電子線照射装置
【課題】直径１００μｍ以下の微小領域において、溶接、融合、焼鈍などの熱処理を行うことができる電子線照射装置を提供する。
【解決手段】タングステンフィラメントからなる電子源１と、ポールピース３を有する集束レンズ２と、対物レンズ６とを備えた電子線照射装置において、ポールピース３の上部ポールピース３１における上部通過孔３１ａ、下部通過孔３３ａの直径を４ｍｍ以上として、電子線の電流値を高める。被照射体に照射される電子線の電流値を、直径１００μｍ以下の照射領域において１ｎＡ以上とすることによって、１００μｍ以下の微小な領域において、溶接、融合、焼鈍などの熱処理を行うことができる。
【解決手段】タングステンフィラメントからなる電子源１と、ポールピース３を有する集束レンズ２と、対物レンズ６とを備えた電子線照射装置において、ポールピース３の上部ポールピース３１における上部通過孔３１ａ、下部通過孔３３ａの直径を４ｍｍ以上として、電子線の電流値を高める。被照射体に照射される電子線の電流値を、直径１００μｍ以下の照射領域において１ｎＡ以上とすることによって、１００μｍ以下の微小な領域において、溶接、融合、焼鈍などの熱処理を行うことができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直径１００μｍ以下の微小領域における熱処理が実現可能な電子線照射装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の電子ビーム溶接装置は、電子ビームの加速によりビームエネルギーを増加させ、また電子ビームの集束によりビームエネルギーを集中させて、エネルギ密度の高い溶接、すなわち、熱影響部が狭く溶融深さが深い溶接を行うことができるという利点がある。しかしながら、この電子ビーム溶接においては、直径１００μｍ以下の微小円形領域における溶接等の熱処理を行うことはできない。
【０００３】
一方、電子線照射装置の一つである走査電子顕微鏡は、電子源から放出させた電子を試料表面に衝突させて、そこから反射してくる反射電子、或いは放出される二次電子を補足して表示装置を通して、直径１００μｍ以下の円形領域のみならず、１μｍ以下の微小円形領域をも観察することができる。しかしながら、従来の走査電子顕微鏡においては電流値が１０ｐＡ（１ｐＡは１０−１２Ａ）程度の低電流であったので、電流値が不足して１００μｍはおろか直径１μｍ以下の微小円形領域においても、溶接、融合、焼鈍などの熱処理を行うことはできなかった。
【特許文献１】特開平０６−３９５６１号公報
【特許文献２】特開２００５−９３１０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上記した従来の問題点に鑑み、直径１００μｍ以下の微小領域において、溶接、融合、焼鈍などの熱処理を行うことができる電子線照射装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の課題を解決するためになされた本発明に係る電子線照射装置は、タングステンフィラメントからなる電子源と、ポールピースを有する集束レンズと、対物レンズとを備えた電子線照射装置において、ポールピースの内径を４ｍｍ以上としたことを特徴とするものである。
【０００６】
なお、上記した発明において、被照射体に照射される電子線の電流値を、直径１００μｍ以下の照射領域において１ｎＡ（１ｎＡは、１０３ｐＡ）以上とするのが望ましい。
【発明の効果】
【０００７】
請求項１に係る発明は、従来は３ｍｍ程度であったポールピースの内径を４ｍｍ以上と大きくしたので、１０ｐＡ程度であった電流値を１００倍以上大きくすることができた。
