(57)【要約】【課題】０．１ｍｍ以下の微小領域を局所的に加熱して微小領域を溶融接合することができる電子線溶融装置を提供する。【解決手段】電子ビームを発生して走査する電子線集束偏向部１と、被加工物を保持して移動可能なステージ８と、ステージ８を収容する加工室２と、電子ビーム照射点で発生する二次電子または反射電子を検出するための検出器１０とを備え、電子線集束偏向部１により、被加工物の所望の位置に電子ビームを照射し、被加工物を溶融接合する。【選択図】図１
2008130483.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子ビームを発生して走査する電子線集束偏向部と、被加工物を保持して移動可能なステージと、該ステージを収容する加工室と、電子ビーム照射点で発生する二次電子または反射電子を検出するための検出器とを備え、
前記電子線集束偏向部により、被加工物の所望の位置に電子ビームを照射し、被加工物を溶融接合することを特徴とする電子線溶融装置。
【請求項２】
１５Ｗ以下の小電力の電子ビームを被加工物の直径３０μｍ以下の領域に注入することにより、被加工物を溶融接合することを特徴とする請求項１に記載の電子線溶融装置。
【請求項３】
前記電子線集束偏向部の電子ビームを走査する機能は、溶融接合個所を含む周辺の広い領域を走査して広い領域の画像を生成する像観察モードと、溶融接合個所を集中して走査して溶融接合する溶融接合モードの２種類の走査モードを備え、両走査モードを秒単位で切り替えることで画像観察と溶融接合をほぼ同時に行なうようにしたことを特徴とする請求項１又は２に記載の電子線溶融装置。
【請求項４】
電子ビームの開き角を変えることにより、焦点深度を変えることで溶融深さを変えられることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電子線溶融装置。
【請求項５】
赤外線源、高輝度光源あるいは粒子線源などの加熱手段で溶融接合個所を補助加熱する補助加熱源を備えたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電子線溶融装置。
【請求項６】
前記電子線集束偏向部の下部又は前記ステージの上方に熱遮蔽機構または冷却機構を設けたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電子線溶融装置。
【請求項７】
電子ビームの焦点と三次元構造の被加工物の溶融接合個所との三次元的位置合わせを、電子ビームの走査位置と焦点を調節することにより行うことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の電子線溶融装置。
【請求項８】
電子ビームの焦点と三次元構造の被加工物の溶融接合個所との三次元的位置合わせを、被加工物を保持する前記ステージの位置と高さを調節することにより行うことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の電子線溶融装置。
【請求項９】
電子ビームの焦点と三次元構造の被加工物の溶融接合個所との三次元的位置合わせを、ＣＡＤ情報をもとに自動的に行なうことを特徴とする請求項７又は８に記載の電子線溶融装置。
【請求項１０】
主加熱用の微細電子ビームと補助加熱用の広域電子ビームを同時に形成することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の電子線溶融装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子線溶融装置に係り、特に被加工物に電子ビーム（電子線）を照射して被加工物を溶融接合する電子線溶融装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）と称されるように機械部品は小さくなり、加工方法においても従来からある技術をそのまま用いることができなくなってきた。特に、複数部品の溶融接合に関しては、大気中ではその熱源が大きく、部品が数ｍｍ以下の大きさになるとほとんど不可能になる。従来から電子ビーム（電子線）を用いて溶融接合を行なう装置はあるが、１ｍｍ以下の寸法の構造物を溶融接合する装置は無かった。しかるに、今日、１ｍｍ以下の部品を溶融接合する技術が切実に要求されるようになってきた。
【０００３】
