JP5159724B2 - 電子銃、電子銃を用いた真空処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、高出力電子銃におけるカソード電極位置のズレ、カソード電極保持ピンの変形を防ぐことを目的としたカソード電極保持リングに関するものである。

電子銃（電子ビーム銃）は、主に真空蒸着や金属の溶解精製に用いられている。
電子銃は、フィラメント、カソード電極、アノード電極により形成される。
電子銃は真空槽内で用いられ、カソード電極は、フィラメントによって加熱され、カソード電極から電子が放出される。放出された電子は、ウェネルト電極により狭められ、アノード電極とカソード電極の電位差により引き出され加速し、アノード電極の開口から放出され、真空槽内へ照射される。

カソード電極は、ピンを介して保持リングによって保持されている。
従来は、カソード電極とピンはタングステンであり、保持リングには、モリブデン、又はタングステンが用いられている。
保持リングがモリブデンの場合は、電子銃を用いて複数回、真空処理を行うと、カソード電極からの熱伝導や輻射により保持リングのピンと接触する部分が固着する現象が起きる。また、保持リングがタングステンの場合は、真空処理を複数回行い、高温と低温を繰り返すと、ピンと保持リングが熱膨張により変形し、ピンが保持リングから抜けなくなる現象が起こる。更に加熱を行うことで、カソード電極の位置ずれが起こる。
そのためカソード電極やピンと共に保持リングも消耗品として使用されている。

特開２００５−２６８１７７号公報

シリコン精製に使用される電子銃において、処理能力を上げることを目的として、カソード電極からの電子放出量を増加することが要求されている。カソード電極から必要な電子量を放出させる為には、フィラメントによるカソード電極加熱時の温度を上げることが必要となるが、カソード電極が高温になった際、輻射、熱伝導によってカソード電極を保持するための周辺構造物も高温にさらされることとなる。

高温にさらされたピンはカソード電極、カソード電極保持リングと固着し、固着した部分はカソード電極ピンの変形に伴う、カソード電極の位置ズレ等の問題を引き起こす。
本発明は、上記固着を防ぐことで、高出力式電子銃、または高出力電子銃を搭載した装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明は、リング状の保持部材と、電子を放出するカソード電極と、前記カソード電極を加熱する加熱装置と、前記保持部材と前記カソード電極を電気的に接続する三個以上のピンとを有し、前記カソード電極は、前記ピンを介して、前記保持部材に保持される電子銃であって、前記保持部材の前記ピンと接触する保持側接触面には、炭素、又はタンタルカーバイトが露出された電子銃である。
また、本発明は、前記保持部材には保持側孔が三個以上設けられ、前記保持側孔の内周側面が前記保持側接触面にされ、前記保持側孔の前記ピンが前記保持側孔にそれぞれ嵌入されて前記カソード電極が前記保持部材に保持された電子銃である。
また、本発明は、前記保持部材は、炭素、又はタンタルカーバイトで構成された電子銃である。
また、本発明は、前記保持部材は、タンタルから成る芯材の少なくとも一部表面にタンタルカーバイト膜が形成され、前記タンタルカーバイト膜の表面が前記保持側接触面とされ、前記保持側接触面にはタンタルカーバイトが露出された電子銃である。
また、本発明は、前記ピンと前記カソード電極は、タングステンで形成された電子銃である。
また、本発明は、真空槽と真空ポンプと、上記いずれかの電子銃を有し、前記電子銃は、前記真空槽内部に電子を放出するように構成され、処理対象物の処理を前記真空槽内で行う真空処理装置である。

本発明により、カソード電極を保持するためのピンとカソード電極保持リングの固着やピンとカソード電極保持リングとの接触部分の摩擦によりピンが抜けなくなる現象を防ぐことが可能となり、カソード電極温度の上昇に耐えることが可能となる。
また、カソード電極温度の上昇に伴い、カソード電極からの電流放出量を増加させて高出力電子銃として使用することが可能となる。

本発明の電子銃を用いた真空処理装置を説明するための図 本発明の電子銃の断面図 （ａ）：カソード電極の平面図（ｂ）：カソード電極のＡ−Ａ’線截断断面図 （ａ）：保持部材の平面図（ｂ）：保持部材の拡大斜視図 保持側接触面に膜が形成されて成る保持部材の拡大斜視図