請求項２に係る発明は、電子線の電流値を直径１００μｍ以下の照射領域において電子線の電流値を１ｎＡ以上としたので、被照射体の微小領域における溶接、融合等の処理を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下に、本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明の電子線照射装置を示す図であって、主要構造は通常の走査電子顕微鏡と大きく変わるところはない。すなわち、１は電子源であって、この電子源１はタングステンフィラメントよりなる。また、２は集束レンズであって、この集束レンズ２は、ポールピース３を備え、その外周にコイル２１が配置されている。ポールピース３は、上部ポールピース３１と、中ポールピース３２と、下部ポールピース３３との３つからなる。ポールピース３の内部には、光軸に沿って電子の通過孔が形成されている。すなわち、上部ポールピース３１には上部通過孔３１aが、中ポールピース３２には中通過孔３２ａが、下部ポールピース３３には下部通過孔３３ａが形成されている。上部通過孔３１aは電子源１の直下であるので、中通過孔３２ａよりも小径に形成されている。従来の電子顕微鏡においては、上部通過孔３１a、下部通過孔３３ａは直径３ｍｍ、中通過孔３２ａは直径８ｍｍに形成されていた。また、上部ポールピース３１には上部アパーチャ４１、下部ポールピース３３には下部アパーチャ４２が備えられていて、通過する電子を絞り込むことができる。
【０００９】
また、５はコイルからなる偏向器、６は対物レンズである。対物レンズ６の直下には対物レンズ６のアパーチャ（対物絞り）７が配置されていて、対物レンズ６を通過した電子を絞り込むことができる。
【００１０】
以上のような電子線照射装置において、電子源１から発生された電子は集束レンズ２により細く絞り込まれて、電子ビームを加速させて、偏向器５の磁界により偏向されたうえ、対物レンズ６により最終的な電子プルーブ径が決定されて、被照射体８に対して電子ビームが照射される。
【００１１】
集束レンズ２として磁界レンズが用いられるが、磁界レンズのレンズ作用を強くすると電子プルーブは細くなり、レンズ作用を弱くすると電子プルーブは太くなる。電子の通過経路には、前記したようなポールピース３と、集束レンズ２のアパーチャ４１、４２と、対物レンズ６のアパーチャ７とが配置されているので、これらのポールピース３と集束レンズ２のアパーチャ４１、４２と対物レンズ６のアパーチャ７とにより電子線の密度の調整が可能である。
【００１２】
発明者らは、鋭意研究した結果、集束レンズ２の上部ポールピース３１の上部通過孔３１a、下部通過孔３３ａの内径を大きくすることによって、電子線密度を増大させて電流値を大きくできることを見いだして、本発明を完成するに至った。また、対物絞り径の増大も有効であることを見いだした。
【００１３】
上部通過孔３１ａ、下部通過孔３３ａの内径を大きくした時の電流値増大の効果を、図２に示す。測定条件は、真空度０．０５Ｐａ、加速電圧３０ｋＶ、ＬＣ７２μＡ、ワーキングディスタンスＷＤ２０ｍｍである。また、電流値の測定はファラデーカップを用いて行った。
【００１４】
図２から明らかなように、対物レンズ６のアパーチャ７の絞り径（対物絞り径）が３０μｍであって、上部通過孔３１ａ、下部通過孔３３ａの内径が３ｍｍである現状においては、０．０１ｎＡ程度という低い電流値であったが、上部通過孔３１ａ、下部通過孔３３ａの内径を５ｍｍとした場合には、１１ｎＡ（１１０００ｐＡ）という電流値増大を達成することができた。また、これらの内径を１０ｍｍとした場合には、４０ｎＡもの電流値増大を達成することができた。
【００１５】
また、対物絞り径を１２０μｍとした場合において、上部通過孔３１ａ、下部通過孔３３ａの内径が３ｍｍである場合には、電流値増大は０．５ｎＡであったが、上部通過孔３１ａ、下部通過孔３３ａの内径を５ｍｍとした場合には、１７０ｎＡという大きな電流値増大を達成することができた。なお、この時空間分解能は、ＺｎＯ粒子で計測して、５０ｎｍから５μｍに低下した。
また、対物絞り径を１２０μｍとした場合において、上部通過孔３１ａ、下部通過孔３３ａの内径を１０ｍｍとした場合には、１００００ｎＡという極めて大きな電流値増大を達成することができた。
【００１６】
しかしながら、対物絞り径が３０μｍであって上部通過孔３１ａの内径を５ｍｍとした場合であっても、対物レンズ６のアパーチャ７を取り外した場合には、電流値の増大は１ｎＡに満たないものであった（図示していない）。したがって、対物レンズ６のアパーチャ７を取り外すことは、電子の絞り込みが不十分となって、電流値の増大に対して却って不利益となることを確認した。また、上部通過孔３１ａの内径を３ｍｍとしたままでアパーチャ７を取り外した場合にも、電流値の増大は１ｎＡに満たないものであった。
