JP2008175726A

JP2008175726A - Electron beam irradiating device

Info

Publication number: JP2008175726A
Application number: JP2007010252A
Authority: JP
Inventors: Shunichiro Tanaka; 俊一郎田中; Shuhei Koyama; 修平小山; Katsuto Goto; 勝人後藤
Original assignee: SANYU ELECTRON CO Ltd; Tohoku University NUC
Current assignee: SANYU ELECTRON CO Ltd; Tohoku University NUC
Priority date: 2007-01-19
Filing date: 2007-01-19
Publication date: 2008-07-31

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electron beam irradiating device capable of performing heat treatment such as welding, fusion, annealing in a minute region with a diameter of 100 μm or shorter. <P>SOLUTION: The electron beam irradiating device comprises an electron source 1 made of tungsten filament, a focusing lens 2 having a pole piece 3, and an objective lens 6. The diameter of an upper passage hole 31a and lower passage hole 33a of an upper pole piece 31 of the pole piece 3 is set to 4 mm or longer, and the current value of the electron beam is increased. By setting the current value of the electron beam irradiated to an exposed object to 1 nA or more in an irradiation region with a diameter less than 100 μm, the heat treatment such as welding, fusion, annealing can be performed in the minute region with a diameter less than 100 μm. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、直径１００μｍ以下の微小領域における熱処理が実現可能な電子線照射装置に関するものである。 The present invention relates to an electron beam irradiation apparatus capable of realizing heat treatment in a minute region having a diameter of 100 μm or less.

従来の電子ビーム溶接装置は、電子ビームの加速によりビームエネルギーを増加させ、また電子ビームの集束によりビームエネルギーを集中させて、エネルギ密度の高い溶接、すなわち、熱影響部が狭く溶融深さが深い溶接を行うことができるという利点がある。しかしながら、この電子ビーム溶接においては、直径１００μｍ以下の微小円形領域における溶接等の熱処理を行うことはできない。 The conventional electron beam welding apparatus increases the beam energy by accelerating the electron beam and concentrates the beam energy by focusing the electron beam, so that welding with high energy density, that is, the heat affected zone is narrow and the melting depth is deep. There is an advantage that welding can be performed. However, in this electron beam welding, heat treatment such as welding in a minute circular region having a diameter of 100 μm or less cannot be performed.

一方、電子線照射装置の一つである走査電子顕微鏡は、電子源から放出させた電子を試料表面に衝突させて、そこから反射してくる反射電子、或いは放出される二次電子を補足して表示装置を通して、直径１００μｍ以下の円形領域のみならず、１μｍ以下の微小円形領域をも観察することができる。しかしながら、従来の走査電子顕微鏡においては電流値が１０ｐＡ（１ｐＡは１０^−１２Ａ）程度の低電流であったので、電流値が不足して１００μｍはおろか直径１μｍ以下の微小円形領域においても、溶接、融合、焼鈍などの熱処理を行うことはできなかった。
特開平０６−３９５６１号公報特開２００５−９３１０６号公報 On the other hand, a scanning electron microscope, which is one of electron beam irradiation devices, collides electrons emitted from an electron source with a sample surface and supplements reflected electrons reflected from the sample surface or emitted secondary electrons. Through the display device, not only a circular region having a diameter of 100 μm or less but also a minute circular region having a diameter of 1 μm or less can be observed. However, in the conventional scanning electron microscope, the current value is as low as about 10 pA (1 pA is 10 ⁻¹² A). Therefore, the current value is insufficient and welding is performed even in a microcircular region having a diameter of 1 μm or less as well as 100 μm. , Heat treatment such as fusion and annealing could not be performed.
Japanese Patent Laid-Open No. 06-39561 JP 2005-93106 A

本発明は、上記した従来の問題点に鑑み、直径１００μｍ以下の微小領域において、溶接、融合、焼鈍などの熱処理を行うことができる電子線照射装置を提供することを課題とする。 In view of the above-described conventional problems, an object of the present invention is to provide an electron beam irradiation apparatus capable of performing heat treatment such as welding, fusion, and annealing in a minute region having a diameter of 100 μm or less.

上記の課題を解決するためになされた本発明に係る電子線照射装置は、タングステンフィラメントからなる電子源と、ポールピースを有する集束レンズと、対物レンズとを備えた電子線照射装置において、ポールピースの内径を４ｍｍ以上としたことを特徴とするものである。 An electron beam irradiation apparatus according to the present invention made to solve the above-mentioned problems is an electron beam irradiation apparatus including an electron source made of a tungsten filament, a focusing lens having a pole piece, and an objective lens. The inner diameter of each is 4 mm or more.

