JP2008130483A - Electron beam fusion device - Google Patents

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Yasuhiko Kojima
靖彦 小島
Seigo Motome
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  • Welding Or Cutting Using Electron Beams (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electron beam fusion device capable of fusion-welding a minute region by locally heating the minute region of 0.1 mm or less. <P>SOLUTION: This is equipped with an electron beam focusing/deflecting part 1 for generating electron beams and scanning them, a movable stage 8 while retaining a workpiece, a machining chamber 2 in which the stage 8 is housed, and a detector 10 in order to detect secondary electrons or reflected electrons generated at an electron beam irradiation point. By the electron beam focusing/deflecting part 1, the electron beams are irradiated to a desired position of the workpiece, and the workpiece is fusion-welded. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、電子線溶融装置に係り、特に被加工物に電子ビーム(電子線)を照射して被加工物を溶融接合する電子線溶融装置に関するものである。   The present invention relates to an electron beam melting apparatus, and more particularly to an electron beam melting apparatus that irradiates a workpiece with an electron beam (electron beam) to melt and bond the workpiece.

近年、微小電子機械システム(MEMS)と称されるように機械部品は小さくなり、加工方法においても従来からある技術をそのまま用いることができなくなってきた。特に、複数部品の溶融接合に関しては、大気中ではその熱源が大きく、部品が数mm以下の大きさになるとほとんど不可能になる。従来から電子ビーム(電子線)を用いて溶融接合を行なう装置はあるが、1mm以下の寸法の構造物を溶融接合する装置は無かった。しかるに、今日、1mm以下の部品を溶融接合する技術が切実に要求されるようになってきた。   In recent years, mechanical parts have become smaller as referred to as microelectromechanical systems (MEMS), and it has become impossible to use conventional techniques as they are in processing methods. In particular, the fusion joining of a plurality of parts is almost impossible when the heat source is large in the atmosphere and the parts are several mm or less in size. Conventionally, there has been an apparatus for performing melt bonding using an electron beam (electron beam), but there has been no apparatus for melting and bonding a structure having a size of 1 mm or less. However, today, there is an urgent need for a technique for melting and joining parts of 1 mm or less.

また、部品が小さくなるに従い、溶融接合個所をはずさないで正しく接合を行うためには、接合個所を正確に掌握する必要がある。光学顕微鏡、あるいは光学顕微鏡とCCDカメラで拡大画像を得る方法があるが、倍率が大きくなると観察対象場所と光学レンズの距離が小さくなり、光学系のレンズやミラーが短時間で汚れてしまうという欠点があって長時間安定した画像を維持するのは難しく実用上問題が多かった。
また、電子ビームを照射した際に試料から放出される二次電子あるいは反射電子を利用する方法も提案されているが、一次元走査したときの信号変化から溶接線を探し出す方法であり、装置の操作性は必ずしも満足できるものではなかった。
Further, as the parts become smaller, it is necessary to accurately grasp the joining portion in order to perform the joining correctly without removing the fusion joining portion. There is a method of obtaining an enlarged image with an optical microscope or an optical microscope and a CCD camera, but when the magnification is increased, the distance between the observation target location and the optical lens is reduced, and the lens and mirror of the optical system are contaminated in a short time. Therefore, it was difficult to maintain a stable image for a long time, and there were many problems in practical use.
In addition, a method using secondary electrons or reflected electrons emitted from a sample when irradiated with an electron beam has been proposed. However, this is a method for finding a welding line from a signal change during one-dimensional scanning. The operability is not always satisfactory.

近年、部品の小型化がより一層要求されるようになるにつれて、1mm以下の部品を溶融接合したいという要求がますます強くなってきている。
本発明は、上述の事情に鑑みなされたもので、0.1mm以下の微小領域を局所的に加熱して微小領域を溶融接合することができる電子線溶融装置を提供することを目的とする。
In recent years, as the miniaturization of parts has become more demanding, there has been an increasing demand for melting and joining parts of 1 mm or less.
The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object thereof is to provide an electron beam melting apparatus that can locally heat a minute region of 0.1 mm or less and melt and bond the minute region.

上述の目的を達成するためには、本発明は、電子ビームを発生して走査する電子線集束偏向部と、被加工物を保持して移動可能なステージと、該ステージを収容する加工室と、電子ビーム照射点で発生する二次電子または反射電子を検出するための検出器とを備え、前記電子線集束偏向部により、被加工物の所望の位置に電子ビームを照射し、被加工物を溶融接合することを特徴とするものである。   In order to achieve the above-described object, the present invention includes an electron beam focusing deflection unit that generates and scans an electron beam, a stage that can move while holding a workpiece, and a processing chamber that houses the stage. And a detector for detecting secondary electrons or reflected electrons generated at the electron beam irradiation point, and the electron beam focusing and deflecting unit irradiates a desired position of the workpiece with the electron beam. Are melt-bonded.

