JP5283958B2 - 電子ビーム照射装置およびこれを備えた加工装置 - Google Patents

Description

本発明はイオンビーム加工時に被加工物の中性化を行う電子ビーム照射装置に関するものである。

従来、イオンビームを被加工物に照射し、表面除去加工或いは表面改質等を選択的に行うイオンビーム照射装置においては、イオンビームによって帯電した被加工物の電荷を中和する装置（ニュートラライザ）を備えている。一般に、荷電粒子を絶縁体の被加工物に照射すると被加工物表面が帯電し、荷電粒子の軌道が曲がったり、荷電粒子が被加工物に到達しなくなったりすることがあるので、加工するための荷電粒子と反対の電位を持つ粒子を加工部周辺に供給する事が行われる。

イオンビームの照射位置はイオンビーム自体の照射によって外場が乱れるために、イオン源から被加工物との距離によるが、例えば±５０μｍ程度のぶれが発生する。したがって、十分に細く絞ったイオンビームで加工を行うなど、このぶれ幅が無視できない場合は、カメラ等でモニターしたイオンビームの照射位置に基づいてイオンビームの照射方向を照射位置のぶれ幅が小さくなるようにフィードバック制御していた。このような制御を行うことで照射位置のぶれを抑制していた。

具体的に図４を用いて説明する。図４はアルゴンの正イオンビームで加工するときに負の電位を持つ電子を供給する時の従来例である。４０１は真空室で図示しない真空ポンプが接続され、真空に保たれている。絶縁体の被加工物４０４は図示しないＸ−Ｙステージ上に搭載され、必要に応じ移動できる。４０６はカメラであり、イオンビーム４０３が被加工物４０４に照射されると、高速度の荷電粒子の衝突によって加工点が発光する。カメラはそのときに発光点４０５からの発光する光の波長に感度を持つ。４０８は電子ビーム照射装置で、被加工物４０４に中性化のための電子４１２を供給する。この電子ビーム照射装置４０８は、フィラメント４０９に電流を流して加熱した時に出る熱電子を用いている。しかし、熱電子を放出するフィラメント４０９からは強い光４１１も同時に放射され、加工点の発光を確認する事が困難になる。イオンビームの強度を増すと共に電子ビーム照射装置から更に多くの電子を照射させる必要があるが、それに伴い光の強度も増すため、加工点をモニターすることはますます困難になる。

加工点に照射された光４１１は乱反射するため、カメラ４０６の設置位置を変更しても、やはり光４１１のために加工点の発光を確認することは困難であり、問題の解決にはならない。

また、フィールドエミッションタイプの電子源など、電子の発生時に発光しない電子源では大きな電流値を持つ電子ビームを取り出すことが困難なので、ニュートラライザとして用いることは難しい。

したがって、電子と光を分離し、光が加工点に到達しないようにできれば好都合である。分離という観点で近い従来技術としてイオンビームの粒子に含まれる中性粒子をイオンビームだけを偏向させることで分離する例が特許文献１及び特許文献２に開示されている。
特開昭６３−０１３２５０号公報（第５頁、第１図） 特表２００２−５２５８２０号公報（第１頁、第１図）

しかしながら、上記の特許文献はいずれも粒子の直進性を利用して、粒子と粒子の分離に対して適用した技術である為、電子と光の分離に用いるとフィラメントから出た光は電子銃の中を反射しながら電子の出射口からもれ出てしまい、加工点に強い光が照射されてしまう。

本出願に係る発明の目的は光を出射しないもしくは著しく抑制した電子ビーム照射装置、該電子ビーム照射装置も備えた加工装置、及び加工方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本出願に係る発明は、電子源と、該電子源にて生じた電子に電場を印加する引き出し電極と、前記電場によって引き出された前記電子を集束させる集束レンズ電極と、を有する電子ビーム照射装置であって、
前記電子ビーム照射装置は、電子ビームの軌道を偏向させる偏向手段を有し、該偏向手段及び前記集束レンズ電極の表面には導電性材料による反射抑制処理がなされており、
少なくとも前記集束レンズ及び前記偏向手段は遮光部材によって覆われていることを特徴とする電子ビームの照射装置である。