また、部品が小さくなるに従い、溶融接合個所をはずさないで正しく接合を行うためには、接合個所を正確に掌握する必要がある。光学顕微鏡、あるいは光学顕微鏡とＣＣＤカメラで拡大画像を得る方法があるが、倍率が大きくなると観察対象場所と光学レンズの距離が小さくなり、光学系のレンズやミラーが短時間で汚れてしまうという欠点があって長時間安定した画像を維持するのは難しく実用上問題が多かった。
また、電子ビームを照射した際に試料から放出される二次電子あるいは反射電子を利用する方法も提案されているが、一次元走査したときの信号変化から溶接線を探し出す方法であり、装置の操作性は必ずしも満足できるものではなかった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、部品の小型化がより一層要求されるようになるにつれて、１ｍｍ以下の部品を溶融接合したいという要求がますます強くなってきている。
本発明は、上述の事情に鑑みなされたもので、０．１ｍｍ以下の微小領域を局所的に加熱して微小領域を溶融接合することができる電子線溶融装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述の目的を達成するためには、本発明は、電子ビームを発生して走査する電子線集束偏向部と、被加工物を保持して移動可能なステージと、該ステージを収容する加工室と、電子ビーム照射点で発生する二次電子または反射電子を検出するための検出器とを備え、前記電子線集束偏向部により、被加工物の所望の位置に電子ビームを照射し、被加工物を溶融接合することを特徴とするものである。
【０００６】
本発明の１態様によれば、１５Ｗ以下の小電力の電子ビームを被加工物の直径３０μｍ以下の領域に注入することにより、被加工物を溶融接合することを特徴とする。
本発明の１態様によれば、前記電子線集束偏向部の電子ビームを走査する機能は、溶融接合個所を含む周辺の広い領域を走査して広い領域の画像を生成する像観察モードと、溶融接合個所を集中して走査して溶融接合する溶融接合モードの２種類の走査モードを備え、両走査モードを秒単位で切り替えることで画像観察と溶融接合をほぼ同時に行なうようにしたことを特徴とする。
【０００７】
本発明の１態様によれば、電子ビームの開き角を変えることにより、焦点深度を変えることで溶融深さを変えられることを特徴とする。
本発明の１態様によれば、赤外線源、高輝度光源あるいは粒子線源などの加熱手段で溶融接合個所を補助加熱する補助加熱源を備えたことを特徴とする。
本発明の１態様によれば、前記電子線集束偏向部の下部又は前記ステージの上方に熱遮蔽機構または冷却機構を設けたことを特徴とする。
【０００８】
本発明の１態様によれば、電子ビームの焦点と三次元構造の被加工物の溶融接合個所との三次元的位置合わせを、電子ビームの走査位置と焦点を調節することにより行うことを特徴とする。
本発明の１態様によれば、電子ビームの焦点と三次元構造の被加工物の溶融接合個所との三次元的位置合わせを、被加工物を保持する前記ステージの位置と高さを調節することにより行うことを特徴とする。
本発明の１態様によれば、電子ビームの焦点と三次元構造の被加工物の溶融接合個所との三次元的位置合わせを、ＣＡＤ情報をもとに自動的に行なうことを特徴とする。
本発明の１態様によれば、主加熱用の微細電子ビームと補助加熱用の広域電子ビームを同時に形成することを特徴とする。
【０００９】
部品を溶接するためには、溶接部のみを溶融して他の部分を溶融させないことが要求されるが、部品が１ｍｍ以下になると、現在の加熱源では難しいことは上述したとおりである。局所的に加熱するには、加熱を所望する個所に運動量の形でエネルギーを注入し、そこで熱エネルギーに変化させるのがもっとも効率的である。３０ｋＶ〜５０ｋＶに加速した電子ビームを金属に照射した場合、電子ビームは金属表面から５μないし１０μｍの内部に侵入し、内部で熱に変化するため効率的に局所的な加熱が可能である。
【００１０】
本発明は、３０μＡないし５００μＡの電流を発生し、ビーム直径を３０μｍ以下、好ましくは５〜２０μｍに絞ることでエネルギー密度を１００万Ｗ（ワット）／ｃｍ２以上に高めた電子ビームを被加工物に照射することにより金属接触部を局所的に加熱溶融して接合することができる装置を提供する。ＬａＢ６（六ホウ化ランタン）陰極の電子銃では、電流量１５０μＡ、電子ビーム直径１５μｍ、電流密度２５５万Ａ／ｃｍ２の高密度電子ビームが実現できる。使用する電子ビーム直径を０．０５μｍ〜３０μｍにすることで、走査電子顕微鏡の原理を応用して倍率１０倍〜５０００倍の二次電子像あるいは反射電子像を観察することが可能である。
