JP6221999B2 - Electron beam irradiation apparatus and electron beam irradiation method - Google Patents
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本発明は、集束させた電子ビームを走査しながら被照射面に照射する電子ビーム照射装置及び電子ビーム照射方法に関するものである。 The present invention relates to an electron beam irradiation apparatus and an electron beam irradiation method for irradiating an irradiated surface while scanning a focused electron beam.
電子ビーム照射は、高密度エネルギー源として、微細な切断や溶接等の材料加工及び加熱による表面改質等の処理に適用されている。他の高密度エネルギー源としては、レーザー照射やプラズマ照射がある。しかしながら、電子ビーム照射には、高真空雰囲気を必要とするデメリットがあるものの、照射面積が小さく、しかも処理対象物の厚み方向へ深く電子ビームを進入させることができる、電子ビームの制御には電磁場が使われるので電子ビームの走査や揺動が容易で高速化が可能である、熱効率が良い等の多数のメリットがある。 Electron beam irradiation is applied as a high-density energy source to material processing such as fine cutting and welding, and processing such as surface modification by heating. Other high density energy sources include laser irradiation and plasma irradiation. However, although the electron beam irradiation has a demerit that requires a high vacuum atmosphere, the irradiation area is small and the electron beam can be made to penetrate deeply in the thickness direction of the object to be processed. Therefore, there are many merits such as easy scanning and swinging of the electron beam, high speed, and high thermal efficiency.
一般に、電子ビーム照射を行うための電子ビーム照射装置は、電子を放出するフィラメント、フィラメントから放出された電子を制御するグリッド、及びフィラメントから放出された電子を加速するための陽極を有する電子銃と、電磁レンズ(集束コイル)と、偏向コイルと、を備えている。この電子ビーム照射装置では、電子銃から射出された電子ビームは、電磁レンズによって被照射面上に集束されると共に、偏向コイルによって電子ビームの進行方向を変化させることにより所定方向へ走査される。 In general, an electron beam irradiation apparatus for performing electron beam irradiation includes an electron gun having a filament for emitting electrons, a grid for controlling electrons emitted from the filament, and an anode for accelerating the electrons emitted from the filament. And an electromagnetic lens (focusing coil) and a deflection coil. In this electron beam irradiation apparatus, an electron beam emitted from an electron gun is focused on an irradiated surface by an electromagnetic lens and scanned in a predetermined direction by changing the traveling direction of the electron beam by a deflection coil.
このような電子ビーム照射装置では、電磁レンズに印加される制御電流値が一定である場合、偏向方向に応じて電子銃から電子ビームの照射位置までの距離が変化するために、被照射面上における電子ビーム強度(エネルギー密度)を均一にすることができなくなる。例えば電子銃の直下の被照射面位置で電子ビームの焦点が合うように電子ビームの焦点距離が調整されている場合には、電子ビーム強度は、走査方向の中央部で強くなり、走査方向の両端部で弱くなる。 In such an electron beam irradiation apparatus, when the control current value applied to the electromagnetic lens is constant, the distance from the electron gun to the irradiation position of the electron beam changes according to the deflection direction. The electron beam intensity (energy density) cannot be made uniform. For example, when the focal length of the electron beam is adjusted so that the electron beam is focused at the position of the irradiated surface directly under the electron gun, the electron beam intensity increases at the center in the scanning direction, and increases in the scanning direction. It becomes weak at both ends.
このような背景から、特許文献1には、電子ビームの照射位置が変化しても常に同等の電子ビーム強度となるように、電子ビームの焦点距離を適宜修正しながら鋼板の板幅方向にわたる電子ビーム照射を行う技術(ダイナミックフォーカシング技術)が記載されている。また、特許文献1記載の技術の改良として、特許文献2には、電子銃の直下における基板の電子ビーム照射域を起点にして、その両側域へそれぞれ個別制御によって焦点距離を修正しつつ電子ビームを走査する技術が記載されている。
Against this background,
一方、特許文献3には、電子ビームを被照射面の所定領域にわたって走査させる以前の初期状態において、電子ビームの焦点距離及びアライメント(光軸)が正常であることが必須であるとして、被照射面における電子ビームの焦点距離及び光軸を調整する装置として、被照射面におけるビームスポットを撮影するカメラと、撮影されたビームスポットの画像を処理する画像処理装置と、画像処理装置からのデータに応じて電子ビームの焦点距離及び初期偏向量を制御する装置が記載されている。 On the other hand, in Patent Document 3, it is essential that the focal length and alignment (optical axis) of the electron beam are normal in the initial state before the electron beam is scanned over a predetermined region of the irradiated surface. As a device for adjusting the focal length and optical axis of the electron beam on the surface, a camera for photographing the beam spot on the irradiated surface, an image processing device for processing the image of the photographed beam spot, and data from the image processing device Accordingly, an apparatus for controlling the focal length and initial deflection amount of the electron beam is described.
また、特許文献4には、電子ビーム照射による励起によって電子ビームの照射部から発光を生じさせ、電子ビームの照射部からの発光を光学的に検出し、電子ビームの照射位置、電子ビームの焦点距離、電子ビーム照射スポット径、及び電子ビーム照射エネルギーのうちの1つ以上の情報を取得し、取得した情報に基づいて電子ビームの照射状態を制御する技術が記載されている。
In
このように電子ビームの照射方法及び初期状態の調整に関して改良が進められ、電子ビームの走査領域全体で電子ビーム強度の均一さは向上している。 In this way, improvements are made with respect to the electron beam irradiation method and the adjustment of the initial state, and the uniformity of the electron beam intensity is improved over the entire scanning region of the electron beam.
