JP2023170738A - 電子銃、３次元積層造形装置及び電子顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】イオンリフレクタ用電圧電源の保護回路を簡易化する。
【解決手段】電子銃２００は、加熱されて熱電子を放出するカソード１０１と、カソードの先端の中心軸に沿って第１開口が形成され、カソードより低い電位で印加される引出し電圧により、第１開口を通過する熱電子を集束するウェネルト１０２と、中心軸に沿って第２開口が形成され、印加されたイオンリフレクタ電圧により、カソードから引き出した熱電子を電子ビームとして第２開口に通過させるイオンリフレクタ１０３と、イオンリフレクタにイオンリフレクタ電圧を印加するイオンリフレクタ用電圧電源１０８と、イオンリフレクタに設置される放電装置１１０とを備える。
【選択図】 図６

Description

本発明は、電子銃、３次元積層造形装置及び電子顕微鏡に関する。

熱電子等の電子源を光源とした電子顕微鏡装置や３次元積層造形装置には、電子ビームカラムが搭載されている。電子顕微鏡では、電子ビームを試料に照射し、試料の表面から発生する２次電子や透過電子から画像を得ている。３次元積層造形装置では、ｍＡオーダーの電流をパウダーベッドに敷き詰められた金属粉末（粉末試料）に照射して、金属粉末を溶融した層を重ねることで造形物を造形している。

従来、電子ビームを出射する電子銃を用いた各種の装置においては、電子ビームの放出により、電子ビームの下部のチャンバー内の金属粉体や残留ガスがイオン化されるが、そのイオンのほとんどが正イオンである。これらの正イオンはカソードに衝突してイオンボンバードが発生し、イオンボンバードによりカソードが損傷する。そこで、イオンボンバードを防ぐ技術が開示されている（特許文献１を参照）。

特許文献１に開示される技術では、正イオンの上昇を防止するため、イオンリフレクタ(アノード)にイオンリフレクタ用電圧電源で正電圧を印加する。正電圧が印加されたイオンリフレクタのポテンシャル障壁により、正イオンはイオンリフレクタより上に到達しない。

特開２０２１－６１１５３号公報

ところで、電子銃では、カソードに負電位を印加する加速電圧電源による放電が起こったり、カソードから広がった電子ビームがイオンリフレクタ(アノード)に当たったりすることがある。この場合、加速電圧電源の放電、イオンリフレクタ(アノード)に当たった電子ビーム等により発生した電流がイオンリフレクタ用電圧電源に流れ込み、イオンリフレクタ用電圧電源が故障することが発生する。イオンリフレクタ用電圧電源を保護するため、流れ込む電流を遮断する保護回路を利用することがある。しかしながら、保護回路が遮断する電流が大きければ保護回路の構成が複雑になり、保護回路の設置面積が大きくなる問題がある。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、イオンリフレクタ用電圧電源の保護回路を簡易化することである。

本発明は、加熱されて熱電子を放出するカソードと、カソードの先端の中心軸に沿って第１開口が形成され、カソードより低い電位で印加される引出し電圧により、第１開口を通過する熱電子を集束するウェネルトと、中心軸に沿って第２開口が形成され、印加されたイオンリフレクタ電圧により、カソードから引き出した熱電子を電子ビームとして第２開口に通過させるイオンリフレクタと、イオンリフレクタにイオンリフレクタ電圧を印加するイオンリフレクタ用電圧電源と、イオンリフレクタに設置される放電装置とを備える。

上記構成の本発明によれば、イオンリフレクタ用電圧電源の保護回路を簡易化することができる。
上記以外の課題、構成及び効果は、以下の実施の形態の説明により明らかにされる。

従来の電子銃の構成例を示す拡大図である。 電子顕微鏡の電子ビームカラムの構成例を示す概要図である。 ３次元積層造形装置の電子ビームカラムの構成例を示す概要図である。 電子銃の制御部のハードウェア構成例を示すブロック図である。 従来の電界放射型電子銃の構成例を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る電界放射型電子銃の構成例を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る電界放射型電子銃の効果を説明するための図である。 本発明の第２実施形態に係る電界放射型電子銃の構成例を示す図である。 本発明の変形例に係る電界放射型電子銃の構成例を説明するための図である。

本発明は、上述の問題を解決するためになされたものである。以下、本発明を実施するための形態について、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。

