WO2024189799A1 - Electron beam control circuit, electron gun, electron light source device, electron beam measurement method, and electron beam trajectory control method - Google Patents
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- H01J37/06—Electron sources; Electron guns
Definitions
- the present invention relates to an electron beam control circuit, an electron gun, an electron light source device, an electron beam measurement method, and an electron beam trajectory control method.
- the electron gun used is a pierce-type electron gun that has an electron emission surface that emits electrons, an extraction electrode that generates an electric field between the electron emission surface and the electron emission surface to cause electrons to be emitted from the electron emission surface, and a cone-shaped electrode that has the same potential as the electron emission surface and is arranged around the electron emission surface (Patent Document 1).
- One aspect of the present invention is a control circuit that changes the on and off states of an electron beam emitted from a cathode of an electron gun having an extraction electrode by controlling the voltage applied to the extraction electrode, and is an electron beam control circuit that includes an amplifier that supplies a forward bias voltage to the extraction electrode, a power supply that supplies a reverse bias voltage to the extraction electrode, and a switch circuit that connects the amplifier to the extraction electrode when the electron beam is in the on state and switches to connect the power supply to the extraction electrode when the electron beam is in the off state.
- One aspect of the present invention is an electron gun comprising an extraction electrode that controls the amount of electron beam emitted from a cathode, an anode that accelerates the electron beam emitted from the cathode, a modification electrode that is provided between the extraction electrode and the anode and changes the opening angle of the electron beam passing through it, an extraction electrode control amplifier that applies a voltage to the extraction electrode based on an electron beam command that specifies the amount of the electron beam, and a modification electrode control amplifier that applies a voltage to the modification electrode based on the electron beam command.
- One aspect of the present invention is an electron light source device having a power supply path extending from an insulator base, comprising a filament power supply unit for applying a voltage to a cathode that emits an electron beam, an extraction electrode for controlling the amount of the electron beam from the cathode, and a cathode protector for blocking the path of electrons from the extraction electrode to the power supply path when the extraction electrode is controlled to reduce the amount of the electron beam.
- One aspect of the present invention is an electron beam measurement method that includes: scanning an electron beam from an electron light source unit on a first aperture having a first current sensor using a first beam deflector capable of changing the deflection angle of the electron beam; measuring a first beam current distribution of the electron beam on a first arrangement surface of the first aperture using a first output from the first current sensor of the first aperture; scanning the electron beam from the electron light source unit on a second aperture arranged on the exit side of the first aperture and having a second current sensor using a second beam deflector arranged on the exit side of the first aperture and capable of changing the deflection angle of the electron beam; measuring a second beam current distribution of the electron beam on a second arrangement surface of the second aperture using a second output from the second current sensor of the second aperture; and determining a light source size and an opening angle of the electron beam from the electron light source unit based on the beam current distribution measured using the first output of the first current sensor and the beam current distribution measured using the second output of the second current sensor.
- One aspect of the present invention is a laser scanning electron microscope comprising an extraction electrode for controlling the amount of an electron beam emitted from a cathode, a focusing lens unit including a focusing lens for converging the electron beam by a magnetic field, a first deflector provided between the extraction electrode and the focusing lens for deflecting the trajectory of the electron beam, a second deflector provided between the first deflector and the focusing lens for deflecting the trajectory of the electron beam deflected by the first deflector, an extraction electrode control amplifier for applying a voltage to the extraction electrode based on an electron beam command that specifies the amount of the electron beam, and a focusing lens unit for focusing the electron beam.
- the electron gun includes a first control unit that outputs an excitation current to the first deflector based on a voltage command or a current command based on an electron beam command, and a second control unit that outputs an excitation current to the second deflector based on a voltage command or a current command based on the electron beam command, where the first control unit controls the first deflector so that the trajectory of the electron beam from the first deflector is directed toward the center of the second deflector, and the second control unit controls the second deflector so that the trajectory of the electron beam from the second deflector is along the optical axis or parallel to the optical axis.
- One aspect of the present invention is an electron beam trajectory control method that includes deflecting an electron beam from an electron light source unit with a first beam deflector, deflecting the electron beam from the first beam deflector with a second beam deflector, and changing the beam current of the electron beam from the electron light source unit, where the deflecting with the first beam deflector includes deflecting the electron beam such that a first trajectory of the electron beam from the first beam deflector does not change when the beam current changes, and the deflecting with the second beam deflector includes deflecting the electron beam such that a second trajectory of the electron beam from the second beam deflector does not change when the beam current changes.
- FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of the configuration of the electron gun 2 according to the present embodiment.
- 2 is a cross-sectional view showing an example of the configuration of a lens barrel portion 3 according to the present embodiment.
- FIG. FIG. 2 is a diagram showing an example of the configuration of an extraction electrode control circuit 210 according to the embodiment.
- 2 is an example of an enlarged cross-sectional view showing the vicinity of a focusing electrode 20 of the electron gun 2 according to the embodiment.
- FIG. 2 is an example of an enlarged cross-sectional view showing the vicinity of a focusing electrode 20 of the electron gun 2 according to the embodiment.
- FIG. 2 is an example of an exploded perspective view showing the configuration of a cathode unit 10, a cathode protector 70, and a focusing electrode 20 according to the embodiment.
- 3 is a diagram showing an example of the configuration of an aperture angle adjustment/differential exhaust mechanism 4 according to the embodiment;
- FIG. 1 is a diagram showing an example of the spread of an electron beam in a conventional electron gun 2a according to an embodiment when the beam current of the electron beam is large.
- FIG. 1 is a diagram showing an example of the spread of an electron beam in a conventional electron gun 2a according to an embodiment of the present invention when the beam current of the electron beam is small.
- FIG. 3 is a diagram showing an example of the spread of an electron beam in the electron gun 2 according to the embodiment.
- FIG. 2 is a diagram showing an example of the configuration of a high-speed beam alignment system 5 according to the embodiment.
- FIG. 2 is a diagram showing an example of the configuration of a high-speed beam modulation mechanism 6 according to the embodiment.
- 5A to 5C are diagrams illustrating an example of an electron beam measurement method according to an embodiment.
- 11 is a diagram showing an example of an output from a current sensor by scanning an electron beam EB1 on an aperture according to the embodiment.
- FIG. 11A and 11B are diagrams illustrating an example of measurement of the source size of the electron beam EB1 according to the embodiment.
- 6A to 6C are diagrams illustrating an example of a method for measuring a spot diameter on a modeling surface according to an embodiment.
- FIG. 2 is a diagram illustrating an example of the configuration of a beam measurement sensor 180 according to the embodiment.
- FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of the configuration of the electron gun 2 according to this embodiment.
- Figure 2 is a cross-sectional view showing an example of the configuration of the lens barrel section 3 according to this embodiment.
- the drawings show an XYZ Cartesian coordinate system, which is a three-dimensional Cartesian coordinate system.
- the direction of the Z axis is vertically downward.