【００１１】
電子ビームを走査する信号の振幅と速度を切り替える場合、振幅が大きく速度が速いときは、単位時間あたりの投入エネルギーが少ないため、表面の溶融は起こらず、ビーム照射位置からの二次電子または反射電子を検出することで像観察が可能である。振幅が小さく速度が遅いときは照射個所で溶融が発生しその部分を接合できる。溶融接合個所を含む周辺の広い領域を高速で走査する像観察モードと、接合部近辺のみを集中して走査する溶融接合モードとの２種類の走査モードを秒単位で切り替えることで、画像観察と溶融接合をほぼ同時に行なうことができる。このことにより、被加工物の１００μｍ以下の微小領域を正確に溶融あるいは溶融接合を行うことが可能である
【００１２】
ビーム開き角は、対物レンズのポールピース近傍に取り付けた対物絞りの中心穴の直径に依存する。穴径を大きくすると焦点深度は浅くなり加熱範囲は浅くなる。穴径を小さくすれば焦点深度は深くなり加熱範囲は深くなる。非加工個所の寸法や形状にあわせて対物絞りの穴径を変えることで、溶融深さの最適化を行なうことができる。
【００１３】
熱容量が大きい被加工物とか熱伝導率の大きい被加工物に微細な溶融を行いたいときに１５Ｗ（ワット）前後の電子ビームでは融点まで加熱できない場合がある。電子ビームのエネルギー総量を増やせば、加熱温度は上げられるが、電子ビーム電流を増やして、例えば１００Ｗにする場合は電子銃の形状がまったく別のものになり、そして、その場合、パワーを小さくした場合に電子ビームが細くならず所望の１００μｍ以下での溶融が不可能であり、装置として異なった機能の装置となる。
本発明では補助加熱源で被加工物の温度をその融点より数百度低い温度まで加熱することにより、１５Ｗ以下、好ましくは４Ｗ〜１５Ｗという小さいパワーの電子ビームを照射することで、微小部分を融点まで加熱することができ、所望の１００μｍ以下の微小領域の溶融あるいは溶融接合が可能となる。
【００１４】
照射位置の制御は、ＣＡＤデータに予め記憶された被加工物の表面の三次元情報に基づき、電子ビームの焦点を変更するか、またはステージのＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を調整して相対位置を一致させ、電子ビームの焦点を常に加工位置に結ばせることができる。
表面形状や表面の材質に応じて電子ビームの走査範囲や走査速度を調整して面積あたりの投入エネルギーを調整し、溶融あるいは溶融接合の不均一さをなくすことができる。
【００１５】
溶接時の加熱温度を高めるために、通常の電子顕微鏡、電子線描画装置では使用していない、電子銃チップ先端の周辺部から放出される電子ビームを利用する。球面収差を積極的に利用し被加工物にフォーカスさせることにより、低密度で大口径の電子ビーム（広域電子ビーム）が形成される。この広域電子ビームを電子銃チップ先端部から同時に放出される高密度で微細な電子ビームと共に被加工物に照射させることにより、溶接周辺部を補助加熱した状態での溶接が可能となる。
これにより、電子ビームの総エネルギーは補助加熱しない場合の１．５〜２倍以上となり高い加熱温度が得られるとともに、溶接部の温度勾配が緩やかになるため、局所的な残留応力の発生を緩和させることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、ＳＥＭ像で観察しながら溶接できることにより、従来方法では不可能な０．１ｍｍ以下の微細寸法の部品同士の溶接が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。図１は本発明に係る電子線溶融装置の全体構成を示すブロック図である。図１に示すように、電子線溶融装置は、電子線集束偏向部１と、電子線集束偏向部１の下方に配置された加工室２とを備えている。電子線集束偏向部１は、集束偏向部３内に収容された電子銃４、コンデンサレンズ５、対物レンズ６、電子線偏向器７等から構成されている。集束偏向部３および加工室２内は、加工室２の下方に配置され真空ポンプを備えた真空排気系（図示せず）により排気され、所定の真空度に保たれている。
【００１８】
