くなつている。蒸着圧力 3. 0E— 03Paでは、空 間電荷効果の影響を受けて電子ビーム直径が拡がり、パワー密度が低下し、蒸着材 料に届く量が減少し、成膜レートが下がっている。また、 3. OE— 02Paでは雰囲気粒 子が増すために、電子ビームや蒸発した材料との衝突が生じ、成膜レートが下がって いる。
園 13]電子銃内部のビーム広がりの様子を説明する図である。 なお、差動排気孔 に圧力調整の補助部材である開口絞り 44bを設置した。
[図 14]従来のインライン式電子ビーム蒸着装置の制御方法の例である。 リングハー ス 4の近くにモニタ一片 XR1、 XR2、 XR3、 XL1、 XL2、 XL3を設け、ビーム電流及 びまたは集束コイル電流にフィードバックして安定化を図ったものである。なお、一台 のピアス式電子銃 3で電子ビームにより、リングハース上の溝部 4aに入れた材料上の 照射点 PR1、 PR2をジヤンビング制御して交互に加熱する。図中では一方を実線、 他方を破線にてジヤンビング制御の様子を示している。
[図 15]電子ビーム蒸着装置の模式図である。 Aが 2室の場合、 Bが 3室の場合である
〇
符号の説明
1 MgO蒸着装置
2 照射室 (蒸着室）
3 ピアス式電子銃
4 リングハース (蒸着材料容器）
4a 溝部
6 ピアス式電子銃
10 ガラス基板
11 材料 (MgO)
20 電子ビーム偏向装置
30 電子銃本体（筐体）
31 力ソード室
32 中間室
33 揺動室
34 排気口
36 フィラメント
37 力ソード
38 ゥエネルト
39 アノード
40 集束コイル
41 揺動コイル
42 ィ才ンコレクタ
43 フローレジスター a 差動排気筒
b 開口絞り
第 1集束コイル (第 1レンズ) 第 2集束コイル（第 2レンズ) 真空排気系
' 差動排気系
、 51 ターボ分子ポンプ 、 53、 54 ポンプ
、 56、 57 ノ ノレフ、'
電子銃本体（筐体） 力ソード室
中間室
揺動室
、 65 排気口
フィラメント
力ソード
ゥエネルト
アノード
揺動コイル
ィ才ンコレクタ
a, 73b フローレジスターa, 74b リング
第 1集束コイル
第 2集束コイル
、 82 電子ビーム蒸着装置 仕込/取出室
仕込室
取出室 94—96 扉
97〜99 ノ ノレフ、'
101 巻取式蒸着装置
102 照射室
104 蒸着材料容器 (るつぼ）
107 主ローラ
108 巻出しリール
109 巻取りリール
110 テープ基材
111 蒸着材料 (金属）
112 ガイドロール
120 インライン式電子ビーム蒸着装置、
F 電子ビーム
PG 圧力計
IG 圧力計
Rl〜R6 熱電対（抵抗温度センサ）、
P，P1，P2 電子ビーム照射点 (蒸発ポイント）、
PR1、 PR2 電子ビーム照射点 (蒸発ポイント）
XR1、 XR2、 XR3、 XL1、 XL2、 XL3 モニタ一片
発明を実施するための最良の形態
[0026] 以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に 説明する。図 1に本発明の実施の形態の 30kWピアス式電子銃の真空排気系統図 を示す。図 2に 30kWピアス式電子銃の断面図を示す。図 3に lOOkWピアス式電子 銃の真空系統図を示す。図 4に lOOkWピアス式電子銃の断面図を示す。図 5にピア ス式電子銃の原理図を示す。
[0027] 図 1と図 5を用いて、出力 30kWのピアス式電子銃 3の代表的な構造及び各部の機 能について説明する。 30kWピアス式電子銃の主要な構成要素はフィラメント 36、力 ソード 37、ゥエネノレト（Wehnelt) 38、アノード 39、集束コィノレ 40、揺動コィノレ 41、ィ オンコレクタ 42 (図 5)、フローレジスター 43、本体（筐体） 30及び真空排気系 49 (図 1)である。夫々の機能については次の通りである。
[0028] 図 5に示すように、フィラメント 36は、交流電流を流し、ジュール熱で発熱し、熱電子 を放出する。力ソード 37は、フィラメント 36に対し正の電圧を印加することによりフイラ メント 36で発生し、加速された電子を受けることで加熱され、熱電子を放出する。ゥェ ネル HWehnelt) 38はフォーカス電極とも呼ばれ、力ソード 37と同電位で、アノード 39との間に電子がアノード 39の中心に向力、うような電界を形成し、効率よく電子ビー ムを発生させる。アノード 39は力ソード 37に対して正の電位にあり、力ソード 37で発 生した熱電子を加速する。通常アノード 39はグランド電位に置くので力ソード 37には 負の電圧を印加している。中心にある孔を電子ビームが通過する。
