JP5514595B2 - 電子線照射装置 - Google Patents
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Description
特に真空蒸着での成膜レートを一定にするためには、照射領域のパワー密度を制御する必要があるのだが、上記のような要因により照射中にビーム径が変化する虞があるので、オンタイムでビーム径をモニタする必要がある。また、その結果を電子銃の照射制御系(例えば電子線の電流値や電子銃のレンズコイル電流)へフィードバックし、電子線の電流密度あるいは電子線のビーム径を一定にすることが必要である。
また、数W以下の低パワーの電子線の場合に一般に利用されているような、移動できるファラデーカップまたは金属により電流を測定する方法では、仮にビーム照射部に高融点のタングステン(W)を用いたとしても、ハイパワーの電子線を照射されると照射部はすぐに溶けてしまうので、ハイパワーの電子線のビーム径をモニタすることはできなかった。
つまり、ハイパワーの電子線を照射対象物に照射しているときに、照射領域の大きさを検出することは重要な課題になっているが、これまでこの課題を解決する適当な方法は見つかっていなかった。
本発明は電子線照射装置であって、前記X線検知部が検出した前記照射領域の大きさに基づいて前記電子線のビーム径を制御する制御装置を有する電子線照射装置である。
本発明は電子線照射装置であって、前記X線結像光学部は、前記X線を遮蔽する遮蔽板を有し、前記遮蔽板には前記X線を通過させる、前記X線検知部よりも小さい針穴が開けられ、前記針穴を通過した前記X線から前記X線検知部に前記照射領域の像を結像するように構成された電子線照射装置である。
本発明は電子線照射装置であって、前記X線結像光学部は、前記X線を反射する凹面鏡を有し、前記凹面鏡で反射された前記X線から前記X線検知部に前記照射領域の像を結像するように構成された電子線照射装置である。
本発明である電子線照射装置の第一例の構造を説明する。
図1は電子線照射装置10の内部構成図を示している。
電子線照射装置10は真空槽11と真空排気装置13を有している。
真空排気装置13は真空槽11に接続され、真空槽11内を真空排気するように構成されている。
電子線照射装置10は電子線を放出可能に構成された電子銃30と電子銃電源40とを有している。
電子銃30は一端に銃口114が設けられた有底筒状の筐体31を有している。
筐体31の内側には中心軸線上にガン室110と接続路111と中間室112と放出路113が、筐体31の底部から銃口114に向かってこの順に並んで設けられている。
中間室112内は放出路113を介して銃口114に接続されている。
ガン室110内には、筐体31の中心軸線上にフィラメント32とカソード33とウェーネルト34とアノード35が、上流から下流に向かってこの順に並んで配置されている。
フィラメント32にはフィラメント電源41が電気的に接続されている。フィラメント電源41はフィラメント32に電流を流してフィラメント32を加熱できるように構成されている。
アノード35は無底の円筒形状に形成され、自身の中心軸線が筐体31の中心軸線と一致するように向けられている。アノード35は筐体31に電気的に接続されている。
ここでは第一のレンズ36は接続路111の外側に接続路111を囲むように配置され、第二のレンズ37は放出路113の外側に放出路113を囲むように配置されている。
電子銃30の電源装置を電子銃電源40と呼ぶと、電子銃電源40はフィラメント電源41とカソード加熱電源42と高電圧電源43とレンズ電源44とコイル電源45とで構成されている。
電子銃電源40から電子銃30に電力が供給されると、電子銃30は銃口114から真空槽11内に電子線を放出して照射材料容器50上の照射対象物60に電子線を照射するように構成されている。
照射領域から放出されるX線が入射する位置にはX線検出装置20が配置されている。
