特許 6194178 電子銃及び電子ビームの放出方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6194178

(24)【登録日】2017年8月18日

(45)【発行日】2017年9月6日

(54)【発明の名称】電子銃及び電子ビームの放出方法

(51)【国際特許分類】

   H01J 37/06 20060101AFI20170828BHJP

【ＦＩ】

   H01J37/06 B

【請求項の数】2

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2013-44987(P2013-44987)

(22)【出願日】2013年3月7日

(65)【公開番号】特開2014-175104(P2014-175104A)

(43)【公開日】2014年9月22日

【審査請求日】2016年1月26日

(73)【特許権者】

【識別番号】000231464

【氏名又は名称】株式会社アルバック

(74)【代理人】

【識別番号】110000305

【氏名又は名称】特許業務法人青莪

(72)【発明者】

【氏名】後田 以誠

(72)【発明者】

【氏名】矢島 太郎

【審査官】 橋本 直明

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０２−０５６８４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０２−２３４３３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１２９１９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−３４９１６８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｊ ３７／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

熱電子を放出するフィラメントと、フィラメントを囲うと共にこのフィラメントが臨む開口を有して、放出される熱電子を収束するウェネルトと、ウェネルトの開口を含む面に対して直交する、ウェネルトの開口に向けて熱電子が放出される方向を前とし、ウェネルトの前方で熱電子の通過を許容する開口を有して、熱電子を加速するアノードとを備える電子銃であって、
フィラメントとして金属製の線材をコイル状に巻回したものを用い、このフィラメントの外周面を臨むウェネルトの開口とアノードの開口とをフィラメントの母線方向に長手の長孔としたものにおいて、
アノードに加速電圧を印加すると、ウェネルトとアノードとの間の空間に発生する自己誘導電場がアノードの開口の内周縁部側にシフトするように、アノードの開口中心を通る孔軸線とウェネルトの開口中心を通る孔軸線とをウェネルトの開口を含む面内で母線方向に直交する方向に０．１〜２．５ｍｍの範囲でオフセットしたことを特徴とする電子銃。

【請求項2】

真空中でフィラメントに通電して熱電子を放出させ、フィラメントを臨む開口が設けられたウェネルトによりこの放出させた熱電子を収束し、フィラメントを臨む開口が設けられたアノードに加速電圧を印加してこの収束された熱電子を加速して真空中に放出するようにした電子ビームの放出方法において、
電子ビームの放出中、ウェネルトとアノードとの間の空間に発生する自己誘導電場をアノードの開口の内周縁部側にシフトさせてこの電子ビームの放出に伴ってアノードの前方で発生する陽イオンをアノードの開口中心を通る孔軸線に対して傾斜した方向からフィラメントに衝突させる工程を含むことを特徴とする電子ビームの放出方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電子銃及び電子ビームの放出方法に関し、より詳しくは、フィラメントの寿命を長くすることができる構造を持つもの及び電子ビームの放出方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、真空チャンバ内の坩堝に収容された金属等の蒸発材料に電子ビームを照射してこの蒸発材料を蒸発させたり、または、加速した電子ビームを金属等のターゲットに衝突させてターゲットに溶接等の加工を行ったりするために電子銃が用いられている。このような電子銃は例えば特許文献１で知られている。このものは、熱電子を放出するフィラメントと、フィラメントを囲うと共にこのフィラメントが臨む開口を有して、放出される熱電子を収束するウェネルトと、ウェネルトの開口を含む面に対して直交する、ウェネルトの開口に向けて熱電子が放出される方向を前とし、ウェネルトの前方で熱電子の通過を許容する開口を有して、熱電子を加速するアノードとを備える。アノードとウェネルトとは、通常、それの開口の中心を通って前後方向にのびる軸線（孔軸線）が同軸線上に位置するように配置されている（特許文献１、例えば図１参照）。

【0003】

ここで、上記構成の電子銃を真空蒸着装置に適用した場合を例に説明すると、蒸着中、真空チャンバ内には蒸発材料から蒸発したものや、真空チャンバ内の圧力（真空度）に相応したガスが残留しており、これらの蒸発物質や残留ガスに電子ビームが衝突することで電離して蒸発物質や残留ガスの陽イオンが発生する。発生した陽イオンは、カソードとしてのフィラメントに向かって加速され、この加速された陽イオンがウェネルトとアノードとで形成される電界レンズにより収束されてフィラメントの一部に集中して衝突する。そして、フィラメントが局所的に削られ、断線する。