なお、上記した発明において、被照射体に照射される電子線の電流値を、直径１００μｍ以下の照射領域において１ｎＡ（１ｎＡは、１０^３ｐＡ）以上とするのが望ましい。 Incidentally, in the invention described above, the current value of the electron beam is irradiated to the irradiated object, 1 nA (1 nA is, ¹⁰ 3 pA) in the following irradiation region diameter 100μm is desirable to or more.

請求項１に係る発明は、従来は３ｍｍ程度であったポールピースの内径を４ｍｍ以上と大きくしたので、１０ｐＡ程度であった電流値を１００倍以上大きくすることができた。
請求項２に係る発明は、電子線の電流値を直径１００μｍ以下の照射領域において電子線の電流値を１ｎＡ以上としたので、被照射体の微小領域における溶接、融合等の処理を行うことができる。 In the invention according to claim 1, since the inner diameter of the pole piece, which was conventionally about 3 mm, was increased to 4 mm or more, the current value, which was about 10 pA, could be increased 100 times or more.
In the invention according to claim 2, since the current value of the electron beam is set to 1 nA or more in the irradiation region having a diameter of 100 μm or less, it is possible to perform processing such as welding and fusion in the minute region of the irradiated object. it can.

以下に、本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明の電子線照射装置を示す図であって、主要構造は通常の走査電子顕微鏡と大きく変わるところはない。すなわち、１は電子源であって、この電子源１はタングステンフィラメントよりなる。また、２は集束レンズであって、この集束レンズ２は、ポールピース３を備え、その外周にコイル２１が配置されている。ポールピース３は、上部ポールピース３１と、中ポールピース３２と、下部ポールピース３３との３つからなる。ポールピース３の内部には、光軸に沿って電子の通過孔が形成されている。すなわち、上部ポールピース３１には上部通過孔３１aが、中ポールピース３２には中通過孔３２ａが、下部ポールピース３３には下部通過孔３３ａが形成されている。上部通過孔３１aは電子源１の直下であるので、中通過孔３２ａよりも小径に形成されている。従来の電子顕微鏡においては、上部通過孔３１a、下部通過孔３３ａは直径３ｍｍ、中通過孔３２ａは直径８ｍｍに形成されていた。また、上部ポールピース３１には上部アパーチャ４１、下部ポールピース３３には下部アパーチャ４２が備えられていて、通過する電子を絞り込むことができる。 The present invention is described in detail below.
FIG. 1 is a diagram showing an electron beam irradiation apparatus of the present invention, and the main structure is not greatly different from that of a normal scanning electron microscope. That is, 1 is an electron source, and this electron source 1 is made of a tungsten filament. Reference numeral 2 denotes a focusing lens. The focusing lens 2 includes a pole piece 3, and a coil 21 is disposed on the outer periphery thereof. The pole piece 3 includes an upper pole piece 31, an intermediate pole piece 32, and a lower pole piece 33. Inside the pole piece 3, an electron passage hole is formed along the optical axis. That is, the upper pole piece 31 has an upper passage hole 31a, the middle pole piece 32 has a middle passage hole 32a, and the lower pole piece 33 has a lower passage hole 33a. Since the upper passage hole 31a is directly under the electron source 1, it is formed with a smaller diameter than the middle passage hole 32a. In the conventional electron microscope, the upper passage hole 31a and the lower passage hole 33a have a diameter of 3 mm, and the middle passage hole 32a has a diameter of 8 mm. Further, the upper pole piece 31 is provided with an upper aperture 41, and the lower pole piece 33 is provided with a lower aperture 42 so that electrons passing therethrough can be narrowed down.

また、５はコイルからなる偏向器、６は対物レンズである。対物レンズ６の直下には対物レンズ６のアパーチャ（対物絞り）７が配置されていて、対物レンズ６を通過した電子を絞り込むことができる。 Further, 5 is a deflector made of a coil, and 6 is an objective lens. An aperture (objective diaphragm) 7 of the objective lens 6 is disposed immediately below the objective lens 6, and the electrons that have passed through the objective lens 6 can be narrowed down.

