皮尔斯电子枪的电子束聚焦的控制方法及控制装置的制作方法

专利名称：皮尔斯电子枪的电子束聚焦的控制方法及控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可以长时间稳定保持电子束的皮尔斯电子枪的控 制方法、皮尔斯电子枪的电子束控制装置及具备其的真空装置。
背景技术：
皮尔斯电子枪具有可分离束发生源和被照射物的真空气氛，并稳 定保持束发生源的特点。另外，因为能量源是电子而易于摆动、偏向， 所以作为蒸镀装置、熔解炉及热处理炉的加热源而被广泛使用。特别
是在需要300小时以上长时间稳定性的MgO及SK)2等金属氧化物用 串联式蒸镀装置的加热源；可以在短时间加热到规定的蒸发速度、需 要使A1、 Co-Ni、 Cu等金属被膜厚度分布均匀地稳定并大量蒸发的巻 绕式蒸镀装置的加热源；以及使Si02、 ZrO等金属氧化膜以膜厚度分 布在±1%之内并可良好再现地蒸发的光学膜用的巻绕式蒸镀装置的加 热源等，期待今后应用领域更加扩大。(图9显示MgO蒸镀装置、图 10显示巻绕式蒸镀装置的电子枪使用例)
特别是，在等离子体显示屏(PDP)用的玻璃基板表面上作为保 护膜而使用的氧化镁(MgO)覆膜，近年为适应玻璃母板的大型化、 批量生产的潮流，期待可以更加均匀且高速成膜。
基于这样的背景，例如开发有使用多台皮尔斯电子枪的电子束蒸 镀装置(图15)。该装置例如是构成为进料/取出室及蒸镀室的两室或 进料室、蒸镀室及取出室的三室经由隔离阀而连接设置的电子束蒸镀 装置81、 82。
另外，该电子束蒸镀装置81、 82的蒸镀室2的概要如图9所示。 也就是说，作为将PDP保护膜即MgO连续成膜的加热源，主要使用 皮尔斯电子枪3。从固定在蒸镀室侧壁的皮尔斯电子枪大致水平发射的电子束F，由电子束偏向装置20偏向并照射在作为蒸发源的炉缸4 内的MgOll的蒸发点P，从而使MgO的蒸气流产生，在以通过其上 的方式移动的载体所搭载的玻璃基板10表面上形成MgO覆膜。也就 是说，蒸镀室也是电子束的照射室。
这样的电子束蒸镀装置81、 82具有蒸镀室内不暴露于大气；在进 料/取出室83或进料室84中，因可对于玻璃基板10或搭载有玻璃基 板的载体进行脱气或加热处理等前处理，所以可以稳定维持蒸镀室内 的气氛；与分批式装置相比生产量大等特点，但期望皮尔斯电子枪可 长时间稳定工作。
于是从过去以来，为皮尔斯电子枪的长时间稳定工作而进行了各 种努力。
例如，在蒸镀室内部有水分、残留气体、蒸发粒子等，构成电子 束的热电子与这些相碰撞而产生离子，虽然有时会向电子枪的阴极逆 流而使电子枪异常放电，但在阴极设置有用于接受离子及由离子碰撞 而飞溅的成分的贯通孔、离子收集器(例如参照专利文献l、 2)。
但是，因电子所持有电荷所引起的粒子间的相互作用，束直径、 能量幅度增加的空间电荷效应，以及由电子碰撞气氛气体而气体离子 化引起的空间电荷中和作用，电子枪内部的电子束直径及照射在对象 物上的电子束直径(能量密度)，根据电子枪内部的压力及照射物所放 置的气氛压力而变动。因此，以蒸镀为例，存在蒸镀速率不稳定等问 题。所以，也存在不能充分发挥皮尔斯电子枪特点的问题，即不能发 挥由束发生源与被照射物的气氛分离而引起的在大范围内稳定运行的 特点。
而且，电子枪内部的束的扩散会影响到电子枪内部的构成件，使 该构成件过热。结果有时会给电子枪自身造成损伤。
因此，为稳定在电子枪内部的束直径，亦即，为了使电子枪内部 的束不扩大、防止对电子枪本体的损伤，而采取向电子枪内引入Ar 作为空间电荷中和气体，或调节流体调节器的传导率，或使聚焦线圏 为多段等手段。另外，相对组装精度及时间变化使得电子束的发射极(束发生部、 生成部)稳定。也就是说，最优化设计电子枪自身，以使阴极表面角、 维纳尔角度、阳极角度、阴极-维纳尔间尺寸及阴极-阳极间尺寸等适 于上述目的。这是以稳定基于电场的束聚焦条件为目的而进行的。