【００１７】
また、上部通過孔３１ａの内径を３ｍｍとしたままで、集束レンズ２のアパーチャ４１、４２を取り外した場合にも、上記と同程度の小さい電流値しか得られなかった。したがって、集束レンズ２のアパーチャ４１、４２、対物レンズのアパーチャ７を取り外すことは、電流値増大に対して有効でないことを確認した。
【００１８】
以上のような試験結果に基づき、本発明においては、ポールピース３の上部通過孔３１ａの内径を、４ｍｍ以上に限定する。図２から明らかなように上部通過孔３１ａの内径が４ｍｍで、電子線の照射領域を直径１μｍ以下として、照射電流値を１ｎＡとすることができるからである。一方、１５ｍｍを超えて上部通過孔３１ａの内径を大きくしても、電流値増大の効果は飽和するので、上部通過孔３１ａの内径の上限を１５ｍｍとする。なお、上部通過孔３１ａ、下部通過孔３３ａの径が８ｍｍを超える場合には、それらの径に対応して中通過孔３２ａの径も増大させるのが望ましい。
【００１９】
以上のように、上部ポールピース３１における上部通過孔３１ａ、中通過孔３２ａ、下部通過孔３３ａの内径を４ｍｍ以上とすることによって、直径１００μｍ以下の電子線の照射領域における電流値を１ｎＡ以上として、溶接などの処理を行うことができる。
【００２０】
また、対物絞りの径は、３０〜１０００μｍとする。３０μｍ未満では電子の絞り込みが強すぎて電流密度を上げることができないからであり、一方１０００μｍを超えると電子の絞り込みが不足するからである。なお、対物絞りの径は３０〜５００μｍとするのが望ましい。
【００２１】
電子線の照射領域が直径１００μｍ超では微細な処理を行うことができないので、照射領域を直径１００μｍ以下とする。望ましくは１０μｍ以下とする。なお、下限は０．００１μｍで十分である。すなわち、照射領域を直径０．００１〜１００μｍとすることによって溶接などの十分微細な熱処理を行うことができる。
【００２２】
また、電流値が１ｎＡ未満では加熱が不足して溶接などの熱処理を行うことができない。一方、本発明の目的を達成するためには電流値を１０００００ｎＡを超えて大きくする必要はないので、電流値の上限は１０００００ｎＡとするのが望ましい。
【実施例】
【００２３】
内径１０ｍｍの上部ポールピース３１、下部ポールピース３２を用いて、冷間加工されたＣｕ板に電子線を照射しつつ走査した。その結果、幅０．５μｍ、電流値４０ｎＡの電子線によって線状の模様を描いて部分的な再結晶組織を形成することができた。
【００２４】
以上に説明したように、本発明の電子線照射装置は、直径１００μｍ以下の微小領域において溶接、融合、焼鈍などの熱処理を行うことができるので、ナノテクノロジーの分野における工業的価値大なるものである。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明を実施するための、電子線照射装置の概略構成図である。
【図２】ポールピースの上部通過孔、下部通過孔の内径と対物絞り径を変化させた場合の電流値の増加を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２６】
１ 電子源、２ 集束レンズ、３ ポールピース、５ 偏向器、６ 対物レンズ、７ 対物レンズのアパーチャ、８ 被照射体、３１ 上部ポールピース、３２ 中ポールピース、３３ 下部ポールピース、３１ａ 上部通過孔、３２ａ 中通過孔、３３ａ 下部通過孔、４１ 集束レンズの上部アパーチャ、４２ 集束レンズの下部アパーチャ、
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直径１００μｍ以下の微小領域における熱処理が実現可能な電子線照射装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の電子ビーム溶接装置は、電子ビームの加速によりビームエネルギーを増加させ、また電子ビームの集束によりビームエネルギーを集中させて、エネルギ密度の高い溶接、すなわち、熱影響部が狭く溶融深さが深い溶接を行うことができるという利点がある。しかしながら、この電子ビーム溶接においては、直径１００μｍ以下の微小円形領域における溶接等の熱処理を行うことはできない。