以上のような電子線照射装置において、電子源１から発生された電子は集束レンズ２により細く絞り込まれて、電子ビームを加速させて、偏向器５の磁界により偏向されたうえ、対物レンズ６により最終的な電子プルーブ径が決定されて、被照射体８に対して電子ビームが照射される。 In the electron beam irradiation apparatus as described above, electrons generated from the electron source 1 are narrowed down by the focusing lens 2, accelerated by the electron beam, deflected by the magnetic field of the deflector 5, and then by the objective lens 6. The final electron probe diameter is determined, and the irradiated object 8 is irradiated with an electron beam.

集束レンズ２として磁界レンズが用いられるが、磁界レンズのレンズ作用を強くすると電子プルーブは細くなり、レンズ作用を弱くすると電子プルーブは太くなる。電子の通過経路には、前記したようなポールピース３と、集束レンズ２のアパーチャ４１、４２と、対物レンズ６のアパーチャ７とが配置されているので、これらのポールピース３と集束レンズ２のアパーチャ４１、４２と対物レンズ６のアパーチャ７とにより電子線の密度の調整が可能である。 A magnetic lens is used as the converging lens 2. When the lens action of the magnetic lens is strengthened, the electron probe becomes thinner, and when the lens action is weakened, the electron probe becomes thicker. Since the pole piece 3 as described above, the apertures 41 and 42 of the focusing lens 2 and the aperture 7 of the objective lens 6 are arranged in the electron passage path, the pole piece 3 and the focusing lens 2 The density of the electron beam can be adjusted by the apertures 41 and 42 and the aperture 7 of the objective lens 6.

発明者らは、鋭意研究した結果、集束レンズ２の上部ポールピース３１の上部通過孔３１a、下部通過孔３３ａの内径を大きくすることによって、電子線密度を増大させて電流値を大きくできることを見いだして、本発明を完成するに至った。また、対物絞り径の増大も有効であることを見いだした。 As a result of intensive studies, the inventors have found that the current value can be increased by increasing the electron beam density by increasing the inner diameter of the upper passage hole 31a and the lower passage hole 33a of the upper pole piece 31 of the focusing lens 2. Thus, the present invention has been completed. We also found that increasing the diameter of the objective aperture is effective.

上部通過孔３１ａ、下部通過孔３３ａの内径を大きくした時の電流値増大の効果を、図２に示す。測定条件は、真空度０．０５Ｐａ、加速電圧３０ｋＶ、ＬＣ７２μＡ、ワーキングディスタンスＷＤ２０ｍｍである。また、電流値の測定はファラデーカップを用いて行った。 FIG. 2 shows the effect of increasing the current value when the inner diameters of the upper passage hole 31a and the lower passage hole 33a are increased. The measurement conditions are a degree of vacuum of 0.05 Pa, an acceleration voltage of 30 kV, LC of 72 μA, and a working distance of WD 20 mm. The current value was measured using a Faraday cup.

図２から明らかなように、対物レンズ６のアパーチャ７の絞り径（対物絞り径）が３０μｍであって、上部通過孔３１ａ、下部通過孔３３ａの内径が３ｍｍである現状においては、０．０１ｎＡ程度という低い電流値であったが、上部通過孔３１ａ、下部通過孔３３ａの内径を５ｍｍとした場合には、１１ｎＡ（１１０００ｐＡ）という電流値増大を達成することができた。また、これらの内径を１０ｍｍとした場合には、４０ｎＡもの電流値増大を達成することができた。 As apparent from FIG. 2, in the present situation where the aperture diameter (objective aperture diameter) of the aperture 7 of the objective lens 6 is 30 μm and the inner diameters of the upper passage hole 31a and the lower passage hole 33a are 3 mm, 0.01 nA Although the current value was as low as about, when the inner diameters of the upper passage hole 31a and the lower passage hole 33a were 5 mm, an increase in current value of 11 nA (11000 pA) could be achieved. In addition, when these inner diameters were set to 10 mm, a current value increase of 40 nA could be achieved.