本発明の1態様によれば、15W以下の小電力の電子ビームを被加工物の直径30μm以下の領域に注入することにより、被加工物を溶融接合することを特徴とする。
本発明の1態様によれば、前記電子線集束偏向部の電子ビームを走査する機能は、溶融接合個所を含む周辺の広い領域を走査して広い領域の画像を生成する像観察モードと、溶融接合個所を集中して走査して溶融接合する溶融接合モードの2種類の走査モードを備え、両走査モードを秒単位で切り替えることで画像観察と溶融接合をほぼ同時に行なうようにしたことを特徴とする。
According to one aspect of the present invention, a workpiece is melt-bonded by injecting a low-power electron beam of 15 W or less into a region having a diameter of 30 μm or less of the workpiece.
According to one aspect of the present invention, the function of scanning the electron beam of the electron beam focusing deflection unit includes an image observation mode that scans a wide area around the fusion joint and generates an image of a wide area, It features two types of scanning modes, a melt-bonding mode that scans and melts joints in a concentrated manner, and performs both image observation and melt-bonding almost simultaneously by switching both scan modes in seconds. To do.

本発明の1態様によれば、電子ビームの開き角を変えることにより、焦点深度を変えることで溶融深さを変えられることを特徴とする。
本発明の1態様によれば、赤外線源、高輝度光源あるいは粒子線源などの加熱手段で溶融接合個所を補助加熱する補助加熱源を備えたことを特徴とする。
本発明の1態様によれば、前記電子線集束偏向部の下部又は前記ステージの上方に熱遮蔽機構または冷却機構を設けたことを特徴とする。
According to one aspect of the present invention, the melting depth can be changed by changing the depth of focus by changing the opening angle of the electron beam.
According to one aspect of the present invention, an auxiliary heating source for auxiliary heating of the melt-bonded portion with heating means such as an infrared source, a high-intensity light source, or a particle beam source is provided.
According to one aspect of the present invention, a heat shielding mechanism or a cooling mechanism is provided below the electron beam focusing deflection unit or above the stage.

本発明の1態様によれば、電子ビームの焦点と三次元構造の被加工物の溶融接合個所との三次元的位置合わせを、電子ビームの走査位置と焦点を調節することにより行うことを特徴とする。
本発明の1態様によれば、電子ビームの焦点と三次元構造の被加工物の溶融接合個所との三次元的位置合わせを、被加工物を保持する前記ステージの位置と高さを調節することにより行うことを特徴とする。
本発明の1態様によれば、電子ビームの焦点と三次元構造の被加工物の溶融接合個所との三次元的位置合わせを、CAD情報をもとに自動的に行なうことを特徴とする。
本発明の1態様によれば、主加熱用の微細電子ビームと補助加熱用の広域電子ビームを同時に形成することを特徴とする。
According to one aspect of the present invention, the three-dimensional alignment between the focal point of the electron beam and the fusion-bonded portion of the workpiece having a three-dimensional structure is performed by adjusting the scanning position and the focal point of the electron beam. And
According to one aspect of the present invention, the position and height of the stage holding the workpiece are adjusted by three-dimensional alignment between the focal point of the electron beam and the fusion-bonded portion of the workpiece having a three-dimensional structure. It is characterized by being performed.
According to one aspect of the present invention, the three-dimensional alignment between the focus of the electron beam and the fusion-bonded portion of the workpiece having a three-dimensional structure is automatically performed based on the CAD information.
According to one aspect of the present invention, a fine electron beam for main heating and a wide-area electron beam for auxiliary heating are formed simultaneously.

部品を溶接するためには、溶接部のみを溶融して他の部分を溶融させないことが要求されるが、部品が1mm以下になると、現在の加熱源では難しいことは上述したとおりである。局所的に加熱するには、加熱を所望する個所に運動量の形でエネルギーを注入し、そこで熱エネルギーに変化させるのがもっとも効率的である。30kV〜50kVに加速した電子ビームを金属に照射した場合、電子ビームは金属表面から5μないし10μmの内部に侵入し、内部で熱に変化するため効率的に局所的な加熱が可能である。   In order to weld a part, it is required to melt only the welded part and not the other part. However, when the part is 1 mm or less, it is difficult with the current heating source as described above. For local heating, it is most efficient to inject energy in the form of momentum at the place where heating is desired, where it is converted to thermal energy. When an electron beam accelerated to 30 kV to 50 kV is irradiated onto a metal, the electron beam penetrates into the inside of 5 μm to 10 μm from the metal surface and changes into heat inside, so that efficient local heating is possible.