【0004】

上記従来例の如く、開口の孔軸線が同軸線上に位置するようにアノードとウェネルトとが配置されていると、加速電圧を印加したときにウェネルトとアノードとの間の空間に発生する自己誘導電場は、孔軸線に対称なプロファイルとなって、陽イオンは、孔軸線に沿う軌道を通って（即ち、面方向に対して直交する方向から）衝突するようになる。そして、フィラメントを構成する線材の径分だけ削られると、断線してしまい、フィラメントの寿命が短いという問題がある。このような場合、ウェネルトの開口の前方でこの開口の片側にのみアノードを配置して陽イオンがフィラメントの一部に集中しないような電界レンズを形成することが考えられるが（所謂非対称型の電子銃）、このような非対称型では、電子ビームの引き出し効率が劣るという問題がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１１−１１９１４０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明は、以上の点に鑑み、電子ビームを効率よく引き出すという機能を損なうことなく、フィラメントの高寿命化を図ることができる構造を持つ電子銃及び電子ビームの放出方法を提供することをその課題とするものである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するために、熱電子を放出するフィラメントと、フィラメントを囲うと共にこのフィラメントが臨む開口を有して、放出される熱電子を収束するウェネルトと、ウェネルトの開口を含む面に対して直交する、ウェネルトの開口に向けて熱電子が放出される方向を前とし、ウェネルトの前方で熱電子の通過を許容する開口を有して、加速電圧が印加されるアノードとを備える本発明の電子銃は次の点に特徴がある。即ち、本発明では、フィラメントとして金属製の線材をコイル状に巻回したものを用い、このフィラメントの外周面を臨むウェネルトの開口とアノードの開口とをフィラメントの母線方向に長手の長孔とし、アノードに加速電圧を印加すると、ウェネルトとアノードとの間の空間に発生する自己誘導電場がアノードの開口の内周縁部側にシフトするように、アノードの開口中心を通る孔軸線とウェネルトの開口中心を通る孔軸線とをウェネルトの開口を含む面内で母線方向に直交する方向に０．１〜２．５ｍｍの範囲でオフセットした。また、上記課題を解決するために、本発明は、真空中でフィラメントに通電して熱電子を放出させ、フィラメントを臨む開口が設けられたウェネルトによりこの放出させた熱電子を収束し、フィラメントを臨む開口が設けられたアノードに加速電圧を印加してこの収束された熱電子を加速して真空中に放出するようにした電子ビームの放出方法において、電子ビームの放出中、ウェネルトとアノードとの間の空間に発生する自己誘導電場をアノードの開口の内周縁部側にシフトさせてこの電子ビームの放出に伴ってアノードの前方で発生する陽イオンをアノードの開口中心を通る孔軸線に対して傾斜した方向からフィラメントに衝突させる工程を含むことを特徴とする。

【0008】

以上によれば、例えば上記各電子銃を真空蒸着装置に適用した場合、蒸着中、真空チャンバ内の蒸発物質や残留ガスに電子ビームが衝突して発生した陽イオンは、フィラメントに向かって加速されるが、ウェネルトの開口とアノードの開口とを面方向にオフセットしたり、または、ウェネルトの開口に対するアノードの開口の周縁部までの前後方向の間隔を局所的に変化させたりして、自己誘導電場をアノードの開口の内周縁部側にシフトさせることで、陽イオンが、ウェネルトの開口の中心を通って前後方向にのびる軸線に対して傾斜した方向からフィラメントに衝突するようになり、上記従来例のものと比較して、断線までの時間を長くすることができる。この場合、ウェネルトの開口の前方には、開口を備えたアノードが配置されているため、電子ビームを効率よく引き出すという機能は損なわれることがなく、フィラメントの高寿命化を図ることができる。

【0009】

なお、前記フィラメントを金属製の線材をコイル状に巻回したものとし、このフィラメントが臨むウェネルトの開口と、アノードの開口とを長孔で構成したものにおいては、前記オフセットする方向を両開口の長手方向に対して直交する方向としておけば、既存の電子銃の構成部品自体は変更することなく、フィラメントの高寿命化が図れる構成が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の実施形態に係る電子銃の構成を説明する模式断面図。

