JPH03238182A - 高エネルギービームと位置合わせ方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、金属板や樹脂板、複合材料板、セラミック
板などを被加工物とした高エネルギービーム穴あけ加工
機等の、加工位置の高精度化に関するものである。

［従来の技術］ 第６図は従来の電子ビーム穴あけ加工機について示した
模式図である。図において、（１）は電子ビーム、（４
）は陰極、（５）は陽極、（６）は制御電極、（７）は
集束レンズ、（８）は偏向レンズ、（９）は加工穴、（
１０）は被加工物、（１１）は電源、（１２）は制御コ
ンピュータを示す。

次に動作について説明する。陰極（４）、陽極（５）、
制御電極（６）よりなる電子銃より発生し九電子ビーム
（１）は、集束レンズ（７）によって被加工物（１０）
上に焦点を結ぶように集束される。偏向レンズ（８）は
電子ビーム（１）を被加工物（１０）上の任意の位置に
偏向させる。

電子ビーム（１）は通常１０６〜１０８Ｗ／Ｃｍ２の高
いパワー密度に収束されるので、電子ビーム（ｌ）の照
射された部分の被加工物は瞬時に溶融・蒸発し、穴あけ
加工が行われる。

ところで半導体を中心とした荷電粒子ビーム露光の分野
で、基板上に設置したマーク上で電子ビームを走査し、
その反射電子信号からビームを被加工物上の所望の位置
に位置合わせする特許が数多く公開されている。かかる
特許のうちの一つ例えば特公昭６３−１６９００号公報
に示された従来の電子ビームの位置検出方法を第４図を
参照して説明する。図において、（１）は電子ビーム、
（２）は位置検出マーカ、（３）は反射電子である。マ
ーカ（２）と、所望のビーム照射位置との相対位置関係
は明確になっている。第４図（ａ）に示す如く、電子ビ
ーム露光する基板上（被加工物）に設けられた位置検出
マーカ（２）上で電子ビーム（１）を走査して反射電子
（３）を検出し、第４図（ｂ）に示すような反射電子信
号（ビーム偏向距離℃に対する反射電子出力ｅ）を得る
。

その信号波形から、電子ビームと、基板上の所望の照射
位置との相対位置を算出し、その値を基に電子ビームの
偏向信号を補正し、電子ビームを所望の位置に合わせる
。

この特許の他にも、例えば第５図に示されるように、反
射電子係数の異なる材料（Ｍ＋）　、　　（Ｍ２）を用
いて構成した位置合わせ用のマーカに関するものが提案
されている（特開昭６３−５３９２４号公報参照）。

冒頭で述べた従来の電子ビーム穴あけ加工機に半導体の
荷電粒子ビーム露光技術分野の電子ビーム位置検出方法
を組み合わせると、高精度に位置合せが可能な電子ビー
ム穴あけ加工機が構成できることが推測できよう。この
ことに関して電子ビーム穴あけ加工機ではないが従来の
電子ビーム溶接機を第７図に示す。この電子ビーム溶接
機は特開昭６１−２８３４７１号公報において公開され
たものである。電子ビーム溶接においては、電子ビーム
の照射位置を、溶接線上に正確に合わせる必要がある。

そこで第７図に示すように、電子ビーム（１）を溶接線
（１３）を横切るように走査し、その反射電子（３）を
反射電子コレクタ（１４）で検出する。この反射電子信
号をコンピュータ（１２）で処理し、溶接線を検出し、
偏向レンズ（８）によって正確に電子ビーム（１）を溶
接線（１３）になられせる。

なおこの公報では、電子ビームを溶接線検出用とするた
めにビーム出力を低下させることによって、溶接線検出
用ビームの走査による被加工物（１０）の損傷を回避し
ている。

この公報の位置決め方法は、電子ビーム穴あけ機に応用
することができる。すなわち、電子ビームの出力を低下
させて、位置検出用マーカの位置を検出した後に、ビー
ム出力を増大させて穴あけ加工するのである。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、前述の従来の溶接用電子ビームの位置合
わせ方法を実際の産業用高エネルギービーム穴あけ加工
機、例えば、電子ビーム穴あけ加工機に適用することを
検討した場合、 １０位置合わせ用マーカが損傷されて高精度な位置合せ
が困難である ａ、マーカの損傷を回避するためにビーム出力を低減し
てマーカの位置を検出すると、高出力時と低出力時のビ
ーム位置が異なるために位置合せに誤差を生じる などの問題点があった。