上記のように構成された本発明の電子ビーム照射装置によれば、光は出射しない又は著しく抑制されるので、荷電粒子ビームの照射位置に強い光が照射される事無しに被加工物表面の中性化を行うことができる。

図１は本発明の特徴を最もよく表す図面であり、電子ビーム照射装置の断面図を示している。使用に際しては真空室内に配置して使用される。同図において１は電子を放出するフィラメントであり、２はウェーネルト電極である。３は引き出し電極で、図示しない配線が接続されアース電位となっている。又、３、４、５の電極で集束レンズとなるアインツェルレンズを構成している。５はアース電位の電極である。６は偏向電極で＋電位が掛かっている。７は偏向電極６と対向する電極で、アース電位としている。８、９、１０は偏向後の集束レンズ電極で、８、１０をアース電位とし、中間の電極９に＋電位を掛け電子ビームを制御している。１１は遮光部材としての導電体からなる電子照射装置の遮光板で、フィラメントからの光洩れと、電極からの電位が外部に洩れるのを防いでいる。１２は電子ビームで、１３はフィラメントから出た光の光路を示している。

電極３〜１０及び遮光板１１は表面に黒色処理をしている。これにより、光の反射を抑えることができる。光が一部反射したとしても、黒色処理された電極や遮光板の内壁で反射を繰り返すうちに減衰するため、電子ビームの出口から光が洩れるのを防いでいる。

１４はヒートパイプで、一方を遮光板に取付け、他方を真空室の壁に取り付けていて、電子ビーム照射装置の熱を効率よく真空室の外部へ逃がしている。

このように構成した電子ビーム照射装置であれば、光洩れはわずかである。
本発明はフィラメント式の電子源に限らず様々な電子源に適用できる。たとえばホローカソードタイプの電子源やプラズマ式電子源など、発光を伴う電子源の光洩れを、本発明によって抑制することができる。

（実施例１）
図１は本発明の特徴を最もよく表す図面であり、電子ビーム照射装置の断面図を示している。同図において１は電子を放出するフィラメントであり、図示しない配線により電力を供給する電源に接続されている。２はウェーネルト電極で図示しない配線により、高圧電源に接続され、−１ｋＶの電圧を印加して、電場を形成している。３は引き出し電極で、図示しない配線が接続されアース電位となっている。又、３、４、５の電極で集束レンズとなるアインツェルレンズを構成し、電極４には＋５００Ｖを印加している。５はアース電位の電極である。６は偏向電極で半径２０ｍｍの球形の一部の形状をして、中心の角度は６０°である。この偏向電極６に＋９５０Ｖの電圧を掛けている。７は偏向電極６と対向する電極で、６と同心円の形状である。電圧は０Ｖでアース電位としている。８、９、１０は偏向後の集束レンズ電極で、８、１０をアース電位とし、中間の電極９に＋５００Ｖを掛け電子ビームを制御している。１１は導電体からなる電子照射装置の遮光板で、フィラメントからの光洩れと、電極からの電位が外部に洩れるのを防いでいる。１２は電子ビームで、１３はフィラメントから出た光の光路を示している。

材質がＳＵＳ３０４からなる電極３〜１０及び遮光板１１の内側は表面に黒色ニッケルメッキ処理をしている。これにより、光の反射を押さえ、電子ビームの出口から光が洩れるのを防いでいる。

１４はヒートパイプで、図示しない真空室の壁まで延長され、遮光板及び、遮光板近辺の熱を外壁に効率よく逃がす働きをする。

使用に際しては、図示の電子照射装置は被加工物と共に真空室の中に置かれ、１０^−２Ｐａ以下の圧力下で使用される。実施例１ではフィラメント電流＝２．５Ａで３５０μＡの電子ビームが得られた。又、電子照射装置からの光洩れはわずかであった。