[0029] 集束コイル 40は集束レンズまたは単にレンズと呼ぶこともある。発生する磁場により 、アノード 39を通過した電子ビーム Fをハース 4の材料 11上に集束させる。電子ビー ム Fとの衝突などで発生したイオンはアノード 39と力ソード 37の電圧で加速され、カソ ード 37をスパッタして孔ができる。イオンコレクタ 42は、長時間の使用により孔がカソ ード 37を貫通した時に、イオンビームを受け止め、電子銃本体にダメージが生じない ようにする。フローレジスター 43は、コンダクタンスを小さくし、力ソード室（ビーム発生 部内） 31の圧力を低く保つ。
[0030] また、図 3、図 4に示すように、通常出力 60kW以上のピアス式電子銃は、前記に加 え第 2集束コイル 46、 76、第 2フローレジスター 73b (図 4)及び差動排気系 49' (図 3 )を持つ。これは主に次の理由による。一般的なピアス式電子銃の電子放出源は間 接加熱式のタングステン製力ソードを使用する。力ソード表面からの単位面積あたり の熱電子放出量は、温度により決まる。一方、真空中での使用のため最高使用温度 に制限がある。このため、大きなビーム電流をうるためには大きな直径の力ソードが必 要になる。それに伴って、アノードの孔の直径及びフローレジスターの孔の直径は大 きくなる。このためコンダクタンスが大きくなり照射室との差圧を確保するために第 2排 気系が必要になる。
[0031] (実施例 1) まず、 30kWピアス式電子銃の実施例について説明する。図 2に示すように、カソー ド室 31のアノード 39及び揺動室 32のフローレジスター 43に直接熱電対 Rl、 R2を 取り付ける。また、図 1に示すように、真空排気系 49には仕切りバルブ 56を介し排気 速度 800リットル/秒のターボ分子ポンプ 51を取り付けた。このターボ分子ポンプ 51 は、回転数制御（回転数を制御して排気速度を変えること）が出来るポンプを使用し た。実施例では図 2の熱電対 R2で得たフローレジスター 43の温度をターボ分子ポン プ 51の回転数にフィードバックした。図 6及び図 7に結果を示す。照射室 2側の圧力 が変わっても、ビーム集束状態が一定でフローレジスター 43の温度が一定であること が分る（図 6)。また、ビーム電流を変えても、ビーム集束状態が一定でフローレジスタ 一 43の温度はほぼ一定である（図 7)。
[0032] 比較のために、フィードバックが無い場合のビーム電流とアノード 39及びフローレジ スター 43の温度測定結果を図 8に示す。アノード 39の温度は、ビーム電流を増加さ せても一定であるのに対し、フローレジスター 43の温度は低下する傾向にある。これ は、空間電荷中和作用によりビームが絞れたためである。つまり、フィードバックが無 V、ため、電子銃内部でのビーム直径が変化したことを示して!/、る。
[0033] 以上述べたように、本願発明によれば、良好な制御が可能となることが分る。
[0034] (実施例 2)
次に、第 2集束コイル、第 2フローレジスター及び差動排気系を持つ lOOkW電子 銃への実施例を図 3、 4および 13を用いて説明する。なお、図 4において図示しない 真空排気系と差動排気系は、排気口 64と排気口 65にそれぞれ接続されるものとす
[0035] 熱電対での温度測定位置は図 4の中間室 62の第 1フローレジスター 73aの出口側 に設けたリング 74aの熱電対 R4または第 2フローレジスター 73bの入口に設けたリン グ 74bの熱電対 R5が望ましい。あるいは第 1フローレジスター 73aの熱電対 R2また は第 2フローレジスター 73bの熱電対 R6でもよい。なお、リング 74a、 74bはフローレ ジスターに設けた圧力調整用の補助部材である。また、図 3の差動排気筒 44aおよ び図 13の開口絞り 44bは中間室 32に設けた圧力調整用の補助部材である。
[0036] 以上の構成により、前記実施例 1と同様の効果が得られた。 [0037] 以上、本発明の実施の形態について説明した力 S、勿論、本発明はこれらに限定さ れることなぐ本発明の技術思想に基づいて種々の変更が可能である。
例えば、本発明は他の構成の真空装置に適用することも可能である。また、他の電 子ビーム安定化手段と組合せて使用してもよい。
[0038] また、実施例では電子銃内部の圧力制御に回転数をコントロールして排気速度が 可変できるターボ分子ポンプ 50、 51を使用した力 コンダクタンスバルブ 56 (図 1及 び図 3)を制御してもよい。コンダクタンスの制御方法は通常使われるバタフライ型、 ゲート型および虹彩型（カメラの絞りタイプ）などのコンダクタンスバルブがある。
[0039] また、プロセス上 Ar等の不活性ガスが全く問題ない場合は、電子銃内部の温度測 定結果をガス流量にフィードバックしてもょレ、。電子銃内部の温度測定結果をガス流 量にフィードバックする方法、コンダクタンスへのフィードバックする方法、空間電荷中 和ガス導入量のフィードバックする方法、照射室 2内圧力及び電子銃内部の圧力と 温度測定結果のフィードバックする方法等の複数の方法を組合せれば非常に安定 な蒸発システムを供給することが出来る。