- the direction parallel to the Z axis is also referred to as the up-down direction.
- the direction of the Z axis is also referred to as the downward direction.
- the direction opposite to the direction of the Z axis is also referred to as the upward direction.
- the positive side of the direction of the Z axis is also referred to as the downward side, and the negative side of the direction of the Z axis is also referred to as the upward side.
- the direction parallel to the Z axis is also referred to as the optical axis direction.
- the positive side of the Z axis is also referred to as the target side, and the negative side of the Z axis is also referred to as the cathode side.
- the direction parallel to the Y-axis is also called the depth direction.
- the positive side of the Y-axis is also called the front side, and the negative side of the Y-axis is also called the back side.
- the direction parallel to the X-axis is also called the left-right direction.
- the positive side of the X-axis is also called the right side, and the negative side of the X-axis is also called the left side.
- the electron gun 2 comprises a cathode unit 10, a focusing electrode 20, an extraction electrode 30, a changing electrode 40, a shield electrode 50, an anode 60, a cathode protector 70, and a high-voltage control unit 200.
- the cathode unit 10, the focusing electrode 20, the extraction electrode 30, the changing electrode 40, and the cathode protector 70 are provided inside the shield electrode 50.
- the shield electrode 50 constitutes part of the housing of the electron gun 2.
- the cathode unit 10, focusing electrode 20, extraction electrode 30, deflection electrode 40, shield electrode 50, and anode 60 are arranged along the optical axis AX1.
- the optical axis AX1 extends in the Z direction, which is the central axis.
- the cathode unit 10, focusing electrode 20, extraction electrode 30, change electrode 40, shield electrode 50, anode 60, and cathode protector 70 all have a shape that is rotationally symmetrical with respect to the optical axis AX1 in the portions close to the optical axis AX1.
- the cathode unit 10, focusing electrode 20, extraction electrode 30, and changing electrode 40 are each electrically insulated and held by a shield electrode 50.
- the cathode unit 10 is housed in a cathode protector 70 and is electrically insulated from the surroundings.
- the cathode protector 70 is surrounded by the focusing electrode 20.
- the cathode unit 10 includes a cathode 101 , a filament power supply portion 102 , and an insulator base 104 .
- the filament power supply 102 applies a voltage to the cathode 101.
- the filament power supply 102 has a power supply path 103 through which a current from a heating power supply flows.
- the power supply path 103 extends from an insulator base 104.
- the cathode 101 emits an electron beam when a voltage is applied by the filament power supply 102.
- the electron beam emitted by the cathode 101 is a flow of thermoelectrons emitted from the cathode 101 by heating from the power supply path 103.
- the extraction electrode 30 controls the amount of electron beam EB1 emitted from the cathode 101.
- the extraction electrode 30 controls the amount of thermoelectrons (the magnitude of the current of the electron beam EB1) by a control voltage applied by the high voltage control unit 200.
- the focusing electrode 20 focuses the thermoelectrons extracted by the extraction electrode 30 so that they pass through the extraction electrode 30.
- the focusing electrode 20 is provided to surround an axis (i.e., the optical axis AX1) along the direction in which the electron beam EB1 is emitted from the cathode 101.
- the focusing electrode 20 has a structure that includes and fixes the power supply path 103 while maintaining electrical insulation. In this embodiment, this structure is realized by storing a cathode protector 70 inside the focusing electrode 20. The configuration of the focusing electrode 20 will be described in detail later.
- the anode 60 accelerates the electron beam EB1 emitted from the cathode 101.
- the anode 60 accelerates the electron beam EB1 focused by the focusing electrode 20 to a desired speed.
- the modification electrode 40 is provided between the extraction electrode 30 and the anode 60.
- the modification electrode 40 changes the opening angle of the electron beam EB1 passing through it. In other words, the modification electrode 40 focuses the electron beam EB1 passing through it.
- the orifice 80 is provided on the emission side of the anode 60.
- the orifice 80 is provided so that the electron beam EB1 that has passed through an opening in the anode 60 passes through it.
- the orifice 80 creates a difference in the degree of vacuum between the electron gun 2 and the lens barrel section 3, which is the area below the electron gun 2.
- the length of the orifice 80 is longer than that of orifices provided in conventional electron barrels.
- the inner diameter and length of the orifice 80 are determined based on the conditions (passage conditions and differential pumping conditions) described below.
- the shield electrode 50 shields the electric field inside and outside the shield electrode 50 so as to prevent discharge from each of the cathode 101, the focusing electrode 20, the extraction electrode 30, and the changing electrode 40.
- the shield electrode 50 constitutes a part of the housing of the electron gun 2, and the focusing electrode 20, the extraction electrode 30, and the changing electrode 40 are disposed inside the shield electrode 50. Note that it is sufficient that at least a part of the shield electrode 50 is provided between the changing electrode 40 and the anode 60.
- the shield electrode 50 has an opening through which the electron beam EB1 passes and converges the electron beam EB1, thereby adjusting the output shape of the electron beam.
- the controller 190 controls the high voltage control unit 200 .
- the high voltage control unit 200 includes an extraction electrode control circuit 210 , a changing electrode control amplifier 220 , and a shield electrode control amplifier 230 .
- the controller 190 transmits an electron beam command I to the extraction electrode control circuit 210.
- the electron beam command I indicates the magnitude of the beam current of the electron beam EB1.
- the extraction electrode control circuit 210 supplies a control voltage to the extraction electrode 30 based on the electron beam command I.
- the extraction electrode control circuit 210 is a control circuit that changes the switching between the on and off states of the electron beam EB1 by controlling the voltage applied to the extraction electrode 30.
- the extraction electrode control circuit 210 has a MOSFET switch and a high-speed high-voltage amplifier.
- the MOSFET switch switches between a forward bias voltage and a reverse bias voltage to switch the electron beam EB1 between the on and off states.
- the high-speed high-voltage amplifier supplies a forward bias control voltage to the extraction electrode 30 so as to change the magnitude of the electron beam EB1.
- the configuration of the extraction electrode control circuit 210 will be described in detail later. In the following description, switching between the on and off states of the electron beam EB1 may be referred to as on/off switching.
- the controller 190 transmits a modified electrode voltage command G to the modified electrode control amplifier 220.
- the modified electrode voltage command G indicates a control voltage for controlling the modified electrode 40 at high speed and high voltage.
- the modified electrode control amplifier 220 supplies a control voltage to the modified electrode 40 based on the modified electrode voltage command G.
- the controller 190 transmits a shield electrode voltage command S to the shield electrode control amplifier 230.
- the shield electrode voltage command S indicates a control voltage for controlling the shield electrode 50 at high speed and high voltage.
- the shield electrode control amplifier 230 supplies a control voltage to the shield electrode 50 based on the shield electrode voltage command S.
- the beam deflector 90 is provided around the orifice 80.
- the beam deflector 90 generates a deflection field that changes the direction of the electron beam EB1 passing through the orifice 80.