一般に、生産性向上のために、電子ビームの走査範囲を広げ、走査速度を高速にしようとするほど、電磁レンズや偏向コイルの応答遅れが無視できなくなる。すなわち、上述のダイナミックフォーカシング技術において、電磁レンズや偏向コイルに印加する制御電流が想定している焦点距離や走査位置に対して、実際の焦点距離や走査位置が時間的に遅れたものになる。 In general, the response delay of the electromagnetic lens and the deflection coil cannot be ignored as the scanning range of the electron beam is increased to increase the scanning speed in order to improve productivity. In other words, in the above-described dynamic focusing technique, the actual focal length and scanning position are delayed with respect to the focal length and scanning position assumed by the control current applied to the electromagnetic lens and the deflection coil.
このとき、特許文献1記載の技術のように、走査方向における電磁レンズの制御電流のパターンを電子銃の直下位置を中心とした対称なパターンとしても、電磁レンズの応答遅れのため実際には電子銃の直下位置を中心とした対称なパターンにはならない。また、特許文献2記載の技術のように電子銃の直下位置を基点として基点の両側で制御電流のパターンを別々のものにしたとしても、応答遅れのために電子ビーム強度の不均一さは修正できない。また、特許文献3記載の技術のように、電子ビームの初期状態を制御しても電磁レンズや偏向コイルの応答遅れには対応できない。
At this time, even if the control current pattern of the electromagnetic lens in the scanning direction is a symmetric pattern centered on the position directly under the electron gun as in the technique described in
従って、電子ビームの走査領域全体で電子ビーム強度を均一にするためには、電磁レンズや偏向コイルの応答遅れを考慮した電磁レンズの制御電流のパターンを設定する必要がある。 Therefore, in order to make the electron beam intensity uniform in the entire scanning region of the electron beam, it is necessary to set a control current pattern of the electromagnetic lens in consideration of the response delay of the electromagnetic lens and the deflection coil.
電磁レンズの制御電流のパターンを設定する上で困難である点は、電子ビームの照射状態が不可視である点である。つまり、電子ビームの照射状態を何らかの手段で間接的に観測、確認しなければならない。電子ビームの照射状態を観測する手段としては、電子ビームの照射位置にスリット又は金属ワイヤを設置し、スリットを通過した又は金属ワイヤに当たった電流波形を測定する方法(ビームプロファイラ技術)が知られている。 The difficulty in setting the control current pattern of the electromagnetic lens is that the irradiation state of the electron beam is invisible. That is, the irradiation state of the electron beam must be indirectly observed and confirmed by some means. As a means for observing the irradiation state of an electron beam, there is known a method (beam profiler technology) in which a slit or a metal wire is installed at an irradiation position of an electron beam and a current waveform passing through the slit or hitting the metal wire is measured. ing.
スリット又は金属ワイヤは電子ビームの走査方向に対して直交する向きに設置されるので、その測定結果はスリット又は金属ワイヤの向きに積分された結果となる。そのため、電子ビームの照射径を知るためには測定した電流波形から電子ビームの電流分布を推定する必要がある。さらに、電子ビームが楕円形状である場合には、スリット又は金属ワイヤの向きを変えて(電子ビームの走査方向も変えて)測定する必要がある。また、電子ビーム照射の均一性を確認するためには走査範囲の複数点にスリット又は金属ワイヤを設置するか移動させて測定する必要もある。 Since the slit or the metal wire is installed in a direction orthogonal to the scanning direction of the electron beam, the measurement result is a result integrated with the direction of the slit or the metal wire. Therefore, in order to know the irradiation diameter of the electron beam, it is necessary to estimate the current distribution of the electron beam from the measured current waveform. Furthermore, when the electron beam has an elliptical shape, it is necessary to measure by changing the direction of the slit or the metal wire (and changing the scanning direction of the electron beam). Further, in order to confirm the uniformity of electron beam irradiation, it is necessary to measure by installing or moving slits or metal wires at a plurality of points in the scanning range.
また、処理対象物の処理状態から電子ビームの焦点距離や強度の均一性を確認する方法も考えられる。しかしながら、この場合、調整毎に処理対象物のサンプルを採取する必要があり、効率が悪い。これに対して、特許文献4記載の技術のように、照射部の励起による発光から電子ビームの照射状態の情報を得る方法は容易に確認可能であり、効率も良いと考えられる。しかしながら、特許文献4記載のナイフエッジ法の具体例は電子ビームの焦点位置のずれの評価には適用できない。
A method of confirming the uniformity of the focal length and intensity of the electron beam from the processing state of the processing object is also conceivable. However, in this case, it is necessary to collect a sample of the processing object for each adjustment, which is inefficient. On the other hand, as in the technique described in
すなわち、特許文献4記載のナイフエッジ法は、電子ビームの最集束位置に光学系の焦点が合うように調整されていることを前提として、照射部の位置変動による電子ビームの焦点位置からのずれを光学系の焦点位置からのずれより間接的に検出する方法であると考えられる。これに対して、本発明の発明者らが問題としているのは、電磁レンズで調整される電子ビーム自体の焦点位置(高さ)の変化であり、照射部の位置変動に伴う電子ビームの焦点位置の変化ではない。
That is, the knife edge method described in
また、特許文献4には、光検出部として2次元のCCD素子等による構成が言及されているものの、ナイフエッジ法を除いてどのようにして電子ビームの照射状態についての情報を得るのか、具体例は記載されていない。
Further, although
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、電子ビームの焦点位置のずれを効率良く評価、制御することによって走査領域全体で均一な強度で電子ビームを照射可能な電子ビーム照射装置及び電子ビーム照射方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to irradiate an electron beam with uniform intensity over the entire scanning region by efficiently evaluating and controlling the deviation of the focal position of the electron beam. An object is to provide an electron beam irradiation apparatus and an electron beam irradiation method.