[0040] また、照射室 2内での空間電荷に加え雰囲気粒子との衝突による電子の広がりをも 考慮し、単に温度一定ではなぐ照射室 2内で最適な電子ビーム照射量が得られる よう、照射室 2内の圧力に対応したビーム絞りになるようにプリセットした適切な温度に コントロールしてもよい。例えば、図 12に示す成膜例のように、蒸着圧力 1 · 0E-02 Paで成膜レートが最も高くなつている。蒸着圧力 3. OE— 03Paでは、空間電荷効果 の影響を受けて電子ビーム直径が拡がりパワー密度が低下し、成膜レートが下がつ ている。一方、 3.0E— 02Paでは雰囲気粒子が増すために、電子ビームや蒸発した 材料との衝突が生じ、成膜レートが下がっている。このときの電子ビーム照射量にお いては、蒸着圧力 1. 0E— 02Paが適当であることを示している。
[0041] また、実施例に示した方法に加えて、直接電子ビーム直径をモニターする方法及 び電気的にビーム状態をモニターする方法を併用すればさらに効果的である。
[0042] また、本発明は MgO蒸着に限らず、ピアス式電子銃を使用する蒸着装置に適用で きる。
[0043] また、実施例のインライン式電子ビーム蒸着装置では蒸着材料を入れる容器をリン グハースとしたが、るつぼでも良い。
さらに、本発明は MgO被膜の形成方法のほか、 SiO被膜や TiO被膜などの金属 酸化物被膜を形成するための方法としても採用することができる。また本発明の蒸着 被膜の形成方法は、 A1被膜などの金属被膜を形成するための方法としても採用する こと力 Sでさる。

Claims

請求の範囲
[I] ピアス式電子銃の内部の温度を直接測定することを特徴とするピアス式電子銃の 制御方法。
[2] 前記直接測定に熱電対を使用することを特徴とする請求の範囲第 1項に記載のピ ァス式電子銃の制御方法。
[3] 前記直接測定する場所が、アノード、フローレジスターであることを特徴とする請求 の範囲第 1項に記載のピアス式電子銃の制御方法。
[4] 前記直接測定する場所が、力ソード室、中間室、揺動室のいずれかの出口または 入口に設けたリング、絞り、排気筒のいずれかであることを特徴とする請求の範囲第 1 項に記載のピアス式電子銃の制御方法。
[5] 前記ピアス式電子銃の内部の温度の測定結果を真空排気系の排気速度にフィー ドバックすることを特徴とする請求の範囲第 1項に記載のピアス式電子銃の制御方法
[6] 前記排気速度へのフィードバックが、真空排気系内に設けた開口絞りの開度により 行うことを特徴とする請求の範囲第 5項に記載のピアス式電子銃の制御方法。
[7] 前記排気速度へのフィードバックが、真空排気系のポンプの回転数を変えることに より行うことを特徴とする請求の範囲第 5項に記載のピアス式電子銃の制御方法。
[8] 前記排気速度へのフィードバックが、真空排気系のガス流量を変えることにより行う ことを特徴とする請求の範囲第 5項に記載のピアス式電子銃の制御方法。
[9] 前記ピアス式電子銃が 2式以上の集束コイルを持つ電子銃であり、前段の集束コィ ノレから次段のコイルへ電子ビームが略平行に入射するように制御することを特徴とす る請求の範囲第 1項に記載のピアス式電子銃の制御方法。
[10] ピアス式電子銃の内部の温度を直接測定する手段を有することを特徴とするピアス 式電子銃の制御装置。
[I I] 前記直接測定する手段が熱電対であることを特徴とする請求の範囲第 10項に記 載のピアス式電子銃の制御装置。
[12] 前記直接測定する手段を設ける場所が、アノード、フローレジスターであることを特 徴とする請求の範囲第 10項に記載のピアス式電子銃の制御装置。
[13] 前記直接測定する手段を設ける場所が、力ソード室、中間室、揺動室のいずれか の出口または入口に設けたリング、絞り、排気筒のいずれかであることを特徴とする 請求の範囲第 10項に記載のピアス式電子銃の制御装置。
[14] 前記ピアス式電子銃の内部の温度の測定結果を真空排気系の排気速度にフィー ドバックする手段を有することを特徴とする請求の範囲第 10項に記載のピアス式電 子銃の制御装置。
[15] 前記排気速度へのフィードバックする手段が、真空排気系内に設けた開口絞りの 開度を変える手段であることを特徴とする請求の範囲第 14項に記載のピアス式電子 銃の制御装置。
[16] 前記排気速度へのフィードバックする手段が、真空排気系のポンプの回転数を変 える手段であることを特徴とする請求の範囲第 14項に記載のピアス式電子銃の制御 装置。
[17] 前記排気速度へのフィードバックする手段が、真空排気系のガス流量を変える手段 であることを特徴とする請求の範囲第 14項に記載のピアス式電子銃の制御装置。
[18] 前記ピアス式電子銃が 2式以上の集束コイルを持つ電子銃であり、前段の集束コィ ノレから次段のコイルへ電子ビームが略平行に入射するように制御する手段を有する ことを特徴とする請求の範囲第 10項に記載のピアス式電子銃の制御装置。
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