JP6719509B2 - 電子ビーム加工機 - Google Patents
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Description
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1における電子ビーム加工機の概略構成を示す構成図、図2はこの発明の実施の形態1における電子ビーム加工機の電子ビームの動作を説明する説明図、図3はこの発明の実施の形態1における電子ビーム加工機の偏向電源と偏向器とで構成された偏向系の電気回路構成を示す回路図、図4はこの発明の実施の形態1における電子ビーム加工機の偏向系の電気回路における電圧と電流を説明する説明図、図5はこの発明の実施の形態1における電子ビーム加工機の偏向系の電気回路構成に浮遊容量のあることを説明する説明図、図6はこの発明の実施の形態1における電子ビーム加工機の偏向系の周波数に対する電気特性を説明する説明図、図7aはこの発明の実施の形態1における電子ビーム加工機の偏向器を示す平面方向から見た説明図、図7bはこの発明の実施の形態1における電子ビーム加工機の偏向器を示す偏向器の中心方向から見た説明図、図8はこの発明の実施の形態1における電子ビーム加工機の偏向系の静的緒データを従来のものと比較して説明する説明図、図9はこの発明の実施の形態1における電子ビーム加工機の偏向系の動的緒データを従来のものと比較して説明する説明図、図10はこの発明の実施の形態1における電子ビーム加工機の信号発生器から偏向器までの電気回路構成を説明する説明図、図11はこの発明の実施の形態1における電子ビーム加工機の走査指令に対する電子ビームの応答を説明する説明図、図12はこの発明の実施の形態1における電子ビーム加工機の走査指令に対する電子ビームの応答を説明する説明図、図13はこの発明の実施の形態1における電子ビーム加工機の走査指令に対する電子ビームの応答を説明する説明図である。
図8および図9に本発明の偏向系と従来の偏向系との違いをまとめて示す。本発明では偏向器4の巻線の巻数を減らすとともに偏向器4に偏向電源7を直結させる構成とすることで偏向系の周波数応答を高めた。偏向系の偏向電源7の最大出力電圧は24Vであり、インダクタンスの小さい本発明の偏向器4はより早い走査速度を得ることができる。ただし、従来の偏向系と同じ偏向量を得るためには大きな偏向電流が必要であり、偏向電源7の電源容量が大きくなるとともに発熱量も大きくなる。出力電流の増加は偏向電源7の出力部に使用されているパワー素子の大容量化や並列化で容易に偏向電流を増加させて対応できる。
また、上記説明では偏向器4のコアに8極の磁極が有る場合について説明したが、磁極数は4極や16極または24極など他の極数であってもよく、同様の効果を得ることができる。
さらに、上記説明ではX軸用とY軸用の2軸構成の偏向系を示したが、ワーク9の加工に必要な電子ビームの照射パターンや、電子ビーム加工機の構成によっては1軸構成の偏向系であってもよく、例えばワーク9を搭載したステージの移動でY軸を制御し、直交するX軸を偏向器4による偏向で走査するようにしてもよい。
また、上記説明では特に説明していないが、偏向収差を補正するためのスティグメータやダイナミックフォーカス等のレンズ、およびこれらの信号発生器や電源を設けてもよい。さらに、上記説明では電子ビーム加工機がワーク9の熱処理に使用されるものについて説明したが、電磁偏向を用いてビーム照射位置をステップ移動で走査する荷電粒子ビーム装置や電子ビーム露光装置等の電子ビーム加工機であっても同等の効果を得ることができる。