本発明は、30μAないし500μAの電流を発生し、ビーム直径を30μm以下、好ましくは5〜20μmに絞ることでエネルギー密度を100万W(ワット)/cm以上に高めた電子ビームを被加工物に照射することにより金属接触部を局所的に加熱溶融して接合することができる装置を提供する。LaB(六ホウ化ランタン)陰極の電子銃では、電流量150μA、電子ビーム直径15μm、電流密度255万A/cmの高密度電子ビームが実現できる。使用する電子ビーム直径を0.05μm〜30μmにすることで、走査電子顕微鏡の原理を応用して倍率10倍〜5000倍の二次電子像あるいは反射電子像を観察することが可能である。 The present invention generates an electron beam having an energy density of 1 million W (watts) / cm 2 or more by generating a current of 30 μA to 500 μA and narrowing the beam diameter to 30 μm or less, preferably 5 to 20 μm. An apparatus capable of locally heating and melting the metal contact portion by joining to the surface is provided. An electron gun having a LaB 6 (lanthanum hexaboride) cathode can realize a high-density electron beam having a current amount of 150 μA, an electron beam diameter of 15 μm, and a current density of 250,000 A / cm 2 . By using the electron beam diameter of 0.05 μm to 30 μm, it is possible to observe a secondary electron image or a reflected electron image with a magnification of 10 to 5000 by applying the principle of a scanning electron microscope.

電子ビームを走査する信号の振幅と速度を切り替える場合、振幅が大きく速度が速いときは、単位時間あたりの投入エネルギーが少ないため、表面の溶融は起こらず、ビーム照射位置からの二次電子または反射電子を検出することで像観察が可能である。振幅が小さく速度が遅いときは照射個所で溶融が発生しその部分を接合できる。溶融接合個所を含む周辺の広い領域を高速で走査する像観察モードと、接合部近辺のみを集中して走査する溶融接合モードとの2種類の走査モードを秒単位で切り替えることで、画像観察と溶融接合をほぼ同時に行なうことができる。このことにより、被加工物の100μm以下の微小領域を正確に溶融あるいは溶融接合を行うことが可能である   When switching the amplitude and speed of the signal that scans the electron beam, if the amplitude is large and the speed is high, the input energy per unit time is small, so the surface does not melt and secondary electrons or reflection from the beam irradiation position Image observation is possible by detecting electrons. When the amplitude is small and the speed is low, melting occurs at the irradiated part and the part can be joined. By switching between two types of scanning modes in seconds, an image observation mode that scans a wide area around the fusion bonding area at high speed, and a fusion bonding mode that concentrates and scans only the vicinity of the joint. Melt bonding can be performed almost simultaneously. As a result, it is possible to accurately melt or melt and join a minute region of 100 μm or less of the workpiece.

ビーム開き角は、対物レンズのポールピース近傍に取り付けた対物絞りの中心穴の直径に依存する。穴径を大きくすると焦点深度は浅くなり加熱範囲は浅くなる。穴径を小さくすれば焦点深度は深くなり加熱範囲は深くなる。非加工個所の寸法や形状にあわせて対物絞りの穴径を変えることで、溶融深さの最適化を行なうことができる。   The beam opening angle depends on the diameter of the central hole of the objective aperture attached in the vicinity of the pole piece of the objective lens. When the hole diameter is increased, the depth of focus becomes shallower and the heating range becomes shallower. If the hole diameter is made smaller, the depth of focus becomes deeper and the heating range becomes deeper. The melting depth can be optimized by changing the hole diameter of the objective aperture in accordance with the size and shape of the non-machined part.

熱容量が大きい被加工物とか熱伝導率の大きい被加工物に微細な溶融を行いたいときに15W(ワット)前後の電子ビームでは融点まで加熱できない場合がある。電子ビームのエネルギー総量を増やせば、加熱温度は上げられるが、電子ビーム電流を増やして、例えば100Wにする場合は電子銃の形状がまったく別のものになり、そして、その場合、パワーを小さくした場合に電子ビームが細くならず所望の100μm以下での溶融が不可能であり、装置として異なった機能の装置となる。
本発明では補助加熱源で被加工物の温度をその融点より数百度低い温度まで加熱することにより、15W以下、好ましくは4W〜15Wという小さいパワーの電子ビームを照射することで、微小部分を融点まで加熱することができ、所望の100μm以下の微小領域の溶融あるいは溶融接合が可能となる。
When it is desired to finely melt a workpiece having a large heat capacity or a workpiece having a high thermal conductivity, the electron beam of about 15 W (watt) may not be heated to the melting point. If the total energy of the electron beam is increased, the heating temperature can be increased, but if the electron beam current is increased, for example to 100 W, the shape of the electron gun becomes completely different, and in that case, the power is reduced. In this case, the electron beam does not become thin, and melting at a desired thickness of 100 μm or less is impossible.
In the present invention, the temperature of the work piece is heated to a temperature several hundred degrees lower than its melting point with an auxiliary heating source, and an electron beam with a small power of 15 W or less, preferably 4 W to 15 W, is irradiated, so that the minute portion has a melting point. It is possible to heat up to a desired minute region of 100 μm or less or to perform melt bonding.