＜従来の電子銃の構成例＞
まず、従来の電子銃の構成例について、図１を参照して説明する。図１は、熱電子タイプの電子銃１１の構成例を示す拡大図である。

電子銃１１は、後述の図２に示す制御部１０、及び、後述の図３に示す制御部３０と同じ機能を有する制御部（図１では不図示）、カソード２０、グリッド（ウェネルト）２１及びアノード（イオンリフレクタ）２２に加えて、ガンチャンバー５１、真空引きパイプ５２、ガイシ５３，５４、ライナーチューブ５５、グリッド電圧電源（引出し電圧電源）２３、加速電圧電源２４、アノード電圧電源（イオンリフレクタ用電圧電源）２５及びカソード加熱用電源２７を備える。

ガンチャンバー５１は、カソード２０、グリッド２１及びアノード２２を内部に備えて形成される。真空引きパイプ５２は、ガンチャンバー５１の一側面に取り付けられ、不図示の真空ポンプに接続される。真空ポンプが稼働すると、ガンチャンバー５１内の空気が真空引きパイプ５２を通って排出され、ガンチャンバー５１内がほぼ真空状態となる。ただし、ガンチャンバー５１内には、わずかなガスが残留する。

ガイシ５３，５４は、いずれも非導電材料で形成され、絶縁性を有する。ガイシ５３には、カソード２０に接続された２本の電流導入端子２０ａ、グリッド２１に接続された１本の電流導入端子２１ｂが貫通され、カソード２０とグリッド２１がガンチャンバー５１と接触しないように構成される。カソード２０に接続された２本の電流導入端子２０ａは、それぞれガンチャンバー５１の外部にある導線を通じてカソード加熱用電源２７の正極又は負極に接続される。２本の電流導入端子２０ａにより通電されたＰＧヒータ２０ｂは、カソード２０を加熱する。グリッド２１に接続された電流導入端子２１ｂは、ガンチャンバー５１の外部にある導線を通じてグリッド電圧電源２３の負極に接続される。カソード２０及びグリッド２１には、加速電圧電源２４により共通して負電圧が印加される。

ガイシ５４は、アノード２２がガンチャンバー５１と接触しないように、アノード２２を保持する。アノード２２は、ガンチャンバー５１内に入り込んだ導線を通じて外部のアノード電圧電源２５の正極に接続される。

ライナーチューブ５５は、カソード２０から放出される電子ビームＢ（後述する図２、図３を参照）の通路に設けられた筒である。ライナーチューブ５５は、例えば、後述する図２に示すガンアライメント１３、集束レンズ１４及び対物レンズ１５を備える電子光学系１２を真空外に置くための真空隔壁として機能する。ライナーチューブ５５は、例えば、基準電位（接地電位）に保たれている。そして、ライナーチューブ５５とアノード２２は、互いに接触していないため、アノード電圧電源２５によりアノード２２が正電位に保たれる。そして、カソード２０から放出される電子ビームＢは、ライナーチューブ５５を通ってステージ１６に載置された試料に照射される。

このように電子ビームカラムが構成されるため、ガンチャンバー５１や電子ビームカラム内で発生した正イオンは、接地電位であるライナーチューブ５５に引き付けられる。また、正イオンのエネルギーが最大でも１００ｅＶ程度であるので、６０Ｖ～１ｋＶ程度の正電圧がアノード２２に印加されていると、ほとんどの正イオンがアノード２２のポテンシャル障壁を越えられず、アノード２２に取り込まれる。このため、アノード２２より上にあるカソード２０との加速電場に正イオンが到達しない。

また、カソード２０から広がって放出される電子ビームＢの一部がアノード２２に当たっても、アノード２２から発生する２次電子が少なくなる。また、アノード２２から発生した低いエネルギーの２次電子は、正電圧が印加されたアノード２２に取り込まれ、アノード２２の上方に放出されにくい。このためカソード２０とアノード２２との間に生成されるイオンの生成量が少なくなり、カソード２０へのイオンボンバードが抑制できる。

＜電子顕微鏡の構成例＞
次に、電子顕微鏡の構成例について、図２を参照して説明する。図２は、電子顕微鏡１の電子ビームカラムの構成例を示す概要図である。電子顕微鏡１は、図１に示す電子銃１１、電子光学系１２及びステージ１６を備える。また、電子光学系１２は、ガンアライメント１３、集束レンズ１４及び対物レンズ１５を備える。その他、図示していないが、電子顕微鏡１には、電子ビームＢを走査する偏向コイルや非点補正するためのスティグマコイル等が構成されている。