本発明に係る電子ビーム照射装置は、集束させた電子ビームを走査しながら被照射面に照射する電子ビーム照射装置であって、前記電子ビームの焦点位置を調整する集束手段と、前記電子ビームを偏向することによって該電子ビームを走査する偏向手段と、前記偏向手段によって偏向された前記電子ビームの偏向角又は走査位置に応じて予め設定された前記集束手段の制御パターンに従って電子ビームの焦点位置を制御する動的焦点制御手段と、前記電子ビームを前記被照射面上で走査させた時に発生する蛍光又は燐光の画像を前記電子ビームの走査に同期して撮影する撮像手段と、前記撮像手段によって撮影された蛍光又は燐光の画像から前記電子ビームの各走査位置における蛍光又は燐光の発光輝度分布を抽出する発光輝度分布抽出手段と、前記発光輝度分布抽出手段によって抽出された蛍光又は燐光の発光輝度分布に基づいて前記電子ビームの焦点位置のずれを評価する焦点ずれ評価手段と、を備え、前記動的焦点制御手段は、前記焦点ずれ評価手段の評価結果に基づいて前記制御パターンを修正することを特徴とする。 An electron beam irradiation apparatus according to the present invention is an electron beam irradiation apparatus that irradiates a surface to be irradiated while scanning a focused electron beam, a focusing unit that adjusts a focal position of the electron beam, and an electron beam irradiation apparatus. Deflection means for scanning the electron beam by deflecting, and a focus position of the electron beam according to a control pattern of the focusing means set in advance according to a deflection angle or scanning position of the electron beam deflected by the deflection means. Dynamic focus control means for controlling, imaging means for taking an image of fluorescence or phosphorescence generated when the electron beam is scanned on the irradiated surface in synchronization with scanning of the electron beam, and the imaging means Luminance distribution extraction means for extracting fluorescence or phosphorescence emission luminance distribution at each scanning position of the electron beam from a photographed fluorescence or phosphorescence image Defocusing evaluation means for evaluating deviation of the focal position of the electron beam based on the emission luminance distribution of fluorescence or phosphorescence extracted by the emission luminance distribution extraction means, and the dynamic focus control means includes the dynamic focus control means, The control pattern is corrected based on the evaluation result of the defocus evaluation means.
本発明に係る電子ビーム照射装置は、上記発明において、前記焦点ずれ評価手段は、前記発光輝度分布から蛍光又は燐光の発光幅を算出する発光幅算出手段と、前記発光幅算出手段によって算出された発光幅を予め設定された基準値と比較することによって前記電子ビームの焦点位置のずれを評価する発光幅比較手段と、を備えることを特徴とする。 The electron beam irradiation apparatus according to the present invention is the electron beam irradiation apparatus according to the above invention, wherein the defocus evaluation unit is calculated by a light emission width calculating unit that calculates a light emission width of fluorescence or phosphorescence from the light emission luminance distribution and the light emission width calculating unit. And a light emission width comparing means for evaluating the deviation of the focal position of the electron beam by comparing the light emission width with a preset reference value.
本発明に係る電子ビーム照射装置は、上記発明において、前記発光幅算出手段は、前記電子ビームの走査方向と直交する方向の蛍光又は燐光の発光幅を算出することを特徴とする。 The electron beam irradiation apparatus according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the emission width calculating means calculates the emission width of fluorescence or phosphorescence in a direction orthogonal to the scanning direction of the electron beam.
本発明に係る電子ビーム照射装置は、上記発明において、前記偏向手段は、前記電子ビームの照射位置の滞留及び移動を繰り返すことによって電子ビームをドット状に照射し、前記発光幅算出手段は、ドット状の蛍光又は燐光の発光輝度分布の第1の方向における発光幅、第1の方向と直交する第2の方向における発光幅、及び第1の方向における発光幅に対する第2の方向における発光幅の比率を算出し、前記発光幅比較手段は、前記第1の方向における発光幅、前記第2の方向における発光幅、及び前記比率のうちの少なくとも2つ以上を予め設定されたそれぞれの基準値と比較することによって前記電子ビームの焦点位置のずれを評価することを特徴とする。 In the electron beam irradiation apparatus according to the present invention, in the above invention, the deflection unit irradiates the electron beam in a dot shape by repeating staying and moving of the irradiation position of the electron beam, and the emission width calculation unit includes a dot Emission width distribution in the first direction, emission width in the second direction orthogonal to the first direction, and emission width in the second direction relative to the emission width in the first direction The light emission width comparison unit calculates a ratio, and the light emission width in the first direction, the light emission width in the second direction, and at least two of the ratios are set in advance as reference values. It is characterized in that the deviation of the focal position of the electron beam is evaluated by comparison.
本発明に係る電子ビーム照射装置は、上記発明において、前記基準値は、前記電子ビームの照射位置毎に複数設定されていることを特徴とする。 The electron beam irradiation apparatus according to the present invention is characterized in that, in the above invention, a plurality of the reference values are set for each irradiation position of the electron beam.
本発明に係る電子ビーム照射装置は、上記発明において、前記被照射面は、表層又は透明被膜直下にフォルステライト被膜を有する鋼板の表面であることを特徴とする。 The electron beam irradiation apparatus according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the irradiated surface is a surface of a steel plate having a forsterite film directly under a surface layer or a transparent film.