加工室２内には被加工物であるワーク１１を保持するステージ８が設置されている。ステージ８はモータ９に連結されており、ステージ８は、直交する二軸（Ｘ，Ｙ軸）の方向に移動可能で水平面上の所望の位置に位置決め可能であるとともにＺ軸の方向（高さ方向）に移動可能で垂直方向の所望の位置に位置決め可能な構造になっている。
【００１９】
また、加工室２内には二次電子検出器１０が配設されており、二次電子検出器１０によりワーク１１に電子ビームを照射した際にワーク１１から放出される二次電子を検出するようになっている。
なお、二次電子検出器に代えて、ワークから放出された一次電子である反射電子を検出する反射電子検出器を用いてもよい。
【００２０】
前記電子銃４は電子銃制御ユニット１２に接続され、コンデンサレンズ５および対物レンズ６はレンズ制御ユニット１３に接続されている。偏向器７は偏向器制御ユニット１４に接続されている。電子銃制御ユニット１２、レンズ制御ユニット１３および偏向器制御ユニット１４はコンピューター１５に接続されている。モータ９はモータドライバー１８に接続されており、モータドライバー１８はコンピューター１５に接続されている。二次電子検出器１０は信号増幅器１９を介してコンピューター１５に接続されている。コンピューター１５には、ＣＡＤデータ１６および表示器１７が接続されている。
【００２１】
また、加工室２内には、赤外線源、高輝度光源あるいは粒子線源などの加熱手段を有した補助加熱源２０が配置されており、補助加熱源２０によりワーク１１の溶融接合個所を加熱することができるようになっている。加熱されたワークからの輻射熱が電子線集束偏向部１に伝わり電子光学系の安定性を損なう恐れがあるため、電子線集束偏向部１の下部または最底部、又はステージ８の上方には熱遮蔽機構２１が設けられている。なお、熱遮蔽機構２１に代えて、電子線集束偏向部１の下部または最底部を冷却する冷却機構を設けてもよい。
【００２２】
上述の構成において、電子銃４から出射された電子ビーム（電子線）は、コンデンサレンズ５および対物レンズ６により細く絞られた後に偏向器７を通してステージ８上に載置されたワーク１１の表面に焦点を結ぶ。
【００２３】
偏向器制御ユニット１４は電子ビームを走査する振幅を制御し、広い領域を走査することで周囲の拡大像を得て、その画像を記憶して暫時表示器１７に拡大像を表示する一方、秒単位で、溶融する部分のみの狭い幅の走査に切り替えて所望部分を溶融する。この拡大像の表示と溶融の繰返しにより、溶接線をはずさずに精度のよい加工が実現できる。ワーク１１の熱容量が大きい場合あるいは熱伝導率が大きい場合は、補助加熱源２０を動作させて必要なだけ補助加熱を行い、電子ビームを照射して微小部分の溶融を行なう。ワーク１１の表面の三次元情報はＣＡＤデータ１６からコンピューター１５に送られ、コンピューター１５は、ＣＡＤデータ１６に基づいて、電子銃制御ユニット１２、レンズ制御ユニット１３、偏向器制御ユニット１４、モータードライバー１８を介して、電子ビームおよびステージ８を制御して電子ビームが常にワーク１１の表面に焦点を結ぶようにする。ワーク表面の１点に照射する電子ビームの合計エネルギーを制御して、次々と隣接する場所を電子ビームで照射するとともに、ワークの表面形状が異なっている場合は、照射される電子ビームのエネルギーを調整して、常に一定の溶融をするようにＣＡＤデータ１６に基づいて制御する。上記操作を繰返し行うことにより、所望の溶融接合個所を溶融し接合する。
【００２４】
図２は、像観察モードと溶融接合モードを示す概念図である。図２は、第１ワーク１１−１と第２ワーク１１−２とを溶接する場合を示し、第１ワーク１１−１と第２ワーク１１−２とは、溶融接合箇所（溶接箇所）１０１で溶接される。偏向器制御ユニット１４により、電子ビームを走査する信号の振幅と速度を切り替えて、振幅が大きく速度を速くして溶融接合箇所を含む周辺の広い領域（像観察モード走査領域）を高速で走査する像観察モードと、振幅が小さく速度を遅くして溶融接合領域（溶融接合走査領域）のみを集中して走査する溶融接合モードの２種類の走査モードを秒単位で切り替えることで画像観察と溶融接合をほぼ同時に行うようにしている。像観察モードでは広域を走査して二次電子または反射電子を信号として、その領域を画像化し、溶接線の位置を認識する。そして、溶融接合モードでは、像観察モードで得た溶接線の位置を認識しながら溶融接合モード走査を溶接線に合わせることで微細領域を正確に溶融接合することができる。図２において、符号２０１で示す矩形の領域は像観察モード走査領域を示し、符号２０２で示すハッチングされた矩形の領域は溶融接合モード走査領域を示す。符号２０３は電子線偏向器７における偏向中心を示す。