- the beam deflector 90 changes the beam trajectory so that the electron beam EB1 does not hit the inside of the orifice 80.
- the beam deflector 90 may be an air-core coil to change the magnetic field under high frequency.
- the beam deflector 90 includes a first air-core coil 91 and a second air-core coil 92.
- the lens barrel unit 3 includes a focusing lens unit 100, a first beam deflector 130, a first aperture 140, a second beam deflector 150, a second aperture 160, a deflector 170, a beam measurement sensor 180, a controller 190, a first deflector control amplifier 300, a second deflector control amplifier 310, a focusing lens unit control amplifier 320, and a deflector control amplifier 330.
- the controller 190 is shared by the electron gun 2 and the lens barrel unit 3.
- the lens barrel unit 3 is provided inside a housing, but the housing is not shown in FIG. 2.
- the focusing lens unit 100 focuses the electron beam EB1 that has passed through the deflecting electrode 40.
- the focusing lens unit 100 includes a focusing lens 110 and an adjusting lens 120.
- the focusing lens 110 converges the electron beam EB1 by a magnetic field.
- the focusing lens 110 is an objective lens for focusing the electron beam EB1 at the irradiation position on the target.
- the adjusting lens 120 uses a magnetic field to change the degree of convergence of the electron beam EB1 by the condenser lens 110.
- the adjusting lens 120 is an electrostatic or magnetic dynamic lens for adjusting the beam diameter of the electron beam EB1 at the irradiation position on the target.
- the first beam deflector 130 is provided between the extraction electrode 30 and the focusing lens 110.
- the first beam deflector 130 deflects the trajectory of the electron beam EB1.
- the first beam deflector 130 can change the deflection angle of the electron beam EB1.
- the second beam deflector 150 is provided between the first beam deflector 130 and the focusing lens 110.
- the second beam deflector 150 deflects the trajectory of the electron beam EB1 deflected by the first beam deflector 130. In other words, the second beam deflector 150 can change the deflection angle of the electron beam EB1.
- the first beam deflector 130 and the second beam deflector 150 each generate a deflection field that corrects the beam axis deviation and tilt that change according to the beam current of the electron beam EB1.
- the first beam deflector 130 and the second beam deflector 150 are, for example, four-pole or eight-pole magnetic or electrostatic deflectors.
- the first aperture 140 allows the electron beam EB1 deflected by the first beam deflector 130 to pass through.
- the first aperture 140 is equipped with a first current sensor 141.
- the first current sensor 141 measures the magnitude of the beam current of the electron beam EB1 that strikes the first aperture 140.
- the second aperture 160 is through which the electron beam EB1 passes after passing through the first aperture 140 and being deflected by the second beam deflector 150.
- the second aperture 160 is equipped with a second current sensor 161.
- the second current sensor 161 measures the magnitude of the beam current of the electron beam EB1 that collides with the second aperture 160.
- the first aperture 140 and the second aperture 160 each use a current sensor to measure the beam diameter, divergence angle, axis misalignment, and amount of tilt, which change according to the beam current of the electron beam EB1.
- Deflector 170 is provided on the target side of focusing lens unit 100. Deflector 170 deflects electron beam EB1 converged by focusing lens unit 100. Deflector 170 is a 4-pole or 8-pole magnetic or electrostatic deflector that generates a deflection field that determines the beam position (left-right and depth positions) of electron beam EB1 at the irradiation position on the target.
- Beam measurement sensor 180 measures the beam diameter (also called spot diameter) of electron beam EB1 at the irradiation position on the target.
- Beam measurement sensor 180 includes, for example, a Faraday cup and a measurement chart.
- the controller 190 controls the first deflector control amplifier 300, the second deflector control amplifier 310, the focusing lens section control amplifier 320, and the deflector control amplifier 330.
- the controller 190 transmits a first deflection field command DA1 to the first deflector control amplifier 300.
- the first deflection field command DA1 is a command for controlling the first beam deflector 130 at high speed.
- the first deflection field command DA1 indicates a control voltage for controlling the first beam deflector 130 at high speed and high voltage, or a control current for controlling the first beam deflector 130 at high speed and high current.
- the first deflector control amplifier 300 supplies a control current to the first beam deflector 130 based on the first deflection field command DA1.
- the deflection field of the first beam deflector 130 is controlled by the control current.
- the controller 190 transmits a second deflection field command DA2 to the second deflector control amplifier 310.
- the second deflection field command DA2 is a command for controlling the second beam deflector 150 at high speed.
- the second deflection field command DA2 indicates a control voltage for controlling the second beam deflector 150 at high speed and high voltage, or a control current for controlling the second beam deflector 150 at high speed and high current.
- the second deflector control amplifier 310 supplies a control current to the second beam deflector 150 based on the second deflection field command DA2.
- the deflection field of the second beam deflector 150 is controlled by the control current.
- the controller 190 synchronizes the first deflection field command DA1 and the second deflection field command DA2 with the electron beam command I.
- the controller 190 transmits an adjustment lens control command C to the focusing lens section control amplifier 320.
- the adjustment lens control command C indicates a control current for controlling the adjustment lens 120 at high speed and with a high current.
- the focusing lens section control amplifier 320 supplies a control current to the adjustment lens 120 based on the adjustment lens control command C.
- the electric field or magnetic field of the adjustment lens 120 is controlled by the control current.
- the condenser lens section control amplifier 320 supplies a control current to the condenser lens 110.
- the electric field or magnetic field of the condenser lens 110 is controlled by the control current.
- the controller 190 transmits a beam deflection command D to the deflector control amplifier 330.
- the beam deflection command D indicates a control current for controlling the deflector 170.
- the deflector control amplifier 330 supplies a control current to the deflector 170 based on the beam deflection command D.
- the deflection field of the deflector 170 is controlled by the control current.
- controller 190 synchronizes the adjustment lens control command C with the electron beam command I and the beam deflection command D.
- the beam deflection speed is fast, not only is it necessary to set the voltage of the electron gun electrode (Mod Anode, extraction electrode 30 in this embodiment) that controls the beam current quickly, but it is also necessary to have even faster rise and fall times to the set voltage.
- the rise and fall times for switching the electron beam on and off in a section of less than 10% of the beam diameter will be 1 ⁇ s or less.
- a rapid charge and discharge circuit is required to drive the Mod Anode at this speed.
- a high-voltage amplifier capable of directly controlling the electrode voltage at a speed of 1 ⁇ s in an environment floating at a high voltage of 60 kV or more not only becomes large, but also causes a rise in temperature of the floating section due to increased power consumption and an increase in the power transmission load to the floating section.
- the challenge is to achieve sub-millisecond beam current modulation speeds and microsecond on/off switching of the electron beam while preventing the device from becoming too large and consuming too much power.
- FIG. 3 is a diagram showing an example of the configuration of the extraction electrode control circuit 210 according to this embodiment.