カソード２０は、カソード加熱用電源２７（図１を参照）がカソード２０を加熱するために供給するカソード電流によって加熱されて熱電子を放出する。

グリッド２１には、カソード２０の先端の中心軸Ｃに沿って第１開口２１ａが形成される。そして、グリッド２１は、カソード２０より低い電位で印加されるグリッド電圧により、第１開口２１ａを通過する熱電子を集束する。

アノード２２には、中心軸Ｃに沿って第２開口２２ａが形成される。そして、アノード２２は、アノード電圧電源２５から印加されたアノード電圧により、カソード２０から熱電子を引き出して、電子ビームＢとして第２開口２２ａに通過させる。

そして、制御部１０は、正電位としたアノード電圧をアノード電圧電源２５からアノード２２に印加させる。また、制御部１０は、電子顕微鏡１におけるグリッド電圧電源（引出し電圧電源）２３、加速電圧電源２４、アノード電圧電源（イオンリフレクタ用電圧電源）２５、及び電子光学系１２の動作を制御する。そして、電子光学系１２は、ステージ１６に載置された試料に対して電子ビームＢを走査する。

そこで、ガンアライメント１３は、電子ビームＢを集束レンズ１４及び対物レンズ１５のレンズ中心を通るように、装置内の機械的な軸ずれ等を補正する。集束レンズ１４は、電子ビームＢをクロスオーバーして、電子ビームＢの照射範囲を規制する。電子顕微鏡１では、不図示のアパーチャで電子ビームＢの形状や開き角を調整する。対物レンズ１５は、試料に電子ビームＢを集束させる。

カソード２０から放出される熱電子の一部は、アノード２２に当たることがある。アノード２２に熱電子が当たると、アノード２２から２次電子が発生する。２次電子の大半は約１００ｅＶ以下のエネルギーを持っているので、その周辺の残留ガスが容易にイオン化して、そのイオンがカソード２０に衝突するイオンボンバードが発生する。

＜３次元積層造形装置の構成例＞
次に、従来の３次元積層造形装置の構成例について、図３を参照して説明する。図３は、３次元積層造形装置２の電子ビームカラムの構成例を示す概要図である。３次元積層造形装置２は、電子銃３１、電子光学系３２及び粉末供給系３３を備える。粉末供給系３３は、粉末試料をパウダーベッド３７に敷き詰める。電子銃３１は、電子ビームＢを発生し、電子光学系３２がパウダーベッド３７に敷き詰められた粉末試料に対して電子ビームＢを走査する。

この電子銃３１は、制御部３０、カソード４０、グリッド（ウェネルト）４１、アノード（イオンリフレクタ）４２、グリッド電圧電源（引出し電圧電源）４３、加速電圧電源４４及びアノード電圧電源（イオンリフレクタ用電圧電源）４５を備える。電子光学系３２は、ガンアライメント３４、集束レンズ３５及び対物レンズ３６を備える。粉末供給系３３は、パウダーベッド３７を備える。

カソード４０は、カソード加熱用電源２７（図１を参照）がカソード４０を加熱するために供給するカソード電流によって加熱されて熱電子を放出する。

グリッド４１には、カソード４０の先端の中心軸Ｃに沿って第１開口４１ａが形成される。そして、グリッド４１は、カソード４０より低い電位で印加されるグリッド電圧により、第１開口４１ａを通過する熱電子を集束する。

アノード４２には、中心軸Ｃに沿って第２開口４２ａが形成される。そして、アノード４２は、アノード電圧電源４５から印加されたアノード電圧により、カソード４０から引き出した熱電子を電子ビームＢとして第２開口４２ａに通過させる。

制御部３０は、正電位としたアノード電圧をアノード電圧電源４５からアノード４２に印加させる。制御部３０は、３次元積層造形装置２におけるグリッド電圧電源（引出し電圧電源）４３、加速電圧電源４４、アノード電圧電源（イオンリフレクタ用電圧電源）４５、及び電子光学系３２及び粉末供給系３３の動作を制御する。

