JP2015176685A - Charged particle beam irradiation device and charged particle beam irradiation method - Google Patents

Charged particle beam irradiation device and charged particle beam irradiation method Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide charged particle beam irradiation device and method that can shorten the time required for sample processing and observation.SOLUTION: A controller 20 controls an irradiation unit for irradiating an electron beam B1 so that the irradiation current amount of the electron beam B1 to be applied to a processing target area is larger than the irradiation current amount of the electron beam B1 to be applied to a non-processing area, and a pulse having a predetermined pulse duty ratio is output. A detection signal amplifier 18 sets the gain of a detection signal during an irradiation time of the charged particle beam to the processing target area to be lower than the gain of a detection signal during an irradiation time of the electron beam B1 to the non-processing area, and amplifies the detection signal. An image constructing unit 30 constructs an observation image for observing the state of a powder sample 13 by using the amplified detection signal.

Description

本発明は、試料に荷電粒子ビームを照射する際に用いられる荷電粒子ビーム照射装置及び荷電粒子ビーム照射方法に関する。   The present invention relates to a charged particle beam irradiation apparatus and a charged particle beam irradiation method used when a sample is irradiated with a charged particle beam.

ステージ上に敷き詰めた樹脂粉末からなる粉末層にレーザ光を照射して樹脂粉末を溶融させ、この樹脂粉末が凝固した層を積み重ねて立体物を造形する光造形装置が広く知られている。近年は、電子ビーム露光装置、電子ビーム加工装置、集束イオンビーム装置等の様々な装置により、ステージ上に敷き詰めた粉末試料の表面(以下、「試料表面」と呼ぶ。)の特定領域に荷電粒子ビームを照射して試料を加工及び改質することで、粉末試料が溶融、凝固した層を積み重ねて立体物を造形する三次元積層造形装置が用いられている。   2. Description of the Related Art An optical modeling apparatus that forms a three-dimensional object by irradiating a laser beam onto a powder layer made of a resin powder spread on a stage to melt the resin powder and stacking layers obtained by solidifying the resin powder is widely known. In recent years, charged particles are applied to a specific region of the surface of a powder sample (hereinafter referred to as “sample surface”) spread on a stage by various apparatuses such as an electron beam exposure apparatus, an electron beam processing apparatus, and a focused ion beam apparatus. A three-dimensional additive manufacturing apparatus that forms a three-dimensional object by stacking layers obtained by melting and solidifying a powder sample by irradiating a beam to process and modify the sample is used.

このような三次元積層造形装置においては、(1)試料表面の加工、及び(2)試料表面の観察という、2つの目的を達成するために、同一のソースから発生する荷電粒子ビームの照射条件を切り替える制御が行われている。   In such a three-dimensional additive manufacturing apparatus, in order to achieve the two purposes of (1) processing of the sample surface and (2) observation of the sample surface, irradiation conditions of charged particle beams generated from the same source are used. Control to switch is performed.

例えば、試料表面を加工する際には、試料を最適に加工できる荷電粒子ビームの照射条件を規定した加工モードを設定する。加工モードでは、予め指定されている加工対象領域やパターン位置に十分な照射電流量の荷電粒子ビームを照射し、試料表面を溶融することができる。非加工対象領域には荷電粒子ビームを点滅照射することで、非加工対象領域を溶融しないようにしている。   For example, when processing the sample surface, a processing mode that defines irradiation conditions of a charged particle beam that can optimally process the sample is set. In the processing mode, the surface of the sample can be melted by irradiating a charged particle beam having a sufficient irradiation current amount to a processing target region or pattern position designated in advance. The non-processing target area is irradiated with blinking charged particle beams so as not to melt the non-processing target area.

一方、操作者が試料表面を観察する際には、試料を加工しない荷電粒子ビームの照射条件を規定した観察モードを設定する。観察モードでは、照射電流量を低減した荷電粒子ビームを、観察対象となる領域の全面にラスター走査する。そして、荷電粒子ビームが照射された試料表面から発生する二次電子や反射電子等を検出し、検出信号を画像化して表示部に試料表面を表示している。   On the other hand, when the operator observes the sample surface, an observation mode that defines the irradiation conditions of the charged particle beam that does not process the sample is set. In the observation mode, a charged particle beam with a reduced amount of irradiation current is raster-scanned over the entire area to be observed. Then, secondary electrons, reflected electrons, and the like generated from the sample surface irradiated with the charged particle beam are detected, the detection signal is imaged, and the sample surface is displayed on the display unit.

このような三次元積層造形装置の一例として、特許文献1に開示されたものが知られている。この特許文献1には、粉末材料に光ビームを照射して硬化層を形成し、この硬化層を積み重ねて所望の三次元形状を有する造形物を製造する技術が開示されている。   As an example of such a three-dimensional additive manufacturing apparatus, one disclosed in Patent Document 1 is known. This patent document 1 discloses a technique for forming a hardened layer by irradiating a powder material with a light beam and stacking the hardened layer to produce a shaped article having a desired three-dimensional shape.

特開2001−152204号公報JP 2001-152204 A

ところで、観察モードは、操作者が試料表面の加工状況を確認しつつ、必要な場合には加工条件を変更し、調整するために用いられる。このため、試料の加工過程と観察過程に要する時間差を可能な限り小さくし、かつ、できるだけ多くの頻度で試料表面を観察することが望ましい。   By the way, the observation mode is used for the operator to change and adjust the processing conditions if necessary while confirming the processing state of the sample surface. For this reason, it is desirable to observe the sample surface as often as possible while minimizing the time difference required between the processing and observation processes of the sample.