その理由を詳しく説明する。

電子ビーム穴あけ機の場合、電子ビームは通常ｌＯ″〜
１０８Ｗ／ｃｍ２の高いパワー密度（電子ビーム溶接よ
り１０〜１００倍以上高い）に収束されていて、電子ビ
ーム（１）で照射された部分の試料が瞬時に溶融・蒸発
する。従って位置検出用マーカの位置を検出するために
穴あけ加工用ビームなマーカ上で走査すると、マーカが
損傷をうけてしまう。マーカの熱的な損傷を防止するに
は、例えば、第８図（ａ）に示すように、放熱しにくい
角の部分の曲率な大きくすることが考えられる（実際に
マーカを試作してビームを走査してみると、角の部分が
最も損傷を受けやすい）。ところが、この角の曲率な大
きくすると、第８図（ｂ）に示すようにビーム偏向距離
（ｆ２）に対する反射電子信号波形（反射電子出力ｅ）
の変化が緩やかになり、マーカの位置検出精度が悪くな
るという問題点がある。

この他に、マーカを水冷構造にする方法が考えられる。

水冷構造にすることにより若干の改善がみられるが、穴
あけ加工用のビームは高パワー密度に集束されており、
大幅な効果は得られない。

従って、穴あけ用のビーム位置を精度よく検出できる位
置検出マーカを開発することが困難であることがわかる
。

上記のことからマーカの損傷を回避するためには、マー
カに照射するビームのパワー密度を低減しなければなら
ない。そのためには、 （１）集束レンズ強度を変化させてビームをデフォーカ
スする（ぼかす） （２）グリッド電圧を変化させビーム電流を低減する （３）ビームブランカを用いてビームをチョッピングし
て実効的なパワー密度を低減する などの方法が考えられる。これらの各方法について以下
検討していく。

デフォーカスするとビーム径が大きくなり、位置検出の
精度が低下する。また、電子光学系の軸対称性が不完全
な場合、集束レンズ強度を変化させるとビーム中心の位
置が移動する可能性があるビーム電流を制御する場合、
電子銃の制御電極電圧を変化させて制御する方法が簡便
かつ一般的である。しかし実際には、電子銃の機械的な
組立誤差などから電子銃近傍の電磁界が完全な軸対称で
ないために、第９図（ｂ）のように制御電極電圧を変化
させるとビームの中心軌道が変化してしまう（理論的に
は、第９図（ａ）のように電子銃が完全な軸対称形に構
成されているので、制御電極電圧を変化させても中心軌
道は対称軸上で変化しないはずであるが）。この変化量
は電子銃の組立精度や電圧の変化量に依存する。そこで
実験的にその変化量を調べるために、加速電圧６０ｋＶ
、熱電子放出型の３極電子銃を試作し、制御電極電圧を
一２００Ｖから一１０００Ｖに変化させてビーム電流を
５０ｍＡから０．５ｍＡに低減したところ、電子銃から
約１ｍ離れた平面で約３０ｇｍのビーム中心軸位置変化
が認められた。これは実験結果の一例であるが、このよ
うに制御電極電圧を変化させたときにビーム軌道が変化
しないという保証はない。

ビームブランカを用いる方法は、装置が複雑かつ高価に
なる。ビームを走査したときの反射電子信号が断続的な
波形になり信号処理が複雑になる。ブランカ印加電圧の
ばらつき等に起因したビームブランカによるビーム位置
のずれ等の位置誤差要因が増える等の問題点がある。

以上これらの従来例もしくはその単純な組み合わせでは
、それらがいずれも、位置合せ用マーカの位置のみを基
準として位置合せすることが特徴であるため、穴あけ加
工用のように高いパワー密度に集束されたエネルギービ
ームの高精度な位置合せが困難であることがわかる。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、穴あけ加工用のような高いパワー密度に集束
されたエネルギービームを高精度で位置合せできる、高
エネルギービーム位置合せ方法を得ることを目的として
いる。

