JP2011119140A

JP2011119140A - 電子ビーム装置

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Publication number: JP2011119140A
Application number: JP2009276080A
Authority: JP
Inventors: Shigeki Maekawa; 川茂樹前
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 2009-12-04
Filing date: 2009-12-04
Publication date: 2011-06-16

Abstract

【課題】カソードの消耗を抑制し、寿命を延ばす。
【解決手段】中央部が空けられたフィラメント６０´（カソード）、グリッド７及びアノード８を有する電子銃５からの電子ビームを蒸発物質３に当て、蒸発粒子を基板上に膜状に付着させる様に成した電子ビーム蒸着装置であって、電子銃５の中心軸Ｏ′上に、その先端面が、アノード８から見て、フィラメント６０´（カソード）の中央部空間内に位置する様にイオンコレクタ２０を設け、更に、アノード８から見てフィラメント６０´（カソード）側とは反対側に金属板２１を設け、スパッタリングによって生じたイオンコレクタ２０からのチタン粒子を金属板２１上に堆積させ、電子銃５周辺内の酸素ガスを堆積したチタンに吸着させる様に成した。
【選択図】図４

Description

本発明は、カソードの消耗を抑制し、寿命を延ばすことの可能な電子ビーム装置に関する。

電子ビーム装置として、坩堝中に収容された物質に当てることにより物質を蒸発させ、蒸発粒子を基板上に付着等させたり、或いは、加速した電子ビームをターゲットに衝突させることにより、ターゲットに溶接等の加工を行ったりする装置がある。

図１は、このような電子ビーム装置の一例として、電子ビーム蒸発装置の概略を示したもので、図２は図１のＡ−Ａ線断面である。

図１において、図中１Ａ，１Ｂは、永久磁石２を挟んで平行に配置された磁極板で、前記永久磁石２によりＮ極とＳ極に励磁されている。該磁極板間には、蒸発物質３が収容された坩堝４が設けられている。該坩堝の下には、電子銃５が設けられている。

該電子銃は、カソードとしてのフィラメント６，グリッド７及びアノード８から成る。９はフィラメント加熱電源、１０は加速電源である。尚、１１はグリッド支持板で、前記フィラメント６は該グリッド支持板に取り付けられている。

１３は環状鉄心にＸ方向走査用偏向コイルとＹ方向走査用偏向コイルが巻かれた走査用電磁コイル体で、前記電子銃５からの電子ビームの通路上に配置されている。尚、前記走査用電磁コイル体１３は、例えば、前記磁極１Ａ，１Ｂの間で前記坩堝４の近くに取り付けられた非磁性製のホルダー（図示せず）によって支持されている。１４は該走査用電磁コイル体１３に走査用の電流を流すための走査用電源である。

この様な電子ビーム蒸着装置において、前記電子銃５のフィラメント６から発生された電子ビームは前記グリッド７により集束作用を受けつつ前記アノード８によって加速され、前記磁極１Ａ，１Ｂが作る磁場により２７０°前後曲げられ前記坩堝４内に収容された蒸発物質３に照射される。その際、前記電子銃５からの電子ビームは前記走査用電磁コイル体１３が作る二次元方向走査用磁場を通過するので、該電子ビームは前記蒸発物質３上を二次元方向に走査することになる。この結果、該蒸発物質は、電子ビームにより加熱されて蒸発し、その蒸発粒子が、例えば、前記坩堝４上方に配置された基板（図示せず）上に膜状に付着する。

さて、この様に電子照射により蒸発物質３を蒸発させる電子銃５のフィラメント６としては、一般に低電圧で大電力のビーム（ビーム電流の大きいビーム）が得られる様に、大きいものが使用されている。例えば、図３（ａ）に示す様な渦巻き状のものが用いられる。