しかし、従来は加工用の走査を行った後に、観察用のラスター走査を行っていたことから、試料表面を加工した後、観察を行うまでに時間を要していた。また、加工時に試料表面の走査に要する時間が長くなると、観察時に表示部に表示された画像から、試料表面の状況を正確に把握できず、加工状況に応じて荷電粒子ビームを調整することが難しかった。   However, conventionally, after performing the scanning for processing, the raster scanning for observation is performed, so it takes time to perform observation after processing the sample surface. In addition, if the time required for scanning the sample surface during processing becomes long, the state of the sample surface cannot be accurately grasped from the image displayed on the display unit during observation, and the charged particle beam can be adjusted according to the processing state. was difficult.

本発明はこのような状況に鑑みて成されたものであり、試料の加工及び観察に要する時間を短縮することを目的とする。   The present invention has been made in view of such a situation, and an object thereof is to shorten the time required for processing and observing a sample.

本発明は、制御部が、荷電粒子ビームを照射する照射部に対して、加工が行われる試料の加工領域に照射する荷電粒子ビームの照射電流量を、試料の非加工領域に照射する荷電粒子ビームの照射電流量より多くし、かつ所定のパルスデューティー比としたパルス出力を行わせる。
次に、二次電子検出部が、試料に照射した荷電粒子ビームにより励起した二次電子を検出することにより、検出信号を出力する。
次に、検出信号増幅部が、荷電粒子ビームが加工領域に照射される期間における検出信号のゲインを、荷電粒子ビームが非加工領域に照射される期間における検出信号のゲインよりも低くして、検出信号を増幅する。
そして、画像構成部が、増幅された検出信号を用いて、試料の状態を観察するための観察画像を構成する。
In the present invention, the control unit irradiates the non-processed region of the sample with the irradiation current amount of the charged particle beam that irradiates the processing region of the sample to be processed to the irradiation unit that irradiates the charged particle beam. The pulse output is made to be larger than the beam irradiation current amount and at a predetermined pulse duty ratio.
Next, the secondary electron detector detects the secondary electrons excited by the charged particle beam irradiated on the sample, and outputs a detection signal.
Next, the detection signal amplifying unit lowers the gain of the detection signal during the period in which the charged particle beam is irradiated onto the processing region, lower than the gain of the detection signal during the period in which the charged particle beam is irradiated onto the non-processing region, Amplify the detection signal.
And an image structure part comprises the observation image for observing the state of a sample using the amplified detection signal.

本発明によれば、1回の荷電粒子ビームの走査で試料の加工領域及び非加工領域の観察画像を取得できるため、試料の加工及び観察に要する時間を短縮することができる。   According to the present invention, since the observation image of the processed region and the non-processed region of the sample can be acquired by one scanning of the charged particle beam, the time required for processing and observing the sample can be shortened.

本発明の一実施の形態例に係る三次元積層造形装置の構成例を示すブロック図である。1 is a block diagram illustrating a configuration example of a three-dimensional additive manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施の形態例に係る加工対象パターンの例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the example of the process target pattern which concerns on one embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態例に係る引出電位の変化例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the example of a change of the extraction electric potential which concerns on the example of 1 embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態例に係る照射電流の変化例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the example of a change of the irradiation current which concerns on one embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態例に係る検出ゲインの変化例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the example of a change of the detection gain which concerns on the example of 1 embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態の変形例に係る検出ゲインの変化例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the example of a change of the detection gain which concerns on the modification of one embodiment of this invention.

以下、本発明の一実施の形態例に係る電子銃及び三次元積層造形装置について、添付図面を参照して説明する。
本明細書及び図面において、実質的に同一の機能又は構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複する説明を省略する。
Hereinafter, an electron gun and a three-dimensional additive manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
In the present specification and drawings, components having substantially the same function or configuration are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.

[1.一実施の形態例]
<三次元積層造形装置の構成例>
図1は、三次元積層造形装置1の構成図である。
三次元積層造形装置1は、荷電粒子ビーム照射装置の一例として用いられる。この三次元積層造形装置1は、三次元CAD(Computer Aided Design)にて作成されたCADデータに基づき、電子ビームB1(荷電粒子ビームの一例)を利用して、複雑な部品を高速かつ高精度に造形することが可能である。しかも、三次元積層造形装置1は、従来の方法では難しかった高強度な金属部品を作成することができる。
[1. Example of embodiment]
<Configuration example of three-dimensional additive manufacturing apparatus>
FIG. 1 is a configuration diagram of a three-dimensional additive manufacturing apparatus 1.
The three-dimensional additive manufacturing apparatus 1 is used as an example of a charged particle beam irradiation apparatus. The three-dimensional additive manufacturing apparatus 1 uses an electron beam B1 (an example of a charged particle beam) based on CAD data created by a three-dimensional CAD (Computer Aided Design) to perform high-speed and high-accuracy complex parts. It is possible to make a model. Moreover, the three-dimensional additive manufacturing apparatus 1 can create a high-strength metal part that has been difficult with the conventional method.

三次元積層造形装置1は、電子ビームB1を放射する電子銃2、偏向部6、レンズ7、粉末試料格納庫9、粉末積層アーム10、Z軸ステージ11、検出電流制御電極14、スイッチ15、端子16a,16b、二次電子検出部17、検出信号増幅部18を備える。また、三次元積層造形装置1は、制御部20、引出電位発生部24、走査駆動部25、画像構成部30、表示部33を備える。   The three-dimensional layered manufacturing apparatus 1 includes an electron gun 2 that emits an electron beam B1, a deflection unit 6, a lens 7, a powder sample storage 9, a powder stack arm 10, a Z-axis stage 11, a detection current control electrode 14, a switch 15, and a terminal. 16a, 16b, a secondary electron detection unit 17, and a detection signal amplification unit 18. The three-dimensional additive manufacturing apparatus 1 includes a control unit 20, an extraction potential generation unit 24, a scanning drive unit 25, an image configuration unit 30, and a display unit 33.