照射位置の制御は、CADデータに予め記憶された被加工物の表面の三次元情報に基づき、電子ビームの焦点を変更するか、またはステージのX軸、Y軸、Z軸を調整して相対位置を一致させ、電子ビームの焦点を常に加工位置に結ばせることができる。
表面形状や表面の材質に応じて電子ビームの走査範囲や走査速度を調整して面積あたりの投入エネルギーを調整し、溶融あるいは溶融接合の不均一さをなくすことができる。
The irradiation position is controlled by changing the focus of the electron beam or adjusting the X, Y, and Z axes of the stage based on the three-dimensional information of the surface of the workpiece stored in advance in the CAD data. The positions can be matched, and the focal point of the electron beam can always be tied to the processing position.
By adjusting the scanning range and scanning speed of the electron beam according to the surface shape and the surface material, the input energy per area can be adjusted, and non-uniformity of melting or fusion bonding can be eliminated.

溶接時の加熱温度を高めるために、通常の電子顕微鏡、電子線描画装置では使用していない、電子銃チップ先端の周辺部から放出される電子ビームを利用する。球面収差を積極的に利用し被加工物にフォーカスさせることにより、低密度で大口径の電子ビーム(広域電子ビーム)が形成される。この広域電子ビームを電子銃チップ先端部から同時に放出される高密度で微細な電子ビームと共に被加工物に照射させることにより、溶接周辺部を補助加熱した状態での溶接が可能となる。
これにより、電子ビームの総エネルギーは補助加熱しない場合の1.5〜2倍以上となり高い加熱温度が得られるとともに、溶接部の温度勾配が緩やかになるため、局所的な残留応力の発生を緩和させることができる。
In order to increase the heating temperature during welding, an electron beam emitted from the periphery of the tip of the electron gun tip, which is not used in a normal electron microscope or electron beam drawing apparatus, is used. By actively utilizing spherical aberration and focusing on the workpiece, a low-density and large-diameter electron beam (wide-area electron beam) is formed. By irradiating the workpiece with a high-density and fine electron beam simultaneously emitted from the tip of the electron gun tip with the wide-area electron beam, welding can be performed in a state where the welding peripheral portion is auxiliary heated.
As a result, the total energy of the electron beam is 1.5 to 2 times that of the case where auxiliary heating is not performed, and a high heating temperature can be obtained, and the temperature gradient of the welded part is moderated, so that local residual stress is alleviated. Can be made.

本発明によれば、SEM像で観察しながら溶接できることにより、従来方法では不可能な0.1mm以下の微細寸法の部品同士の溶接が可能になる。   According to the present invention, since welding can be performed while observing with an SEM image, it is possible to weld parts having a fine dimension of 0.1 mm or less, which is impossible with the conventional method.

以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。図1は本発明に係る電子線溶融装置の全体構成を示すブロック図である。図1に示すように、電子線溶融装置は、電子線集束偏向部1と、電子線集束偏向部1の下方に配置された加工室2とを備えている。電子線集束偏向部1は、集束偏向部3内に収容された電子銃4、コンデンサレンズ5、対物レンズ6、電子線偏向器7等から構成されている。集束偏向部3および加工室2内は、加工室2の下方に配置され真空ポンプを備えた真空排気系(図示せず)により排気され、所定の真空度に保たれている。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing the overall configuration of an electron beam melting apparatus according to the present invention. As shown in FIG. 1, the electron beam melting apparatus includes an electron beam focusing / deflection unit 1 and a processing chamber 2 disposed below the electron beam focusing / deflection unit 1. The electron beam focusing / deflection unit 1 includes an electron gun 4, a condenser lens 5, an objective lens 6, an electron beam deflector 7 and the like housed in the focusing deflection unit 3. The focusing deflection unit 3 and the processing chamber 2 are evacuated by a vacuum exhaust system (not shown) provided below the processing chamber 2 and provided with a vacuum pump, and are maintained at a predetermined degree of vacuum.

加工室2内には被加工物であるワーク11を保持するステージ8が設置されている。ステージ8はモータ9に連結されており、ステージ8は、直交する二軸(X,Y軸)の方向に移動可能で水平面上の所望の位置に位置決め可能であるとともにZ軸の方向(高さ方向)に移動可能で垂直方向の所望の位置に位置決め可能な構造になっている。   A stage 8 that holds a workpiece 11 that is a workpiece is installed in the processing chamber 2. The stage 8 is connected to a motor 9, and the stage 8 can move in two orthogonal axes (X and Y axes) and can be positioned at a desired position on the horizontal plane, and the Z-axis direction (height In the vertical direction and can be positioned at a desired position in the vertical direction.

また、加工室2内には二次電子検出器10が配設されており、二次電子検出器10によりワーク11に電子ビームを照射した際にワーク11から放出される二次電子を検出するようになっている。
なお、二次電子検出器に代えて、ワークから放出された一次電子である反射電子を検出する反射電子検出器を用いてもよい。
Further, a secondary electron detector 10 is disposed in the processing chamber 2, and secondary electrons emitted from the work 11 when the work 11 is irradiated with an electron beam are detected by the secondary electron detector 10. It is like that.
Instead of the secondary electron detector, a reflected electron detector that detects reflected electrons that are primary electrons emitted from the workpiece may be used.