但是，不论那种情况也没有适当的反馈机构，而是以预先设定的 值来运行电子枪，因此难以稳定地进行精密的成膜工艺。另外即使是
Ar等惰性气体，也会有时影响到成膜工艺。
于是，开发有在束出口及束照射部测量束直径，并反馈到束电流 及聚焦线圏电流的方法(参照专利文献3)。如图14所示，在作为束 照射部的环状炉缸4附近，设置监视片XR1、 XR2、 XR3、 XL1、 XL2、 XL3，该监视片XR1、 XR2、 XR3、 XL1、 XL2、 XL3可以将从各个 电子枪3发射的电子束的束点温度作为电气信号输出，向束电流或聚 焦线圏电流反馈以实现稳定。
但是，在电子枪内部的空间电荷效应的影响仍然存在，并非完善。 专利文献1日本特开2004-14226号公报(第3页，图1) 专利文献2日本特开2005-268177号公报(第3页，图1) 专利文献3日本特开2005-264204号公报(第4页，图l)

发明内容
本发明是鉴于上述问题而进行的，目的在于，提供消除电子枪内 部的空间电荷效应及空间电荷中和作用的影响，使电子束的控制得以 完善。
如上所述，电子枪内部的束受到空间电荷效应的影响。电子束的 扩散及束能量的倾向如图11所示。电子枪内部的束扩散对电子枪内部 的构成件产生影响，使其构成件过热。因此，测定电子枪内部的温度， 向真空排气系统的排气速度进行反馈，调整电子枪内部的压力，使在
的聚焦状态固定。
也就是说，通过直接测定皮尔斯电子枪内部温度，并根据该测定温度来控制皮尔斯电子枪的方法，来解决上述问题。
另外，通过具有直接测定皮尔斯电子枪内部温度的机构的皮尔斯 电子枪的控制装置，来解决上述问题。
另外，具有2套以上聚焦线圏的电子枪中，考虑到向对象物的束 稳定性，而优选使从第一聚焦线圏进入第二聚焦线圏的束尽可能地平 行。该控制通过调节电子枪内部压力来进行。当然因为是透镜，所以 束调节成从大致平行至略微发散。
为提高PDP性能、产品成品率及产品稳定性，要求玻璃基板内的 膜厚度分布在长时间保持稳定，并变得能够与此相适应。具体而言， 对于现有的42英寸2面切割的玻璃母板，在大约8000A士10。/。内连续 运行144小时(大约1周)，对于相同尺寸，变得可以在大约8500 A±5% 以内连续运行240小时(大约10天)以上。而且，对于42英寸6-8 面切割的玻璃母板，可以在大约8000 A士7。/。以内连续运行两周以上。 此外，过去是以目测来大致测定电子枪内的束直径，并进行聚焦线圏 及Ar等中和气体的调节，现在通过测定温度可实现再现性良好的调 节。
而且，通过监视这些电子枪内部的温度，可以防止对电子枪的损 伤，同时可以用于防止过去难以查出的产品不合格及早期发现。过去 是通过电气的互锁，输出电子束，只要聚焦及摆动线圏流动有规定电 流则判断为正常。
进而，长时间连续运行电子枪的串联式蒸镀装置中，有控制蒸镀 室内的压力为一定而进行生产的情况，也有使工艺气体流量为一定而 进行生产的情况，在来自外部的气体的进入量发生变动的后述的方法 下，蒸镀速度发生变动。此时，蒸镀材料为MgO之外的材料，例如 金属蒸镀时，可以使用晶体振荡式成膜控制器这样的具有可信度的成 膜速度测量装置，向电子枪的能量、束聚焦及摆动系统反馈，但在金 属氧化物的时候，没有长时间的成膜速度测定机构。但是，通过此次 研发的机构，即使对于照射室的压力变动，也可以提供有效的控制机 构。根据上述，对于产生束的部分的稳定性(电子枪自身的最优化设 计)、束输送部的稳定性(本申请发明的方法)以及束使用部的稳定性