所で、電子ビーム照射による蒸発物質３の蒸発時、蒸気の一部が電子ビームの衝撃によりイオン化する。通常、蒸発物質は金属なので、これらのイオンは正イオンである。これらの正イオンは、前記フィラメント６から前記坩堝４内の蒸発物質３の間の電子ビームの偏向軌道（実質的に導体となっている）１５の中心軸Ｏに沿って負の電位のフィラメント６に向かう。そして、これらの正イオンは、前記フィラメント６の中心部分に当たり、該部分をスパッタしてしまう。

その為に、該部分が徐々に細くなるので該部分に過大なジュール熱が生じ、やがて断線してしまい、フィラメントを新しいものに交換しなければならない。
この様な溶断が蒸着操作中に起こると、その蒸着膜は不良品となるばかりではなく、この様な溶断によるフィラメント交換は経済的にも操作的にも著しく不利である。まして、この様な溶断が短時間で起こると、極めて大きな問題となる。

そこで、例えば、図３（ｂ）に示す様に、中心部分（前記図３のＫに当たる部分）の空いたフィラメント６０や、図３（ｃ）に示す様なコイル状フィラメントを環状に形成したもの６００を使用すれば、この様な問題を解決することが出来る。

特許第３８１４１１４号公報

さて、基板上に、例えば、酸化物の如き化合物の膜を付着させる場合、前記坩堝４，電子銃５，及び基板（図示せず）等が収まっている真空チャンバー内にプロセスガスとして酸素ガスを大量に供給している。

この様な酸素ガスは当然の事ながら、前記電子銃５のフィラメント６周辺にも入り込むので、該フィラメントは、該ガスと化学反応を起こし、該フィラメント表面上に蒸気圧の高い酸化物が生成され、該酸化物の蒸発により、該フィラメントの電子放出面を含む部分（いわゆる電子放出部）が消耗し短時間に該フイラメント自身が断線してしまう。

従って、前記問題を解決する為に、フィラメントとして、図３（ａ）に示す如き中心部分の空いた渦巻き状のもの、或いは、図３（ｂ）に示す如きコイル状フィラメントを環状に形成したものを用いたとしても、基板上に酸化物の如き化合物の膜を付着させる場合には、電子放出部の消耗によるフィラメント自身の短時間での断線が避けられない。

本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、カソードの消耗を抑制し、寿命を延ばすことの可能な電子ビーム装置を提供することを目的とする。

本発明の電子ビーム装置は、中央の空間部を囲むように電子放出部が配置されるカソードと、カソードから発生する電子を通過させる開口部を有し、前記カソードと対向配置させるグリッドと、該グリッドを通過した電子を通過させる開口部を有し、前記グリッドと対向配置させるアノードと、前記グリッドの開口部を通過して前記カソードに向けて飛行するイオンが衝撃するように前記カソードの空間部内又は前記カソードと前記グリッドとの間又は前記アノードから見て前記空間部の後ろ側に先端面を配置させた金属部材を設けたことを特徴とする。

本発明によれば、電子銃のカソードの周辺に存在するプロセスガスを減少させることができ、該カソードの酸化に基づく消耗の進行を著しく抑えることが出来るので、カソードの寿命を著しく長くすることが出来る。

電子ビーム装置の一例として、電子ビーム蒸着装置の概略を示したものである。図１のＡ−Ａ線断面図である。フィラメントの概略例を示したものである。本発明の電子ビーム装置の一例である電子ビーム蒸着装置の概略を示したものである。本発明の動作の説明に使用した図である。

以下に図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図４は本発明の電子ビーム装置の一例である電子ビーム蒸着装置の概略を示したものである。図中、図２で使用した記号と同一記号を付したものは同一の構成要素を示す。

尚、本例では、カソードとして、図３（ｂ）に示す如き中心部分の空いた渦巻き状のフィラメント６０、或いは、図３（ｃ）に示す様なコイル状フィラメントを環状に形成したもの６００が使用されているが、フィラメントに限らず、板状、或いは棒状の発熱体で中央部分に発熱体が存在しない形状であれば、各種カソードを用いることができる。