ここで、電極３〜１０の表面に黒色ニッケルメッキ処理を施したが、これに限定される物でなく、光の反射が少なく、導電性がある皮膜であれば良い。例えば、黒色銅メッキ、黒色亜鉛メッキ、黒色化学ニッケルメッキ、ＬＤ処理（商標）、黒色クロメートフリー皮膜、ハイブラック（黒色クロム系皮膜）等が導電性材料として、電極、偏向電極及び遮光板の反射抑制処理に使用できる。また、例えば並列に設けられた電極の形状を入れ子状にするなど、光が電極に吸収されやすいように電極を構成してもよい。遮光板はあった方がより光洩れを防ぐ効果が高いけれども、加工点に強い光が当たらないように電子照射装置を配置する限りにおいては、必須ではない。以下の実施例においても同様である。

（実施例２）
図２は本発明の第２の実施例を表す図面であり、電子ビーム照射装置の断面図を示している。図２において２０１は電子を放出するフィラメントであり、図示しない配線により電力を供給する電源に接続されている。２０２はウェーネルト電極で図示しない配線により、高圧電源に接続され、−１ｋＶの電圧を掛けている。２０３は引き出し電極で、図示しない配線が接続されアース電位となっている。又、２０３、２０４、２０５の電極で集束レンズとなるアインツェルレンズを構成し、電極２０４には＋５００Ｖを掛けている。２０５はアース電位の電極である。２０６、２０７は扇形磁石で電子ビームを挟み、紙面の上下に配置してある。２０８、２０９、２１０は偏向後の集束レンズ電極で、２０８、２１０をアース電位とし、中間の電極２０９に＋５００Ｖを掛け電子ビームを制御している。２１１は導電体からなる電子照射装置の遮光板で、フィラメントからの光洩れと、電極からの電位が外部に洩れるのを防いでいる。２１２は電子ビームで、２１３はフィラメントから出た光の光路を示している。

磁石２０６、２０７の表面に黒色ニッケルメッキ処理をしている。又、電極２０３〜２０５、２０８〜２１０はカーボンで製作した。これにより、光の反射を押さえ、電子ビームの出口から光が洩れるのを防いでいる。また電極の全てをカーボン電極にする必要は無く、必要に応じて黒色処理された電極を一部用いても良い。

２１４はヒートパイプで、図示しない真空室の壁まで延長され、遮光板２１１及び、遮光板近辺の熱を外壁に効率よく逃がす働きをする。

使用に際しては、図示の電子照射装置は被加工物と共に真空室の中に置かれ、１０^−２Ｐａ以下の圧力下で使用されるる。実施例２ではフィラメント電流＝２．５Ａで３５０μＡの電子ビームが得られた。

又、電子照射装置からの光洩れはわずかであった。

ここで、磁石２０６、２０７の表面に黒色ニッケルメッキ処理を施したが、これに限定される物でなく、光の反射が少なく、導電性がある皮膜であれば良い。例えば、黒色銅メッキ、黒色亜鉛メッキ、黒色化学ニッケルメッキ、ＬＤ処理（商標）、黒色クロメートフリー皮膜、ハイブラック（黒色クロム系皮膜）等が使用できる。遮光板はあった方が好ましいが、先に説明した理由から必須ではない。

（実施例３）
図３は本発明の電子ビーム照射装置を用いた実施例を表す図面であり、適宜、断面図で示している。同図はアルゴンの正イオンビームで加工するときに負の電位を持つ電子を供給する時の実施例である。３０１は真空室で図示しない真空ポンプが接続され、真空に保たれている。絶縁体の被加工物３０４は図示しないＸ−Ｙステージ上に搭載され、必要に応じ移動できる。３０６は加工点モニター用カメラで、イオンビーム３０３が被加工物３０４に照射されたときに発光点３０５からの発光光をビューイングポート３０７を通してモニターする。３０８は電子ビーム照射装置で、被加工物３０４に中性化のための電子３２０を供給する。この電子ビーム照射装置３０８は、フィラメント３０９に電流を流して加熱した時に出る熱電子を用いている。