(专利文献3的方法)全部都可以解决。


图l是本发明实施例的电子枪真空排气系统图。
图2显示本发明的第一实施例。是30kW皮尔斯电子枪的截面图。 显示热电偶R1、 R2的设置位置。
图3是本发明的第二实施例的100kW皮尔斯电子枪的真空排气系 统图。另外，本实施例在差动排气孔设置差动排气筒。
图4是是本发明的第二实施例的100kW皮尔斯电子枪的截面图。 显示热电偶Rl-R6的设置位置。
图5是皮尔斯电子枪的原理图。显示电子束的射出原理。通过从 加热的阴极37放出热电子，由阴极37及维纳尔(々工净^卜)38与 阳极39所形成的电场，进行电子的放出和聚焦。所以阴极37、维纳 尔38及阳极39的尺寸、位置对于束形成很重要。通过阳极39的电子 束由聚焦线圏40、摆动线圏41、电子束偏向装置20控制以使电子束 不扩散，而照射在所需的炉缸4上的材料11上。
图6是本发明的照射室压力与流体调节器温度的图表。在进行涡 轮分子泵51 (图1)转速控制的时候，即使照射室一侧的压力变化， 也可知束聚焦状态一定且流体调节器43的温度一定。
图7是本发明的束电流与流体调节器温度的图表。在进行涡轮分 子泵51 (图1)的转速控制的时候，即使改变束电流，束聚焦状态一 定且流体调节器的温度大致一定。
图8是用于比较的束电流及阳极与流体调节器温度的图表。是不 进行涡轮分子泵51 (图1)的转速控制的状态下的图。流体调节器温 度随着束电流的增加而减小。
图9是MgO蒸镀装置的示意图。在此例中，相对于4台环状炉 缸4,配置有4台皮尔斯电子枪3。对于环状炉缸上的两点照射点P，进行由偏向线圏控制的电子束交替照射的跳变控制。另外，图中的箭
头表示玻璃基板10的行进方向。而且，位于玻璃基板10下方的物体
以虚线表示。
图10是巻绕式蒸镀装置的示意图。从皮尔斯电子枪3向蒸镀材料 容器104内的蒸镀材料照射电子束并使之蒸发。从巻出巻筒108送出 的带基材110巻绕在主辊107上时，被暴露在从配置于下方的蒸镀材 料容器104蒸发的材料蒸气中，从而在其表面成膜。该成膜的带基材 被巻绕巻筒109所巻绕。是如此连续进行成膜的装置。
图11是说明因空间电荷效应而圆筒电子束直径增大的图。A显示 聚焦线圏产生的磁场的状态。B显示电子束直径。空间电荷效应的比 例增加时，束径变大。
图12是说明蒸镀压力与成膜速度的关系的图。在此例中，蒸镀压 力为1.0E-02Pa时成膜速度最高。蒸镀压力为3.0E-03Pa时，受到空 间电荷效应的影响电子束直径扩大，能量密度降低，到达的蒸镀材料 量减少，成膜速度降低。另外，在3.0E-02Pa时，因为气氛粒子增加， 产生电子束、蒸发材料之间的碰撞，成膜速度下降。
图13是说明电子枪内部的束扩大状态的图。另外，在差动排气孔 设置作为压力调节的辅助部件的孔径光阑44b。
图14是现有的串联式电子束蒸镀装置控制方法的实例。在环状炉 缸4的附近设置监牙见片XR1、 XR2、 XR3、 XL1、 XL2、 XL3，来向 束电流和/或聚焦线圏电流反馈以实现稳定化。另外，通过使用一台皮 尔斯电子枪3，由电子束对放入环状炉缸上的槽部4a中的材料上的照 射点PR1、 PR2进行跳变控制以交替加热。图中，以实线为一方，以 虛线为另一方来显示跳变控制的状态。
图15是电子束蒸镀装置的示意图。A是两室的时候，B是三室的 时候。
附图标记说明
1 MgO蒸镀装置2 照射室(蒸镀室)
3 皮尔斯电子枪
4 环状炉缸(蒸镀材料容器) 4a槽部
6 皮尔斯电子枪
10 玻璃基板
11 材料(MgO ) 20 电子束偏向装置
30 电子枪本体(壳体)
31 阴极室
32 中间室 33摆动室 34排气口
36 丝状体
37 阴极
38 维纳尔
39 阳极