- the extraction electrode control circuit 210 includes an extraction electrode control amplifier 211, a reverse bias voltage supply source 212, a switch circuit 213, a charging capacitor 214, a charging power supply 215, and an emitter follower 216. Note that in FIG. 3, the circuit configuration of the extraction electrode 30 shown in FIG. 1 is shown as an extraction electrode 217.
- the extraction electrode control amplifier 211 supplies a forward bias voltage to the extraction electrode 217.
- the extraction electrode control amplifier 211 is a high-speed, high-voltage amplifier that applies a forward bias voltage of a predetermined voltage or higher at a predetermined speed or higher.
- the forward bias voltage applied by the extraction electrode control amplifier 211 is controlled based on the electron beam command I.
- the reverse bias voltage supply source 212 supplies a reverse bias voltage to the extraction electrode 217.
- the reverse bias voltage supply source 212 supplies a reverse bias voltage to the extraction electrode 217 when the electron beam EB1 is switched from the on state to the off state.
- the reverse bias voltage supply source 212 may be a constant voltage power supply.
- the switch circuit 213 connects the extraction electrode control amplifier 211 to the extraction electrode 217 when the electron beam EB1 is turned on, and switches to connect the reverse bias voltage supply source 212 to the extraction electrode 217 when the electron beam EB1 is turned off.
- the switch circuit 213 may be, for example, a MOSFET switch or a high-voltage, high-speed MOSFET.
- the charging capacitor 214 charges the extraction electrode 217 when the electron beam EB1 is turned on.
- the extraction electrode 217 is rapidly charged by the charging capacitor 214.
- One example of the charging capacitor 214 is a capacitor bank.
- a capacitor bank is a collection of multiple capacitors connected in parallel.
- the charging power supply 215 charges the charging capacitor 214.
- the charging power supply 215 may be a constant voltage power supply.
- the emitter follower 216 includes a transistor whose base is connected to the extraction electrode control amplifier 211, whose emitter is connected in parallel to the charging capacitor 214 and the charging power supply 215, and whose collector is connected to the switch circuit 213.
- the emitter follower 216 is configured by connecting multiple such transistors in parallel.
- the 1a transistor 2161a, the 2a transistor 2162a, the 3a transistor 2163a, and the 4a transistor 2164a are examples of the multiple transistors connected in parallel.
- the collector of the transistor is connected to the switch circuit 213 via another transistor.
- the collector of the transistor and the emitter of the other transistor are connected to each other.
- the first b transistor 2161b, the second b transistor 2162b, the third b transistor 2163b, and the fourth b transistor 2164b are each an example of the other transistor.
- the emitter follower 216 includes multiple transistors whose collectors and emitters are connected to each other. In other words, the emitter follower 216 uses a Darlington connection. With this configuration, the emitter follower 216 can control a large collector current with a small base current. Note that the emitter follower 216 does not necessarily have to use a Darlington connection.
- the capacitance of the charging capacitor 214 is, for example, 2 nF or more. Note that the configuration of the charging capacitor 214 is not limited to a configuration in which multiple capacitors are connected in parallel, as long as it has a sufficient capacitance.
- the electron beam EB1 is switched on and off by switching between the forward bias voltage of the extraction electrode control amplifier 211 and the reverse bias voltage of the reverse bias voltage supply source 212 at high speed by the switch circuit 213. At this time, when switched to the on state, the beam current of the electron beam EB1 is the beam current specified by the electron beam command I. Alternatively, the forward bias voltage is controlled by the extraction electrode control amplifier 211 so that the electron beam EB1 can be continuously modulated while maintaining the on state.
- the amount of current required for rapid charging of the extraction electrode 217 may exceed the current capacity. This causes a voltage drop in the extraction electrode control amplifier 211, resulting in a significant delay in the time until the beam current specified by the electron beam command I is established. This significant delay in the time until the specified beam current is established is particularly noticeable when there is a sudden change from the reverse bias voltage to the forward bias voltage when the electron beam EB1 is switched from the off state to the on state.
- the extraction electrode control circuit 210 employs an emitter follower 216 in which a charging capacitor 214, which is a capacitor bank with a large capacitance on the emitter side, a constant voltage power supply with a large current capacity, and a charging power supply 215 are connected in parallel, an extraction electrode control amplifier 211 is connected to the base, and the collector side is connected to a switch circuit 213.
- the configuration of the extraction electrode control circuit 210 makes it possible to realize the following regarding charging while maintaining the relationship in which the forward bias voltage is the output value of the extraction electrode control amplifier 211.
- the charging capacitor 214 is responsible for rapid charging of the extraction electrode 217.
- the charging capacitor 214 can be charged by the charging power supply 215 when the voltage of the extraction electrode 217 is steady.
- the charging capacitor 214, the charging power supply 215, and the emitter follower 216 may be omitted from the configuration of the extraction electrode control circuit 210.
- the electron beam control circuit of this embodiment is a control circuit that changes the switching between the on state and the off state of the electron beam EB1 emitted from the cathode 101 of the electron gun 2 equipped with the extraction electrode 30 by controlling the voltage applied to the extraction electrode 30, and includes an amplifier (in this embodiment, the extraction electrode control amplifier 211), a power supply (in this embodiment, the reverse bias voltage supply source 212), and a switch circuit 213.
- the amplifier in this embodiment, the extraction electrode control amplifier 211 ) supplies a forward bias voltage to the extraction electrode 30 .
- a power supply (in this embodiment, a reverse bias voltage supply 212 ) supplies a reverse bias voltage to the extraction electrode 30 .
- the switch circuit 213 switches between connecting an amplifier (in this embodiment, the extraction electrode control amplifier 211) and the extraction electrode 30 when the electron beam EB1 is turned on, and between connecting a power source (in this embodiment, the reverse bias voltage supply source 212) and the extraction electrode 30 when the electron beam EB1 is turned off.
- an amplifier in this embodiment, the extraction electrode control amplifier 211
- a power source in this embodiment, the reverse bias voltage supply source 212
- the electron beam control circuit according to this embodiment (in this embodiment, the extraction electrode control circuit 210) can switch the electron beam EB1 on and off, making it easy to control the electron beam EB1.
- the extraction electrode control circuit 210 it is particularly preferable that the extraction electrode control amplifier 211 is a high-speed, high-voltage amplifier, the switch circuit 213 is a high-voltage, high-speed MOSFET, and the charging capacitor 214 is a large-capacity capacitor for rapid charging. This enables the extraction electrode control circuit 210 to stably switch the electron beam on and off at high speed to the voltage specified by the extraction electrode control amplifier 211, and to perform continuous, high-speed beam current modulation when the electron beam EB1 is in the on state.
- the thermionic electron source is driven in the space charge limited region to modulate the beam current and to switch it on and off.
- the thermionic electron source needs to be heated to a high temperature of about 1500° C. Therefore, in order to suppress the power consumption required to heat the thermionic electron source, the cathode 101 is configured to have a small heat capacity by sandwiching the material between carbon filaments.