図中２０は、電子ビームの偏向軌道１５の中心軸Ｏの内、前記アノード８の中心孔，グリッド７の中心孔及び前記フィラメント６０’の中心部空間における部分（電子銃中心軸と称す）Ｏ′上に位置し、その先端面が前記フィラメント６０’の中心部空間内に位置する様に、前記グリッド支持板１１に取り付けられた円柱形状のイオンコレクタである。

該イオンコレクタは、ゲッター作用の強い金属材料、例えばチタンで作成されている。

図中２１は、前記アノード８から見て前記イオンコレクタ２０とは反対側の電子銃中心軸Ｏ′延長線上に配置された金属板（例えばステンレス銅の如き非磁性，耐熱性及び耐酸化性を満足する金属で出来ている）で、該金属板は接地されている。

この様な電子ビーム蒸着装置において、基板上に、例えば、酸化物の如き化合物の膜を付着させる場合、前記坩堝４，電子銃５，及び基板（図示せず）等が収まっている真空チャンバー内にプロセスガスとして酸素ガスを供給する。

この様な状況において、前記電子銃５のフィラメント６から発生された電子ビームは前記グリッド７により集束作用を受けつつ前記アノード８によって加速され、前記磁極１Ａ，１Ｂが作る磁場により２７０°前後曲げられ前記坩堝４内に収容された蒸発物質３に照射される。その際、前記電子銃５からの電子ビームは前記走査用電磁コイル体１３が作る二次元方向走査用磁場を通過するので、該電子ビームは前記蒸発物質３上を二次元方向に走査することになる。この結果、該蒸発物質は、電子ビームにより加熱されて蒸発し、その蒸発粒子が、前記酸素ガスと反応し、例えば、前記坩堝４上方に配置された基板（図示せず）上に酸素化合物が膜状に付着する。

尚、実際にこの様な酸素化合物の成膜を行う場合には、例えば、基板（図示せず）と前記坩堝４との間に高周波電力が印加された高周波コイルを配置し、該高周波コイル周辺部に発生している高周波電界により前記蒸発粒子と酸素粒子のプラズマを生成し、前記基板上に酸化物の膜を形成している。この様に、プラズマ生成した状態で基板上に成膜を行うと、緻密で基板との密着性が高い良質の酸化物膜が形成出来る。

さて、この様な酸化物の膜形成において、前記真空チャンバー内に供給されている酸素ガスは前記電子銃５のフィラメント６０’の周辺にも入り込んでいる。

この時、電子ビーム照射による蒸発物質３の蒸発時、蒸気の一部が電子ビームの衝撃によりイオン化（正イオン化）し、該正イオンは、前記フィラメント６０’から電子ビームの偏向軌道１５の中心軸Ｏに沿って負電位のフィラメント６０’に向かい、該フィラメントの中心空間部を通って前記イオンコレクタ２０の先端面に当たり、該先端面をスパッタする。

すると、該イオンコレクタの先端面からチタン粒子が飛び出し、該チタン粒子は、グリッド７表面上に到達したり、アノード８表面上に到達したり、或いは電子銃中心軸Ｏ′に沿って前記フィラメントの中心部空間，グリッドの中心孔，アノード８の中心孔の順に通過して前記金属板２１表面上に到達したりして、前記グリッド７のフィラメント側の表面上と前記アノード８のフィラメント側の表面上と前記金属板２１表面上にチタンの堆積層ＴＤＬが形成される。

そして、該各チタン堆積層ＴＤＬの表面では、チタンの持つゲッター作用（ガスを化学的に吸着する作用）により、前記フィラメント６０’を含むグリッド７及びアノード８周辺に存在する酸素ガスが該チタンと反応して化合物（例えばＴｉＯ_２）が生成され、前記チタン堆積層ＴＤＬに吸着される。

この様に、前記電子銃５周辺に存在する酸素ガスがチタン堆積層ＴＤＬに吸着されるので、前記フィラメント６０’周辺の酸素ガス濃度が著しく希薄になり、その結果、該フィラメントと酸素ガスとの化学反応が著しく抑制され、該フィラメントの電子放出部の酸化による消耗が抑制される。