本発明に係る電子ビーム照射方法は、集束させた電子ビームを走査しながら被照射面に照射する電子ビーム照射方法であって、集束手段を利用して前記電子ビームの焦点位置を調整する集束ステップと、偏向手段を利用して前記電子ビームを偏向することによって該電子ビームを走査する偏向ステップと、前記偏向ステップにおいて偏向された前記電子ビームの偏向角又は走査位置に応じて予め設定された前記集束手段の制御パターンに従って電子ビームの焦点位置を制御する動的焦点制御ステップと、前記電子ビームを前記被照射面上で走査させた時に発生する蛍光又は燐光の画像を前記電子ビームの走査に同期して撮影する撮影ステップと、前記撮影ステップにおいて撮影された蛍光又は燐光の画像から前記電子ビームの各走査位置における蛍光又は燐光の発光輝度分布を抽出する発光輝度分布抽出ステップと、前記発光輝度分布抽出ステップにおいて抽出された蛍光又は燐光の発光輝度分布に基づいて前記電子ビームの焦点位置のずれを評価する焦点ずれ評価ステップと、を含み、前記動的焦点制御ステップは、前記焦点ずれ評価ステップにおける評価結果に基づいて前記制御パターンを修正するステップを含むことを特徴とする。 An electron beam irradiation method according to the present invention is an electron beam irradiation method for irradiating an irradiated surface while scanning a focused electron beam, and a focusing step for adjusting a focal position of the electron beam using a focusing means. And a deflection step of scanning the electron beam by deflecting the electron beam using a deflecting means, and the preset deflection angle or scanning position of the electron beam deflected in the deflection step. A dynamic focus control step for controlling the focal position of the electron beam in accordance with a control pattern of the focusing means, and a fluorescent or phosphorescent image generated when the electron beam is scanned on the irradiated surface is synchronized with the scanning of the electron beam. A photographing step for photographing and a fluorescent or phosphorescent image photographed in the photographing step at each scanning position of the electron beam. A light emission luminance distribution extracting step for extracting a light emission luminance distribution of fluorescence or phosphorescence, and a focus for evaluating a deviation of a focal position of the electron beam based on the light emission luminance distribution extracted in the light emission luminance distribution extraction step. And the dynamic focus control step includes a step of correcting the control pattern based on an evaluation result in the defocus evaluation step.
本発明に係る電子ビーム照射装置及び電子ビーム照射方法によれば、電子ビームの焦点位置のずれを効率良く評価、制御することによって走査領域全体で均一な強度で電子ビームを照射することができる。 According to the electron beam irradiation apparatus and the electron beam irradiation method of the present invention, it is possible to irradiate an electron beam with uniform intensity over the entire scanning region by efficiently evaluating and controlling the shift of the focal position of the electron beam.
以下、図面を参照して、本発明の第1及び第2の実施形態である電子ビーム照射装置の構成及びその動作について説明する。 Hereinafter, the configuration and operation of an electron beam irradiation apparatus according to first and second embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
〔第1の実施形態〕
始めに、図1〜図7を参照して、本発明の第1の実施形態である電子ビーム照射装置の構成及びその動作について説明する。
[First Embodiment]
First, the configuration and operation of the electron beam irradiation apparatus according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
〔構成〕
図1は、本発明の第1の実施形態である電子ビーム照射装置の構成を示す模式図である。図1に示すように、本発明の第1の実施形態である電子ビーム照射装置1は、電子を放出するフィラメント2a、フィラメント2aから放出された電子を制御するグリッド2b、及びフィラメント2aから放出された電子を加速するための陽極2cを有する電子銃2と、電磁レンズ(集束コイル)3と、偏向コイル4と、ビーム制御装置5と、撮像装置6と、画像処理装置7と、表示装置8と、を備えている。
〔Constitution〕
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of an electron beam irradiation apparatus according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, an electron
電磁レンズ3は本発明に係る集束手段として機能し、偏向コイル4は本発明に係る偏向手段として機能し、ビーム制御装置5は本発明に係る動的焦点制御手段として機能し、撮像装置6は本発明に係る撮像手段として機能し、画像処理装置7は本発明に係る発光輝度分布抽出手段及び焦点ずれ評価手段として機能する。
The electromagnetic lens 3 functions as a focusing unit according to the present invention, the
この電子ビーム照射装置1では、電子銃2から射出された電子ビームは、ビーム制御装置5によって電流制御された電磁レンズ3及び偏向コイル4の作用によって焦点距離及び偏向角が制御され、被照射面S上の所定範囲を走査する。なお、電子ビーム照射時は、電子ビーム照射装置1の内部は真空雰囲気に保たれている。
In this electron
ビーム制御装置5は、電磁レンズ3及び偏向コイル4に出力する制御電流のパターンを保持している。この制御電流のパターンは、電子ビームの偏向角又は走査位置に応じて電磁レンズ3及び偏向コイル4の制御電流を定めたものであり、最終的に電子ビームの走査中においてどの照射方向(照射位置)においても常に電子ビームの焦点位置が被照射面Sに合うように電磁レンズ3及び偏向コイル4の制御電流が調整される。
The
撮像装置6は、観察窓を介する形で電子ビーム照射装置1の外部又は耐真空構造を有する形で電子ビーム照射装置1の内部に設けられ、被照射面S上の電子ビームの走査範囲全体(又は一部)が撮像視野内に入るように設置されている。撮像装置6は、ビーム制御装置5から電子ビームの1回の走査を示す同期信号(走査中にオンとなるパルス信号又は走査開始タイミングを示すパルス信号等)を取得し、電子ビームの1回の走査毎、且つ、走査中に露光を行い、電子ビームの照射によって被照射面Sから発せられる蛍光又は燐光の画像を撮影する。
The
なお、被照射面Sは、電子ビーム照射によって蛍光又は燐光を発する材料によって形成されている。被照射面Sが蛍光又は燐光を発さない物質である場合には、代わりに調整用ターゲットとして蛍光材又は燐光材を塗布した平板等を電子ビームの照射位置に配置する。また、撮像装置6は、必要に応じて蛍光又は燐光を選択的に透過する帯域フィルタを有していてもよい。
The irradiated surface S is formed of a material that emits fluorescence or phosphorescence by electron beam irradiation. When the surface to be irradiated S is a substance that does not emit fluorescence or phosphorescence, a flat plate or the like coated with a fluorescent material or phosphorescent material as an adjustment target is disposed instead at the electron beam irradiation position. In addition, the
画像処理装置7は、撮像装置6によって撮影された蛍光又は燐光の画像を取得し、取得した画像から被照射面S上の各照射位置(又は電子ビームの各偏向方向)での蛍光又は燐光の発光輝度分布を抽出し、抽出された発光輝度分布から電子ビームの焦点位置の被照射面Sからのずれ(焦点ずれ)を各照射位置において評価する。
The
表示装置8は、撮像装置6が撮影した蛍光又は燐光の画像、画像処理装置7による焦点ずれ評価結果等の各種情報を表示する。オペレータは、表示装置8に表示された焦点ずれ評価結果に基づいて電磁レンズ3の制御電流のパターンを修正しながらビーム照射テストを繰り返すことによって、照射範囲全体に亘り焦点ずれがなく、且つ、強度が均一な電子ビーム照射へ近づける。
The
〔焦点調整方法〕
次に、図2〜図7を参照して、電子ビームの焦点調整方法について説明する。なお、以下の説明では、撮像装置6は蛍光画像を撮影するものとするが、燐光画像を撮影して同様の処理を行うようにしても良い。
[Focus adjustment method]
Next, an electron beam focus adjustment method will be described with reference to FIGS. In the following description, the
図2は、本発明の第1の実施形態である焦点調整処理の流れを示すフローチャートである。図2に示すフローチャートは、電子ビーム照射が開始されたタイミングで開始となり、焦点調整処理はステップS1の処理に進む。 FIG. 2 is a flowchart showing the flow of focus adjustment processing according to the first embodiment of the present invention. The flowchart shown in FIG. 2 starts at the timing when the electron beam irradiation is started, and the focus adjustment process proceeds to the process of step S1.