- the cathode 101 is exposed not only on the emission surface but also on the sides and bottom. This exposure causes the surrounding electric field to emit electrons from the sides and bottom. The emission of electrons from the sides and bottom can lead to charging up of the surrounding insulators, creepage and space discharge, instability of the electrode voltage due to absorption by the filament power supply 102, and a slowdown in the speed at which the electrodes are charged. In high-speed beam current modulation, preventing creepage and space discharge and stabilizing the electrode voltage are issues.
- FIGS. 4 to 6 the configuration of the focusing electrode 20 and the cathode protector 70 will be described.
- the focusing electrode 20 and the cathode protector 70 together are also referred to as a focusing electrode unit.
- Figures 4 and 5 are each an example of a cross-sectional view showing an enlarged view of the vicinity of the focusing electrode 20 of the electron gun 2 according to this embodiment.
- Figure 6 is an example of an exploded perspective view showing the configuration of the cathode unit 10, the cathode protector 70, and the focusing electrode 20 according to this embodiment.
- the up-down direction in Figures 5 and 6 is opposite to that in other figures such as Figure 4. Therefore, only when referring to Figures 5 and 6, the direction of the Z axis is also referred to as the upward direction.
- the direction opposite to the direction of the Z axis is also referred to as the downward direction.
- the positive side of the direction of the Z axis is also referred to as the upper side, and the negative side of the direction of the Z axis is also referred to as the lower side.
- the focusing electrode 20 includes a fitting portion 21 , a converging portion 22 , and a housing portion 23 .
- the insulator base 104 fits into the fitting portion 21 from above and below. In Fig. 6, the fitting portion 21 is provided below the focusing electrode 20.
- the fitting portion 21 has a shape that allows the cathode unit 10 to be inserted from below.
- the insulator base 104 fits into the fitting portion 21, and the cathode 101 and the filament power supply portion 102 are inserted inside the focusing electrode 20. Note that the insulator base 104 is covered by the fitting portion 21 when fitted into the fitting portion 21.
- the converging portion 22 has a curved surface for converging the thermoelectrons emitted from the cathode 101.
- the curved surface is provided in a portion of the focusing electrode 20 that faces the fitting portion 21 in the up-down direction. In FIG. 6, the curved surface is provided on the upper side of the focusing electrode 20.
- the storage section 23 is provided between the fitting section 21 and the converging section 22 in the vertical direction.
- the storage section 23 stores the cathode protector 70.
- the cathode protector 70 consists of protector member 701-1 and protector member 701-2.
- Protector member 701-1 and protector member 701-2 face each other.
- Protector member 701-1 and protector member 701-2 are inserted into storage section 23 from the side (depth direction in FIG. 6) while facing each other. After being stored in storage section 23, protector member 701-1 and protector member 701-2 are fixed in contact with each other by inserting screws 703-1 and 703-2.
- the cathode protector 70 has a groove 702 that surrounds the power supply path 103 of the filament power supply unit 102 without contact.
- protector member 701-1 has groove 702-1 as the groove in question.
- Protector member 701-2 has groove 702-2 as the groove in question.
- the cathode protector 70 surrounds the power supply path 103 of the filament power supply unit 102 without contact by sandwiching the power supply path 103 of the filament power supply unit 102 between protector member 701-1 and protector member 701-2.
- the insulator base 104 when the insulator base 104 is engaged with the engagement portion 21, the side and bottom surfaces of the cathode 101 are covered by the focusing electrode 20. As a result, the insulator base 104 and other electrodes cannot be seen from the side and bottom surfaces of the cathode 101.
- the cathode protector 70 blocks the path of electrons from the extraction electrode 30 to the power supply path 103 when the extraction electrode 30 is controlled to reduce the amount of the electron beam EB1.
- the cathode protector 70 also blocks the path of electrons from the extraction electrode 30 to the insulator base 104 when the extraction electrode 30 is controlled to reduce the amount of the electron beam EB1.
- the electron light source device includes the filament power supply unit 102, the extraction electrode 30, and the cathode protector 70.
- the filament power supply unit 102 has a power supply path 103 extending from an insulator base 104, and is a member for applying a voltage to the cathode 101 that emits the electron beam EB1.
- the extraction electrode 30 controls the amount of the electron beam EB 1 from the cathode 101 .
- the cathode protector 70 blocks the path of electrons from the extraction electrode 30 to the power supply path 103 when the extraction electrode 30 is controlled to reduce the amount of the electron beam EB1.
- the electron light source device (electron gun 2 in this embodiment) can prevent electrons emitted from the side and bottom surfaces of the cathode 101 from colliding with insulators and other electrodes. It can also prevent creeping and spatial discharges and electrode response delays that occur when the electrons collide with insulators and other electrodes.
- the trajectory of the electron beam may become distorted during the rise process, causing it to collide with the output aperture.
- the reflected electrons or secondary electrons generated by the electron beam colliding with the aperture are trapped in the magnetic field of the magnetic lens in the previous stage (cathode side) and form an electron cloud.
- an electron cloud is formed, it has the effect of dispersing the subsequent electron beam and encouraging the beam to collide with the output aperture.
- FIG. 7 is a diagram showing an example of the configuration of the aperture angle adjustment/differential pumping mechanism 4 according to this embodiment.
- FIG. 7 shows the configuration of the electron lens barrel 1 shown in FIGS. 1 and 2 that is necessary for explaining the aperture angle adjustment/differential pumping mechanism 4.
- the aperture angle adjustment/differential pumping mechanism 4 comprises an extraction electrode 30, a changing electrode 40, a shield electrode 50, an anode 60, an orifice 80, a beam deflector 90, a controller 190, and a high voltage control unit 200.
- the high voltage control unit 200 comprises an extraction electrode control circuit 210, a changing electrode control amplifier 220, and a shield electrode control amplifier 230.
- the beam deflector 90 comprises a first air core coil 91 and a second air core coil 92.
- the aperture angle of the electron beam EB1 extracted by the voltage applied to the extraction electrode 30 varies depending on the beam current. Therefore, the aperture angle of the electron beam EB1 is adjusted so that the electron beam EB1 does not collide with the orifice 80 arranged on the target side of the electron gun output section (cathode unit 10, focusing electrode 20, extraction electrode 30, deflection electrode 40, and shield electrode 50) and on the cathode side of the focusing lens 110.
- the aperture angle is adjusted by the lens effect caused by applying voltages to the deflection electrode 40 and the shield electrode 50 arranged on the target side of the extraction electrode 30.
- the extraction electrode control amplifier 211 provided in the extraction electrode control circuit 210 applies a voltage to the extraction electrode 30 based on the electron beam command I that specifies the amount of the electron beam EB1.