【０００３】
一方、電子線照射装置の一つである走査電子顕微鏡は、電子源から放出させた電子を試料表面に衝突させて、そこから反射してくる反射電子、或いは放出される二次電子を補足して表示装置を通して、直径１００μｍ以下の円形領域のみならず、１μｍ以下の微小円形領域をも観察することができる。しかしながら、従来の走査電子顕微鏡においては電流値が１０ｐＡ（１ｐＡは１０−１２Ａ）程度の低電流であったので、電流値が不足して１００μｍはおろか直径１μｍ以下の微小円形領域においても、溶接、融合、焼鈍などの熱処理を行うことはできなかった。
【特許文献１】特開平０６−３９５６１号公報
【特許文献２】特開２００５−９３１０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上記した従来の問題点に鑑み、直径１００μｍ以下の微小領域において、溶接、融合、焼鈍などの熱処理を行うことができる電子線照射装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の課題を解決するためになされた本発明に係る電子線照射装置は、タングステンフィラメントからなる電子源と、ポールピースを有する集束レンズと、対物レンズとを備えた電子線照射装置において、ポールピースの内径を４ｍｍ以上としたことを特徴とするものである。
【０００６】
なお、上記した発明において、被照射体に照射される電子線の電流値を、直径１００μｍ以下の照射領域において１ｎＡ（１ｎＡは、１０３ｐＡ）以上とするのが望ましい。
【発明の効果】
【０００７】
請求項１に係る発明は、従来は３ｍｍ程度であったポールピースの内径を４ｍｍ以上と大きくしたので、１０ｐＡ程度であった電流値を１００倍以上大きくすることができた。
請求項２に係る発明は、電子線の電流値を直径１００μｍ以下の照射領域において電子線の電流値を１ｎＡ以上としたので、被照射体の微小領域における溶接、融合等の処理を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下に、本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明の電子線照射装置を示す図であって、主要構造は通常の走査電子顕微鏡と大きく変わるところはない。すなわち、１は電子源であって、この電子源１はタングステンフィラメントよりなる。また、２は集束レンズであって、この集束レンズ２は、ポールピース３を備え、その外周にコイル２１が配置されている。ポールピース３は、上部ポールピース３１と、中ポールピース３２と、下部ポールピース３３との３つからなる。ポールピース３の内部には、光軸に沿って電子の通過孔が形成されている。すなわち、上部ポールピース３１には上部通過孔３１aが、中ポールピース３２には中通過孔３２ａが、下部ポールピース３３には下部通過孔３３ａが形成されている。上部通過孔３１aは電子源１の直下であるので、中通過孔３２ａよりも小径に形成されている。従来の電子顕微鏡においては、上部通過孔３１a、下部通過孔３３ａは直径３ｍｍ、中通過孔３２ａは直径８ｍｍに形成されていた。また、上部ポールピース３１には上部アパーチャ４１、下部ポールピース３３には下部アパーチャ４２が備えられていて、通過する電子を絞り込むことができる。
【０００９】
また、５はコイルからなる偏向器、６は対物レンズである。対物レンズ６の直下には対物レンズ６のアパーチャ（対物絞り）７が配置されていて、対物レンズ６を通過した電子を絞り込むことができる。
【００１０】
以上のような電子線照射装置において、電子源１から発生された電子は集束レンズ２により細く絞り込まれて、電子ビームを加速させて、偏向器５の磁界により偏向されたうえ、対物レンズ６により最終的な電子プルーブ径が決定されて、被照射体８に対して電子ビームが照射される。
【００１１】