不図示の造形チャンバー内に設置される電界放出型の電子銃2は、エミッタ3、引出電極4及び加速電極5を備えた3極構成としてあり、Z軸ステージ11に敷き詰められた粉末試料13に向けて電子ビームB1を放出する。   A field emission type electron gun 2 installed in a modeling chamber (not shown) has a three-pole configuration including an emitter 3, an extraction electrode 4 and an acceleration electrode 5, and is applied to a powder sample 13 spread on a Z-axis stage 11. The electron beam B1 is emitted.

偏向部6は、電子銃2から放出された電子ビームB1をZ軸ステージ11の所定位置に偏向させる。レンズ7は、電磁的な作用により電子ビームB1を集束し、電子ビームB1をZ軸ステージ11上に結像させる。これらの電子銃2、偏向部6、レンズ7は、電子ビームB1を粉末試料13に照射するための「照射部」として用いられる。   The deflecting unit 6 deflects the electron beam B1 emitted from the electron gun 2 to a predetermined position on the Z-axis stage 11. The lens 7 focuses the electron beam B1 by electromagnetic action, and forms an image on the Z-axis stage 11 with the electron beam B1. The electron gun 2, the deflection unit 6, and the lens 7 are used as an “irradiation unit” for irradiating the powder sample 13 with the electron beam B 1.

造形チャンバーの内部は、粉末試料13の劣化を防止するために、真空引きされている。Z軸ステージ11は、粉末試料13の一層単位でZ軸方向(鉛直方向)に移動可能である。Z軸ステージ11上には、水平方向に移動可能な粉末積層アーム10によって粉末試料13が所定の高さ(例えば、粉末試料13の一粒分の直径)で敷き詰められる。そして、Z軸ステージ11の試料表面には、図2に示す加工対象パターン40に基づいて電子ビームB1が照射され、造形物12が造形される。   The interior of the modeling chamber is evacuated to prevent the powder sample 13 from deteriorating. The Z-axis stage 11 is movable in the Z-axis direction (vertical direction) in units of one layer of the powder sample 13. On the Z-axis stage 11, the powder sample 13 is spread at a predetermined height (for example, the diameter of one particle of the powder sample 13) by the powder stacking arm 10 that can move in the horizontal direction. Then, the sample surface of the Z-axis stage 11 is irradiated with the electron beam B1 based on the processing target pattern 40 shown in FIG.

ここで、加工対象パターン40について説明する。
図2は、加工対象パターン40の例を示す。
加工対象パターン40の一例として示される英字の「A」は、Z軸ステージ11に敷き詰められた粉末試料13に造形される図形であり、CADデータに基づいて作成される。加工対象パターン40以外の部分が電子ビームB1による加工が行われない非加工領域a1,a2であり、加工対象パターン40の部分が電子ビームB1による加工が行われる加工領域b1である。そして、表示部33には、この加工対象パターン40が観察画像として表示される。
Here, the processing target pattern 40 will be described.
FIG. 2 shows an example of the processing target pattern 40.
An English letter “A” shown as an example of the processing target pattern 40 is a figure formed on the powder sample 13 spread on the Z-axis stage 11 and is created based on CAD data. The portions other than the processing target pattern 40 are non-processing regions a1 and a2 where the processing by the electron beam B1 is not performed, and the processing target pattern 40 is a processing region b1 where the processing by the electron beam B1 is performed. Then, the processing target pattern 40 is displayed on the display unit 33 as an observation image.

図1の説明に戻ると、検出電流制御電極14は、電子ビームB1が照射された粉末試料13から励起された二次電子によって生じる検出電流を制限する。検出電流の制限は、検出電流制御電極14に一端が接続されるスイッチ15が、他端を正電位の端子16a、負電位の端子16bのいずれかに切り替えられることで行われる。スイッチ15の他端が正電位の端子16aに接続されると、検出電流制御電極14に正電位が印加され、検出電流制御電極14に引き付けられる二次電子が多くなる。一方、スイッチ15の他端が負電位の端子16bに接続されると、検出電流制御電極14に負電位が印加されるため、検出電流制御電極14に引き付けられる二次電子が少なくなる。   Returning to the description of FIG. 1, the detection current control electrode 14 limits the detection current generated by the secondary electrons excited from the powder sample 13 irradiated with the electron beam B1. The detection current is limited by switching the switch 15 having one end connected to the detection current control electrode 14 to either the positive potential terminal 16a or the negative potential terminal 16b. When the other end of the switch 15 is connected to the positive potential terminal 16a, a positive potential is applied to the detection current control electrode 14, and the number of secondary electrons attracted to the detection current control electrode 14 increases. On the other hand, when the other end of the switch 15 is connected to the negative potential terminal 16b, a negative potential is applied to the detection current control electrode 14, so that secondary electrons attracted to the detection current control electrode 14 are reduced.

二次電子検出部17は、粉末試料13に照射した電子ビームB1により励起した二次電子を、検出電流制御電極14を介して検出することにより、検出信号を出力する。
検出信号増幅部18は、増幅した検出信号を画像構成部30に出力する。
The secondary electron detector 17 outputs a detection signal by detecting secondary electrons excited by the electron beam B <b> 1 irradiated to the powder sample 13 via the detection current control electrode 14.
The detection signal amplification unit 18 outputs the amplified detection signal to the image construction unit 30.

制御部20は、三次元積層造形装置1内の各部の動作を制御する。制御部20が照射部に行う制御としては、引出電位発生部24が引出電位を発生するための引出電位発生信号を発生させる。ここで、制御部20は、粉末試料13の加工領域b1に照射する電子ビームB1の照射電流量を、粉末試料13の非加工領域a1,a2に照射する電子ビームB1の照射電流量より多くし、かつ所定のパルスデューティー比としたパルス出力を照射部に行わせる。   The control unit 20 controls the operation of each unit in the three-dimensional additive manufacturing apparatus 1. As control performed by the control unit 20 on the irradiation unit, the extraction potential generation unit 24 generates an extraction potential generation signal for generating the extraction potential. Here, the control unit 20 increases the irradiation current amount of the electron beam B1 irradiated to the processing region b1 of the powder sample 13 more than the irradiation current amount of the electron beam B1 irradiated to the non-processing regions a1 and a2 of the powder sample 13. In addition, the irradiation unit is caused to output a pulse with a predetermined pulse duty ratio.