前記電子銃4は電子銃制御ユニット12に接続され、コンデンサレンズ5および対物レンズ6はレンズ制御ユニット13に接続されている。偏向器7は偏向器制御ユニット14に接続されている。電子銃制御ユニット12、レンズ制御ユニット13および偏向器制御ユニット14はコンピューター15に接続されている。モータ9はモータドライバー18に接続されており、モータドライバー18はコンピューター15に接続されている。二次電子検出器10は信号増幅器19を介してコンピューター15に接続されている。コンピューター15には、CADデータ16および表示器17が接続されている。   The electron gun 4 is connected to an electron gun control unit 12, and the condenser lens 5 and the objective lens 6 are connected to a lens control unit 13. The deflector 7 is connected to the deflector control unit 14. The electron gun control unit 12, the lens control unit 13 and the deflector control unit 14 are connected to a computer 15. The motor 9 is connected to a motor driver 18, and the motor driver 18 is connected to a computer 15. The secondary electron detector 10 is connected to the computer 15 via a signal amplifier 19. CAD data 16 and a display 17 are connected to the computer 15.

また、加工室2内には、赤外線源、高輝度光源あるいは粒子線源などの加熱手段を有した補助加熱源20が配置されており、補助加熱源20によりワーク11の溶融接合個所を加熱することができるようになっている。加熱されたワークからの輻射熱が電子線集束偏向部1に伝わり電子光学系の安定性を損なう恐れがあるため、電子線集束偏向部1の下部または最底部、又はステージ8の上方には熱遮蔽機構21が設けられている。なお、熱遮蔽機構21に代えて、電子線集束偏向部1の下部または最底部を冷却する冷却機構を設けてもよい。   Further, an auxiliary heating source 20 having heating means such as an infrared ray source, a high-intensity light source or a particle beam source is disposed in the processing chamber 2, and the auxiliary heating source 20 heats the fusion bonding portion of the work 11. Be able to. Since radiant heat from the heated workpiece is transmitted to the electron beam focusing / deflection unit 1 and the stability of the electron optical system may be deteriorated, heat shielding is provided below or below the electron beam focusing / deflection unit 1 or above the stage 8. A mechanism 21 is provided. Instead of the heat shielding mechanism 21, a cooling mechanism that cools the lower part or the bottom part of the electron beam focusing deflection unit 1 may be provided.

上述の構成において、電子銃4から出射された電子ビーム(電子線)は、コンデンサレンズ5および対物レンズ6により細く絞られた後に偏向器7を通してステージ8上に載置されたワーク11の表面に焦点を結ぶ。   In the above-described configuration, the electron beam (electron beam) emitted from the electron gun 4 is narrowed down by the condenser lens 5 and the objective lens 6 and then passed through the deflector 7 on the surface of the work 11 placed on the stage 8. Focus.

偏向器制御ユニット14は電子ビームを走査する振幅を制御し、広い領域を走査することで周囲の拡大像を得て、その画像を記憶して暫時表示器17に拡大像を表示する一方、秒単位で、溶融する部分のみの狭い幅の走査に切り替えて所望部分を溶融する。この拡大像の表示と溶融の繰返しにより、溶接線をはずさずに精度のよい加工が実現できる。ワーク11の熱容量が大きい場合あるいは熱伝導率が大きい場合は、補助加熱源20を動作させて必要なだけ補助加熱を行い、電子ビームを照射して微小部分の溶融を行なう。ワーク11の表面の三次元情報はCADデータ16からコンピューター15に送られ、コンピューター15は、CADデータ16に基づいて、電子銃制御ユニット12、レンズ制御ユニット13、偏向器制御ユニット14、モータードライバー18を介して、電子ビームおよびステージ8を制御して電子ビームが常にワーク11の表面に焦点を結ぶようにする。ワーク表面の1点に照射する電子ビームの合計エネルギーを制御して、次々と隣接する場所を電子ビームで照射するとともに、ワークの表面形状が異なっている場合は、照射される電子ビームのエネルギーを調整して、常に一定の溶融をするようにCADデータ16に基づいて制御する。上記操作を繰返し行うことにより、所望の溶融接合個所を溶融し接合する。   The deflector control unit 14 controls the amplitude of scanning the electron beam, obtains a magnified image of the surrounding by scanning a wide area, stores the image, and displays the magnified image on the display 17 for a while. In units, the desired portion is melted by switching to a narrow-width scan of only the portion to be melted. By displaying the magnified image and repeating the melting, it is possible to realize highly accurate processing without removing the weld line. When the heat capacity of the workpiece 11 is large or the thermal conductivity is large, the auxiliary heating source 20 is operated to perform auxiliary heating as much as necessary, and an electron beam is irradiated to melt a minute portion. The three-dimensional information on the surface of the workpiece 11 is sent from the CAD data 16 to the computer 15, and the computer 15 based on the CAD data 16, the electron gun control unit 12, the lens control unit 13, the deflector control unit 14, and the motor driver 18. The electron beam and the stage 8 are controlled via the head so that the electron beam is always focused on the surface of the work 11. By controlling the total energy of the electron beam that irradiates one point on the surface of the workpiece, the adjacent beam is irradiated with the electron beam one after another. If the surface shape of the workpiece is different, the energy of the irradiated electron beam is changed. It adjusts and it controls based on CAD data 16 so that it may always melt at a constant level. By repeating the above operation, a desired melt-bonded portion is melted and joined.