グリッド電圧電源（引出し電圧電源）４３は、カソード４０より低い電位のグリッド電圧をグリッド４１に印加し、熱電子をカソード４０からグリッド４１までに引き込む。加速電圧電源４４は、カソード４０及びグリッド４１に共通して負電圧を印加し、カソード４０から出された熱電子を加速する。アノード電圧電源（イオンリフレクタ用電圧電源）４５は、アノード４２に正電圧を印加する。

また、３次元積層造形装置２が備える電子銃３１についても、図１に示した電子顕微鏡１が備える電子銃１１と同様の構成である。このため、３次元積層造形装置２の電子銃３１及び電子ビームカラムの構成例については、詳細な説明を省略する。

次に、図２に示す電子銃１１の制御部１０、及び、図３に示す電子銃３１の制御部３０のハードウェア構成例について、図４を参照して説明する。図４は、電子銃１１及び電子銃３１の制御部のハードウェア構成例を示すブロック図である。なお、電子銃１１が備える制御部１０は、電子銃３１における制御部３０と同様に動作するため、以下では、制御部３０の構成を例として説明し、制御部１０について重複説明を省略する。

制御部３０は、情報処理装置の一例となり、バス６４にそれぞれ接続されたＣＰＵ（Central Processing Unit）６１、ＲＯＭ（Read Only Memory）６２、ＲＡＭ（Random Access Memory）６３及びバス６４を備える。さらに、制御部３０は、表示装置６５、入力装置６６、不揮発性ストレージ６７及びネットワークインターフェイス６８を備える。

ＣＰＵ６１は、本実施の形態に係る各機能を実現するソフトウェアのプログラムコードをＲＯＭ６２から読み出してＲＡＭ６３にロードし、実行する。ＲＡＭ６３には、ＣＰＵ６１の演算処理の途中で発生した変数やパラメーター等が一時的に書き込まれ、これらの変数やパラメーター等がＣＰＵ６１によって適宜読み出される。ただし、ＣＰＵ６１に代えてＭＰＵ（Micro Processing Unit）を用いてもよい。そして、ＣＰＵ６１は、図１に示したグリッド電圧電源（引出し電圧電源）２３、加速電圧電源２４、アノード電圧電源（イオンリフレクタ用電圧電源）２５、又は、図３に示したグリッド電圧電源（引出し電圧電源）４３、加速電圧電源４４及びアノード電圧電源（イオンリフレクタ用電圧電源）４５の動作を制御して所望の電子ビームＢを得る。

表示装置６５は、例えば、液晶ディスプレイモニターであり、制御部３０で行われる処理の結果等をユーザーに表示する。例えば、電子顕微鏡１に設けられる表示装置６５には、試料の測定結果や画像が表示され、３次元積層造形装置２に設けられる表示装置６５には、積層造形された各層における造形結果等が表示される。入力装置６６には、例えば、キーボード、マウス等が用いられ、ユーザーが所定の操作入力、指示を行うことが可能である。

不揮発性ストレージ６７としては、例えば、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＳＳＤ（Solid State Drive）、フレキシブルディスク、光ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、ＣＤ－Ｒ、磁気テープ又は不揮発性のメモリ等が用いられる。この不揮発性ストレージ６７には、ＯＳ（Operating System）、各種のパラメーターの他に、制御部３０を機能させるためのプログラムが記録されている。ＲＯＭ６２及び不揮発性ストレージ６７は、ＣＰＵ６１が動作するために必要なプログラムやデータ等を永続的に記録しており、制御部３０によって実行されるプログラムを格納したコンピューター読取可能な非一過性の記録媒体の一例として用いられる。

ネットワークインターフェイス６８には、例えば、ＮＩＣ（Network Interface Card）等が用いられる。ＮＩＣの端子に接続されたＬＡＮ（Local Area Network）、専用線等を介して、例えば、３次元積層造形装置２と制御部３０と間で各種のデータを送受信することが可能である。

以上説明した電子銃３１が備える制御部３０は、アノード電圧電源４５を制御して、アノード４２に正電圧を印加する。このため、アノード４２は、２次電子を取り込む。また、アノード４２は、アノード４２より下方で残留ガスがイオン化されて生成された正イオンをアノード電位で跳ね返し、カソード４０まで正イオンを向かわせないので従来のイオンリフレクタのように機能する。アノード４２についても、２次電子の生成を抑制するチタン（Ｔｉ）によって形成される。このため、アノード４２は、カソード４０とアノード４２間でのイオン化を促進する２次電子の生成を抑制でき、イオンボンバードによるカソード４０へのダメージを軽減することができる。