- the modifying electrode control amplifier 220 and the shield electrode control amplifier 230 each need to follow the modulation speed of the beam current of the electron beam EB1 by the extraction electrode control circuit 210. For this reason, the modifying electrode control amplifier 220 and the shield electrode control amplifier 230 each need to be a high-speed, high-voltage amplifier that follows the modulation speed of the beam current.
- the modified electrode voltage command G transmitted from the modified electrode control amplifier 220 to the modified electrode 40 is determined depending on the electron beam command I transmitted from the controller 190 to the extraction electrode 30. Therefore, the modified electrode control amplifier 220 applies a voltage to the modified electrode 40 based on the electron beam command I.
- the timing of changing the voltage applied to the extraction electrode 30 by the extraction electrode control amplifier 211 is equal to the timing of changing the voltage applied to the modified electrode 40 by the modification electrode control amplifier 220.
- the speed of changing the voltage applied to the extraction electrode 30 by the extraction electrode control amplifier 211 is equal to the speed of changing the voltage applied to the modified electrode 40 by the modification electrode control amplifier 220.
- the modification electrode control amplifier 220 applies a voltage to the modification electrode 40 to adjust the divergence of the electron beam EB1 passing through the modification electrode 40 according to the magnitude of the beam current of the electron beam EB1.
- the shield electrode voltage command S sent from the shield electrode control amplifier 230 to the shield electrode 50 is determined depending on the electron beam command I. Therefore, the shield electrode control amplifier 230 applies a voltage to the shield electrode 50 based on a voltage command based on the electron beam command I.
- the inner diameter and length of the orifice 80 are determined based on the passage conditions and the differential pumping conditions.
- the passing condition is a condition that the electron beam EB1 whose opening angle has been adjusted by the changing electrode 40 and the shield electrode 50 can completely pass through the inside of the orifice 80.
- the passing condition may also be a condition that the electron beam EB1 whose opening angle has been adjusted by the changing electrode 40 can pass through the inside of the orifice 80.
- Differential pumping conditions are conditions that allow differential pumping so that the electron gun chamber reaches the required vacuum level. Therefore, the inner diameter and length of the orifice 80, along with the passage conditions, are determined based on the conductance that allows differential pumping so that the space in which the cathode 101 is located (the electron gun chamber) reaches a predetermined vacuum level.
- the inner diameter of the orifice 80 determined based on the above passage conditions and differential pumping conditions is larger than that of the conventional orifice, and the length is longer than that of the conventional orifice. Therefore, in the electron lens barrel 1, the spread of the electron beam EB1 is controlled by the deflection electrode 40, which functions as an electrostatic lens having a sufficient focusing power.
- the inner diameter and length of the orifice 80 may be determined based on at least the passage conditions.
- the controller 190 also adjusts the deflection field of the beam deflector 90.
- an inclination of the electron beam EB1 may occur due to an error in the installation position of the extraction electrode 30, etc.
- the controller 190 adjusts the deflection field of the beam deflector 90 so that the electron beam EB1 does not collide with the inside of the orifice 80.
- Figs. 8 and 9 are each a diagram showing an example of the spread of the electron beam in a conventional electron gun 2a.
- Fig. 8 shows an example when the beam current of the electron beam is large.
- Fig. 9 shows an example when the beam current of the electron beam is small.
- Fig. 10 is a diagram showing an example of the spread of the electron beam in the electron gun 2 according to this embodiment.
- the electron gun 2a includes five electrodes: a cathode 101a, a focusing electrode 20a, an extraction electrode 30a, a shield electrode 50a, and an anode 60a.
- the focusing lens L1a shows the lens effect produced by the focusing electrode 20a.
- the extraction electrode lens L2a shows the lens effect produced by the extraction electrode 30a.
- the extraction electrode/base lens L3a shows the lens effect produced by the extraction electrode 30a and the shield electrode 50a.
- the base/anode lens L4a shows the lens effect produced by the shield electrode 50a and the anode 60a.
- electron gun 2a When the beam current is large, electron gun 2a generates space charge divergence lens SL1a, space charge divergence lens SL2a, and space charge divergence lens SL3a. On the other hand, when the beam current is small, electron gun 2a generates space charge divergence lens SL1b, space charge divergence lens SL2b, and space charge divergence lens SL3b.
- the lens effect of the electrodes changes depending on the beam current.
- the effect of the space charge divergence lens SL3b shown in FIG. 9 is smaller than the effect of the space charge divergence lens SL3a shown in FIG. 8 because the current density of electron beam EB1b is lower than that of electron beam EB1a.
- the lens effect of the electrodes exceeds the space charge effect.
- electron beam EB1b follows a diverging trajectory after forming a crossover.
- the electron gun 2 includes six electrodes: a cathode 101 , a focusing electrode 20 , an extraction electrode 30 , a deflection electrode 40 , a shield electrode 50 , and an anode 60 .
- the focusing lens L1 shows a lens effect produced by the focusing electrode 20.
- the extraction electrode lens L2 shows a lens effect produced by the extraction electrode 30.
- the deflection electrode lens L3 shows a lens effect produced by the extraction electrode 30, the deflection electrode 40, and the shield electrode 50.
- the base-anode lens L4 shows a lens effect produced by the shield electrode 50 and the anode 60.
- the lens principal plane and focal length can be directly controlled by the deflection electrode 40. Therefore, in the electron gun 2, even if the beam current is small, the electron beam EB1 can be controlled to suppress its spread.
- the electron gun according to this embodiment includes the extraction electrode 30, the anode 60, the modifying electrode 40, an extraction electrode control amplifier (in this embodiment, the extraction electrode control amplifier 211 provided in the extraction electrode control circuit 210), and the modifying electrode control amplifier 220.
- the extraction electrode 30 controls the amount of the electron beam EB 1 emitted from the cathode 101 .
- the anode 60 accelerates the electron beam EB 1 emitted from the cathode 101 .
- the changing electrode 40 is provided between the extraction electrode 30 and the anode 60, and changes the aperture angle of the electron beam EB1 passing therethrough.
- An extraction electrode control amplifier (in this embodiment, an extraction electrode control amplifier 211 provided in the extraction electrode control circuit 210) applies a voltage to the extraction electrode 30 based on an electron beam command I that specifies the amount of the electron beam EB1.
- the modifying electrode control amplifier 220 applies a voltage to the modifying electrode 40 based on the electron beam command I.
- the electron gun according to this embodiment (in this embodiment, the opening angle adjustment/differential pumping mechanism 4) can change the opening angle of the electron beam EB1 by applying a voltage to the changing electrode 40 based on the amount of the electron beam EB1, thereby preventing delays in the beam settling time.
- the inner diameter and length of the orifice 80 are determined based on the passage conditions as well as the conductance that enables differential pumping so that the space in which the cathode 101 is located reaches a predetermined degree of vacuum.
- the electron gun according to this embodiment (in this embodiment, the opening angle adjustment/differential pumping mechanism 4) can perform differential pumping while satisfying the passage condition that the electron beam EB1, whose opening angle has been adjusted by the changing electrode 40, can pass through the inside of the orifice 80, thereby extending the life of the electron gun.