図2は、像観察モードと溶融接合モードを示す概念図である。図2は、第1ワーク11−1と第2ワーク11−2とを溶接する場合を示し、第1ワーク11−1と第2ワーク11−2とは、溶融接合箇所(溶接箇所)101で溶接される。偏向器制御ユニット14により、電子ビームを走査する信号の振幅と速度を切り替えて、振幅が大きく速度を速くして溶融接合箇所を含む周辺の広い領域(像観察モード走査領域)を高速で走査する像観察モードと、振幅が小さく速度を遅くして溶融接合領域(溶融接合走査領域)のみを集中して走査する溶融接合モードの2種類の走査モードを秒単位で切り替えることで画像観察と溶融接合をほぼ同時に行うようにしている。像観察モードでは広域を走査して二次電子または反射電子を信号として、その領域を画像化し、溶接線の位置を認識する。そして、溶融接合モードでは、像観察モードで得た溶接線の位置を認識しながら溶融接合モード走査を溶接線に合わせることで微細領域を正確に溶融接合することができる。図2において、符号201で示す矩形の領域は像観察モード走査領域を示し、符号202で示すハッチングされた矩形の領域は溶融接合モード走査領域を示す。符号203は電子線偏向器7における偏向中心を示す。   FIG. 2 is a conceptual diagram showing an image observation mode and a melt bonding mode. FIG. 2 shows a case where the first workpiece 11-1 and the second workpiece 11-2 are welded, and the first workpiece 11-1 and the second workpiece 11-2 are at a fusion-bonded point (welded point) 101. Welded. The deflector control unit 14 switches the amplitude and speed of the signal for scanning the electron beam and scans a wide area (image observation mode scanning area) including the melt-bonded portion at a high speed by increasing the amplitude and speed. Image observation and melt bonding are switched by switching the image observation mode and the melt bonding mode in which the amplitude is small and the speed is slowed down and the melt bonding region (melt bonding scanning region) is concentrated and scanned in units of seconds. Are performed almost simultaneously. In the image observation mode, a wide area is scanned, secondary electrons or reflected electrons are used as signals, the area is imaged, and the position of the weld line is recognized. In the melt bonding mode, the fine region can be accurately melt-bonded by matching the position of the welding line obtained in the image observation mode with the welding line scanning while recognizing the position of the welding line. In FIG. 2, a rectangular area denoted by reference numeral 201 represents an image observation mode scanning area, and a hatched rectangular area denoted by reference numeral 202 represents a melt bonding mode scanning area. Reference numeral 203 denotes a deflection center in the electron beam deflector 7.

図3は、像観察モードと溶融接合モードとを併用した際における像観察モードの表示器の画面を示す概念図である。図3に示すように、像観察モードにおいて、表示器17の画面には、第1ワーク11−1と第2ワーク11−2が示され、さらに第1ワーク11−1と第2ワーク11−2とを接合する溶融接合箇所(溶接箇所)101が示されている。   FIG. 3 is a conceptual diagram showing a screen of the display in the image observation mode when the image observation mode and the melt bonding mode are used in combination. As shown in FIG. 3, in the image observation mode, the screen of the display unit 17 shows the first work 11-1 and the second work 11-2, and further the first work 11-1 and the second work 11-. A melt-bonded portion (welded portion) 101 for joining 2 is shown.

図4は、対物レンズのポールピース近傍に取り付けられたアパーチャー(対物絞り)の穴径が小さいときの焦点深度を示す概念図である。図4に示すように、アパーチャー301の穴径dが小さいときには、焦点深度fdは深くなる。図4において、符号302は焦点位置を示す。アパーチャー301の穴径dが小さい場合には、焦点深度fdは深くなるので、深い溶接をするときに有効である。   FIG. 4 is a conceptual diagram showing the depth of focus when the hole diameter of the aperture (objective diaphragm) attached in the vicinity of the pole piece of the objective lens is small. As shown in FIG. 4, when the hole diameter d of the aperture 301 is small, the focal depth fd becomes deep. In FIG. 4, reference numeral 302 indicates a focal position. When the hole diameter d of the aperture 301 is small, the depth of focus fd becomes deep, which is effective for deep welding.