＜電界放射型の電子銃の構成例＞
次に、従来の電界放射型ＳＥＭ（ＦＥ－ＳＥＭ：Field-Emission Scanning Electron Microscope）の電子銃の構成例について、図５を参照して説明する。図５は、電界放射型の電子銃の構成例を示す図である。電子銃１００は、図５に示すように、カソード１０１、ウェネルト（グリッド）１０２、イオンリフレクタ（アノード）１０３、カラムフレーム（ライナーチューブ）１０４、カソード加熱用電源１０５、引出し電圧電源１０６、加速電圧電源１０７及びイオンリフレクタ用電圧電源１０８を備える。また、電子銃１００は、不図示の制御部を備える。

制御部（不図示）は、カソード加熱用電源１０５、引出し電圧電源１０６、加速電圧電源１０７及びイオンリフレクタ用電圧電源１０８の動作を制御する。この制御部は、図４で説明した制御部３０と同じ構成及び機能を有する。

カソード１０１は、カソード加熱用電源１０５がカソード１０１を加熱するために供給するカソード電流によって加熱されて熱電子を放出する。カソード１０１は、タングステン等の単結晶線材を電解研磨等で先鋭化した部品である。そして、カソード１０１に対して、ウェネルト１０２が配置される。ウェネルト１０２は、カソード１０１の先端の中心軸に沿って第１開口が形成され、カソード１０１より低い電位で印加される引出し電圧により、第１開口を通過する熱電子を集束する。また、イオンリフレクタ１０３についても、カソード１０１の先端の中心軸に沿って第２開口が形成され、印加されたイオンリフレクタ電圧により、カソード１０１から引き出した熱電子を電子ビームとして第２開口に通過させる。

ウェネルト１０２には、引出し電圧電源１０６により数ｋＶプラスの電圧（引出し電圧）が印加されてカソード１０１から電子を引き出して集束する。

イオンリフレクタ１０３は、ウェネルト１０２の下方に配置される。上述したようにイオンリフレクタ１０３には、カソード１０１の先端の中心軸に沿って第２開口が形成される。イオンリフレクタ１０３は、印加されたイオンリフレクタ電圧により、カソード１０１から引き出した電子を電子ビームとして第２開口に通過させる。また、イオンリフレクタ１０３には、イオンリフレクタ用電圧電源１０８によりプラスのイオンリフレクタ電圧（６０Ｖ～１００Ｖ程度）が印加されるので、イオンリフレクタ１０３のポテンシャル障壁により、正イオンをイオンリフレクタ１０３より上に到達させない。

カラムフレーム１０４は、ライナーチューブ（図１のライナーチューブ５５参照）であり、基準電位（接地電位）に保たれて、イオンリフレクタ１０３との間で、放電誘発及び流入電流を誘引する。

電界放射型ＳＥＭでは、カソード１０１の先端に吸着するガス等により、電子のエミッションが不安定になった際に、カソード１０１を加熱して、カソード１０１に対してフラッシング処理を行うことで、カソード１０１の先端を清浄化する。

ここで、フラッシング処理とは、カソード加熱用電源１０５がカソード１０１の先端を加熱する工程である。この際、制御部（不図示）は、正電位としたアノード電圧をイオンリフレクタ用電圧電源１０８からイオンリフレクタ１０３に印加させ、カソード加熱用電源１０５にカソード１０１を通電させてフラッシング処理を行う。フラッシング処理により、カソード１０１の先端から吸着ガスが脱離し、カソード１０１が清浄化される。

なお、フラッシング処理ではカソード１０１の先端が加熱されるので、処理時の温度によっては原子レベルでカソード１０１の先端形状が変化し、図５に示すように、カソード１０１から放出される電子ビームＢの電子エミッションの開き角が増加する場合がある。このような場合には、広がった電子ビームＢがイオンリフレクタ１０３に当たって、広がった電子ビームＢによる電流がイオンリフレクタ用電圧電源１０８側に流れ込んで、イオンリフレクタ用電圧電源１０８の故障を起こす可能性がある。また、加速電圧電源１０７による放電電流がイオンリフレクタ用電圧電源１０８側に流れ込むことも発生する。