【図2】図１に示す電子銃の模式正面図。

【図3】本発明の実施形態に係る電子銃にてウェネルトの開口に対するアノードの開口の位置関係と、フィラメントに対する陽イオンの軌道とを説明する図。

【図4】従来例に係る電子銃にてウェネルトの開口に対するアノードの開口の位置関係と、フィラメントに対する陽イオンの軌道とを説明する図。

【図5】（ａ）及び（ｂ）は、変形例に係る電子銃にてウェネルトの開口に対するアノードの開口の位置関係を説明する図。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、図面を参照して、図外の真空チャンバ内の坩堝に収容された金属等の蒸発材料に電子ビームを照射してこの蒸発材料を蒸発させるものに適用した場合を例に本発明の実施形態の電子銃を説明する。なお、以下においては、「上」「下」といった方向を示す用語は、図１を基準とする。

【0012】

図１〜図３を参照して、ＥＧは、本発明の実施形態に係る電子銃である。電子銃ＥＧは、熱電子を放出するフィラメント１と、開口２１を有して、放出される熱電子を収束するウェネルト２と、ウェネルト２の開口２１を含む面に対して直交する、ウェネルト２の開口２１に向けて熱電子が放出される方向を前（図１中、右側）とし、ウェネルト２の前方で熱電子の通過を許容する開口３１を有して熱電子を加速するアノード３とを備える。

【0013】

フィラメント１としては、例えば、φ０．５ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲のタングステン製の線材を、φ２ｍｍ〜φ５ｍｍの範囲の内径を持ち、かつ、全長が２．０ｍｍ〜３０．０ｍｍの範囲となるようにコイル状に巻回したものが用いられる。そして、フィラメント１の両自由端が、金属製の台座４に立設された、ウェネルト２を支持する支持板５に取り付けられる。この場合、一方のフィラメント１の自由端（上側）は、電気的に絶縁するために、例えば支持板５に形成された孔２ａに挿通されている。また、フィラメント１の両自由端は電源Ｅ１に接続され、電源Ｅ１により通電されて赤熱し、熱電子を放出する。なお、フィラメント１の形態は、これに限定されるものではなく、線材を単にコ字状に屈曲させたものや、渦巻き状に巻回したものを用いることができる。なお、図１中、Ｅ２は、加速電圧を印加するための他の電源であり、電源Ｅ１，Ｅ２については公知の構造のものが利用できるため、ここでは詳細な説明を省略する。

【0014】

ウェネルト２は、支持板５に前面に設けた筒状部材５１を介して支持される板状部材２ａで構成され、これら板状部材２ａ、支持板５及び筒状部材５１でフィラメント１を囲う空間が画成される。そして、板状部材２ａにフィラメント１が臨む開口２１としての長円状の孔が開設されている。この場合、開口２１の長手方向の長さは、フィラメント１の全長より長く設定され、他方、グランド電位に保持されるアノード３は、台座４で支持された板状部材で構成され、板状部材にもまた、開口２１を通してフィラメント１が臨む開口３１としての長円状の長孔が開設されている。この場合、開口３１の内周縁部は、前方向に向かって末広がりなテーパ面に形成されている。なお、開口３１の内周縁部は、テーパ状のものに限定されるものではない。そして、真空中でフィラメント１に通電することで赤熱させて熱電子を放出させ、ウェネルト２により集束作用を与えながら、アノード３によって加速され、図示省略の電磁コイルの磁場により１８０°曲げられた後、アース接地の坩堝６に収容した蒸発材料７に電子ビームＥＢが照射される。