40 聚焦线圏 41摆动线圏 42离子收集器 43 流体调节器 44a差动排气筒 44b孔径光阑
45第一聚焦线圏(第一物镜) 46第二聚焦线圏(第二物镜)
49 真空排气系统 49，差动排气系统
50、 51 涡轮分子泵
52、 53、 54 泵55、 56、 57 阀
60 电子枪本体(壳体)
61 阴极室
62 中间室 63摆动室
64、 65 排气口
66 丝状体
67 阴极
68 维纳尔
69 阳极
71摆动线圏
72 离子收集器
73a 、 73b流体调节器
74a、 74b环
75第一聚焦线圏
76第二聚焦线圏
81、 82 电子束蒸镀装置
83 进料/取出室
84进料室
85 取出室
91排气口
94-96 门
97-99 阀
101巻绕式蒸镀装置 102照射室
104蒸镀材料容器(坩埚) 107主辊 108巻出巻筒 109巻绕巻筒110带基材
111蒸镀材料(金属)
112导向辊
120串联式电子束蒸镀装置 F 电子束 PG压力表 IG压力表
Rl-R6热电偶(阻抗温度传感器)
P、 Pl、 P2电子束照射点(蒸发点)
PR1、 PR2 电子束照射点(蒸发点)
XR1、 XR2、 XR3、 XL1、 XL2、 XL3 监视片
具体实施例方式
以下参照附图，对适用于本发明的具体实施例进行详细说明。图 1显示本发明实施例的30kW皮尔斯电子枪的真空排气系统图。图2 显示30kW皮尔斯电子枪的截面图。图3显示100kW皮尔斯电子枪的 真空排气系统图。图4显示100kW皮尔斯电子枪的截面图。图5显示 皮尔斯电子枪的原理图。
使用图1和图5，对输出为30kW皮尔斯电子枪3的典型性结构 及各部分的性能进行说明。30kW皮尔斯电子枪的主要构成要件是丝 状体36、阴极37、维纳尔(wehnelt)38、阳极39、聚焦线圏40、摆 动线圏41、离子收集器42(图5)、流体调节器43、本体(壳体)30 及真空排气系统49 (图1)。关于各自的性能如下所述。
如图5所示，丝状体36流过交流电流，由焦耳热而发热，放出热 电子。阴极37通过接收电子而被加热并放出热电子，上述电子由对丝 状体36施加正电压而在丝状体36产生并^皮加速。维纳尔(wehnelt) 38也被称为聚焦电极，与阴极37相同电位，在与阳极39之间形成使 电子朝向阳极39的中心的电场，高效地生成电子束。阳极39相对于 阴极37是正电位，加速在阴极37产生的热电子。因为通常阳极39置于接地电位，所以在阴极37施加负的电压。电子束通过位于中心的 孔。
聚焦线圏40也有时被称为聚焦物镜或简称为物镜。通过产生的磁 场，使通过阳极39的电子束F聚焦在炉缸4的材料11上。与电子束 F的碰撞等所产生的离子在阳极39与阴极37的电压下被加速，賊射 阴极37而形成孔。在长时间使用而孔贯通阴极37的时候，离子收集 器42接受离子束，以使电子枪本体不受损伤。流体调节器43使传导 率减小，保持阴极室(束发生部内)31的压力较低。
另外，如图3、图4所示，通常输出为60kW以上的皮尔斯电子 枪除上述之外，还具有第二聚焦线圏46、 76,第二流体调节器73b(图 4)及差动排气系统49'(图3)。这主要是基于以下的理由。通常的皮 尔斯电子枪的电子放射源是使用间接加热式钨制的阴极。来自阴极表 面的每单位面积的热电子发射量由温度来决定。另一方面，因为是在
真空中使用，所以最高使用温度有限制。因此，为产生大的束电流则 需要大直径的阴极。与此相伴，阳极的孔的直径及流体调节器的孔的 直径也变大。因此传导率变大，为保证与照射室的压力差而需要第二 排气系统。
(第一实施例)