＜第１実施形態に係る電子銃の構成例＞
次に、本実施形態に係る電子銃の構成例について、図６を参照して説明する。図６は、本実施形態に係る電子銃２００の構成例を示す図である。図６に示す電子銃２００は、図５に示す電子銃１００の構成に加え、さらに、保護回路１０９及び放電装置１１０を備える。

保護回路１０９は、イオンリフレクタ１０３とイオンリフレクタ用電圧電源１０８との間に設けられ、コンデンサー１０９ａ及びバリスタダイオード１０９ｂにより構成されるローパスフィルタ回路である。コンデンサー１０９ａとバリスタダイオード１０９ｂとは並列に接続され、一端側がイオンリフレクタ用電圧電源１０８のプラス極とイオンリフレクタ１０３との間に接続され、他端側がイオンリフレクタ用電圧電源１０８のマイナス極に接続される。保護回路１０９は、イオンリフレクタ１０３からイオンリフレクタ用電圧電源１０８に流れ込む電流、すなわち、上述の広がった電子ビームＢによる電流及び加速電圧電源１０７による放電電流を遮断する。具体的には、イオンリフレクタ１０３からイオンリフレクタ用電圧電源１０８に流れ込む電流が、所定閾値を超える場合に、保護回路１０９により遮断される。この所定閾値は、保護回路１０９（ローパスフィルタ回路）の減衰係数により決められるものである。すなわち、保護回路１０９は、許容される電流量（所定閾値）を超える電流（過剰な電流）が流れた場合に、この電流を遮断する。

放電装置１１０は、電流を誘発できる金属等で構成され、イオンリフレクタ１０３とカラムフレーム１０４との間に、イオンリフレクタ１０３に連結して配置される。この放電装置１１０は、イオンリフレクタ１０３とカラムフレーム１０４との間の放電を誘発し、流入電流をカラムフレーム１０４へ誘引する。放電装置１１０を設けることにより、イオンリフレクタ１０３に流れ込む電流の大部分はカラムフレーム１０４へ誘引されるので、イオンリフレクタ用電圧電源１０８に流れ込む電流が大幅に低減され、ほとんど流れなくなる。このため、保護回路１０９は、コンデンサー１０９ａとバリスタダイオード１０９ｂとで簡易に構成される。なお、電子銃２００の効果について、図７を参照して詳しく説明する。

図７は、電子銃２００の効果を説明するための図である。図７に示す電子銃３００は、放電装置を備えない構成である。また、保護回路以外の各構成部は図６に示す電子銃２００のこれらの構成部と同じである。

電子銃３００の保護回路１１１は、図７に示すように、イオンリフレクタ１０３とイオンリフレクタ用電圧電源１０８との間に設けられ、インダクタ１１１ａ、ダイオード１１１ｂ、抵抗１１１ｃ、コンデンサー１１１ｄ及びコンデンサー１１１ｅで構成されるローパスフィルタ回路である。コンデンサー１１１ｄとダイオード１１１ｂとは並列に接続され、一端側がイオンリフレクタ用電圧電源１０８のプラス極とインダクタ１１１ａの一端側との間に接続され、他端側がイオンリフレクタ用電圧電源１０８のマイナス極に接続される。抵抗１１１ｃとコンデンサー１１１ｅとは並列に接続され、一端側がインダクタ１１１ａの他端側とイオンリフレクタ１０３との間に接続され、他端側がイオンリフレクタ用電圧電源１０８のマイナス極に接続される。保護回路１１１は、保護回路１０９と同様に、イオンリフレクタ１０３からイオンリフレクタ用電圧電源１０８に流れ込む電流を遮断する。

電子銃３００では、放電装置が設けられていないため、イオンリフレクタ１０３からイオンリフレクタ用電圧電源１０８に流れ込む電流は、電子銃２００におけるイオンリフレクタ用電圧電源１０８に流れ込む電流より多くなる。このため、保護回路１１１は、より高い電流を遮断するため、図６に示す保護回路１０９より複雑な構成を有し、保護回路１１１の設置面積も保護回路１０９より大きくなる。