集束レンズ２として磁界レンズが用いられるが、磁界レンズのレンズ作用を強くすると電子プルーブは細くなり、レンズ作用を弱くすると電子プルーブは太くなる。電子の通過経路には、前記したようなポールピース３と、集束レンズ２のアパーチャ４１、４２と、対物レンズ６のアパーチャ７とが配置されているので、これらのポールピース３と集束レンズ２のアパーチャ４１、４２と対物レンズ６のアパーチャ７とにより電子線の密度の調整が可能である。
【００１２】
発明者らは、鋭意研究した結果、集束レンズ２の上部ポールピース３１の上部通過孔３１a、下部通過孔３３ａの内径を大きくすることによって、電子線密度を増大させて電流値を大きくできることを見いだして、本発明を完成するに至った。また、対物絞り径の増大も有効であることを見いだした。
【００１３】
上部通過孔３１ａ、下部通過孔３３ａの内径を大きくした時の電流値増大の効果を、図２に示す。測定条件は、真空度０．０５Ｐａ、加速電圧３０ｋＶ、ＬＣ７２μＡ、ワーキングディスタンスＷＤ２０ｍｍである。また、電流値の測定はファラデーカップを用いて行った。
【００１４】
図２から明らかなように、対物レンズ６のアパーチャ７の絞り径（対物絞り径）が３０μｍであって、上部通過孔３１ａ、下部通過孔３３ａの内径が３ｍｍである現状においては、０．０１ｎＡ程度という低い電流値であったが、上部通過孔３１ａ、下部通過孔３３ａの内径を５ｍｍとした場合には、１１ｎＡ（１１０００ｐＡ）という電流値増大を達成することができた。また、これらの内径を１０ｍｍとした場合には、４０ｎＡもの電流値増大を達成することができた。
【００１５】
また、対物絞り径を１２０μｍとした場合において、上部通過孔３１ａ、下部通過孔３３ａの内径が３ｍｍである場合には、電流値増大は０．５ｎＡであったが、上部通過孔３１ａ、下部通過孔３３ａの内径を５ｍｍとした場合には、１７０ｎＡという大きな電流値増大を達成することができた。なお、この時空間分解能は、ＺｎＯ粒子で計測して、５０ｎｍから５μｍに低下した。
また、対物絞り径を１２０μｍとした場合において、上部通過孔３１ａ、下部通過孔３３ａの内径を１０ｍｍとした場合には、１００００ｎＡという極めて大きな電流値増大を達成することができた。
【００１６】
しかしながら、対物絞り径が３０μｍであって上部通過孔３１ａの内径を５ｍｍとした場合であっても、対物レンズ６のアパーチャ７を取り外した場合には、電流値の増大は１ｎＡに満たないものであった（図示していない）。したがって、対物レンズ６のアパーチャ７を取り外すことは、電子の絞り込みが不十分となって、電流値の増大に対して却って不利益となることを確認した。また、上部通過孔３１ａの内径を３ｍｍとしたままでアパーチャ７を取り外した場合にも、電流値の増大は１ｎＡに満たないものであった。
【００１７】
また、上部通過孔３１ａの内径を３ｍｍとしたままで、集束レンズ２のアパーチャ４１、４２を取り外した場合にも、上記と同程度の小さい電流値しか得られなかった。したがって、集束レンズ２のアパーチャ４１、４２、対物レンズのアパーチャ７を取り外すことは、電流値増大に対して有効でないことを確認した。
【００１８】
以上のような試験結果に基づき、本発明においては、ポールピース３の上部通過孔３１ａの内径を、４ｍｍ以上に限定する。図２から明らかなように上部通過孔３１ａの内径が４ｍｍで、電子線の照射領域を直径１μｍ以下として、照射電流値を１ｎＡとすることができるからである。一方、１５ｍｍを超えて上部通過孔３１ａの内径を大きくしても、電流値増大の効果は飽和するので、上部通過孔３１ａの内径の上限を１５ｍｍとする。なお、上部通過孔３１ａ、下部通過孔３３ａの径が８ｍｍを超える場合には、それらの径に対応して中通過孔３２ａの径も増大させるのが望ましい。
【００１９】
以上のように、上部ポールピース３１における上部通過孔３１ａ、中通過孔３２ａ、下部通過孔３３ａの内径を４ｍｍ以上とすることによって、直径１００μｍ以下の電子線の照射領域における電流値を１ｎＡ以上として、溶接などの処理を行うことができる。
【００２０】
また、対物絞りの径は、３０〜１０００μｍとする。３０μｍ未満では電子の絞り込みが強すぎて電流密度を上げることができないからであり、一方１０００μｍを超えると電子の絞り込みが不足するからである。なお、対物絞りの径は３０〜５００μｍとするのが望ましい。