首先，对30kW皮尔斯电子枪的实施例进行说明。如图2所示， 在阴极室31的阳极39及摆动室32的流体调节器43上直接安装热电 偶R1、 R2。另外，如图l所示，中介着隔离阀56,将排气速度为800 升/秒的涡轮分子泵51安装在真空排气系统49。该涡轮分子泵51使用 可转速控制(控制转速以改变排气速度)的泵。实施例中，图2的热 电偶R2获得的流体调节器43的温度反馈给涡轮分子泵51的转速。 图6及图7显示结果。可知即使照射室2—侧的压力变化，束聚焦状 态也为一定且流体调节器43的温度也为一定(图6)。另外，即使改 变束电流，束聚焦状态也为一定且流体调节器43的温度也大致为一定 (图7)。
为进行比较，图8显示无反馈时的束电流与阳极39及流体调节器43的温度测定结果。即使增加束电流，阳极39的温度也为一定，与 此相对，流体调节器43的温度具有下降的倾向。这是因为空间电荷中 和作用而引起束收缩的原因。也就是说，由于没有反馈，因此显示出 在电子枪内部的束直径发生了变化。
如上所述，可知根据本发明，可以获得良好的控制。
(第二实施例)
接着，使用图3、 4及13，对具有第二聚焦线圏、第二流体调节 器及差动排气系统的100kW电子枪的实施例进行说明。此外，图4 中未图示的真空排气系统和差动排气系统与排气口 64及排气口 65分 别相连。
优选热电偶的温度测定位置是图4的中间室62的设置在第 一流体 调节器73a出口侧的环74a的热电偶R4、或者设置在第二流体调节器 73b入口的环74b的热电偶R5。或者也可以是第一流体调节器73a的 热电偶R2或第二流体调节器73b的热电偶R6。另外，环74a、 74b 是设置在流体调节器用于调节压力用的辅助部件。此外，图3的差动 排气筒44a及图13的孔径光阑44b是设置在中间室32的用于调节压 力用的辅助部件。
根据上述结构，可以获得与上述第一实施例相同的效果。
以上，虽然对本发明的实施例进行了说明，当然，本发明并不限 于这些，根据本发明的技术思想，可以进行各种变更。
例如，本发明也可以用于其他结构的真空装置。另外，与其他电 子束稳定装置组合使用亦可。
另外，实施例中，虽然将可控制转速、改变排气速度的涡轮分子 泵50、 51用于电子枪内部的压力控制，但也可以控制传导率阀56(图 l及图3)。传导率控制方法有通常使用的蝶型、闸门型及可变光阑(虹 彩)型(照相机的光阑型)等传导率阀。
另外，工艺上Ar等惰性气体完全不成问题的情况下，也可以将 电子枪内部的温度测定结果反馈给气体流量。将电子枪内部的温度测 定结果反馈给气体流量的方法、反馈给传导率的方法、反馈空间电荷中和气体导入量的方法、反馈照射室2内压力及电子枪内部压力与温 度测定结果的方法等多种方法组合使用的话，可以提供非常稳定的蒸 发系统。
另外，除照射室2内的空间电荷，还考虑到与气氛粒子的碰撞引 起的电子扩散，不单是温度一定，还可以以相应于照射室2内的压力 收缩束的方式，控制为预定的适当温度，以使照射室2内可获得最佳 的电子束照射量。例如，如图12所示的成膜例，在蒸镀压力为 1.0E-02Pa时成膜速度最高。蒸镀压力为3.0E-03Pa时，受到空间电荷 效应的影响，电子束直径扩大，能量密度降低而成膜速度下降。另一 方面，在3.0E-02Pa时，因为气氛粒子增加，电子束、蒸发材料之间 产生碰撞，成膜速度下降。此时的电子束照射量显示蒸镀压力为 1.0E-02Pa较适当。
另外，除实施例所显示的方法外，如果兼用直接监视电子束直径 的方法及电子监视束状态的方法，则更加有效果。
另外，本发明并不限于MgO蒸镀，而可用于使用皮尔斯电子枪 的蒸镀装置。
另外，实施例的串联式电子束蒸镀装置中，容纳蒸镀材料的容器 是环状炉缸，但也可以是坩埚。
而且，本发明除MgO覆膜的形成方法以外，也可以作为形成Si02 覆膜、Ti02覆膜等金属氧化物覆膜的方法来使用。另外本发明的蒸镀 覆膜的形成方法，也可以作为形成Al覆膜等金属覆膜的方法来使用。