なお、上述した本実施形態の電子銃２００は、電子顕微鏡（図２参照）及び３次元積層造形装置（図３参照）に適用可能である。

［効果］
上述したように、本実施形態の電子銃２００では、イオンリフレクタ１０３とカラムフレーム１０４との間に、イオンリフレクタ１０３に連結する放電装置１１０が設けられている。それゆえ、イオンリフレクタ用電圧電源１０８に流れ込む電流の大部分は、放電装置１１０によりカラムフレーム１０４へ誘引されるので、保護回路１０９は簡易に構成されることができる。

＜第２実施形態に係る電子銃の構成例＞
次に、本発明の第２実施形態に係る電界放射型電子銃の構成について、図８を参照しながら説明する。図８は、第２実施形態に係る電界放射型電子銃の構成例を示す図である。図８に示す電子銃４００と図６に示す電子銃２００との構成を比較して分かるように、電子銃４００は、電子銃２００の構成に加え、さらに電流検出部１１２を備える。

電流検出部１１２は、例えば電流計で構成され、イオンリフレクタ用電圧電源１０８に流れ込む電流を検出する。電流検出部１１２は、電流を検出した場合に、電流を検出した情報を制御部（不図示）に出力する。そして、制御部は、カソード加熱用電源１０５をパワーオフして、電子ビームＢを安全に停止させる。電流検出部１１２が、電流を検出していない場合に何も動作しない。

通常、保護回路１０９及び放電装置１１０を設けることにより、イオンリフレクタ用電圧電源１０８に流れ込む電流はほとんどないが、例えば、イオンリフレクタ用電圧電源１０８の保護への要求が極めて高い場合や、保護回路１０９又は放電装置１１０が故障して動作しない場合などには、電流検出部１１２はバックアップ保護手段として用いられる。

また、例えば、電子銃４００において、保護回路１０９を設けず、放電装置１１０及び電流検出部１１２のみをイオンリフレクタ用電圧電源１０８を保護する手段としてもよい。

なお、上述した本実施形態の電子銃４００は、電子顕微鏡１（図２参照）及び３次元積層造形装置２（図３参照）に適用可能である。

［効果］
上述したように、本実施形態の電子銃４００では、イオンリフレクタ用電圧電源１０８に流れ込む電流を検出する電流検出部１１２が設けられる。このため、イオンリフレクタ用電圧電源１０８の保護への要求が極めて高い場合や、保護回路１０９又は放電装置１１０が故障して動作しない場合などには、電子ビームＢを安全に停止させることができ、イオンリフレクタ用電圧電源の保護の安全性を向上することができる。

＜変形例＞
以上、本発明の各実施形態に係る電子銃の構成について説明したが、本発明は、これらに限定されるものではなく、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、その他種々の変形例の態様を取ることができる。

上記各実施形態の電子銃では、イオンリフレクタ１０３とカラムフレーム１０４との間に、イオンリフレクタ１０３に連結する１つの放電装置１１０（図６，図８参照）を設ける例を説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、イオンリフレクタ１０３上の電流を完全にカラムフレーム１０４へ誘引するため、イオンリフレクタ１０３に複数の放電装置を設けてもよい。

図９は、本変形例に係る電界放射型電子銃の構成例を説明するための図である。なお、図９には、図６に示す電子ビームＢの照射方向に沿ってイオンリフレクタ１０３を見るときのイオンリフレクタ１０３と、イオンリフレクタ１０３に設置された放電装置とイオンリフレクタ用電圧電源１０８とのイメージを示す図である。図９（Ａ）は、１つの放電装置１１０が設置された場合のイメージを示す図である。図９（Ｂ）は、３つの放電装置が設置された場合のイメージを示す図である。

図９に示すように、イオンリフレクタ１０３は丸形であり、イオンリフレクタ１０３の真ん中の穴は電子ビームＢが通過する第２開口である。イオンリフレクタ１０３にイオンリフレクタ用電圧電源１０８が接続されている。イオンリフレクタ１０３に１つの放電装置１１０のみを設置する場合、図９（Ａ）に示すように、イオンリフレクタ１０３上の任意位置に設置してもよい。イオンリフレクタ１０３に複数（例えば３つ）の放電装置１１０ａ～１１０ｃを設置する場合、図９（Ｂ）に示すように、イオンリフレクタ１０３において、複数（例えば３つ）の放電装置１１０ａ～１１０ｃを分散して設置する。分散配置の一例として、イオンリフレクタ１０３の中心点に対する角度を１２０度のように等角度とする。このようにすれば、イオンリフレクタ１０３上に分散した電流を完全にイオンリフレクタ１０３に誘引し易い。また、一つの放電装置（例えば、放電装置１１０ａ）が破損しても、他の放電装置（例えば、放電装置１１０ｂ，１１０ｃ）がカラムフレーム１０４に放電可能である。

