JP6210493B2 - 荷電粒子ビーム照射装置及び荷電粒子ビーム照射方法 - Google Patents

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。

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。

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。

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。

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。

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。

特開２００１−１５２２０４号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。 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。 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。 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。 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。 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。

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。

［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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

＜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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

＜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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

［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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims (5)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。

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