図3はX線検出装置20の概略構成図を、後述するフィルタ装置70の第一例と共に示している。
X線検知部24と検知部容器21の開口との間には、X線結像光学部23が配置されている。X線結像光学部23にはここでは図5に示すようなピンホール型のX線結像光学部23aや、図6に示すようなミラー型のX線結像光学部23bを用いる。
照射対象物60の照射領域から放出されX線結像光学部23に入射するX線は、X線の直進性により、遮蔽板201の針穴202を通過して、X線検知部24上で照射領域の像を結像する。
照射領域から遮蔽板201までの距離をL1、遮蔽板201からX線検知部24までの距離をL2とすると照射領域の直径1と照射領域の像の直径1’の比はL2/L1で決まるので、X線検知部24の大きさに合わせて適当にL2を選択することにより、ピンホール型のX線結像光学部23aが形成されている。
検知部容器21はX線を遮断する材質で形成されているので、X線がX線検出装置20に入射する場合には、窓部22を通過するX線だけがX線結像光学部23に到達するようにされている。
照射対象物60に電子線が照射されると、後述するように、X線検出装置20には、照射対象物60の照射領域から放出されたX線と共に、加熱された照射対象物60から放出される蒸気が入射する。
照射対象物60から放出されX線検出装置20に入射するX線と蒸気との飛行経路を横断する位置には、フィルタ装置70が配置されている。
図4は回転板71の平面図を示している。回転板71には蒸気の粒子を通過させる細長の開口部72が中心から放射状に延びるように設けられている。
ここでは開口部72の長手方向の長さは、X線検出装置20の窓部22の直径より長くされ、回転板71は開口部72が窓部22と対面できる位置に窓部22の表面に平行に配置されている。
X線結像光学部23によって窓部22を透過したX線からX線検知部24上に照射領域の像が結像され、X線検知部24は照射領域の像から照射領域の大きさを検出する。
制御装置19はX線検出装置20で検出された照射領域の大きさ(検出値と呼ぶ)をあらかじめ設定された照射領域の大きさの設定範囲と比較して、検出値が設定範囲の上限より大きい場合には、電子銃電源40に制御信号を伝送して、電子線のビーム径を縮小させ、検出値が設定範囲の下限より小さい場合には、電子銃電源40に制御信号を伝送して、電子線のビーム径を拡大させて、検出値を設定範囲内に維持するように構成されている。
第二例のフィルタ装置70aは、蒸気の粒子を遮蔽するプロペラ76と、プロペラ76が固定されたプロペラ回転軸77と、プロペラ回転軸77を回転させるプロペラ回転装置78とを有している。
プロペラ回転装置78はここではX線検出装置20の検知部容器21の側面に固定され、プロペラ回転装置78には不図示の電源装置が電気的に接続されている。電源装置から電力を供給されると、プロペラ回転装置78はプロペラ回転軸77をプロペラ76と共にプロペラ回転軸77の中心軸線の周りに回転させるように構成されている。
第二例のフィルタ装置70aの別構成を説明すると、各プロペラ76はX線検出装置20に近い辺と照射対象物60に近い辺の二辺を有し、X線検出装置20に近い辺が照射対象物60に近い辺に対して回転方向に前進するように傾けられた状態で、プロペラ回転軸77に固定されている。
第三例のフィルタ装置70bは、蒸気の粒子を遮蔽する第一、第二の回転板81a、81bと、第一、第二の回転板81a、81bに垂直に固定された第一、第二の回転軸83a、83bを有している。
回転軸回転装置84はここではX線検出装置20の検知部容器21の側面に固定され、回転軸回転装置84には不図示の電源装置が電気的に接続されている。
電源装置から電力を供給されると、回転軸回転装置84は第二の回転軸83bを第二の回転板81bと共に第二の回転軸83bの中心軸線の周りに回転させるように構成されている。