そして、制御部20は、照射部が電子ビームB1を試料表面の全面をラスター走査する際に、非加工領域a1,a2と加工領域b1で引出電位発生部24に設定するモードを変える。非加工領域a1,a2では、観察モードが設定され、引出電位を低く保った電子ビームB1が連続出力される。しかし、加工領域b1では、加工モードが設定され、観察モードでの引出電位を所定のパルスデューティー比で高めた電子ビームB1がパルス出力される。   Then, the control unit 20 changes the mode set in the extraction potential generating unit 24 in the non-processed regions a1 and a2 and the processed region b1 when the irradiating unit raster scans the entire surface of the sample surface with the electron beam B1. In the non-processed areas a1 and a2, an observation mode is set, and an electron beam B1 with a low extraction potential is continuously output. However, in the processing region b1, the processing mode is set, and the electron beam B1 in which the extraction potential in the observation mode is increased by a predetermined pulse duty ratio is output as a pulse.

この制御部20は、走査信号発生部21と、加工領域生成部22と、加工領域記憶部23とを備える。
走査信号発生部21は、走査駆動部25を駆動するための走査信号を発生する。
加工領域生成部22は、加工対象パターン40より、加工領域b1と非加工領域a1,a2を生成する。
加工領域記憶部23は、加工領域生成部22によって生成された加工対象パターン40を、加工対象パターンデータとして記憶している。
The control unit 20 includes a scanning signal generation unit 21, a processing region generation unit 22, and a processing region storage unit 23.
The scanning signal generator 21 generates a scanning signal for driving the scan driver 25.
The machining area generation unit 22 generates a machining area b1 and non-machining areas a1 and a2 from the machining target pattern 40.
The processing area storage unit 23 stores the processing target pattern 40 generated by the processing area generation unit 22 as processing target pattern data.

引出電位発生部24は、制御部20から受け取った引出電位発生信号に基づいて引出電極4に印加する正の引出電位を発生する。このとき、引出電位発生部24は、制御部20によって設定される加工モード又は観察モードに応じて引出電位を高速に切り替える。
走査駆動部25は、走査信号発生部21から受け取った走査信号に基づいて偏向部6の動作を制御し、電子ビームB1を試料表面上にラスター走査させる。
The extraction potential generator 24 generates a positive extraction potential to be applied to the extraction electrode 4 based on the extraction potential generation signal received from the control unit 20. At this time, the extraction potential generator 24 switches the extraction potential at a high speed according to the processing mode or observation mode set by the control unit 20.
The scanning drive unit 25 controls the operation of the deflecting unit 6 based on the scanning signal received from the scanning signal generating unit 21, and causes the electron beam B1 to be raster scanned on the sample surface.

画像構成部30は、検出信号増幅部18から受け取った増幅された検出信号を用いて、粉末試料13の状態を観察するための観察画像を構成する。この画像構成部30は、画像生成部31と、イメージメモリ32とを備える。   The image constructing unit 30 constructs an observation image for observing the state of the powder sample 13 using the amplified detection signal received from the detection signal amplifying unit 18. The image construction unit 30 includes an image generation unit 31 and an image memory 32.

画像生成部31は、検出信号増幅部18から入力した検出信号に基づいて観察画像を生成する。
イメージメモリ32(記憶部の一例)は、例えば、ハードアクセス可能なオンメモリで構成される。そして、イメージメモリ32は、画像生成部31が生成した観察画像を記憶する。
表示部33は、画像構成部30が構成した観察画像を表示する。操作者は、表示部33に表示された観察画像により、粉末試料13の表面の様子を観察することができる。
The image generation unit 31 generates an observation image based on the detection signal input from the detection signal amplification unit 18.
The image memory 32 (an example of a storage unit) is configured by, for example, an on-memory that can be accessed hard. The image memory 32 stores the observation image generated by the image generation unit 31.
The display unit 33 displays the observation image configured by the image configuration unit 30. The operator can observe the state of the surface of the powder sample 13 from the observation image displayed on the display unit 33.

<三次元積層造形装置の動作例>
ここで、三次元積層造形装置1の動作について説明する。
まず、不図示の真空ポンプによって造形チャンバーの内部が真空引きされた後、粉末試料格納庫9がZ軸ステージ11に粉末試料13を供給する。そして、粉末積層アーム10が、所定の高さとなるように粉末試料13をZ軸ステージ11上に均一に敷きつめる。その後、電子銃2から電子ビームB1がZ軸ステージ11上の粉末試料13に向けて照射される。
<Operation example of 3D additive manufacturing equipment>
Here, the operation of the three-dimensional additive manufacturing apparatus 1 will be described.
First, after the inside of the modeling chamber is evacuated by a vacuum pump (not shown), the powder sample storage 9 supplies the powder sample 13 to the Z-axis stage 11. Then, the powder sample 13 is uniformly spread on the Z-axis stage 11 so that the powder lamination arm 10 has a predetermined height. Thereafter, an electron beam B 1 is irradiated from the electron gun 2 toward the powder sample 13 on the Z-axis stage 11.