図１の符号５０は本発明の電子銃を用いる真空処理装置である。
真空処理装置５０は真空槽２５と電子銃１０を有している。真空槽２５には、真空ポンプ３９が接続され、真空ポンプ３９を動作させると真空槽２５内を真空雰囲気にすることができる。
電子銃１０は、真空槽２５の側面に気密に挿通されている。

真空槽２５の底部には、蒸着材料３５が、るつぼ３６に入れられて配置され、基板３０の表面と蒸発源の表面が向かい合って位置している。真空槽２５とるつぼ３６は接地電位に接続されている。
電子銃１０の銃口は蒸着材料３５に向けられている。
上記電子銃１０を詳述する。図２は、電子銃の断面図である。

電子銃１０は筺体１１を有しており、筺体１１の内部には、カソード部材３１と、発熱装置３２と、アノード電極３が配置されている。
カソード部材３１は、カソード電極１と、保持部材５とを有している。
カソード電極１は円柱状であり、その外周側面には、三個以上（ここでは四個）の電極側孔６０が形成されている。
保持部材５はリング形状であり、そのリング形状の内周側面にも、電極側孔６０と同数の保持側孔７０が形成されている。

カソード電極１の平面図を図３（ａ）に示し、カソード電極１のＡ−Ａ’線截断断面図を図３（ｂ）に示す。
保持部材５の平面図を図４（ａ）に示し、保持部材５の拡大斜視図を図４（ｂ）に示す。
保持部材５の内周は、カソード電極１の外周よりも大きく形成されており、保持部材５とカソード電極１は、同一平面内で、保持部材５の内周よりも内側にカソード電極１を配置できるように構成されている。

カソード電極１を保持部材５の中央に配置し、位置合わせをすると、電極側孔６０と保持側孔７０は互いに対面する位置にそれぞれ配置することができる。
カソード部材３１は、電極側孔６０の個数、及び、保持側孔７０の個数と同数の直線状のピン１５を有しており、ピン１５の端部の形状・太さは、電極側孔６０や保持側孔７０に嵌り込む大きさになっている。

電極側孔６０と保持側孔７０が互いに対面した状態で、ピン１５の一端が電極側孔６０に嵌り込み、他端が保持側孔７０に嵌り込み、カソード電極１と保持部材５は、ピン１５によって互いに固定されている。
筺体１１の内部には、フィラメント２が配置されている。そのフィラメント２の側方には複数位置に、不図示の支持部が配置されている。

保持部材５は、支持部上に乗せられ、互いに固定された保持部材５とカソード電極１は、支持部によって筺体１１内で静止されている。この状態では、カソード電極１は、カソード電極１と保持部材５とが、直接接触しないようにピン１５を介して保持部材５に保持されている。
フィラメント２は、カソード電極１と、ピン１５と、保持部材５と非接触にされており、電子加速電源２２が短絡電流を流さないようにしている。

カソード電極１が保持部材５に保持された状態では、保持側孔７０の内周面と、ピン１５の一端部の外周面が互いに接触し、電極側孔６０の内周面とピン１５の他端部の外周面とが互いに接触するから、保持側孔７０の内周面を保持側接触面と呼び、電極側孔６０の内周面を電極側接触面と呼ぶと、保持側接触面には炭素又は、タンタルカーバイトのいずれかが露出されている。

炭素が露出される場合、表面に炭素薄膜が形成されている場合と、保持部材５が炭素で形成されている場合とが含まれる。炭素には、グラファイト型、ダイヤモンド型等の結晶型や、無定型の非晶質型とが含まれる。
従って、ピン１５は一端が炭素又はタンタルカーバイトのいずれかと接触しており、他端が電極側接触面に露出する材料に接触してカソード電極１が保持部材５に支持されていることになる。

保持部材５は負電圧電源２０の出力端子に電気的に接続されている。カソード電極１とピン１５と保持部材５は導電性の材質であり、ピン１５の一端と保持側接触面が接触してピン１５と保持部材５が電気的に接続され、ピン１５の他端と電極側接触面が接触し、ピン１５とカソード電極１が電気的に接続されて、負電圧電源２０を起動し出力端子から負電圧を出力すると保持部材５とピン１５とを介してカソード電極１に負電圧が印加されるように構成されている。