ステップS1の処理では、ビーム制御装置5が、初期の電磁レンズ3及び偏向コイル4の制御電流のパターン(以下、制御パターンと略記)に従って電磁レンズ3及び偏向コイル4を制御することにより被照射面S上に電子ビームを照射し、撮像装置6が、電子ビームの照射部を撮影して蛍光画像I(X,Y)を取得する。ここで、蛍光画像のX座標は電子ビームの走査方向、Y座標は電子ビームの走査方向に直交する方向とする。図3は、表層又は透明被膜直下にフォルステライト被膜を有する鋼板の表面を被照射面Sとして電子ビームを照射した際に得られた蛍光画像の一例を示す図である。
In the process of step S1, the
図3に示す例では、撮像装置6としてRGBカラーカメラを用いて、蛍光の色に合せてB(青色)チャンネルの輝度を抽出した。また、制御パターンとして、電子ビームがビーム径程度の密な間隔のドット状に照射されながら走査されるように偏向コイル4に制御電流を印加し、且つ、電磁レンズ3の制御電流を照射方向によらず一定とする制御パターンを用いた。これにより、ステップS1の処理は完了し、焦点調整処理はステップS2の処理に進む。
In the example shown in FIG. 3, the luminance of the B (blue) channel is extracted in accordance with the fluorescence color using an RGB color camera as the
ステップS2の処理では、画像処理装置7が、以下に示す数式(1)を用いて、ステップS1の処理において取得した蛍光画像I(X,Y)から各照射位置における蛍光画像I(X,Y)の発光輝度分布L(Y)を抽出する。ここで、数式(1)中、区間XiはX方向、すなわち電子ビームの走査方向に適当な間隔で設定された照射位置を示す区間、N(Xi)は区間Xi中のX座標点の数である。すなわち、発光輝度分布L(Y)は、蛍光画像I(X,Y)の区間XiにおけるY方向の平均的な輝度プロファイルを示す。図4は、図3中にX1〜X11で示した区間のうち、区間X6の発光輝度分布L(Y)を計算した結果を示す図である。これにより、ステップS2の処理は完了し、焦点調整処理はステップS3の処理に進む。
In the process of step S2, the
ステップS3の処理では、画像処理装置7が、ステップS2の処理において抽出された発光輝度分布L(Y)から各照射位置における蛍光画像の発光幅W(Xi)を算出する。本実施形態では、発光幅W(Xi)は発光輝度分布L(Y)における半値幅と定義する。すなわち、画像処理装置7は、発光輝度分布L(Y)の最大値Lmax及び発光がない時のベース輝度Lbaseを算出し、それらの平均値Lthr=(Lmax+Lbase)/2に対してL(Y)≧LthrとなるY方向の幅を発光幅W(Xi)とする(図4参照)。ベース輝度Lbaseは、発光輝度分布L(Y)の発光部から離れた発光がない区間における輝度の平均値を算出する、又は、予め電子ビーム照射をしない時の蛍光画像における平均輝度レベルを取得しておくことにより、算出される。図5は、図3に示す区間X1〜X11について発光幅W(Xi)を算出した結果を示す図である。これにより、ステップS3の処理は完了し、焦点調整処理はステップS4の処理に進む。
In the process of step S3, the
ステップS4の処理では、画像処理装置7が、ステップS3の処理において算出された発光幅W(Xi)と基準値Wrefとの差の絶対値が許容範囲内か否かを判別する。基準値Wrefは予め設定される値である。基準値Wrefは最適な被照射面Sの処理効果が得られる電子ビームの照射設定における発光幅、又は、ビームプロファイラ等での測定によってビーム径が最小となる(すなわち焦点が合っている)照射設定における発光幅を照射実験により求める等して設定する。判別の結果、全ての照射位置において差の絶対値が許容範囲内である場合、画像処理装置7は一連の焦点調整処理を終了する。一方、差の絶対値が許容範囲内に収まらない照射位置がある場合、画像処理装置7は、電子ビームの焦点ずれが発生していると判断し、焦点調整処理をステップS5の処理に進める。
In the process of step S4, the
ステップS5の処理では、ビーム制御装置5が、電子ビームの焦点位置が被照射面S上に位置するように電磁レンズ3の制御電流を変更することによって電磁レンズ3の制御電流のパターンを修正する。図3及び図5に示す例において、基準値Wrefを11.5(画素)に設定し、許容範囲を±0.5(画素)と設定した場合、区間X5以外の区間では焦点ずれがあり、制御パターンの修正が必要と判定される。図6は、制御パターンを修正した後に得られた蛍光画像、図7は、図6に示す蛍光画像について発光幅W(Xi)を算出した結果を示す図である。図7に示すように、発光幅W(Xi)はほぼ基準値Wrefと等しく一定になり、焦点ずれが無くなっていることがわかる。これにより、ステップS5の処理は完了し、焦点調整処理はステップS1の処理に戻る。
In the process of step S5, the
〔第2の実施形態〕
次に、本発明の第2の実施形態である電子ビーム照射装置の構成及びその焦点調整方法について説明する。なお、本実施形態の電子ビーム照射装置の構成は、図1に示す第1の実施形態である電子ビーム照射装置の構成と同じであるので、以下ではその説明を省略し、その焦点調整方法についてのみ説明する。
[Second Embodiment]
Next, the structure of the electron beam irradiation apparatus which is the 2nd Embodiment of this invention and its focus adjustment method are demonstrated. The configuration of the electron beam irradiation apparatus according to the present embodiment is the same as that of the electron beam irradiation apparatus according to the first embodiment shown in FIG. Only explained.