【００２５】
図３は、像観察モードと溶融接合モードとを併用した際における像観察モードの表示器の画面を示す概念図である。図３に示すように、像観察モードにおいて、表示器１７の画面には、第１ワーク１１−１と第２ワーク１１−２が示され、さらに第１ワーク１１−１と第２ワーク１１−２とを接合する溶融接合箇所（溶接箇所）１０１が示されている。
【００２６】
図４は、対物レンズのポールピース近傍に取り付けられたアパーチャー（対物絞り）の穴径が小さいときの焦点深度を示す概念図である。図４に示すように、アパーチャー３０１の穴径ｄが小さいときには、焦点深度ｆｄは深くなる。図４において、符号３０２は焦点位置を示す。アパーチャー３０１の穴径ｄが小さい場合には、焦点深度ｆｄは深くなるので、深い溶接をするときに有効である。
【００２７】
図５は、アパーチャー（対物絞り）の穴径が大きいときの焦点深度を示す概念図である。図５に示すように、アパーチャー３０１の穴径ｄが大きいときには、焦点深度ｆｄは浅くなる。図５において、符号３０２は焦点位置を示す。アパーチャー３０１の穴径ｄが大きい場合には、焦点深度ｆｄは浅くなるので、浅い溶接をするときに有効である。特に、薄板溶接のように浅い溶け込みが要求される場合に有効である。
【００２８】
被加工物であるワークは、表面に凹凸があり三次元構造を有している。この三次元構造のワークについて、電子ビームの焦点と溶融接合個所の三次元的位置合わせを、電子ビームの走査位置と焦点を調節することにより行なうか又はワーク１１を保持するステージ８の位置と高さを調節することにより行なう。
この場合、ワーク１１の三次元構造については、予めＣＡＤデータ（ＣＡＤ情報）１６に記憶されており、この記憶されたＣＡＤデータ１６に基づいて、コンピューター１５により電子ビームの焦点と溶融接合個所の三次元的位置合わせを制御するようにしている。
【００２９】
図６は、高密度電子ビームで溶接しているときの表示器の画面の実例を示す図である。図６に示す写真は、厚さ３０μｍのステンレス板を二枚重ね、その端部を溶融接合している状態のＳＥＭ像を示す。上半分は二枚の板が溶融接合されており、下半分は未だ接合されていない状態で、ワークを順次上方へ移動させることで、長い距離の溶接を行う。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１は本発明に係る電子線溶融装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、像観察モードと溶融接合モードを示す概念図である。
【図３】図３は、像観察モードと溶融接合モードとを併用した際における像観察モードの表示器の画面を示す概念図である。
【図４】図４は、対物レンズのポールピース近傍に取り付けられたアパーチャー（対物絞り）の穴径が小さいときの焦点深度を示す概念図である。
【図５】図５は、アパーチャー（対物絞り）の穴径が大きいときの焦点深度を示す概念図である。
【図６】図６は高密度電子ビームで溶接しているときの表示器の画面の実例を示す図である。
【符号の説明】
【００３１】
１      電子線集束偏向部
２      加工室
３      集束偏向部
４      電子銃
５      コンデンサレンズ
６      対物レンズ
７      偏向器
８      ステージ
９      モータ
１０    二次電子検出器
１１    ワーク
１２    電子銃制御ユニット
１３    レンズ制御ユニット
１４    偏向器制御ユニット
１５    コンピューター
１６    ＣＡＤデータ
１７    表示器
１８    モータードライバー
１９    信号増幅器
２０    補助加熱源
２１    熱遮蔽機構
１０１  溶融接合箇所（溶接箇所）
２０１  像観察モード走査領域
２０２  溶融接合モード走査領域
２０３  偏向中心
３０１  アパーチャー
３０２  焦点位置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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