また、対物絞り径を１２０μｍとした場合において、上部通過孔３１ａ、下部通過孔３３ａの内径が３ｍｍである場合には、電流値増大は０．５ｎＡであったが、上部通過孔３１ａ、下部通過孔３３ａの内径を５ｍｍとした場合には、１７０ｎＡという大きな電流値増大を達成することができた。なお、この時空間分解能は、ＺｎＯ粒子で計測して、５０ｎｍから５μｍに低下した。
また、対物絞り径を１２０μｍとした場合において、上部通過孔３１ａ、下部通過孔３３ａの内径を１０ｍｍとした場合には、１００００ｎＡという極めて大きな電流値増大を達成することができた。 Further, when the diameter of the objective aperture is 120 μm and the inner diameter of the upper passage hole 31a and the lower passage hole 33a is 3 mm, the current value increase was 0.5 nA, but the upper passage hole 31a and the lower passage hole When the inner diameter of the hole 33a was 5 mm, a large current value increase of 170 nA could be achieved. This spatiotemporal resolution was reduced from 50 nm to 5 μm as measured with ZnO particles.
In addition, when the objective aperture diameter was 120 μm, when the inner diameters of the upper passage hole 31a and the lower passage hole 33a were 10 mm, an extremely large current value increase of 10000 nA could be achieved.

しかしながら、対物絞り径が３０μｍであって上部通過孔３１ａの内径を５ｍｍとした場合であっても、対物レンズ６のアパーチャ７を取り外した場合には、電流値の増大は１ｎＡに満たないものであった（図示していない）。したがって、対物レンズ６のアパーチャ７を取り外すことは、電子の絞り込みが不十分となって、電流値の増大に対して却って不利益となることを確認した。また、上部通過孔３１ａの内径を３ｍｍとしたままでアパーチャ７を取り外した場合にも、電流値の増大は１ｎＡに満たないものであった。 However, even when the objective aperture diameter is 30 μm and the inner diameter of the upper passage hole 31a is 5 mm, when the aperture 7 of the objective lens 6 is removed, the increase in current value is less than 1 nA. (Not shown). Therefore, it has been confirmed that removing the aperture 7 of the objective lens 6 is disadvantageous for the increase of the current value because the electrons are not sufficiently narrowed down. Even when the aperture 7 was removed while the inner diameter of the upper passage hole 31a was 3 mm, the increase in current value was less than 1 nA.

また、上部通過孔３１ａの内径を３ｍｍとしたままで、集束レンズ２のアパーチャ４１、４２を取り外した場合にも、上記と同程度の小さい電流値しか得られなかった。したがって、集束レンズ２のアパーチャ４１、４２、対物レンズのアパーチャ７を取り外すことは、電流値増大に対して有効でないことを確認した。 Further, when the apertures 41 and 42 of the focusing lens 2 were removed while the inner diameter of the upper passage hole 31a was 3 mm, only a small current value similar to the above was obtained. Therefore, it was confirmed that removing the apertures 41 and 42 of the focusing lens 2 and the aperture 7 of the objective lens is not effective for increasing the current value.

以上のような試験結果に基づき、本発明においては、ポールピース３の上部通過孔３１ａの内径を、４ｍｍ以上に限定する。図２から明らかなように上部通過孔３１ａの内径が４ｍｍで、電子線の照射領域を直径１μｍ以下として、照射電流値を１ｎＡとすることができるからである。一方、１５ｍｍを超えて上部通過孔３１ａの内径を大きくしても、電流値増大の効果は飽和するので、上部通過孔３１ａの内径の上限を１５ｍｍとする。なお、上部通過孔３１ａ、下部通過孔３３ａの径が８ｍｍを超える場合には、それらの径に対応して中通過孔３２ａの径も増大させるのが望ましい。 Based on the above test results, in the present invention, the inner diameter of the upper passage hole 31a of the pole piece 3 is limited to 4 mm or more. As is apparent from FIG. 2, the inner diameter of the upper passage hole 31a is 4 mm, the irradiation area of the electron beam is 1 μm or less in diameter, and the irradiation current value can be 1 nA. On the other hand, even if the inner diameter of the upper passage hole 31a is increased beyond 15 mm, the effect of increasing the current value is saturated, so the upper limit of the inner diameter of the upper passage hole 31a is set to 15 mm. In addition, when the diameter of the upper passage hole 31a and the lower passage hole 33a exceeds 8 mm, it is desirable to increase the diameter of the middle passage hole 32a corresponding to these diameters.

以上のように、上部ポールピース３１における上部通過孔３１ａ、中通過孔３２ａ、下部通過孔３３ａの内径を４ｍｍ以上とすることによって、直径１００μｍ以下の電子線の照射領域における電流値を１ｎＡ以上として、溶接などの処理を行うことができる。 As described above, by setting the inner diameters of the upper passage hole 31a, the middle passage hole 32a, and the lower passage hole 33a in the upper pole piece 31 to 4 mm or more, the current value in the irradiation region of the electron beam having a diameter of 100 μm or less is set to 1 nA or more. Processing such as welding can be performed.