- the voltage of the extraction electrode 30 is set to a voltage corresponding to the desired value.
- the emission direction of the electron beam EB1 changes due to an installation error between the cathode 101 and the extraction electrode 30. Due to this change, the electron beam EB1 is incident on the focusing lens 110 with a deviation in the emission angle and a deviation in the optical axis. As a result, off-axis aberration and a deviation in the beam irradiation position due to the change in beam current may occur on the melt surface.
- the challenge is to correct the shift in the emission angle of the electron beam EB1 and the optical axis shift in synchronization with the change in the beam current.
- FIG. 11 is a diagram showing an example of the configuration of the high-speed beam alignment system 5 according to this embodiment.
- FIG. 11 shows the configuration of the electron barrel 1 shown in FIGS. 1 and 2 that is necessary for explaining the high-speed beam alignment system 5.
- the high-speed beam alignment system 5 includes an extraction electrode 30, a first beam deflector 130, a second beam deflector 150, a first aperture 140, a second aperture 160, a focusing lens unit 100, a beam measurement sensor 180, a controller 190, an extraction electrode control circuit 210, a first deflector control amplifier 300, and a second deflector control amplifier 310.
- the focusing lens unit 100 includes a focusing lens 110 and an adjustment lens 120.
- the emission angle of electron beam EB1 and its position relative to optical axis AX1 change depending on the beam current of electron beam EB1 extracted by extraction electrode 30.
- the position relative to optical axis AX1 refers to the position in the direction perpendicular to optical axis AX1 (depth direction and left-right direction).
- the deviation of the position of electron beam EB1 relative to optical axis AX1 is sometimes referred to as optical axis deviation.
- beam trajectory T1 indicates the trajectory of electron beam EB1.
- the portion of beam trajectory T1 from the installation position of first beam deflector 130 to the installation position of second beam deflector 150 is called first trajectory T11.
- the portion of beam trajectory T1 from the installation position of second beam deflector 150 to the installation position of focusing lens unit 100 is called second trajectory T12.
- the first beam deflector 130 is provided between the extraction electrode 30 and the focusing lens 110.
- the first beam deflector 130 deflects the beam trajectory T1.
- the first beam deflector 130 generates a deflection field that directs the beam trajectory T1 (first trajectory T11) toward the center of the second beam deflector 150.
- the second beam deflector 150 is provided between the first beam deflector 130 and the focusing lens 110.
- the second beam deflector 150 deflects the beam trajectory T1 deflected by the first beam deflector 130.
- the second beam deflector 150 generates a deflection field that makes the beam trajectory T1 (second trajectory T12) parallel to the optical axis.
- the extraction electrode control circuit 210 applies a voltage to the extraction electrode 30 based on an electron beam command I that specifies the amount of the electron beam EB1.
- the first deflector control amplifier 300 outputs an excitation current to the first beam deflector 130 based on a voltage command or a current command based on the electron beam command I.
- the first deflector control amplifier 300 controls the first beam deflector 130 so that the beam trajectory T1 (first trajectory T11) from the first beam deflector 130 is directed toward the center of the second beam deflector 150.
- the second deflector control amplifier 310 outputs an excitation current to the second beam deflector 150 based on a voltage command or a current command based on the electron beam command I.
- the second deflector control amplifier 310 controls the second beam deflector 150 so that the beam trajectory T1 (second trajectory T12) from the second beam deflector 150 is aligned along the optical axis AX1 or parallel to the optical axis AX1.
- the first deflector control amplifier 300 and the second deflector control amplifier 310 respectively control the first beam deflector 130 and the second beam deflector 150 so as to maintain the beam trajectory T1 from the second beam deflector 150 constant when the amount of the electron beam EB1 specified by the electron beam command I changes.
- the first deflector control amplifier 300 changes the excitation current output to the first beam deflector 130 so that the trajectory (first trajectory T11) of the electron beam EB1 from the first beam deflector 130 heads toward the center of the second beam deflector 150.
- the second deflector control amplifier 310 changes the excitation current output to the second beam deflector 150 so that the trajectory (second trajectory T12) of the electron beam EB1 from the second beam deflector 150 is along the optical axis AX1 or parallel to the optical axis AX1.
- the emission angle and optical axis deviation of the electron beam EB1 are corrected by the deflection field generated by the first beam deflector 130 and the deflection field generated by the second beam deflector 150. Therefore, the first deflector control amplifier 300 that drives the first beam deflector 130 and the second deflector control amplifier 310 that drives the second beam deflector 150 must each be a high-speed, high-voltage amplifier that tracks the modulation speed of the beam current, or a high-speed current amplifier.
- the first deflection field command DA1 sent from the first deflector control amplifier 300 to the first beam deflector 130 is determined depending on the electron beam command I sent from the controller 190 to the extraction electrode 30.
- the first deflection field command DA1 indicates a control voltage when the first deflector control amplifier 300 is a high-speed, high-voltage amplifier.
- the first deflection field command DA1 indicates a control current when the first deflector control amplifier 300 is a high-speed current amplifier. Therefore, the first deflector control amplifier 300 applies a current or voltage to the first beam deflector 130 based on the electron beam command I.
- the second deflection field command DA2 sent from the second deflector control amplifier 310 to the second beam deflector 150 is determined depending on the electron beam command I.
- the second deflection field command DA2 indicates a control voltage when the second deflector control amplifier 310 is a high-speed, high-voltage amplifier.
- the second deflection field command DA2 indicates a control current when the second deflector control amplifier 310 is a high-speed current amplifier. Therefore, the second deflector control amplifier 310 applies a current or voltage to the second beam deflector 150 based on the electron beam command I.
- the adjustment of the first deflection field command DA1 and the second deflection field command DA2 is performed by a set of the extraction electrode 30, the first beam deflector 130 arranged on the target side of the extraction electrode 30, and the first aperture 140, and a set of the second beam deflector 150 arranged on the target side of the first aperture 140, and the second aperture 160, or a set of the second beam deflector 150, the focusing lens 110 or the adjustment lens 120, and the beam measurement sensor 180.
- a method for adjusting the beam trajectory T1 (a beam trajectory control method) by the first beam deflector 130 and the second beam deflector 150 will be described later.
- the electron gun according to this embodiment includes the extraction electrode 30, the focusing lens section 100, a first deflector (in this embodiment, the first beam deflector 130), a second deflector (in this embodiment, the second beam deflector 150), an extraction electrode control amplifier (in this embodiment, the extraction electrode control circuit 210), a first control section (in this embodiment, the first deflector control amplifier 300), and a second control section (in this embodiment, the second deflector control amplifier 310).
- the extraction electrode 30 controls the amount of the electron beam EB 1 emitted from the cathode 101 .
- the focusing lens unit 100 includes a focusing lens 110 that focuses the electron beam EB1 by a magnetic field.