〔焦点調整方法〕
上述の第1の実施形態で示したような密な間隔のドット状の電子ビームを照射する場合、又は、連続的な電子ビーム走査を行う場合、蛍光画像I(X,Y)には図3や図6に示したように細い帯状の発光が観測される。このため、第1の実施形態ではY方向(電子ビームの走査方向に直交する方向)の発光幅のみ評価可能であった。これに対して、電子ビームの照射位置の滞留及び移動を繰り返し、ドット状の電子ビームの照射間隔を十分に大きく設定すると、図8に示すようにドットの1つ1つが分離された蛍光画像が得られる。そこで、本実施形態では、このようなビーム照射方法を利用してY方向の発光幅に加えてX方向(電子ビームの走査方向)の発光幅も算出し、電子ビームの焦点ずれを評価する。
[Focus adjustment method]
In the case of irradiating a dot-shaped electron beam with a close interval as shown in the first embodiment or when performing continuous electron beam scanning, the fluorescence image I (X, Y) is shown in FIG. As shown in FIG. 6, thin band-like light emission is observed. For this reason, in the first embodiment, only the light emission width in the Y direction (direction orthogonal to the scanning direction of the electron beam) can be evaluated. On the other hand, when the stay and movement of the irradiation position of the electron beam are repeated and the irradiation interval of the dot-shaped electron beam is set sufficiently large, a fluorescent image in which each dot is separated as shown in FIG. can get. Therefore, in this embodiment, using such a beam irradiation method, the emission width in the X direction (scanning direction of the electron beam) is calculated in addition to the emission width in the Y direction, and the defocus of the electron beam is evaluated.
具体的には、本実施形態では、ステップS2〜S4の処理が第1の実施形態におけるステップS2〜S4の処理と異なる。そこで、以下では、図9〜図12を参照して、本実施形態におけるステップS2〜S4の処理についてのみ説明する。 Specifically, in the present embodiment, the processes in steps S2 to S4 are different from the processes in steps S2 to S4 in the first embodiment. Therefore, hereinafter, only the processes in steps S2 to S4 in the present embodiment will be described with reference to FIGS.
図9は、本実施形態におけるステップS2及びステップS3の処理の内容を説明するための図である。本実施形態におけるステップS2の処理では、画像処理装置7は、まず蛍光画像I(X,Y)をドット状の発光(ドット番号)毎にX方向に分割する(又は、ドット状の発光が各々1つずつ含まれるように蛍光画像I(X,Y)から切り出す)。なお、以下では、分割された各蛍光画像をIn(X,Y)(nはドット番号)と表記する。次に、画像処理装置7は、各ドット番号nについて、輝度が最大となる位置(Xmax,Ymax)を探索し、X方向の発光輝度分布Lx(X)=In(X,Ymax)及びY方向の発光輝度分布Ly(Y)=(Xmax,Y)を抽出する。
FIG. 9 is a diagram for explaining the contents of the processing in step S2 and step S3 in the present embodiment. In the process of step S2 in the present embodiment, the
ステップS3の処理では、画像処理装置7が、最大輝度Lmax(=In(Xmax,Ymax))を算出する。また、画像処理装置7は、各蛍光画像In(X,Y)からドット状の発光から十分に離れた領域における輝度の平均値をベース輝度Lbaseとして算出する(又は、予め発光がない時の蛍光画像から平均輝度を算出してベース輝度Lbaseとする)。そして、画像処理装置7は、輝度の閾値Lthr(=(Lmax+Lbase)/2)を算出し、Lx(Y)≧LthrとなるX方向の輝度分布の半値幅Wx、Ly(Y)≧LthrとなるY方向の輝度分布の半値幅Wyを算出する。
In the process of step S <b > 3 , the
ステップS4の処理では、画像処理装置7は、ドット番号n毎に、X方向の輝度分布の半値幅Wxに対しては基準値Wxref、Y方向の輝度分布の半値幅Wyに対しては基準値Wyref、さらにアスペクト比Wy/Wxに対しては基準値Warefとそれぞれ比較する。そして、画像処理装置7は、全てのドット番号nについて、半値幅Wx,Wy及びアスペクト比Wy/Wxが全て許容範囲内にあるか否かを判別する。判別の結果、全てが許容範囲内にある場合、画像処理装置7は、一連の焦点調整処理を終了する。一方、許容範囲内に収まらない半値幅又はアスペクト比がある場合、画像処理装置7は、電子ビームの焦点ずれが発生していると判断し、焦点調整処理をステップS5の処理に進める。
In the process of step S4, the
なお、本実施形態では、半値幅Wx,Wy及びアスペクト比Wy/Wxが全て許容範囲内にあるか否かを判別することによって焦点ずれが発生しているか否かを評価したが、半値幅Wx,Wy及びアスペクト比Wy/Wxのうちの2つが許容範囲内にあるか否かを判別することによって焦点ずれが発生しているか否かを評価してもよい。 In the present embodiment, whether or not defocusing has occurred is determined by determining whether or not the half widths W x and W y and the aspect ratio W y / W x are all within the allowable range. Whether or not defocusing has occurred may be evaluated by determining whether or not two of the half-value widths W x and W y and the aspect ratio W y / W x are within an allowable range.