また、対物絞りの径は、３０〜１０００μｍとする。３０μｍ未満では電子の絞り込みが強すぎて電流密度を上げることができないからであり、一方１０００μｍを超えると電子の絞り込みが不足するからである。なお、対物絞りの径は３０〜５００μｍとするのが望ましい。 The diameter of the objective aperture is 30 to 1000 μm. This is because if the thickness is less than 30 μm, the electron density is too strong to increase the current density, whereas if it exceeds 1000 μm, the electron density is insufficient. The diameter of the objective aperture is preferably 30 to 500 μm.

電子線の照射領域が直径１００μｍ超では微細な処理を行うことができないので、照射領域を直径１００μｍ以下とする。望ましくは１０μｍ以下とする。なお、下限は０．００１μｍで十分である。すなわち、照射領域を直径０．００１〜１００μｍとすることによって溶接などの十分微細な熱処理を行うことができる。 If the electron beam irradiation area exceeds 100 μm in diameter, fine processing cannot be performed, so the irradiation area is set to 100 μm or less in diameter. Desirably, it shall be 10 micrometers or less. A lower limit of 0.001 μm is sufficient. That is, sufficiently fine heat treatment such as welding can be performed by setting the irradiation region to a diameter of 0.001 to 100 μm.

また、電流値が１ｎＡ未満では加熱が不足して溶接などの熱処理を行うことができない。一方、本発明の目的を達成するためには電流値を１０００００ｎＡを超えて大きくする必要はないので、電流値の上限は１０００００ｎＡとするのが望ましい。 On the other hand, if the current value is less than 1 nA, heating is insufficient and heat treatment such as welding cannot be performed. On the other hand, in order to achieve the object of the present invention, it is not necessary to increase the current value beyond 100000 nA, so the upper limit of the current value is preferably 100000 nA.

内径１０ｍｍの上部ポールピース３１、下部ポールピース３２を用いて、冷間加工されたＣｕ板に電子線を照射しつつ走査した。その結果、幅０．５μｍ、電流値４０ｎＡの電子線によって線状の模様を描いて部分的な再結晶組織を形成することができた。 Using an upper pole piece 31 and a lower pole piece 32 having an inner diameter of 10 mm, the cold-worked Cu plate was scanned while being irradiated with an electron beam. As a result, it was possible to form a partial recrystallized structure by drawing a linear pattern with an electron beam having a width of 0.5 μm and a current value of 40 nA.

以上に説明したように、本発明の電子線照射装置は、直径１００μｍ以下の微小領域において溶接、融合、焼鈍などの熱処理を行うことができるので、ナノテクノロジーの分野における工業的価値大なるものである。 As described above, the electron beam irradiation apparatus of the present invention can perform heat treatment such as welding, fusion, and annealing in a minute region having a diameter of 100 μm or less, and thus has great industrial value in the field of nanotechnology. is there.

本発明を実施するための、電子線照射装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the electron beam irradiation apparatus for implementing this invention. ポールピースの上部通過孔、下部通過孔の内径と対物絞り径を変化させた場合の電流値の増加を示すグラフである。It is a graph which shows the increase in an electric current value when changing the internal diameter and objective aperture diameter of the upper passage hole of a pole piece, and a lower passage hole.

Explanation of symbols

１電子源、２集束レンズ、３ポールピース、５偏向器、６対物レンズ、７対物レンズのアパーチャ、８被照射体、３１上部ポールピース、３２中ポールピース、３３下部ポールピース、３１ａ上部通過孔、３２ａ中通過孔、３３ａ下部通過孔、４１集束レンズの上部アパーチャ、４２集束レンズの下部アパーチャ、 1 electron source, 2 focusing lens, 3 pole piece, 5 deflector, 6 objective lens, 7 aperture of objective lens, 8 irradiated object, 31 upper pole piece, 32 middle pole piece, 33 lower pole piece, 31a upper passage hole 32a Medium passage hole, 33a Lower passage hole, 41 Upper aperture of focusing lens, 42 Lower aperture of focusing lens,

Claims

An electron beam irradiation apparatus comprising an electron source made of a tungsten filament, a focusing lens having a pole piece, and an objective lens, wherein the inner diameter of the pole piece is 4 mm or more.

2. The electron beam irradiation apparatus according to claim 1, wherein a current value of the electron beam irradiated to the irradiation object is set to 1 nA or more in an irradiation region having a diameter of 100 μm or less.