その際、照射部に含まれるエミッタ3は、不図示の加熱電源によって加熱されて電子を放出する。引出電位発生部24は、電子ビームB1を粉末試料13の加工領域b1又は非加工領域a1,a2に照射するタイミングに合わせて引出電位を変える。引出電極4は、引出電位発生部24が発生した正の引出電位が印加されると、エミッタ3から電子を引き出す。さらに、加速電極5は、加速電源26によって印加された加速電位により、エミッタ3が放出した電子を加速した電子ビームB1を偏向部6に向かわせる。   At that time, the emitter 3 included in the irradiation unit is heated by a heating power source (not shown) to emit electrons. The extraction potential generator 24 changes the extraction potential in accordance with the timing of irradiating the processing region b1 or the non-processing regions a1 and a2 of the powder sample 13 with the electron beam B1. The extraction electrode 4 extracts electrons from the emitter 3 when a positive extraction potential generated by the extraction potential generator 24 is applied. Further, the acceleration electrode 5 causes the electron beam B1 obtained by accelerating electrons emitted from the emitter 3 to be directed to the deflecting unit 6 by the acceleration potential applied by the acceleration power supply 26.

この電子ビームB1は、偏向部6により偏向され、レンズ7を通過して、Z軸ステージ11上に敷き詰められた粉末試料13を高温で溶融する。溶融された粉末試料13は、電子ビームB1が通過した後、凝固する。電子ビームB1により一層毎に溶融された後、凝固した粉末試料13により造形される二次元構造体は、三次元構造体を一つの粉末層と同じ高さ毎に平面で切り出したものである。   The electron beam B1 is deflected by the deflecting unit 6, passes through the lens 7, and melts the powder sample 13 spread on the Z-axis stage 11 at a high temperature. The melted powder sample 13 is solidified after the electron beam B1 passes through it. The two-dimensional structure formed by the solidified powder sample 13 after being melted layer by layer by the electron beam B1 is obtained by cutting the three-dimensional structure in a plane at the same height as one powder layer.

電子ビームB1によってZ軸ステージ11上に所定の形状が造形されると、Z軸ステージ11は、電子ビームB1の走査期間が経過する度に降下し、再び粉末試料13が敷きつめられる。そして、再び、三次元積層造形装置1は、粉末試料13の一層毎に電子ビームB1を照射して、粉末試料13の溶融及び凝固を繰り返した後、最終的に所望の造形物12を造形する。   When a predetermined shape is formed on the Z-axis stage 11 by the electron beam B1, the Z-axis stage 11 is lowered every time the scanning period of the electron beam B1 elapses, and the powder sample 13 is spread again. Then, again, the three-dimensional additive manufacturing apparatus 1 irradiates the electron beam B1 for each layer of the powder sample 13, repeats melting and solidification of the powder sample 13, and finally forms a desired model 12 .

電子ビームB1の照射に際して、走査信号発生部21は、電子ビームB1が停留する時間に応じて、ラスター走査を行うための適切な繰り返し周波数を調整し、この繰り返し周波数を偏向部6に設定する。そして、制御部20は、金属溶融効果を持たない観察モード、又は金属粉末を溶融可能な金属溶融効果を持つ加工モードのいずれかを引出電位発生部24に設定して電子銃2を使用することが可能となる。   When irradiating the electron beam B1, the scanning signal generation unit 21 adjusts an appropriate repetition frequency for performing raster scanning according to the time during which the electron beam B1 is stopped, and sets this repetition frequency in the deflection unit 6. Then, the control unit 20 uses the electron gun 2 by setting either the observation mode without the metal melting effect or the processing mode with the metal melting effect capable of melting the metal powder in the extraction potential generating unit 24. Is possible.

観察モードにおいて引出電位発生部24は、例えば数kVの引出電位を引出電極4に印加している。このとき、電子ビームB1の照射電流は小電流である。このため、観察モードで得られる電子ビームB1は、試料表面を溶融することはない。   In the observation mode, the extraction potential generator 24 applies an extraction potential of, for example, several kV to the extraction electrode 4. At this time, the irradiation current of the electron beam B1 is a small current. For this reason, the electron beam B1 obtained in the observation mode does not melt the sample surface.

一方、加工モードにおいて引出電位発生部24は、例えば10kVを超えるパルス状の引出電位を引出電極4に印加する。これにより、電子ビームB1の照射電流が大電流となる。パルス状の引出電位が印加された引出電極4は、エミッタ3を破壊することなくエミッタ3の周辺の電界強度を高めて、エミッタ3から電子を引き出し、電子ビームB1を高輝度化することができる。また、電子ビームB1のビーム径を増加させることなく、照射電流を3桁程度増大させたパルス状の電子ビームB1を粉末試料13に照射し、試料表面を加工することが可能となる。   On the other hand, the extraction potential generator 24 applies a pulsed extraction potential exceeding 10 kV to the extraction electrode 4 in the processing mode, for example. Thereby, the irradiation current of the electron beam B1 becomes a large current. The extraction electrode 4 to which a pulsed extraction potential is applied can increase the electric field intensity around the emitter 3 without destroying the emitter 3, extract electrons from the emitter 3, and increase the brightness of the electron beam B <b> 1. . Also, the sample surface can be processed by irradiating the powder sample 13 with the pulsed electron beam B1 having an irradiation current increased by about three digits without increasing the beam diameter of the electron beam B1.

電子ビームB1が照射された試料表面からは、二次電子が放出される。二次電子検出部17に到達する二次電子の量(検出電流)は、検出電流制御電極14によって制御される。そして、二次電子検出部17は、検出した二次電子に基づいて検出信号を出力する。   Secondary electrons are emitted from the sample surface irradiated with the electron beam B1. The amount of secondary electrons (detection current) that reaches the secondary electron detector 17 is controlled by the detection current control electrode 14. Then, the secondary electron detector 17 outputs a detection signal based on the detected secondary electrons.