权利要求
1、一种皮尔斯电子枪的控制方法，其特征在于，直接测定皮尔斯电子枪的内部温度。
2、 根据权利要求1所述的皮尔斯电子枪的控制方法，其特征在于，将热电偶使用于上述直接测定。
3、 根据权利要求1所述的皮尔斯电子枪的控制方法，其特征在于，上述直接测定的位置是阳极、流体调节器。
4、 根据权利要求1所述的皮尔斯电子枪的控制方法，其特征在于，上述直接测定的位置，是设置在阴极室、中间室、摆动室中任一者的出口或入口处的环、光阑、排气筒中的任一个。
5、 根据权利要求1所述的皮尔斯电子枪的控制方法，其特征在于，气速度。'、 '- ' 、'
6、 根据权利要求5所述的皮尔斯电子枪的控制方法，其特征在于，向上述排气速度的反馈，是通过设置在真空排气系统内的孔径光阑的开度进行的。
7、 根据权利要求5所述的皮尔斯电子枪的控制方法，其特征在于，向上述排气速度的反馈，是通过改变真空排气系统的泵的转速来进行的。
8、 根据权利要求5所述的皮尔斯电子枪的控制方法，其特征在于，向上述排气速度的反馈，是通过改变真空排气系统的气体流量来进行的。
9、 根据权利要求1所述的皮尔斯电子枪的控制方法，其特征在于，上述皮尔斯电子枪是具有两套以上的聚焦线圏的电子枪，控制电子束从前段的聚焦线圏向后段的线圏大致平行地入射。
10、 一种皮尔斯电子枪的控制装置，其特征在于，具有直接测定皮尔斯电子枪的内部温度的机构。
11、 根据权利要求IO所述的皮尔斯电子枪的控制装置，其特征在于，上述直接测定的机构是热电偶。
12、 根据权利要求10所述的皮尔斯电子枪的控制装置，是特征在 于，设置上述直接测定的机构的位置是阳极、流体调节器。V
13、 根据权利要求10所述的皮尔斯电子枪的控制装置，其特征在 于，设置上述直接测定的机构的位置，是设置在阴极室、中间室、摆 动室中的任一者的出口或入口处的环、光阑、排气筒中的任一个。
14、 根据权利要求10所述的皮尔斯电子枪的控制装置，其特征在 于，具有将上述皮尔斯电子枪的内部温度的测定结果反馈给真空排气 系统的排气速度的机构。
15、 根据权利要求14所述的皮尔斯电子枪的控制装置，其特征在 于，向上述排气速度反馈的机构，是改变设置在真空排气系统内的孔 径光阑的开度的机构。
16、 根据权利要求14所述的皮尔斯电子枪的控制装置，其特征在 于，向上述排气速度反馈的机构，是改变真空排气系统的泵的转速的 机构。
17、 根据权利要求14所述的皮尔斯电子枪的控制装置，其特征在 于，向上述排气速度反馈的机构，是改变真空排气系统的气体流量的 机构。
18、 根据权利要求10所述的皮尔斯电子枪的控制装置，其特征在 于，上述皮尔斯电子枪是具有两套以上的聚焦线圏的电子枪，具有以 电子束从前段的聚焦线圏大致平行地入射后段的线圏的方式进行控制 的机构。
全文摘要
皮尔斯电子枪的电子束聚焦的控制中，消除电子枪内部的空间电荷效应及空间电荷中和作用的影响，使电子束的控制完善。通过直接测定上述皮尔斯电子枪内部温度，来反馈控制电子枪内部的压力。直接测定上述皮尔斯电子枪的内部温度的位置，优选阴极(39)、流体调节器(43)。其次，也可以是设置在阴极室(31)、中间室、摆动室(33)的任一者的出口或入口处的环、光阑、排气筒中任一个。据此，产生束的部分的稳定性(电子枪自身的最优化设计)、束输送部的稳定性及束使用部的稳定性都变得良好。
文档编号H01J37/06GK101529550SQ200780038510
公开日2009年9月9日 申请日期2007年10月18日 优先权日2006年10月23日
发明者佐竹彻, 沈国华, 饭岛荣一 申请人:株式会社爱发科