図14はこの発明の実施の形態2における電子ビーム加工機の概略構成を示す構成図、図15はこの発明の実施の形態2における電子ビーム加工機の偏向系の静的緒データを説明する説明図、図16はこの発明の実施の形態2における電子ビーム加工機の走査指令に対する電子ビームの応答を説明する説明図、図17はこの発明の実施の形態2における電子ビーム加工機の走査指令に対する電子ビームの応答を説明する説明図である。上記実施の形態1では偏向電源7と偏向器4との間の配線8の長さを0.1mにした場合について説明したが、実施の形態2では配線8の長さを1mにした場合について説明する。電子銃1や集束レンズ3および偏向器4が収納された真空容器の周囲には図示していない真空ポンプ等の真空関連部品や望遠鏡などが配置されており、従来配線8の長さは3m程度であったが、真空ポンプ等の真空関連部品や望遠鏡などの配置を工夫して、偏向電源7を偏向器4に近づけて配置することにより、配線8の長さを1m以下にすることができる。図15にこの場合の諸データを纏めて記入しているが、偏向器4については上記実施の形態1と同じものであり、実施の形態2では配線8の容量が100pFで共振周波数frが300kHzであり、偏向系の遮断周波数fcは250kHzに調整した。
上記実施の形態1では偏向器4の巻線の巻数が140Tの場合について説明したが、実施の形態3では巻数を200Tにした場合について説明する。巻数が200Tではインダクタンスが3.5mH、浮遊容量が80pF、共振周波数は300kHzであった。実施の形態1と同様に偏向電源7を偏向器4に直結することで配線8の影響を軽減すれば、偏向電源7の調整により偏向系の遮断周波数fcを250kHzにできる。従って、この場合にも実施の形態2での説明と同様に、電子ビームのステップ送り指令値への制定時間が50%以上になり、熱処理等への適用が十分可能となる。このため、偏向器4の巻線の巻数は200T以下が望ましい。
図18aはこの発明の実施の形態4における電子ビーム加工機の偏向器を示す平面方向から見た説明図、図18bはこの発明の実施の形態4における電子ビーム加工機の偏向器を示す偏向器の中心方向から見た説明図、図19はこの発明の実施の形態4における電子ビーム加工機の走査指令に対する電子ビームの応答を説明する説明図である。上記実施の形態1では偏向器4はX軸用とY軸用の2軸で磁極が8極の場合について説明したが、実施の形態4では偏向器4が1軸で2極の場合である。図18aおよび図18bにおいて、磁極間のギャップを20mm、磁極幅は40mm、磁極の長さを40mmとし、磁極の巻線を巻く部分の幅は20mm、高さ30mmである。このような磁極構成とすることで、偏向量を変えずに巻線の巻数を大幅に少なくできるため、より応答性のよい偏向系を得ることができる。具体的には、偏向器4の巻線の巻数を20Tとして、実施の形態1と同じ偏向電流3.3Aで同等の偏向量150mmを得ることができた。この場合の偏向器4のインダクタンスは0.5mH、浮遊容量は30pFであり、偏向系の共振周波数frは1MHz、遮断周波数fcは650kHzであった。このときのステップ送り指令に対する電子ビームの応答を図19に示す。偏向条件は走査速度100m/sでステップ送りピッチ0.25mmであり、走査周波数400kHzである。図19に示すようにステップ送り指令値に対してより早く追従している。
図20はこの発明の実施の形態5における電子ビーム加工機の概略構成を示す構成図、図21はこの発明の実施の形態5における電子ビーム加工機の電子ビームの動作を説明する説明図、図22はこの発明の実施の形態5における電子ビーム加工機の走査指令に対する電子ビームの応答を説明する説明図、図23はこの発明の実施の形態5における電子ビーム加工機の電子ビームの照射位置誤差を説明する説明図、図24はこの発明の実施の形態5における従来の電子ビーム加工機の電子ビームの照射位置誤差を説明する説明図である。上記実施の形態1では電子ビームをステップ送りで走査する場合について説明したが、実施の形態5では電子ビームを連続で走査する場合について説明する。図20において信号発生器5が連続の指令信号を出力する以外は、本発明の電子ビーム加工機および従来の電子ビーム加工機は実施の形態1で説明したものと同一である。信号発生器5からの連続の指令信号を受けて偏向電源7が連続の偏向電流を出力することにより、電子ビーム2は偏向器4によって偏向されて、図21に示すようにワーク9上で連続的に走査される。一般に図22に示すように、連続走査の場合は連続走査指令に対して電子ビーム2のワーク9への照射位置が偏向系の応答特性に応じて遅れるため、遅れ誤差量が発生する。