フィラメント３０９は図示しない配線により電源に接続されている。３１０はウェーネルト電極で図示しない配線により、高圧電源に接続され、−１ｋＶの電圧を掛けられている。３１１は引き出し電極で、図示しない配線が接続されアース電位となっている。又、３１１、３１２、３１３の電極で集束レンズとなるアインツェルレンズを構成し、電極３１２には＋５００Ｖを掛けている。３１３はアース電位の電極である。３１４は偏向電極で半径２０ｍｍの球形の一部の形状をしており、中心の角度は６０°である。この偏向電極３１４に＋９５０Ｖの電圧を掛けている。３１５は偏向電極３１４と対向する電極で、３１４と球の中心を同じくする球形状である。電圧は０Ｖでアース電位としている。３１６、３１７、３１８、は偏向後の集束レンズ電極で、３１６、３１８をアース電位とし、中間の電極３１７に＋５００Ｖを掛け電子ビームを制御している。３１９は導電体からなる電子照射装置の遮光板で、フィラメントからの光洩れと、電極からの電位が外部に洩れるのを防いでいる。３２０は電子ビームで、３２１はフィラメントから出た光を示している。

材質がＳＵＳ３０４からなる電極３１１〜３１８及び遮光板３１９の内側は表面に黒色ニッケルメッキ処理をしている。これにより、光の反射を押さえ、電子ビームの出口から光が洩れるのを防いでいる。３２２はヒートパイプで、真空室３０１の壁まで延長され、偏向電極３１５及び、遮光板３１９の熱を外壁に効率よく逃がす働きをする。

実施例３では、イオンビームのイオン電流は３０μＡで、そのビーム径は加工点３０５で約Φ３ｍｍである。電子ビームは約３００μＡで有ったが、電子照射装置からの光洩れはわずかである為、モニター用カメラで加工点の発光が、はっきりと観察できた。

本発明の第１の実施例に係る電子ビーム照射装置を説明する図である。 本発明の第２の実施例に係る電子ビーム照射装置を説明する図である。 本発明の第３の実施例に係る電子ビーム照射装置の利用形態を説明する図である。 従来例を説明する図である。

符号の説明

１、２０１、３０９、４０９ フィラメント
２、２０２、３１０ ウェーネルト電極
３、２０３、３１１ 引き出し電極
４、５、８、９、１０、２０４、２０５、２０８、２０９、２１０、３１２、３１３、３１６、３１７、３１８、４１０ レンズ電極
６、７、３１４、３１５ 偏向電極
１１、２１１、３１９ 遮光板
１２、２１２、３２０、４１２ 電子ビーム
１３、２１３、３２１、４１１ 光路
１４、２１４、３２２ ヒートパイプ
２０６、２０７ 偏向磁石
３０１、４０１ 真空室
３０２、４０２ イオンガン
３０４、４０４ 被加工物
３０６、４０６ カメラ

Claims (5)

1. 電子源と、該電子源にて生じた電子に電場を印加する引き出し電極と、前記電場によって引き出された前記電子を集束させる集束レンズ電極と、を有する電子ビーム照射装置であって、
   前記電子ビーム照射装置は、電子ビームの軌道を偏向させる偏向手段を有し、該偏向手段及び前記集束レンズ電極の表面には導電性材料による前記電子源からの光に対する反射抑制処理がなされていることを特徴とする電子ビームの照射装置。
2. 前記引き出し電極及び集束レンズ電極の一部もしくは全てがカーボンからなることを特徴とする請求項１記載の電子ビーム照射装置。
3. 少なくとも前記集束レンズ及び前記偏向手段は遮光部材によって覆われていることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の電子ビーム照射装置。
4. 前記反射抑制処理は黒色ニッケルメッキ処理、黒色銅メッキ処理、黒色亜鉛メッキ処理、黒色化学ニッケルメッキ処理、黒色クロメートフリー皮膜処理、ハイブラック処理のすくなくとも一つであることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の電子ビーム照射装置。
5. 真空室と、前記真空室の内部に備えられた正イオンビーム照射器と、前記真空室の内部に備えられた請求項１から４のいずれか一項記載の電子ビーム照射装置を備えた加工装置。

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