【００２１】
電子線の照射領域が直径１００μｍ超では微細な処理を行うことができないので、照射領域を直径１００μｍ以下とする。望ましくは１０μｍ以下とする。なお、下限は０．００１μｍで十分である。すなわち、照射領域を直径０．００１〜１００μｍとすることによって溶接などの十分微細な熱処理を行うことができる。
【００２２】
また、電流値が１ｎＡ未満では加熱が不足して溶接などの熱処理を行うことができない。一方、本発明の目的を達成するためには電流値を１０００００ｎＡを超えて大きくする必要はないので、電流値の上限は１０００００ｎＡとするのが望ましい。
【実施例】
【００２３】
内径１０ｍｍの上部ポールピース３１、下部ポールピース３２を用いて、冷間加工されたＣｕ板に電子線を照射しつつ走査した。その結果、幅０．５μｍ、電流値４０ｎＡの電子線によって線状の模様を描いて部分的な再結晶組織を形成することができた。
【００２４】
以上に説明したように、本発明の電子線照射装置は、直径１００μｍ以下の微小領域において溶接、融合、焼鈍などの熱処理を行うことができるので、ナノテクノロジーの分野における工業的価値大なるものである。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明を実施するための、電子線照射装置の概略構成図である。
【図２】ポールピースの上部通過孔、下部通過孔の内径と対物絞り径を変化させた場合の電流値の増加を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２６】
１ 電子源、２ 集束レンズ、３ ポールピース、５ 偏向器、６ 対物レンズ、７ 対物レンズのアパーチャ、８ 被照射体、３１ 上部ポールピース、３２ 中ポールピース、３３ 下部ポールピース、３１ａ 上部通過孔、３２ａ 中通過孔、３３ａ 下部通過孔、４１ 集束レンズの上部アパーチャ、４２ 集束レンズの下部アパーチャ、
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タングステンフィラメントからなる電子源と、ポールピースを有する集束レンズと、対物レンズとを備えた電子線照射装置において、ポールピースの内径を４ｍｍ以上としたことを特徴とする電子線照射装置。
【請求項２】
被照射体に照射される電子線の電流値を、直径１００μｍ以下の照射領域において１ｎＡ以上としたことを特徴とする請求項１に記載の電子線照射装置。
【請求項１】
タングステンフィラメントからなる電子源と、ポールピースを有する集束レンズと、対物レンズとを備えた電子線照射装置において、ポールピースの内径を４ｍｍ以上としたことを特徴とする電子線照射装置。
【請求項２】
被照射体に照射される電子線の電流値を、直径１００μｍ以下の照射領域において１ｎＡ以上としたことを特徴とする請求項１に記載の電子線照射装置。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２００８−１７５７２６（Ｐ２００８−１７５７２６Ａ）
【公開日】平成２０年７月３１日（２００８．７．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１０２５２（Ｐ２００７−１０２５２）
【出願日】平成１９年１月１９日（２００７．１．１９）
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【出願人】（５９１００３２０８）サンユー電子株式会社 (9)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年７月３１日（２００８．７．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１月１９日（２００７．１．１９）
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【出願人】（５９１００３２０８）サンユー電子株式会社 (9)
【Ｆターム（参考）】
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