［課題を解決するための手段］ この発明にかかる高エネルギービーム位置合せ方法は、
最初に加工用の高エネルギービームを用いて被加工物も
しくはそれに替わるものに実際に穴あけ加工し、次にそ
の加工穴の位置をエネルギー密度の低い位置検出用ビー
ムを用いて検出して加工用ビームと位置検出用ビームの
相対位置を検出する。そして、所望の穴あけ位置に対す
る位置が明らかであるように設定したビーム位置検出マ
ーカの位置を位置検出用ビームを用いて検出して、加工
用ビームとビーム位置検出マーカの位置を計算し、それ
によって所望の加工穴位置に対する加工用ビームの相対
位置を計算する。そしてその相対位置によって、加工用
ビームを位置あわせするようにしたものである。

［作用］ この発明における高エネルギービーム位置合せ方法は、
加工穴を一種のマーカとして用いることにより加工用ビ
ームと位置検出用ビームの相対位置を検出し、次に、マ
ーカに損傷を与えない位置検出用ビームを用いてビーム
位置検出マーカの位置を検出し、それによって加工用ビ
ームとマーカの位置を計算する。そして、所望の加工穴
位置に対する加工用ビームの相対位置を計算し、それに
よって加工用ビームを位置あわせする。

かくして、加工用ビームと位置検出ビームの位置ずれに
よる誤差を検出・補正し、マーカを損傷することなくマ
ーカの位置すなわち所望の穴加工位置を検出できる。

［実施例］ 以下、この発明の一実施例を第１図乃至第３図について
説明する。

第１図において、（１）は電子ビーム、（２）はマーカ
、（３）は反射電子、（４）は陰極、（５）は陽極、（
６）は制御電極、（７）は集束レンズ：　（８）は偏向
レンズ、（９）は加工穴、（１０）は被加工物、（１１
）は電源、（１２）はコンピュータ、（１４）は反射電
子コレクタを示す。

次に動作について説明する。陰極（４）、陽極（５）、
制御電極（６）によって構成される電子銃より発生した
電子ビーム（１）は、集束レンズ（７）によって被加工
物（１０）上に焦点を結ぶように収束される。偏向レン
ズ（８）は、電子ビーム（１）を偏向する。電子ビーム
（１）は通常１０６〜１０８Ｗ／ａｍ”の高いパワー密
度に収束される。

最初に加工用の電子ビーム（１）を被加工物（１０）も
しくはそれに替わるものに照射し、加工穴（９）を形成
する（第２図（１）参照）。

その加工穴（９）の位置をエネルギー密度を低めた位置
検出用ビーム（１′）を用いて検出して加工用ビーム（
１）と位置検出用ビーム（１′）の相対位置を検出する
（第２図（１１）参照）。具体的には、第１図に示す偏
向レンズ（８）を用いて電子ビーム（１′）を加工穴（
９）付近で走査し、その際発生する反射電子（３）を反
射電子コ１ル フタ（１４）によって捕獲し、その信号波形から検出す
る。なお信号波形から検出する方法の一例を第３図に示
す。電子ビームを第３図（１）に示すように走査して、
第３図（１１）に示す如く時間ｔに対する反射電子出力
ｅのグラフを得る。すると加工穴の直上を走査した場合
（第３図（１）および（１１）ではＣの場合）、最も大
きい振幅が得られるので、これにより、加工穴位置のＹ
座標が得られる。また、振幅が極小値を示す時間ｔ○を
求め、偏向レンズ電流波形からＸ方向の偏向距離を求め
ることにより、Ｘ座標を決定する。

第２図（ｉｉｉ）に示すように、所望の穴あけ位置との
相対位置が明確であるように設定したビーム位置検出マ
ーカ（２）の位置を位置検出用ビーム（１′）を用いて
検出する。それによって加工用ビーム（１）とビーム位
置検出マーカ（２）の位置を計算し、それによって所望
の加工穴位置に対する加工用ビーム（１）の相対位置を
計算し、その相対位置によって位置あわせする。