イオンリフレクタ１０３に２つの放電装置１１０を分散配置する場合、イオンリフレクタ１０３の中心点に対する角度を１８０度のように等角度とする。このようにイオンリフレクタ１０３に設置する放電装置１１０の数に合わせて等角度で複数の放電装置１１０を配置すればよい。

１…電子顕微鏡、２…３次元積層造形装置、１１，３１，１００，２００，３００，４００…電子銃、１２，３２…電子光学系、１３，３４…ガンアライメント、１４，３５…集束レンズ、１５，３６…対物レンズ、１６…ステージ、１８，１０８…イオンリフレクタ用電圧電源、１９，１０３…イオンリフレクタ、２０，４０，１０１…カソード、２０ａ，２１ｂ…電流導入端子、２０ｂ…ＰＧヒータ、２１，４１…グリッド、２１ａ，４１ａ…第１開口、２２，４２…アノード、２２ａ，４２ａ…第２開口、２３，４３…グリッド電圧電源、２４，４４，１０７…加速電圧電源、２５，４５…アノード電圧電源、２７，１０５…カソード加熱用電源、３０…制御部、３３…粉末供給系、３７…パウダーベッド、５１…ガンチャンバー、５２…真空引きパイプ、５３，５４…ガイシ、５５…ライナーチューブ、６１…ＣＰＵ、６２…ＲＯＭ、６３…ＲＡＭ、６４…バス、６５…表示装置、６６…入力装置、６７…不揮発性ストレージ、６８…ネットワークインターフェイス、１０２…ウェネルト、１０４…カラムフレーム、１０６…引出し電圧電源、１０９，１１０、１１１…保護回路、１０９ａ，１１１ｄ，１１１ｅ…コンデンサー、１０９ｂ…バリスタダイオード、１１０…放電装置、１１１ａ…インダクタ、１１１ｂ…ダイオード、１１１ｃ…抵抗、１１２…電流検出部

Claims (7)

1. 加熱されて熱電子を放出するカソードと、
   前記カソードの先端の中心軸に沿って第１開口が形成され、前記カソードより低い電位で印加される引出し電圧により、前記第１開口を通過する前記熱電子を集束するウェネルトと、
   前記中心軸に沿って第２開口が形成され、印加されたイオンリフレクタ電圧により、前記カソードから引き出した前記熱電子を電子ビームとして前記第２開口に通過させるイオンリフレクタと、
   前記イオンリフレクタに前記イオンリフレクタ電圧を印加するイオンリフレクタ用電圧電源と、
   前記イオンリフレクタに設置される放電装置と、を備える
   電子銃。
2. 前記イオンリフレクタには、一又は複数の前記放電装置が設置され、一又は複数の前記放電装置が、接地電位に保たれるカラムフレームに放電する
   請求項１に記載の電子銃。
3. 前記イオンリフレクタに流れ込む過剰な電流を遮断する保護回路を備える
   請求項１に記載の電子銃。
4. 前記保護回路は、コンデンサー及びバリスタダイオードにより構成されるローパスフィルタ回路である
   請求項３に記載の電子銃。
5. 前記イオンリフレクタに流れ込む電流を検出する電流検出部を備え、
   前記電流検出部が前記電流を検出した場合、前記カソードを加熱する電源がパワーオフされる
   請求項１に記載の電子銃。
6. 請求項１～５のいずれか一項に記載の電子銃と、
   粉末試料が敷き詰められるパウダーベッドと、
   前記粉末試料を前記パウダーベッドに敷き詰める粉末供給系と、
   前記パウダーベッドに敷き詰められた前記粉末試料に対して前記電子ビームを走査する電子光学系と、を備える
   ３次元積層造形装置。
7. 請求項１～５のいずれか一項に記載の電子銃と、
   試料が載置されるステージと、
   前記ステージに載置された前記試料に対して前記電子ビームを走査する電子光学系と、を備える
   電子顕微鏡。

Images