検出信号増幅部18は、加工モードで決定される所定のパルスデューティー比に合わせて、電子ビームB1が加工領域b1に照射される期間における検出信号のゲインを低くする。逆に、検出信号増幅部18は、所定のパルスデューティー比に合わせて、非加工領域a1,a2に電子ビームB1が照射される期間における検出信号のゲインを高くする。検出信号のゲインは、検出信号増幅部18が引出電位発生部24から受け取った引出電位が増減するタイミングに基づいて変えられる。   The detection signal amplifier 18 lowers the gain of the detection signal during the period in which the processing region b1 is irradiated with the electron beam B1 in accordance with a predetermined pulse duty ratio determined in the processing mode. Conversely, the detection signal amplification unit 18 increases the gain of the detection signal during a period in which the non-processed regions a1 and a2 are irradiated with the electron beam B1 in accordance with a predetermined pulse duty ratio. The gain of the detection signal is changed based on the timing at which the extraction potential received by the detection signal amplification unit 18 from the extraction potential generation unit 24 increases or decreases.

また、検出信号増幅部18は、電子ビームB1の観察モード又は加工モードに従ってゲインを変えた検出信号を出力するため、画像生成部31が検出信号に基づいて生成する観察画像全体の信号強度をほぼ均一に保つことができる。また、画像生成部31は、電子ビームB1の全面ラスター走査に同期して検出信号をサンプリングし、イメージメモリ32に記憶させる。このため、画像生成部31は、イメージメモリ32から読み出した検出信号から観察画像を生成し、この観察画像を表示部33に出力することができる。   Further, since the detection signal amplification unit 18 outputs a detection signal whose gain is changed according to the observation mode or the processing mode of the electron beam B1, the signal intensity of the entire observation image generated by the image generation unit 31 based on the detection signal is substantially increased. It can be kept uniform. In addition, the image generation unit 31 samples the detection signal in synchronization with the entire raster scan of the electron beam B <b> 1 and stores it in the image memory 32. For this reason, the image generation unit 31 can generate an observation image from the detection signal read from the image memory 32 and output the observation image to the display unit 33.

<引出電位のパルス制御>
次に、引出電位のパルス制御方法について図3〜図5を参照して説明する。以下の説明では、非加工領域a1,a2における引出電位、照射電流、検出ゲインを「ベース部」と呼び、加工領域b1における引出電位、照射電流、検出ゲインを「パルス部」と呼ぶ。
<Pulse control of extraction potential>
Next, the pulse control method of the extraction potential will be described with reference to FIGS. In the following description, the extraction potential, irradiation current, and detection gain in the non-processed areas a1 and a2 are referred to as “base part”, and the extraction potential, irradiation current, and detection gain in the processing area b1 are referred to as “pulse part”.

図3は、引出電位の変化例を示す。
引出電位発生部24は、電子ビームB1が非加工領域a1を走査する時刻t1〜t2の間は、低い引出電位E1(ベース部)を引出電極4に印加する。そして、電子ビームB1が加工領域b1を走査する時刻t2〜t3の間は、引出電位E1を引出電極4に印加しつつ、引出電位E1よりも高いパルス状の引出電位E2(パルス部)を引出電極4に印加する。電子ビームB1が非加工領域a2を走査する時刻t3以降は、引出電位E2を印加せず、低い引出電位E1を引出電極4に印加する。
FIG. 3 shows an example of changes in the extraction potential.
The extraction potential generator 24 applies a low extraction potential E1 (base portion) to the extraction electrode 4 during the time t1 to t2 when the electron beam B1 scans the non-processed area a1. During the time t2 to t3 when the electron beam B1 scans the processing region b1, a pulsed extraction potential E2 (pulse part) higher than the extraction potential E1 is extracted while applying the extraction potential E1 to the extraction electrode 4. Apply to electrode 4. After time t3 when the electron beam B1 scans the non-processed area a2, the extraction potential E2 is not applied, and a low extraction potential E1 is applied to the extraction electrode 4.

図4は、照射電流の変化例を示す。
電子銃2は、電子ビームB1が非加工領域a1を走査する時刻t1〜t2の間は、試料表面を観察するため、電子ビームB1による照射電流I1(ベース部)を小さくしてある。
FIG. 4 shows an example of change in irradiation current.
In the electron gun 2, the irradiation current I1 (base part) by the electron beam B1 is reduced in order to observe the sample surface during the time t1 to t2 when the electron beam B1 scans the non-processed area a1.

一方、電子銃2は、電子ビームB1が加工領域b1を走査する時刻t2〜t3の間は、試料表面を加工するため、電子ビームB1による照射電流I2(パルス部)を照射電流I1よりもパルス状に大きくしてある。時刻t3になると、照射電流I1に戻す。   On the other hand, since the electron gun 2 processes the sample surface during the time t2 to t3 when the electron beam B1 scans the processing region b1, the irradiation current I2 (pulse part) by the electron beam B1 is pulsed more than the irradiation current I1. The shape is enlarged. At time t3, the irradiation current I1 is restored.

図5は、検出ゲインの変化例を示す。
検出信号増幅部18は、非加工領域a1を電子ビームB1が走査している時刻t1〜t2の間は、検出ゲインG1(ベース部)を高くする。そして、電子ビームB1が加工領域b1を走査する時刻t2〜t3の間は、照射電流がパルス状に強められるタイミングに合わせて、検出ゲインG2(パルス部)を低くする。その後、電子ビームB1が非加工領域a2を走査する時刻t3となると、検出ゲインG1に戻す。
FIG. 5 shows a change example of the detection gain.
The detection signal amplification unit 18 increases the detection gain G1 (base unit) during the time t1 to t2 when the electron beam B1 scans the non-processed area a1. Then, during the time t2 to t3 when the electron beam B1 scans the processing region b1, the detection gain G2 (pulse part) is lowered in accordance with the timing at which the irradiation current is increased in a pulse shape. Thereafter, at time t3 when the electron beam B1 scans the non-processed area a2, the detection gain G1 is restored.