図5は、アパーチャー(対物絞り)の穴径が大きいときの焦点深度を示す概念図である。図5に示すように、アパーチャー301の穴径dが大きいときには、焦点深度fdは浅くなる。図5において、符号302は焦点位置を示す。アパーチャー301の穴径dが大きい場合には、焦点深度fdは浅くなるので、浅い溶接をするときに有効である。特に、薄板溶接のように浅い溶け込みが要求される場合に有効である。   FIG. 5 is a conceptual diagram showing the depth of focus when the hole diameter of the aperture (objective aperture) is large. As shown in FIG. 5, when the hole diameter d of the aperture 301 is large, the focal depth fd becomes shallow. In FIG. 5, reference numeral 302 indicates a focal position. When the hole diameter d of the aperture 301 is large, the focal depth fd becomes shallow, which is effective when performing shallow welding. This is particularly effective when shallow penetration is required, such as thin plate welding.

被加工物であるワークは、表面に凹凸があり三次元構造を有している。この三次元構造のワークについて、電子ビームの焦点と溶融接合個所の三次元的位置合わせを、電子ビームの走査位置と焦点を調節することにより行なうか又はワーク11を保持するステージ8の位置と高さを調節することにより行なう。
この場合、ワーク11の三次元構造については、予めCADデータ(CAD情報)16に記憶されており、この記憶されたCADデータ16に基づいて、コンピューター15により電子ビームの焦点と溶融接合個所の三次元的位置合わせを制御するようにしている。
A workpiece that is a workpiece has an uneven surface and a three-dimensional structure. For this three-dimensional structure work, three-dimensional alignment of the focal point of the electron beam and the fusion joint is performed by adjusting the scanning position and focal point of the electron beam, or the position and height of the stage 8 holding the work 11. This is done by adjusting the height.
In this case, the three-dimensional structure of the workpiece 11 is stored in advance in CAD data (CAD information) 16, and based on the stored CAD data 16, the focal point of the electron beam and the tertiary of the melt-bonded portion are calculated by the computer 15. The original alignment is controlled.

図6は、高密度電子ビームで溶接しているときの表示器の画面の実例を示す図である。図6に示す写真は、厚さ30μmのステンレス板を二枚重ね、その端部を溶融接合している状態のSEM像を示す。上半分は二枚の板が溶融接合されており、下半分は未だ接合されていない状態で、ワークを順次上方へ移動させることで、長い距離の溶接を行う。   FIG. 6 is a diagram showing an example of the screen of the display when welding is performed with a high-density electron beam. The photograph shown in FIG. 6 shows an SEM image in a state in which two stainless plates having a thickness of 30 μm are stacked and the ends thereof are melt-bonded. The upper half is welded over a long distance by moving the workpiece sequentially upward while the two plates are melt bonded and the lower half is not yet bonded.

図1は本発明に係る電子線溶融装置の全体構成を示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram showing the overall configuration of an electron beam melting apparatus according to the present invention. 図2は、像観察モードと溶融接合モードを示す概念図である。FIG. 2 is a conceptual diagram showing an image observation mode and a melt bonding mode. 図3は、像観察モードと溶融接合モードとを併用した際における像観察モードの表示器の画面を示す概念図である。FIG. 3 is a conceptual diagram showing a screen of the display in the image observation mode when the image observation mode and the melt bonding mode are used in combination. 図4は、対物レンズのポールピース近傍に取り付けられたアパーチャー(対物絞り)の穴径が小さいときの焦点深度を示す概念図である。FIG. 4 is a conceptual diagram showing the depth of focus when the hole diameter of the aperture (objective diaphragm) attached in the vicinity of the pole piece of the objective lens is small. 図5は、アパーチャー(対物絞り)の穴径が大きいときの焦点深度を示す概念図である。FIG. 5 is a conceptual diagram showing the depth of focus when the hole diameter of the aperture (objective aperture) is large. 図6は高密度電子ビームで溶接しているときの表示器の画面の実例を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing an example of the screen of the display when welding is performed with a high-density electron beam.

符号の説明Explanation of symbols

1 電子線集束偏向部
2 加工室
3 集束偏向部
4 電子銃
5 コンデンサレンズ
6 対物レンズ
7 偏向器
8 ステージ
9 モータ
10 二次電子検出器
11 ワーク
12 電子銃制御ユニット
13 レンズ制御ユニット
14 偏向器制御ユニット
15 コンピューター
16 CADデータ
17 表示器
18 モータードライバー
19 信号増幅器
20 補助加熱源
21 熱遮蔽機構
101 溶融接合箇所(溶接箇所)
201 像観察モード走査領域
202 溶融接合モード走査領域
203 偏向中心
301 アパーチャー
302 焦点位置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electron beam focusing deflection part 2 Processing chamber 3 Focusing deflection part 4 Electron gun 5 Condenser lens 6 Objective lens 7 Deflector 8 Stage 9 Motor 10 Secondary electron detector 11 Work 12 Electron gun control unit 13 Lens control unit 14 Deflector control Unit 15 Computer 16 CAD data 17 Display 18 Motor driver 19 Signal amplifier 20 Auxiliary heating source 21 Heat shield mechanism 101 Melting joint (welding location)
201 Image observation mode scanning region 202 Melt bonding mode scanning region 203 Deflection center 301 Aperture 302 Focus position