図25はこの発明の実施の形態6における電子ビーム加工機の概略構成を示す構成図、図26はこの発明の実施の形態6における電子ビーム加工機の電子ビームの動作を説明する説明図、図27aはこの発明の実施の形態6における電子ビーム加工機の偏向器にX軸偏向巻線を施した場合を示す平面方向から見た説明図、図27bはこの発明の実施の形態6における電子ビーム加工機の偏向器にY軸偏向巻線を施した場合を示す平面方向から見た説明図、図28はこの発明の実施の形態6における電子ビーム加工機の主偏向電源から主偏向器までの電気回路構成を説明する説明図、図29はこの発明の実施の形態6における電子ビーム加工機の副偏向系の電気回路構成を説明する説明図、図30はこの発明の実施の形態6における電子ビーム加工機の副偏向系の補正信号発生器を説明する説明図、図31はこの発明の実施の形態6における電子ビーム加工機の走査指令に対する主偏向系による電子ビームの応答を説明する説明図、図32はこの発明の実施の形態6における電子ビーム加工機の走査指令に対する電子ビームの応答を説明する説明図、図33はこの発明の実施の形態6における電子ビーム加工機の副偏向系による補正信号に対する電子ビームの応答を説明する説明図、図34はこの発明の実施の形態6における電子ビーム加工機の副偏向系による補正信号に対する電子ビームの応答を説明する説明図、図35はこの発明の実施の形態6における電子ビーム加工機の走査指令に対する電子ビームの応答を説明する説明図、図36はこの発明の実施の形態6における電子ビーム加工機の主偏向系と副偏向系の諸特性を従来のものと比較して説明する説明図である。
Istep:ステップ送りの単位長さに相当する偏向電流
fc:遮断周波数(応答性を表す)
t:時間
exp(−t/(2πfc)):eの(−t/(2πfc))乗を表す
また、実施の形態6では主偏向器4aおよび副偏向器4bのコア30にフェライトを使用した例を示したが、コア30に0.1mm厚さの積層鉄心を使用した場合、コア内部に誘導される渦電流などによるロスのため100kHz程度があり、偏向電流に対して偏向磁場の減衰が発生することがある。
また、ビーム通路と偏向器の間に偏向器保護のため金属筒(ステンレス筒)を挿入することがある。この場合も筒に渦電流が誘導され偏向電流に対して偏向磁場が減衰する。このように偏向磁場の減衰は予め決まった周波数特性により減衰することが磁場計算や実測により把握できる。その周波数特性を模擬して模擬信号としてもよい。
図32および図33はステップ送りの1ステップ分の信号波形のみを拡大して示したものであり、図32では偏向信号51と主偏向器によるビーム位置の応答信号波形52および副偏向器4bで補正後のビーム位置の応答信号波形55である。図33に偏向信号51と主偏向器4aによるビーム位置の応答信号波形52との差であるビーム位置の誤差波形53と、その誤差波形53をもとにした副偏向器4bによる応答波形であるビーム誤差補正量54を示している。
また、上記説明ではX軸用とY軸用の2軸構成の偏向系を示したが、ワーク9の加工に必要な電子ビームの照射パターンや、電子ビーム加工機の構成によっては1軸構成の偏向系であってもよく、例えばワーク9を搭載したステージの移動でY軸を制御し、直交するX軸を主偏向器4aおよび副偏向器4bによる偏向で走査するようにしてもよい。
また、ステップ送り量0.25mm、走査周波数400kHzの例を示したが、この値に制約されるものではなく、他のステップ送り量や走査周波数でも同等の効果を得ることができる。