図10は、図8に示す蛍光画像を含む同条件の電子ビーム照射を行って撮影した蛍光画像25例について発光幅Wx,Wy及びアスペクト比Wy/Wxの平均値を算出した結果を示す図である。図10に示すように、基準値Wxref=10.5(画素)、基準値Wyref=12.0(画素)、基準値Waref=1.1とし、また許容範囲を発光幅については±0.5、アスペクト比については±0.05とすると、一部を除き発光幅Wx,Wy及びアスペクト比Wy/Wxが許容範囲外となる。すなわち、電子ビームの焦点ずれがあり、制御パターンの修正が必要と判定される。 FIG. 10 shows the result of calculating the average values of the emission widths W x and W y and the aspect ratio W y / W x for 25 examples of fluorescent images taken by performing electron beam irradiation under the same conditions including the fluorescent image shown in FIG. FIG. As shown in FIG. 10, the reference value W xref = 10.5 (pixel), the reference value W yref = 12.0 (pixel), the reference value W aref = 1.1, and the allowable range is ± Assuming that 0.5 and the aspect ratio are ± 0.05, the emission widths W x and W y and the aspect ratio W y / W x are outside the allowable ranges except for a part. That is, it is determined that there is a defocus of the electron beam and the control pattern needs to be corrected.
図11は、制御パターンを修正した後に得られた蛍光画像の一例を示す図である。図12は、図11に示す蛍光画像を含む同条件の電子ビーム照射を行って撮影した蛍光画像25例について発光幅Wx,Wy及びアスペクト比Wy/Wxの平均値を算出した結果を示す図である。図12に示すように、電子ビームの焦点位置が被照射面S上に位置するように電磁レンズ3の制御電流を変更することによって電磁レンズ3の制御電流のパターンを修正した結果、上記基準値に対し発光幅Wx,Wy及びアスペクト比Wy/Wxが全て許容範囲内となることがわかる。これにより、制御パターンが適切な制御パターンに修正されたと判定することができる。 FIG. 11 is a diagram illustrating an example of a fluorescence image obtained after correcting the control pattern. FIG. 12 shows the result of calculating the average values of the emission widths W x and W y and the aspect ratio W y / W x for 25 examples of fluorescent images taken by performing electron beam irradiation under the same conditions including the fluorescent image shown in FIG. FIG. As shown in FIG. 12, as a result of correcting the control current pattern of the electromagnetic lens 3 by changing the control current of the electromagnetic lens 3 so that the focal position of the electron beam is positioned on the irradiated surface S, the reference value On the other hand, it can be seen that the emission widths W x and W y and the aspect ratio W y / W x are all within the allowable range. Thereby, it can be determined that the control pattern has been corrected to an appropriate control pattern.
なお、本実施形態によれば、単純な電子ビームの焦点ずれのみならず、電子ビームの形状が楕円形状に歪んでいる(すなわち、非点収差が生じている)状態も評価することができる。図13は、スティグメータを備える電子ビーム照射装置の構成を示す模式図である。 Note that according to the present embodiment, not only a simple defocusing of the electron beam but also a state where the shape of the electron beam is distorted into an elliptical shape (that is, astigmatism occurs) can be evaluated. FIG. 13 is a schematic diagram illustrating a configuration of an electron beam irradiation apparatus including a stigmator.
図13に示すように、スティグメータ9は、電磁レンズ3や偏向コイル4と同じくビーム制御装置5によって電流制御され、内部に生じた磁場によって電子ビームの形状を修正する。図13に示すような電子ビーム照射装置の構成によれば、ステップS5の処理においてスティグメータ9の制御電流のパターンも修正することにより、電子ビームの焦点位置の調整と共に電子ビームの形状を円形状又は所望のアスペクト比の楕円形状に調整することができる。
As shown in FIG. 13, the stigmeter 9 is current-controlled by the
なお、通常、撮像装置6の撮影角度は、電子ビームとの干渉を避けるために電子ビームの光軸に対し斜めになっている。このため、蛍光画像又は燐光画像は歪み、撮影画像上の長さと被照射面S上の実際の長さとの対応は場所によって変化する。従って、上記第1及び第2の実施形態において発光幅に対する基準値を画素単位で設定する場合、撮像装置6のキャリブレーションを行って撮影画像上の長さと被照射面S上の長さとの対応が画像上の場所によって変化しないように、画像上の場所によって基準値を異なる値にすると良い。又は、画素単位ではなく被照射面S上の実際の長さに変換して発光幅を測定し、実際の長さで設定した基準値を用いても良い。
Normally, the imaging angle of the
また、前述のように、表層又は透明被膜直下にフォルステライト被膜を有する鋼板の鉄損改良処理のような、電子ビーム照射による処理対象物自体が蛍光や燐光を呈する場合、電子ビームの焦点ずれが検出された段階で表示や音声によって警告を発し、また焦点ずれ評価結果を記録することにより電子ビーム照射装置を加工状態監視装置として利用できる。さらに、焦点ずれ評価結果をビーム制御装置5へフィードバックして制御パターンを加工中に自動的に変更して電子ビームの焦点ずれを抑制することにより、電子ビーム照射装置を加工状態制御装置としても利用できる。
In addition, as described above, when an object to be processed by electron beam irradiation itself exhibits fluorescence or phosphorescence, such as iron loss improvement processing of a steel sheet having a forsterite film directly under the surface layer or transparent film, the defocus of the electron beam is caused. At the detected stage, a warning is given by display or voice, and the defocus evaluation result is recorded, so that the electron beam irradiation device can be used as a processing state monitoring device. Furthermore, the electron beam irradiation device can also be used as a processing state control device by feeding back the defocus evaluation result to the
以上の説明から明らかなように、本発明の第1及び第2の実施形態である電子ビーム照射装置1では、画像処理装置7が、撮像装置6によって撮影された蛍光画像から電子ビームの各走査位置における蛍光の発光輝度分布を抽出し、抽出された蛍光の発光輝度分布に基づいて電子ビームの焦点位置のずれを評価し、ビーム制御装置5が、電子ビームの焦点位置のずれの評価結果に基づいて電磁レンズ3の制御電流のパターンを修正するので、電子ビームの焦点ずれを効率良く評価、制御することによって走査領域全体で均一な強度で電子ビームを照射することができる。
As is clear from the above description, in the electron
以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例、及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。 The embodiment to which the invention made by the present inventors is applied has been described above, but the present invention is not limited by the description and the drawings that constitute a part of the disclosure of the present invention. That is, other embodiments, examples, operational techniques, and the like made by those skilled in the art based on this embodiment are all included in the scope of the present invention.