第一、第二の回転板81a、81bは、照射対象物60から放出されX線検出装置20に入射するX線と蒸気との飛行経路を横断する位置に配置され、回転軸回転装置84によって第一、第二の回転板81a、81bを回転させたときに、第一、第二の開口部82a、82bは上記飛行経路を横断する位置で互いに対面するようにされている。
従って、第三例のフィルタ装置70bでは、第二の回転板81bを(d/v)の時間の自然数倍ではない回転周期で回転させるように構成されており、第一、第二の開口部82a、82bが上記飛行経路を横断する位置で互いに対面するときに、第一の開口部82aを通過する蒸気は第二の回転板の遮蔽部に衝突して遮蔽され、第一の開口部82aを通過するX線は第二の開口部82bを通過して、X線検出装置20の窓部22に到達するようになっている。
第四例のフィルタ装置70cは、蒸気の粒子を遮蔽しかつX線の少なくとも一部を透過する主フィルム(フィルム)86が巻き回されて構成された主ロール(ロール)87と、主ロール87の中心に挿入された主従動軸(従動軸)89と、主ロール87の外周から引き出された主フィルム86の端部が巻装された主駆動軸(駆動軸)88と、主駆動軸88を主駆動軸88の中心軸線の周りに回転させる主駆動軸回転装置(駆動軸回転装置)80とを有している。
主駆動軸回転装置80によって主駆動軸88を回転させると、主フィルム86が引っ張られ、その力によって主従動軸89が回転して主フィルム86が主ロール87から繰り出される。このとき主従動軸89には主ロール87に加えられる引っ張りの力による回転力とは逆向きの力が発生しており、その二力によって主駆動軸88と主従動軸89の間の主フィルム86は平面上に張られる。
主フィルム86のX線検出装置20と対面する部分に蒸気が付着堆積すると、当該部分のX線透過率が減少し、X線検出装置20の検知感度の減少に繋がるのだが、蒸気が付着した部分は主駆動軸88にロール状に巻き取られるので、X線検出装置20と対面する部分に蒸気が付着堆積し続けることはなく、電子線の照射時間が経過してもX線はX線検出装置20に到達して照射領域の大きさが検出されるようになっている。
次に上述の電子線照射装置10を用いた電子線照射方法を、シリコン(Si)を真空溶解精製する場合を例に説明する。ここではフィルタ装置として第一例のフィルタ装置70を使用して説明するが、第二、第三、第四例のフィルタ装置70a、70b、70cを使用する場合も同様に説明できる。
真空槽11の側壁には溶解材料追加装置12が気密に挿設されている。溶解材料追加装置12は、真空槽11内の真空雰囲気を維持したまま、真空槽11の外側から内側に照射対象物60を搬入し、照射対象物60を照射材料容器50上に載置可能に構成されている。
フィルタ装置70の回転板71を照射対象物60と窓部22との間で回転させておく。
制御装置19に照射領域の大きさの設定範囲をあらかじめ設定しておく。設定範囲はここではシミュレーション又は実験により決定された値である。
真空槽11内の圧力が10-2Pa台に入ったら、不図示の排気系により電子銃30のガン室110と中間室112内を真空排気し、仕切バルブ39を開く。
電子銃30の筐体31、アノード35、真空槽11、照射材料容器50をいずれも電気的に接地しておく。
加熱されたカソード33から熱電子が発生する。熱電子の発生量はカソード33の温度が高いほど多くなる。カソード33の温度はカソード加熱電源42により制御され、従って、熱電子発生量はカソード加熱電源42により制御される。
アノード35の円筒形の内側を通過した電子は第一のレンズ36の磁界で収束され、仕切バルブ39の開口を通り、中間室112を通過した後、第二のレンズ37の磁界で再度収束される。さらに、電子は揺動コイル38の磁界で軌道補正を加えられ、真空槽11内に放出される。
上述のように電子銃30の筐体31、アノード35、真空槽11、照射材料容器50はいずれも電気的に接地されており、照射材料容器50を介して照射対象物60も電気的に接地されている。
本実施形態においては、電子線のパワーは電子線の電流で決まる。電流が1Aの場合は、40kV×1A=40kWとなる。