上記実施の形態6では副偏向電源7bを定電圧フィードバック制御した電圧制御方式の場合について説明したが、実施の形態7では定電流フィードバック制御する電流制御方式にした場合について説明する。副偏向電源7bの負荷側の共振周波数は1.3MHzであり、主偏向電源7aと同様に定電流フィードバック制御を施した副偏向電源7bで副偏向器4bを駆動する。副偏向電源7bと配線8および副偏向器4bで構成された副偏向系の周波数帯域はDC〜600kHzが得られた。遮断周波数fcは600kHzである。副偏向器4bを流れた偏向電流を電流検出抵抗で検出し、入力信号に対してフィードバックをかける電流フィードバック制御であり、共振周波数が高いため、より広い周波数帯域を得ることができた。副偏向系を電流フィードバック制御方式としたため、主偏向器4aや副偏向器4bに温度上昇等の外乱があっても、ビーム照射位置の安定した制御が可能である。なお、他の部分については上記実施の形態6と同様であるため説明を省略する。
図37はこの発明の実施の形態8における電子ビーム加工機の主偏向系と副偏向系の概略構成を示す構成図、図38はこの発明の実施の形態8における電子ビーム加工機の主偏向系と副偏向系の電気回路構成を説明する説明図である。上記実施の形態6では補正信号発生器10からの補正信号を副偏向電源7bに入力する場合について説明したが、実施の形態8では偏向信号と主偏向器4aに流れる電流の差を利用して補正信号とする場合について説明する。図37において、信号発生器5から発生した偏向信号をもとに主偏向電源7aは主偏向器4aに偏向電流を流す。主偏向系は実施の形態6で説明したように、周波数帯域がDC〜250kHzであるため、ビーム位置には過渡的な遅れ誤差が発生する。信号発生器5から発生した偏向信号と主偏向器4aに流れる偏向電流のモニタ信号との差により、減算器61でビーム位置誤差量を求める。なお、このとき偏向信号とモニタ信号とのゲインを合わせる必要がある。減算器61で求められたビーム位置誤差量で副偏向電源7bを介して副偏向器4bを駆動する。電子ビーム2は主偏向器4aと副偏向器4bの発生する偏向磁場で偏向される。
このような構成の場合、主偏向系の周波数特性が1次遅れ系または2次遅れ系であっても、ビーム誤差量を算出して補正することができため、主偏向系の調整等を厳密に行う必要がなくなる。特にステップ送り量が大きい場合に簡単な調整で高精度な位置決めが可能になる。
Claims (3)
- 電子銃から発生し集束レンズで集束された電子ビームを電磁偏向する偏向器と、上記電子ビームの偏向量を指令する信号源からの信号を受けて上記偏向器を駆動する偏向電源とを有し、上記電子ビームの被加工物への照射位置を上記偏向器による電磁偏向で走査する電子ビーム加工機であって、上記偏向電源と上記偏向器とで構成された偏向系には主偏向系と副偏向系の2つの偏向系を有し、上記主偏向系は走査の偏向量を指令するステップ送り信号で駆動されているとともに、上記主偏向系の遮断周波数に対して上記副偏向系の遮断周波数が高く、上記副偏向系の副偏向電源は上記主偏向系の応答性誤差信号のみが入力されて駆動され、上記主偏向系の応答性誤差信号は主偏向系の模擬回路に矩形信号を与えて、その出力を上記矩形信号から減算した信号であり、上記主偏向系の主偏向器および上記副偏向系の副偏向器は上記電子ビームを電磁偏向し、上記副偏向系において上記副偏向器を駆動する副偏向電源を電圧の周波数が上記副偏向系の遮断周波数以下である電圧制御方式としたことを特徴とする電子ビーム加工機。
- 上記主偏向系の主偏向器の巻数よりも上記副偏向系の副偏向器の巻数が少ないことを特徴とする請求項1に記載の電子ビーム加工機。
- 上記副偏向系の副偏向器は上記主偏向系の主偏向器よりも上記電子銃に近い側に配置されていることを特徴とする請求項1または2に記載の電子ビーム加工機。
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