Claims (10)

電子ビームを発生して走査する電子線集束偏向部と、被加工物を保持して移動可能なステージと、該ステージを収容する加工室と、電子ビーム照射点で発生する二次電子または反射電子を検出するための検出器とを備え、
前記電子線集束偏向部により、被加工物の所望の位置に電子ビームを照射し、被加工物を溶融接合することを特徴とする電子線溶融装置。
Electron beam converging and deflecting unit that generates and scans an electron beam, a stage that can move while holding a workpiece, a processing chamber that accommodates the stage, and secondary electrons or reflected electrons generated at an electron beam irradiation point And a detector for detecting
An electron beam melting apparatus characterized by irradiating an electron beam to a desired position of a workpiece by the electron beam focusing deflection unit and melt-bonding the workpiece.
15W以下の小電力の電子ビームを被加工物の直径30μm以下の領域に注入することにより、被加工物を溶融接合することを特徴とする請求項1に記載の電子線溶融装置。   2. The electron beam melting apparatus according to claim 1, wherein the workpiece is melt-bonded by injecting a low-power electron beam of 15 W or less into a region having a diameter of 30 μm or less of the workpiece. 前記電子線集束偏向部の電子ビームを走査する機能は、溶融接合個所を含む周辺の広い領域を走査して広い領域の画像を生成する像観察モードと、溶融接合個所を集中して走査して溶融接合する溶融接合モードの2種類の走査モードを備え、両走査モードを秒単位で切り替えることで画像観察と溶融接合をほぼ同時に行なうようにしたことを特徴とする請求項1又は2に記載の電子線溶融装置。   The function of scanning the electron beam of the electron beam converging deflector includes an image observation mode for generating a wide area image by scanning a wide area around the fusion bonding area, and concentrating and scanning the fusion bonding area. 3. The method according to claim 1, wherein two types of scanning modes, ie, a melt bonding mode for performing melt bonding, are provided, and image scanning and melt bonding are performed substantially simultaneously by switching both scanning modes in units of seconds. Electron beam melting device. 電子ビームの開き角を変えることにより、焦点深度を変えることで溶融深さを変えられることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の電子線溶融装置。   4. The electron beam melting apparatus according to claim 1, wherein the melting depth can be changed by changing the focal depth by changing the opening angle of the electron beam. 赤外線源、高輝度光源あるいは粒子線源などの加熱手段で溶融接合個所を補助加熱する補助加熱源を備えたことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の電子線溶融装置。   The electron beam melting apparatus according to any one of claims 1 to 4, further comprising an auxiliary heating source that auxiliaryly heats the melt-bonded portion with heating means such as an infrared source, a high-intensity light source, or a particle beam source. . 前記電子線集束偏向部の下部又は前記ステージの上方に熱遮蔽機構または冷却機構を設けたことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の電子線溶融装置。   6. The electron beam melting apparatus according to claim 1, wherein a heat shielding mechanism or a cooling mechanism is provided below the electron beam focusing deflection unit or above the stage. 電子ビームの焦点と三次元構造の被加工物の溶融接合個所との三次元的位置合わせを、電子ビームの走査位置と焦点を調節することにより行うことを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の電子線溶融装置。   7. The three-dimensional alignment between the focus of the electron beam and the fusion-bonded portion of the workpiece having a three-dimensional structure is performed by adjusting the scanning position and focus of the electron beam. 2. The electron beam melting apparatus according to claim 1. 電子ビームの焦点と三次元構造の被加工物の溶融接合個所との三次元的位置合わせを、被加工物を保持する前記ステージの位置と高さを調節することにより行うことを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の電子線溶融装置。   The three-dimensional alignment between the focal point of the electron beam and the fusion-bonded portion of the workpiece having a three-dimensional structure is performed by adjusting the position and height of the stage holding the workpiece. Item 8. The electron beam melting apparatus according to any one of Items 1 to 7. 電子ビームの焦点と三次元構造の被加工物の溶融接合個所との三次元的位置合わせを、CAD情報をもとに自動的に行なうことを特徴とする請求項7又は8に記載の電子線溶融装置。   9. The electron beam according to claim 7, wherein the three-dimensional alignment between the focal point of the electron beam and the fusion-bonded portion of the workpiece having a three-dimensional structure is automatically performed based on CAD information. Melting equipment. 主加熱用の微細電子ビームと補助加熱用の広域電子ビームを同時に形成することを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項に記載の電子線溶融装置。   10. The electron beam melting apparatus according to claim 1, wherein a fine electron beam for main heating and a wide-area electron beam for auxiliary heating are formed simultaneously.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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