尚、前記イオンコレクタ２０の先端面をスパッタするものとして、前記蒸発物質３の蒸発粒子がイオン化したものの他に、電子銃５周辺に残留するガスが前記フィラメント６０’からの電子衝撃によりイオン化したものがある。

又、前記実施例では、本発明をフィラメント周辺に存在する酸素によるフィラメントの酸化を抑制する場合について応用した例を示したが、真空チャンバー内にプラズマを発生させるためのアルゴン等の不活性ガスや酸素以外の反応性ガスを導入している場合で、該ガスが電子銃の周辺に入り込み、高電界が掛かっている電子銃のアノードとグリッド間にアーク放電を発生させる恐れがある場合に、該不活性ガスや反応性ガスを前記グリッド７表面と前記アノード８表面と前記金属板２１表面に形成された各チタン堆積層ＴＤＬ内に捕捉させ、局所的にガス圧を下げることにより前記放電を抑制する場合にも応用可能である。

又、前記例では、イオンコレクタ２０の素材としてチタンを用いた場合を説明したが、ゲッター作用が強いゲッター材料である、チタンを主成分とする合金、タンタル、タンタルを主成分とする合金、ジルコニウム、ジルコニウムを主成分とする合金、バリウム、バリウムを主成分とする合金、マグネシウム、マグネシウムを主成分とする合金等を用いても良い。

又、前記例では、イオンコレクタ２０の先端面がフィラメント６０’の中心部空間内に位置する様にイオンコレクタ２０をグリッド支持板１１に取り付けたが、先端面が該フィラメントの中心部空間より該グリッド支持板側に位置する様に該グリッド支持板に取り付けても良いし、先端面が該フィラメントの中心部空間よりグリッド７側に位置する様に該グリッド支持板に取り付けても良い。但し、グリッド側に位置する様に取り付ける場合には、前記フィラメント６０’からの電子のグリッド７による集束性が低下するので、該低下分を補うために、該グリッドの電位を該フィラメントの電位より低くする必要がある。
又、前記例では、前記イオンコレクタ２０とは反対側の電子銃中心軸O’の延長上に前記金属板２１を配置させた実施例を挙げて説明したが、この金属板２１の代わりに、電子ビーム蒸着装置内の内壁（金属）を利用しても良い。

１Ａ，１Ｂ・・・磁極板
２・・・永久磁石
３・・・蒸発物質
４・・・坩堝
５・・・電子銃
６，６０，６０’，６００・・・フィラメント
７・・・グリッド
８・・・アノード
９・・・フィラメント加熱電源
１０・・・加速電源
１１・・・グリッド支持板
１３・・・走査用電磁コイル体
１４・・・走査用電源
１５・・・電子ビームの偏向軌道
２０・・・イオンコレクタ
２１・・・金属板
Ｏ・・・電子ビーム偏向軌道の中心軸
Ｏ’・・・電子銃中心軸

Claims

中央の空間部を囲むように電子放出部が配置されるカソードと、カソードから発生する電子を通過させる開口部を有し、前記カソードと対向配置させるグリッドと、該グリッドを通過した電子を通過させる開口部を有し、前記グリッドと対向配置させるアノードと、前記グリッドの開口部を通過して前記カソードに向けて飛行するイオンが衝撃するように前記カソードの空間部内又は前記カソードと前記グリッドとの間又は前記アノードから見て前記空間部の後ろ側に先端面を配置させた金属部材を設けたことを特徴とする電子ビーム装置。
前記金属部材はゲッター作用の大きな金属から成ることを特徴とする請求項１記載の電子ビーム装置。
前記金属部材はチタン若しくはチタンを主成分とする合金若しくはタンタル若しくはタンタルを主成分とする合金若しくジルコニウム若しくはジルコニウムを主成分とする合金若しくはバリウム若しくはバリウムを主成分とする合金若しくはマグネシウム若しくはマグネシウムを主成分とする合金であることを特徴とする請求項２記載の電子ビーム装置。