カソード電極１の表面に、窪みから成る凹部１６が形成されている。
カソード電極１の裏面には、その裏面から離間した下方位置にフィラメント２が配置されている。
フィラメント２には、加熱電源２１が接続されている。加熱電源２１は、フィラメント２に電流を流し、フィラメント２を所定の温度に発熱させるように構成されており、フィラメント２は、真空中で通電されると、カソード電極１を加熱すると共に、電子を放出する。

フィラメント２には、さらに電子加速電源２２が接続されており、電子加速電源２２を動作させると、フィラメント２には、フィラメント２の電圧がカソード電極１の電圧よりも低くなるように、負の電子加速電圧が印加される。ここでは、フィラメント２には、カソード電極１の電圧より最大１．５ｋＶ低くなるように電圧が印加される。

その状態でフィラメント２から電子が放出されると、電子はカソード電極１へ向かって加速され、カソード電極１に衝突する。この電子のカソード電極１への衝突と、カソード電極１に流れる電流によってカソード電極１が加熱され、昇温する。
カソード電極１の表面には、その表面から離間した上方位置にアノード電極３が配置されている。

アノード電極３は筒状であり、アノード電極３の一方の開口（カソード側開口１８）は、カソード電極１の凹部１６に向けられている。
アノード電極３の他方の開口は、真空槽２５の内部に向けられており、その開口を介して真空槽２５の内部とアノード電極３の内部が接続されている。
アノード電極３は、筺体１１に接続されており、接地電位となっている。

上記電子銃１０を用いた蒸着のプロセスを詳述する。
真空槽２５には、不図示の搬入室と搬出室とが真空バルブを介して接続されている。
真空槽２５と搬入室と搬出室は、真空ポンプにそれぞれ接続されており、真空槽２５内部は真空槽２５に接続された真空ポンプ３９により真空排気され、真空雰囲気に置かれており、真空バルブを開閉し、真空槽２５の真空雰囲気を維持したまま、搬入室を介して基板３０を真空槽２５内に搬入し、基板ホルダ２９に保持させる。

発熱装置３２を起動してカソード電極１を所定の温度（ここでは２８５０Ｋ程度）まで加熱し、カソード電極１を加熱する。所定の温度に加熱後に負電圧電源２０を起動し、アノード電極３とカソード電極１間に電圧を印加すると、アノード電極３とカソード電極１の電位差（ここでは４０ｋＶ）によって、加熱された電子は、カソード電極１の表面から引き出される。

カソード電極１の上方には、リング状のウェネルト電極４が配置されている。
ウェネルト電極４には、負電圧電源２０が接続され、カソード電極１と等電圧が印加されている。
カソード電極１の形状は、円柱であり、表面の中央に外周が円形の窪みから成る凹部１６が形成されている。凹部１６の表面は凹レンズ状である。

ウェネルト電極４は、カソード電極１から放出された電子を収束させ、アノード電極３とカソード電極１の電位差で電子を引き出し、真空槽２５へ放出する。
凹部１６から引き出された電子は、凹部１６表面の形状により筒状のアノード電極３内部で収束するように構成されており、ウェネルト電極４に狭められた電子は、アノード電極３内で収束した後、アノード電極３内を進行し、アノード電極３の真空槽２５側の開口から真空槽２５内へ放出される。

真空槽２５内へ放出された電子は、蒸着材料３５上に照射され、蒸着材料３５を加熱し蒸発させる。蒸発した蒸着材料３５の蒸気は、基板３０の表面に到達し、基板３０の表面に蒸着材料３５からなる薄膜が形成される。基板３０の表面に所定膜厚の薄膜が形成されたら、負電圧電源２０と加熱電源２１の電源を切り、薄膜が形成された基板３０を真空槽２５から搬出室を介して大気雰囲気中へ取出し、一回のプロセスを終える。

保持部材５は、カーボン、グラファイト、又はタンタルカーバイトのいずれか一種で構成され、カソード電極１とピン１５は、タングステンで構成されている。カーボン、グラファイト、とタンタルカーバイトのそれぞれの融点はタングステンの融点より高いので、上記プロセスを行いカソード電極１が所定の温度に加熱され、カソード電極１からの輻射やカソード電極１からピン１５を介した熱伝導によって保持側接触面がタングステンの融点程度の温度に昇温しても溶融されず、ピン１５は固着されない。