照射領域から放出されたX線はフィルタ装置70に入射する。フィルタ装置70の開口部72がX線検出装置20の窓部22と対面する際に、フィルタ装置70の開口部72を通過したX線は、X線検出装置20の窓部22を通過した後、X線結像光学部23によってX線検知部24上で結像され、X線検知部24で照射領域の大きさが検出される。
電子線を照射中に、例えば真空槽11内の圧力が増加すると、電子線の電子自らが作り出すイオンにより、電子線のビーム径を収束する作用が働き、放出領域の大きさが縮小する。
照射領域のパワー密度の制御を正確に行うことにより、溶解されたシリコンが突沸し、飛散することを防止でき、溶解シリコンの無駄なロスを防ぎ、太陽電池用の高純度結晶シリコンの生産が可能になる。
蒸気がX線検出装置20の窓部22に付着堆積すると、窓部22のX線透過量が減少し、X線検出装置20の検知感度の減少に繋がるのだが、ここでは照射対象物60と窓部22との間でフィルタ装置70の回転板71を回転させているので、窓部22と回転板71の開口部72以外の遮蔽部が対面するときには蒸気は遮蔽部で遮蔽されて窓部22に到達せず、窓部22と開口部72が対面するときに開口部72を通過した蒸気は窓部22に到達するようになっており、窓部22に蒸気が付着堆積することが抑制されている。
照射材料容器50には不図示の傾斜機構が接続されている。傾斜装置は照射材料容器50を水平位置から90度まで傾けることができるように構成されている。
溶解精製が終了した後、傾斜機構を動作させて、溶解した照射対象物60は真空槽11内に設置されている不図示の鋳型容器内に空けられる。
真空蒸着の場合には、照射領域のパワー密度を一定に保つことにより、成膜レートを一定に維持することができるので、薄膜製品の品質を向上できる。
本発明である電子線照射装置の第二例の構造を説明する。この電子線照射装置は巻き取り式の真空蒸着装置である。
図10は第二例の電子線照射装置10’の内部構成図を示している。第二例の電子線照射装置10’の構造は後述するフィルムモジュール90に関連する部分の他は第一例の電子線照射装置10の構造と同様であり、第一例の電子線照射装置10と同じ部分には同じ符号を付して説明する。
フィルムモジュール90は、副駆動軸92と、副従動軸93と、副ロール94とを有している。
副駆動軸92と副従動軸93は、照射材料容器50の上方に、互いに平行に対向して配置されている。
副ロール94の中心には副従動軸93が挿入されている。副ロール94の外周から副フィルム91の端部が引き出され、引き出された副フィルム91の端部は副駆動軸92に巻装されている。
副駆動軸回転装置95によって、副駆動軸92が中心軸線の周りに回転すると、副フィルム91が引っ張られ、その力によって副従動軸93が回転して副フィルム91が副ロール94から繰り出される。
副駆動軸回転装置95は副フィルム91を約350m/minの速度で繰り出すように副駆動軸92を回転可能に構成されている。
副フィルム91と照射材料容器50との間には、蒸気を遮蔽する防着板96が副フィルム91の下方を覆うように配置されている。防着板96のうち、照射材料容器50と対面する位置にはX線と蒸気とを通過させる開口が設けられている。
第二例の電子線照射装置10’を用いた電子線照射方法を、アルミニウム(Al)を副フィルム91上に巻き取り蒸着する場合を例に説明する。
第一例と同様に、真空排気された真空槽11内に溶解材料追加装置12によって照射対象物60であるアルミニウムを搬入し、照射材料容器50上に載置する。
電子銃30から電子線を照射して、照射対象物60を加熱する。加熱された照射対象物60は、溶解し、蒸発する。
照射対象物60から放出され防着板96の開口を通過した蒸気は、副フィルム91に到達し、付着する。
副駆動軸92を回転させているので、副フィルム91の蒸気が蒸着した部分は副駆動軸92にロール状に巻き取られる。
照射領域から放出されたX線は副フィルム91を通過してX線検出装置20に入射し、照射領域の大きさが検出される。