1 電子ビーム照射装置
2 電子銃
2a フィラメント
2b グリッド
2c 陽極
3 電磁レンズ(集束コイル)
4 偏向コイル
5 ビーム制御装置
6 撮像装置
7 画像処理装置
8 表示装置
S 被照射面
DESCRIPTION OF
4
Claims (8)
前記電子ビームの焦点位置を調整する集束手段と、
前記電子ビームを偏向することによって該電子ビームを走査する偏向手段と、
前記偏向手段によって偏向された前記電子ビームの偏向角又は走査位置に応じて予め設定された前記集束手段の制御パターンに従って電子ビームの焦点位置を制御する動的焦点制御手段と、
前記電子ビームを前記被照射面上で走査させた時に発生する蛍光又は燐光の画像を前記電子ビームの走査に同期して、且つ、走査中に露光させることにより、走査範囲全体を一度に撮影する撮像手段と、
前記撮像手段によって撮影された蛍光又は燐光の画像から前記電子ビームの各走査位置における蛍光又は燐光の発光輝度分布を抽出する発光輝度分布抽出手段と、
前記発光輝度分布抽出手段によって抽出された蛍光又は燐光の発光輝度分布に基づいて前記電子ビームの焦点位置のずれを評価する焦点ずれ評価手段と、を備え、
前記動的焦点制御手段は、前記焦点ずれ評価手段の評価結果に基づいて前記制御パターンを修正することを特徴とする電子ビーム照射装置。 An electron beam irradiation apparatus that irradiates an irradiated surface while scanning a focused electron beam,
Focusing means for adjusting the focal position of the electron beam;
Deflecting means for scanning the electron beam by deflecting the electron beam;
Dynamic focus control means for controlling the focus position of the electron beam in accordance with a control pattern of the focusing means set in advance according to the deflection angle or scanning position of the electron beam deflected by the deflection means;
The entire scanning range is photographed at a time by exposing a fluorescent or phosphorescent image generated when the electron beam is scanned on the irradiated surface in synchronization with the scanning of the electron beam and during the scanning. Imaging means;
A light emission luminance distribution extracting means for extracting a light emission luminance distribution of the fluorescence or phosphorescence at each scanning position of the electron beam from a fluorescent or phosphorescent image photographed by the imaging means;
A defocus evaluation unit that evaluates a shift of the focal position of the electron beam based on the emission luminance distribution of the fluorescence or phosphorescence extracted by the emission luminance distribution extraction unit, and
The dynamic focus control unit corrects the control pattern based on the evaluation result of the defocus evaluation unit.
集束手段を利用して前記電子ビームの焦点位置を調整する集束ステップと、
偏向手段を利用して前記電子ビームを偏向することによって該電子ビームを走査する偏向ステップと、
前記偏向ステップにおいて偏向された前記電子ビームの偏向角又は走査位置に応じて予め設定された前記集束手段の制御パターンに従って電子ビームの焦点位置を制御する動的焦点制御ステップと、
前記電子ビームを前記被照射面上で走査させた時に発生する蛍光又は燐光の画像を前記電子ビームの走査に同期して、且つ、走査中に露光させることにより、走査範囲全体を一度に撮影する撮影ステップと、
前記撮影ステップにおいて撮影された蛍光又は燐光の画像から前記電子ビームの各走査位置における蛍光又は燐光の発光輝度分布を抽出する発光輝度分布抽出ステップと、
前記発光輝度分布抽出ステップにおいて抽出された蛍光又は燐光の発光輝度分布に基づいて前記電子ビームの焦点位置のずれを評価する焦点ずれ評価ステップと、を含み、
前記動的焦点制御ステップは、前記焦点ずれ評価ステップにおける評価結果に基づいて前記制御パターンを修正するステップを含むことを特徴とする電子ビーム照射方法。 An electron beam irradiation method for irradiating an irradiated surface while scanning a focused electron beam,
A focusing step of adjusting the focal position of the electron beam using a focusing means;
A deflection step of scanning the electron beam by deflecting the electron beam using deflection means;
A dynamic focus control step for controlling a focus position of the electron beam according to a control pattern of the focusing means set in advance according to a deflection angle or a scanning position of the electron beam deflected in the deflection step;
The entire scanning range is photographed at a time by exposing a fluorescent or phosphorescent image generated when the electron beam is scanned on the irradiated surface in synchronization with the scanning of the electron beam and during the scanning. Shooting steps;
A light emission luminance distribution extracting step of extracting a light emission luminance distribution of the fluorescence or phosphorescence at each scanning position of the electron beam from the fluorescent or phosphorescent image photographed in the photographing step;
A defocus evaluation step for evaluating a shift of the focal position of the electron beam based on the emission luminance distribution of the fluorescence or phosphorescence extracted in the emission luminance distribution extraction step, and
The dynamic focus control step includes a step of correcting the control pattern based on an evaluation result in the defocus evaluation step.
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