カーボン、グラファイト、とタンタルカーバイトのそれぞれとタングステンとの摩擦係数は、タングステンとモリブデンとの摩擦係数やタングステン同士の摩擦係数と比べて小さい。従って、上記プロセスを複数回行い、カソード部材３１が高温と低温に繰り返し成ってピン１５と保持部材５が熱膨張したときに、ピン１５と保持部材５の膨張量の違いによって保持側接触面と接触するピン１５が擦れても、ピン１５が保持部材５から抜けなくなる現象は起こらず、カソード電極１の位置は、ずれない。

上記では、保持部材５は、カーボン、グラファイト、又はタンタルカーバイトのいずれか一種で構成されたが、タンタルから成る芯材の少なくとも一部表面にタンタルカーバイト膜を形成し、タンタルカーバイト膜の表面を保持側接触面として保持部材５を形成し、保持側接触面以外は芯材が露出していてもよい。

図５に、タングステン又はタンタルから成る芯材の表面に保持側孔７０が形成され、保持側孔７０の内周面にカーボン膜、グラファイト膜、又はタンタルカーバイト膜のいずれか一種の膜、又は二種以上の膜７１が形成され、保持側孔７０以外は芯材が露出している保持部材５の拡大斜視図を示す。
また、タンタルから成る芯材の全表面にタンタルカーバイト膜を形成し、タンタルカーバイト膜の表面を保持側接触面として保持部材５を形成してもよい。

保持側接触面にタンタルカーバイトを露出させるには、浸炭と呼ばれる方法で製作する。浸炭では、固体炭素の粉末の中にタンタルから成る保持側孔７０が形成された芯材の全表面を露出させて埋め込む状態で加熱して保持側孔７０の内周面を含む保持部材５の全表面をタンタルカーバイト化する。
上述した保持側孔７０と電極側孔６０は、貫通孔でも有底孔でもよい。

なお、上記実施例の説明では、フィラメント２を鉛直下方、カソード電極１を鉛直上方に配置して説明したが、ピン１５の両端は、電極側孔６０と保持側孔７０にそれぞれ嵌入されており、保持部材５は不図示の支持部に固定されているから、上下逆や、斜傾して配置される場合でも、カソード電極１が保持部材５から脱落しないようになっている。

但し、本発明はピン１５の両端が電極側孔６０と保持側孔７０内に嵌入されている場合に限定されず、重力に対する電子銃の上下位置が決まっており、落下しないように配置できる場合は、保持側孔７０に替えて保持部材５に溝を設け、ピン１５の一端を、溝底面に乗せるようにしてもよい。
この場合は、溝内周面が保持側接触面となり、炭素又はタンタルカーバイトを露出させることができる。

１……カソード電極
２……フィラメント
３……アノード電極
５……保持部材
１０……電子銃
１５……ピン
２５……真空槽
３１……カソード部材
３２……発熱装置
３５……蒸着材料
３９……真空ポンプ
５０……真空処理装置

Claims (6)

1. リング状の保持部材と、電子を放出するカソード電極と、前記カソード電極を加熱する加熱装置と、前記保持部材と前記カソード電極を電気的に接続する三個以上のピンとを有し、前記カソード電極は、前記ピンを介して、前記保持部材に保持される電子銃であって、
   前記保持部材の前記ピンと接触する保持側接触面には、炭素、又はタンタルカーバイトが露出された電子銃。
2. 前記保持部材には保持側孔が三個以上設けられ、前記保持側孔の内周側面が前記保持側接触面にされ、前記保持側孔の前記ピンが前記保持側孔にそれぞれ嵌入されて前記カソード電極が前記保持部材に保持された請求項１記載の電子銃。
3. 前記保持部材は、炭素、又はタンタルカーバイトで構成された請求項１又は２のいずれか１項記載の電子銃。
4. 前記保持部材は、タンタルから成る芯材の少なくとも一部表面にタンタルカーバイト膜が形成され、前記タンタルカーバイト膜の表面が前記保持側接触面とされ、前記保持側接触面にはタンタルカーバイトが露出された請求項１又は２のいずれか１項記載の電子銃。
5. 前記ピンと前記カソード電極は、タングステンで形成された請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の電子銃。
6. 真空槽と真空ポンプと、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の電子銃を有し、
   前記電子銃は、前記真空槽内部に電子を放出するように構成され、
   処理対象物の処理を前記真空槽内で行う真空処理装置。

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