以上説明した一実施の形態例に係る三次元積層造形装置1によれば、試料表面に対して1回の全面ラスター走査を行うことにより、試料表面の加工と、観察画像の構成をほぼ同時に行うことができる。このため、粉末試料13の加工と観察に要する時間を短縮することができる。そして、表示部33には、電子ビームB1によるラスター走査毎に加工対象パターン40の加工結果が表示される。このため、操作者は、加工条件の確認及び設定を効率的に行うことができる。   According to the three-dimensional additive manufacturing apparatus 1 according to the embodiment described above, the processing of the sample surface and the configuration of the observation image are performed almost simultaneously by performing one full raster scan on the sample surface. be able to. For this reason, the time required for processing and observation of the powder sample 13 can be shortened. The display unit 33 displays the processing result of the processing target pattern 40 for each raster scan by the electron beam B1. Therefore, the operator can efficiently check and set the processing conditions.

また、加工モードにおいて、パルス状の電子ビームB1を粉末試料13に照射する時には、大電流の電子ビームB1を照射することにより二次電子が大量に生成され検出信号が増大する。このため、加工領域b1では、検出電流制御電極14に負電位を印加して、多量の二次電子が検出電流制御電極14に引き付けられないようにする。また、非加工領域a1,a2では、検出電流制御電極14に正電位を印加して、多くの二次電子を検出電流制御電極14に引き付ける。このように加工モードと観察モードの切り替えは、非加工領域a1,a2と加工領域b1との境界で行われる。そして、検出信号増幅部18は、引出電極4にパルス状に印加される引出電位に同期し、電子ビームB1がパルス出力された時に検出信号のゲインを減らす。このため、1回のラスター走査において加工モードと観察モードを併用することにより、連続して検出信号を得ることができ、白飛び等の生じていない正常な画像を構成することが可能となる。   Further, when the powder sample 13 is irradiated with the pulsed electron beam B1 in the processing mode, a large amount of secondary electrons are generated and the detection signal is increased by irradiating the electron beam B1 with a large current. For this reason, in the processing region b1, a negative potential is applied to the detection current control electrode 14 so that a large amount of secondary electrons are not attracted to the detection current control electrode 14. In the non-processed regions a1 and a2, a positive potential is applied to the detection current control electrode 14 to attract many secondary electrons to the detection current control electrode 14. In this way, switching between the processing mode and the observation mode is performed at the boundary between the non-processing regions a1 and a2 and the processing region b1. Then, the detection signal amplification unit 18 reduces the gain of the detection signal when the electron beam B1 is pulsed in synchronization with the extraction potential applied in a pulsed manner to the extraction electrode 4. For this reason, by using the processing mode and the observation mode together in one raster scan, it is possible to obtain detection signals continuously, and it is possible to construct a normal image in which no whiteout occurs.

[2.変形例]
上述した一実施の形態例において、図5に示したようにゲインを、引出電位E2のパルス印加に合わせて変更するようにしたが、これに限られない。
[2. Modified example]
In the embodiment described above, the gain is changed in accordance with the pulse application of the extraction potential E2 as shown in FIG. 5, but the present invention is not limited to this.

図6は、検出ゲインの変化例を示す。
この例では、電子ビームB1が加工領域b1を走査する時刻t2〜t3の間は、検出ゲインG2のままとする。これにより、引出電位がパルス状に大きくなっても、検出ゲインを低く保つため、大きな引出電位が引出電極4に印加されたことによる検出信号の増幅を抑えることができる。
FIG. 6 shows a change example of the detection gain.
In this example, the detection gain G2 is maintained during the time t2 to t3 when the electron beam B1 scans the processing region b1. As a result, even if the extraction potential increases in a pulse shape, the detection gain is kept low, so that the amplification of the detection signal due to the application of the large extraction potential to the extraction electrode 4 can be suppressed.

また、引出電位、照射電流、検出ゲインのパルスデューティー比は、粉末試料13の直径、加工対象パターン40の形状等に応じて任意に変えることができる。   Further, the pulse potential ratio of the extraction potential, the irradiation current, and the detection gain can be arbitrarily changed according to the diameter of the powder sample 13, the shape of the processing target pattern 40, and the like.

また、三次元積層造形装置1では、荷電粒子ビームの一例として負電荷である電子による電子ビームB1を用いた例を示したが、正電荷の粒子を荷電粒子ビームに用いてもよい。   In the three-dimensional layered manufacturing apparatus 1, an example in which the electron beam B <b> 1 using negatively charged electrons is used as an example of the charged particle beam, but positively charged particles may be used for the charged particle beam.

また、従来のように観察モード、加工モードをそれぞれ独立して設定することも可能である。
また、粉末試料13以外に、溶融樹脂等を用いることもできる。
Moreover, it is also possible to set the observation mode and the processing mode independently as in the prior art.
In addition to the powder sample 13, a molten resin or the like can also be used.

なお、本発明は上述した実施の形態例に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りその他種々の応用例、変形例を取り得ることは勿論である。
例えば、上述した実施の形態例は本発明を分かりやすく説明するために装置及びシステムの構成を詳細且つ具体的に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることは可能であり、更にはある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることも可能である。
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various other application examples and modifications can of course be taken without departing from the gist of the present invention described in the claims.
For example, the above-described embodiments are detailed and specific descriptions of the configuration of the apparatus and the system in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and are not necessarily limited to those having all the configurations described. Absent. Further, a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment. Moreover, it is also possible to add, delete, and replace other configurations for a part of the configuration of each embodiment.
Further, the control lines and information lines indicate what is considered necessary for the explanation, and not all the control lines and information lines on the product are necessarily shown. Actually, it may be considered that almost all the components are connected to each other.