制御装置19はX線検出装置20の検出値をモニタしている。
このとき制御装置19はX線検出装置20で検出された照射領域の大きさに基づいて、電子銃電源40に制御信号を送り、第一、第二のレンズ36、37が作る磁界を制御して、電子銃30から放出される際の電子線のビーム径を拡大させる。
このようにして電子線のビーム径を制御することにより、照射領域の大きさを設定範囲内に維持することができ、照射領域のパワー密度を一定に保つことができる。
1ロールの蒸着が終了したら、真空槽11を大気に解放し、ロール状の副フィルム91を取り出した後、未成膜の副フィルム91からなる副ロール94をフィルムモジュール90に装填し、真空槽11内の真空排気を再開し、次の巻き取り蒸着サイクルに入る。
11……真空槽
13……真空排気装置
19……制御装置
23、23a、23b……X線結像光学部
24……X線検知部
60……照射対象物
70、70a、70b、70c……フィルタ装置
76……プロペラ
77……プロペラ回転軸
78……プロペラ回転装置
81a、81b……第一、第二の回転板
82a、82b……第一、第二の開口部
83a、83b……第一、第二の回転軸
86……フィルム(主フィルム)
87……ロール(主ロール)
88……駆動軸(主駆動軸)
89……従動軸(主従動軸)
201……遮蔽板
202……針穴
205、206……凹面鏡
Claims (4)
- 真空槽と、
前記真空槽内を真空排気する真空排気装置と、
前記真空槽内に電子線を放出可能に構成された電子銃と、
を有し、
前記真空槽内に配置される照射対象物に前記電子銃から電子線を照射して前記照射対象物を加熱するように構成された電子線照射装置であって、
前記照射対象物の表面の前記電子線を照射されてX線を放出する領域を照射領域とすると、
前記照射領域から放出されたX線が入射する位置に配置され、入射した前記X線から前記照射領域の大きさを検出するX線検知部と、
前記照射領域から放出された前記X線から前記X線検知部に前記照射領域の像を結像するX線結像光学部と、
を有し、
前記照射対象物と前記X線結像光学部との間には、前記X線結像光学部に前記X線を到達させながら、加熱された前記照射対象物から放出されて前記X線結像光学部に到達する蒸気の量を減衰させるフィルタ装置が配置された電子線照射装置であって、
前記フィルタ装置は、前記蒸気の粒子を遮蔽する第一、第二の回転板と、前記第一、第二の回転板に垂直に固定された第一、第二の回転軸と、前記第一、第二の回転軸を前記第一、第二の回転板と共に前記第一、第二の回転軸の中心軸線の周りに回転させる第一、第二の回転装置とを有し、
前記第一、第二の回転板にはそれぞれ前記蒸気の粒子を通過させる第一、第二の開口部が設けられ、
前記第一、第二の回転装置によって前記第一、第二の回転板をそれぞれ異なる速度で回転させると、前記第一、第二の開口部は、前記X線と前記蒸気との飛行経路を横断する位置で互いに対面するようにされ、
前記第一、第二の開口部が前記X線と前記蒸気との飛行経路を横断する位置で互いに対面するときに、前記第一の開口部を通過する前記蒸気は、前記第二の回転板の前記第二の開口部以外の遮蔽部に衝突して遮蔽されるように構成された電子線照射装置。 - 前記X線検知部が検出した前記照射領域の大きさに基づいて前記電子線のビーム径を制御する制御装置を有する請求項1記載の電子線照射装置。
- 前記X線結像光学部は、前記X線を遮蔽する遮蔽板を有し、
前記遮蔽板には前記X線を通過させる、前記X線検知部よりも小さい針穴が開けられ、
前記針穴を通過した前記X線から前記X線検知部に前記照射領域の像を結像するように構成された請求項1記載の電子線照射装置。 - 前記X線結像光学部は、前記X線を反射する凹面鏡を有し、
前記凹面鏡で反射された前記X線から前記X線検知部に前記照射領域の像を結像するように構成された請求項1記載の電子線照射装置。
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