【0015】

ここで、坩堝６に収容した蒸発材料７に電子ビームＥＢを照射して蒸着させている間、真空チャンバ内の蒸発物質や残留ガスの陽イオンが発生し、発生した陽イオンは、カソードとしてのフィラメント１に向かって加速され、この加速された陽イオンがウェネルト２とアノード３とで形成される電界レンズにより収束されてフィラメント１の一部に集中して衝突する。このとき、従来例の電子銃１００では、図４に示すように、ウェネルト１１０の開口１１１と、アノード１２０の開口１２１との夫々の中心を通って前後方向（図４中、左右方向）にのびる孔軸線ＨＡ_１０，ＨＡ_２０が同一の軸線上に位置するようにウェネルト１１０とアノード１２０とが配置されていたため、電源Ｅ２により加速電圧を印加したときにウェネルト２とアノード３との間の空間に発生する自己誘導電場Ｅｆは、両孔軸線ＨＡ_１０，ＨＡ_２０に対称なプロファイルとなり、この自己誘導電場Ｅｆの影響を受けて、陽イオンが、孔軸線ＨＡｃに沿う軌道、即ち、ウェネルト１１０とアノード１２０との開口１１１，１２１を含む面方向に対して直交する方向からフィラメント１３０に衝突する（つまり、フィラメント１３０から開口１２１，１１１を通って放出される電子ビームＥＢに軌道に沿って陽イオンがフィラメント１側に戻って衝突する）ことで、フィラメント１３０を構成する線材の径分だけ削られると、断線してしまう。

【0016】

本実施形態では、図３を再び参照して、ウェネルト２の開口２１とアノード３の開口３１とを面方向にオフセットし、自己誘導電場Ｅｆがアノード３の開口３１の内周縁（下側の長手方向の縁部）側にシフトしたプロファイルを持つように構成した。つまり、台座４へのアノード３の取り付け位置を下側にオフセットすることで、ウェネルト２の開口２１に対してアノード３の開口３１を０．１〜２．５ｍｍの範囲に下側にオフセットし、ウェネルト２の開口２１の中心を通って前後方向（図３中、左右方向）にのびる孔軸線ＨＡ_１と、アノード３の開口３１の中心を通って前後方向（図３中、左右方向）にのびる孔軸線ＨＡ_２とを上下方向にオフセットした。これにより、陽イオンが、孔軸線ＨＡ_１，ＨＡ_２に対して傾斜した方向からフィラメント１に衝突するようになる。その結果、上記従来例のものと比較して、断線までの時間を長くすることができる。この場合、ウェネルト２の開口２１の前方には、開口３１を備えたアノード３が配置されているため、電子ビームＥＢを効率よく引き出すという機能は損なわれることがなく、フィラメント１の高寿命化を図ることができる。

【0017】

次に、上記効果を確認するために、上記電子銃ＥＧを用いて以下の実験を行った。この場合、ウェネルト２の開口２１に対してアノード３の開口３１を０．５ｍｍに下側にオフセットしたもの（発明品）と、ウェネルト２の開口２１に対してアノード３の開口３１をオフセットしないもの（従来品）とを用意した。そして、真空チャンバ内を真空雰囲気とし、１０ｋＶ、３００ｍＡの出力でフィラメントに通電して発明品と従来品とで、断線までの時間を測定した。これによれば、従来品では約９時間で断線したが、発明品によれば３０時間経過してもフィラメントが断線しないことが確認できた。

【0018】

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記のものに限定されるものではない。上記実施形態では、既存の部品を用いて簡単な構造でウェネルト２の開口２１に対してアノード３の開口３１をオフセットしたものを例に説明したが、陽イオンが、孔軸線線ＨＡ_１，ＨＡ_２に対して傾斜した方向からフィラメント１に衝突させることができれば、その形態は問わない。例えば、図５(ａ)に示す第２態様の変形例では、ウェネルト２の開口２１に対するアノード３の開口３１０ａ、３１０ｂの周縁部までの前後方向の間隔Ｄ１，Ｄ２を局所的に変化させることで、自己誘導電場Ｅｆが前後方向の間隔Ｄ２が異なる位置においてアノード３の開口３１の内周縁側にシフトしたプロファイルを持つようになり、陽イオンが、傾斜した方向からフィラメント１に衝突するようにしている。また、図５(ｂ)に示す他の変形例では、アノード３の開口３２０の内周縁部３２０ａ，３２０ｂの傾きを局所的に逆テーパ面となるように形成することで、陽イオンが、傾斜した方向からフィラメント１に衝突するようにしている。

【符号の説明】

【0019】

ＥＢ…電子銃、Ｅｆ…自己誘導電場、１…フィラメント、２…ウェネルト、２１…ウェネルトの開口、３…アノード、３１…アノードの開口。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】