1…三次元積層造形装置、2…電子銃、3…エミッタ、4…引出電極、5…加速電極、6…偏向部、7…レンズ、13…粉末試料、14…検出電流制御電極、15…スイッチ、16a,16b…端子、17…二次電子検出部、18…検出信号増幅部、20…制御部、25…走査駆動部、26…加速電源、30…画像構成部、33…表示部   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Three-dimensional additive manufacturing apparatus, 2 ... Electron gun, 3 ... Emitter, 4 ... Extraction electrode, 5 ... Acceleration electrode, 6 ... Deflection part, 7 ... Lens, 13 ... Powder sample, 14 ... Detection current control electrode, 15 ... Switch, 16a, 16b ... terminal, 17 ... secondary electron detector, 18 ... detection signal amplifier, 20 ... controller, 25 ... scan driver, 26 ... acceleration power source, 30 ... image composing unit, 33 ... display unit

Claims (5)

荷電粒子ビームを照射する照射部と、
加工が行われる試料の加工領域に照射する前記荷電粒子ビームの照射電流量を、前記試料の非加工領域に照射する前記荷電粒子ビームの照射電流量より多くし、かつ所定のパルスデューティー比としたパルス出力を前記照射部に行わせる制御部と、
前記試料に照射した前記荷電粒子ビームにより励起した二次電子を検出することにより、検出信号を出力する二次電子検出部と、
前記荷電粒子ビームが前記加工領域に照射される期間における前記検出信号のゲインを、前記荷電粒子ビームが前記非加工領域に照射される期間における前記検出信号のゲインよりも低くして、前記検出信号を増幅する検出信号増幅部と、
増幅された前記検出信号を用いて、前記試料の状態を観察するための観察画像を構成する画像構成部と、を備える
荷電粒子ビーム照射装置。
An irradiation unit for irradiating a charged particle beam;
The amount of irradiation current of the charged particle beam that irradiates the processing region of the sample to be processed is larger than the amount of irradiation current of the charged particle beam that irradiates the non-processing region of the sample, and has a predetermined pulse duty ratio. A control unit for causing the irradiation unit to perform pulse output;
A secondary electron detector that outputs a detection signal by detecting secondary electrons excited by the charged particle beam applied to the sample;
The detection signal has a gain lower than that of the detection signal during a period in which the charged particle beam is irradiated onto the non-processed region. A detection signal amplification unit for amplifying
A charged particle beam irradiation apparatus comprising: an image constructing unit that constructs an observation image for observing the state of the sample using the amplified detection signal.
前記検出信号増幅部は、前記所定のパルスデューティー比に合わせて、前記荷電粒子ビームが前記加工領域に照射される期間における前記検出信号のゲインを低くする
請求項1に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
The charged particle beam irradiation apparatus according to claim 1, wherein the detection signal amplifying unit lowers the gain of the detection signal during a period in which the charged particle beam is irradiated onto the processing region in accordance with the predetermined pulse duty ratio. .
前記荷電粒子ビームは、電子ビームであって、
前記照射部は、
電子を放出するエミッタと、
引出電位発生部が発生する引出電位が印加され、前記エミッタから前記電子を引き出す引出電極と、
加速電位が印加され、前記エミッタが放出した前記電子を加速して前記電子ビームとする加速電極と、を備え、
前記制御部は、前記電子ビームを前記試料の加工領域又は非加工領域に照射するタイミングに合わせて、前記引出電位発生部が発生する前記引出電位を変化させる
請求項1又は2に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
The charged particle beam is an electron beam,
The irradiation unit is
An emitter that emits electrons;
An extraction potential generated by an extraction potential generation unit is applied, and an extraction electrode that extracts the electrons from the emitter;
An accelerating potential is applied, and an acceleration electrode that accelerates the electrons emitted from the emitter to form the electron beam, and
The charged particle according to claim 1, wherein the control unit changes the extraction potential generated by the extraction potential generation unit in accordance with a timing of irradiating the processing region or non-processing region of the sample with the electron beam. Beam irradiation device.
前記画像構成部は、前記観察画像を記憶する記憶部を備え、
前記観察画像を表示する表示部に前記観察画像を出力する
請求項1〜3のいずれか1項に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
The image configuration unit includes a storage unit that stores the observation image,
The charged particle beam irradiation apparatus according to claim 1, wherein the observation image is output to a display unit that displays the observation image.
制御部が、荷電粒子ビームを照射する照射部に対して、加工が行われる試料の加工領域に照射する前記荷電粒子ビームの照射電流量を、前記試料の非加工領域に照射する前記荷電粒子ビームの照射電流量より多くし、かつ所定のパルスデューティー比としたパルス出力を行わせるステップと、
二次電子検出部が、前記試料に照射した前記荷電粒子ビームにより励起した二次電子を検出することにより、検出信号を出力するステップと、
検出信号増幅部が、前記荷電粒子ビームが前記加工領域に照射される期間における前記検出信号のゲインを、前記荷電粒子ビームが前記非加工領域に照射される期間における前記検出信号のゲインよりも低くして、前記検出信号を増幅するステップと、
画像構成部が、増幅された前記検出信号を用いて、前記試料の状態を観察するための観察画像を構成するステップと、を含む
荷電粒子ビーム照射方法。
The charged particle beam that irradiates the non-processed region of the sample with an irradiation current amount of the charged particle beam that is applied to the processing region of the sample to be processed by the control unit to the irradiation unit that irradiates the charged particle beam. A step of causing the pulse output to be larger than the irradiation current amount and having a predetermined pulse duty ratio;
A step of outputting a detection signal by detecting a secondary electron excited by the charged particle beam applied to the sample by the secondary electron detector;
The detection signal amplification unit lowers the gain of the detection signal during a period in which the charged particle beam is irradiated onto the processing region, and is lower than the gain of the detection signal in a period during which the charged particle beam is irradiated onto the non-processing region. Amplifying the detection signal;
And a step of forming an observation image for observing the state of the sample using the amplified detection signal. The charged particle beam irradiation method.
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