上記実施例では、スティグマトール、アパーチ２ ャ等の電子ビーム整形用の電子光学系機器が付加されて
いないが、付加されていても、上記実施例と同様の効果
を奏する。

上記実施例では１段偏向の例を示したが、ビーム偏向は
２段以上であってもよく、上記実施例と同様の効果を奏
する。

また、上記実施例では電子ビーム穴あけ加工の例を示し
たが、これは他の高エネルギービーム加工であってもよ
く、上記実施例と同様の効果を奏する。

また上記実施例では、加工穴の位置を検出する方法とし
て反射電子を観測する例を示した。しかしこれは他の方
法、例えば、被加工板に貫通加工穴を形成し、貫通穴周
辺で位置検出用ビームを走査して穴を通過したビームを
ファラデーカップで観測するといった方法であってもよ
く、上記実施例と同様の効果を奏する。

上記実施例では、位置検出用ビーム（１′）でマーカの
位置を検出する前に毎回、加工用ビーム（１）と位置検
出用ビーム（１′）の位置ずれを検出する方法を示した
。しかしこのずれの検出は必ずしも毎回行う必要はない
。例えば、ある一定周期で加工用ビーム（１）と位置検
出ビーム（１’）のずれを検出し、その周期の間、その
データを保存してずれの近似値として利用する方法が考
えられる。周期の長さは、要求される精度によって決定
する。この方法は、上記実施例と同様の効果を奏し、さ
らに、毎回ずれを検出する必要がないため、位置合せに
要する時間を短縮できる長所を有する。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、最初に加工用の高エ
ネルギービーム（１）を用いて被加工物もしくはそれに
替わるものに穴あけ加工し、次にその加工穴の位置をエ
ネルギー密度の低い位置検出用ビーム（１′）を用いて
検出して加工用ビーム（１）と位置検出用ビーム（１′
）の相対位置を検出し、所望の穴あけ位置との相対位置
が明確であるように設定したビーム位置検出マーカ（２
）の位置を位置検出用ビーム（１′）を用いて検出し、
それによって加工用ビーム（１）とビーム位置検出マー
カ（２）の位置を計算し、それによって所望の加工穴位
置に対する加工用ビーム（１）の相対位置を計算し、そ
の相対位置によって位置あわせするように構成したので
、高エネルギービームな正確に位置合せ出来る効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による電子ビーム穴あけ加
工機を示す模式図、第２図は本発明の詳細な説明用の模
式図、第３図は本発明の反射電子出力を説明するための
模式図、第４図および第５図は従来の電子ビーム位置検
出方法を示す模式図、第６図は従来の電子ビーム穴あけ
加工機を示す模式図、第７図は従来の電子ビーム溶接機
の模式図、第８図は従来の位置検出マーカを示す模式図
、第９図は３極電子銃のビーム軌道を示す模式図におい
て、（１）は電子ビーム、（２）マーカ、（３）は反射
電子、（４）は陰極、（５）は陽極、（６）は制御電極
、（７）は集束レンズ、　５ （８）は偏向レンズ、（９）は加工穴、（１０）は被加
工物、（１１）は電源、（１２）はコンピュータ、（１
４）は反射電子コレクタを示す。 なお、図中同一符号は同一または相当部分を示す。 　６

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、高エネルギービームを用いて被加工物を加工するに
   際して、最初にエネルギー密度の高い加工用ビームを用
   いて被加工物もしくはそれに替わるものに穴あけ加工し
   、次にその加工穴の位置をエネルギー密度の低い位置検
   出用ビームを用いて検出して加工用ビームと位置検出用
   ビームの相対位置を検出し、所望の穴あけ位置との相対
   位置関係が明確であるビーム位置検出マーカの位置を位
   置検出用ビームを用いて検出し、それによって加工用ビ
   ームとビーム位置検出マーカの相対位置を計算し、それ
   によって所望の加工位置に対する加工用ビームの相対位
   置を計算し、その結果を用いて、加工用ビームを所望の
   位置にあわせることを特徴とする高エネルギー位置合わ
   せ方法。