- the first deflector (in this embodiment, the first beam deflector 130) is provided between the extraction electrode 30 and the focusing lens 110, and deflects the trajectory of the electron beam EB1.
- the second deflector (in this embodiment, the second beam deflector 150) is provided between the first deflector (in this embodiment, the first beam deflector 130) and the focusing lens 110, and deflects the trajectory of the electron beam EB1 deflected by the first deflector (in this embodiment, the first beam deflector 130).
- An extraction electrode control amplifier (in this embodiment, the extraction electrode control circuit 210) applies a voltage to the extraction electrode 30 based on an electron beam command I that specifies the amount of the electron beam EB1.
- the first control unit (in this embodiment, the first deflector control amplifier 300) outputs an excitation current to the first deflector (in this embodiment, the first beam deflector 130) based on a voltage command or a current command (in this embodiment, the first deflection field command DA1) based on the electron beam command I.
- the second control unit (in this embodiment, the second deflector control amplifier 310) outputs an excitation current to the second deflector (in this embodiment, the second beam deflector 150) based on a voltage command or a current command (in this embodiment, the second deflection field command DA2) based on the electron beam command I.
- the first control unit controls the first deflector (in this embodiment, the first beam deflector 130) so that the trajectory of the electron beam EB1 from the first deflector (in this embodiment, the first beam deflector 130) heads toward the center of the second deflector (in this embodiment, the second beam deflector 150).
- the second control unit controls the second deflector (in this embodiment, the second beam deflector 150) so that the trajectory of the electron beam EB1 from the second deflector (in this embodiment, the second beam deflector 150) is along the optical axis or parallel to the optical axis.
- This configuration allows the electron gun of this embodiment (in this embodiment, the high-speed beam alignment system 5) to correct deviations in the emission angle and optical axis of the electron beam EB1 in response to changes in the beam current, thereby suppressing changes in the beam shape.
- An error in the shape or installation position of an electrode such as the extraction electrode 30 may cause the beam trajectory T1 to bend, which may prevent the electron beam EB1 from reaching the modeling surface.
- this error may cause the beam trajectory T1 to deviate significantly from the optical axis AX1, causing the electron beam EB1 to enter the focusing lens 110 and resulting in large aberration.
- the voltage of the electrodes such as the extraction electrode 30 is modulated at high speed, so that the deviation of the beam trajectory T1 (emission angle and optical axis deviation) also changes at high speed.
- the electron beam EB1 from the electron gun 2 is deflected by the first beam deflector 130.
- the electron beam EB1 from the first beam deflector 130 is deflected by the second beam deflector 150.
- the beam current of the electron beam EB1 from the electron gun 2 is changed.
- deflecting by the first beam deflector 130 includes deflecting the electron beam EB1 such that the first trajectory T11 of the electron beam EB1 from the first beam deflector 130 does not change when the beam current changes.
- Deflecting by the second beam deflector 150 includes deflecting the electron beam EB1 such that the second trajectory T12 of the electron beam EB1 from the second beam deflector 150 does not change when the beam current changes.
- the beam trajectory is corrected at high speed using the first beam deflector 130 and the first aperture 140, and the second beam deflector 150 and the second aperture 160.
- the first beam deflector 130 and the second beam deflector 150 can each change the deflection field (magnetic field) at a frequency equivalent to that of the extraction electrode 30, etc.
- the first beam deflector 130 and the second beam deflector 150 are each, for example, an air-core coil.
- the first beam deflector 130 is used to change the beam trajectory T1 to scan the first aperture 140.
- the position where the electron beam EB1 passes through the first aperture 140 in a direction perpendicular to the optical axis AX1 is measured based on the measurement result of the first current sensor 141.
- the center of the first aperture 140 is determined to be the center of the second beam deflector 150.
- the first beam deflector 130 is adjusted so that the first trajectory T11 passes through the center of the second beam deflector 150.
- deflecting by the first beam deflector 130 includes deflecting the electron beam EB1 so that the first trajectory T11 passes through the center of the second beam deflector 150.
- the second beam deflector 150 is used to change the beam trajectory T1 to scan the second aperture 160.
- the position where the electron beam EB1 passes through the second aperture 160 in a direction perpendicular to the optical axis AX1 is measured based on the measurement result of the second current sensor 161.
- the center of the second aperture 160 is determined to be the center of the focusing lens 110.
- the second beam deflector 150 is adjusted so that the second trajectory T12 passes through the center of the focusing lens 110.
- deflection by the second beam deflector 150 includes deflecting the electron beam EB1 so that the second trajectory T12 is along the optical axis of the focusing lens unit 100 or along an axis parallel to the optical axis AX1. This causes the electron beam EB1 from the second beam deflector 150 to be incident on the focusing lens unit 100.
- the focal center is determined.
- the focal center is determined by changing the excitation of the focusing lens 110 or the adjustment lens 120 (wobbling) and determining the excitation current of the second beam deflector 150 at which the irradiation position of the electron beam EB1 on the modeling surface does not change.
- the position of the electron beam via the focusing lens unit 100 on the plane intersecting with the optical axis AX1 is measured as the focal center.
- the irradiation position of the electron beam EB1 on the modeling surface is measured by the beam measurement sensor 180.
- the electron beam trajectory control method includes deflecting the electron beam EB1 from the electron light source unit (in this embodiment, the electron gun 2) by the first beam deflector 130, deflecting the electron beam EB1 from the first beam deflector 130 by the second beam deflector 150, and changing the beam current of the electron beam EB1 from the electron light source unit.
- Deflecting by the first beam deflector 130 includes deflecting the electron beam EB1 such that the position of the first trajectory of the electron beam EB1 from the first beam deflector 130 at the center of the second beam deflector 150 does not change when the beam current of the electron beam EB1 changes.
- Deflecting by the second beam deflector 150 includes deflecting the electron beam EB1 such that the second trajectory of the electron beam EB1 from the second beam deflector 150 does not change when the beam current of the electron beam EB1 changes.
- the electron beam trajectory control method can correct deviations in the emission angle and optical axis of the electron beam EB1 in response to changes in the beam current, thereby suppressing changes in the beam shape.
- FIG. 12 is a diagram showing an example of the configuration of the high-speed beam modulation mechanism 6 according to this embodiment.
- FIG. 12 shows the configuration of the electron tube 1 shown in FIGS. 1 and 2 that is necessary for explaining the high-speed beam modulation mechanism 6.
- the high-speed beam modulation mechanism 6 includes an extraction electrode 30, a changing electrode 40, a shield electrode 50, an adjustment lens 120, a deflector 170, a first beam deflector 130, a first aperture 140, a second beam deflector 150, a second aperture 160, a focusing lens 110, a beam measurement sensor 180, a controller 190, a high-voltage control unit 200, a focusing lens section control amplifier 320, and a deflector control amplifier 330.
- the high-voltage control unit 200 includes an extraction electrode control circuit 210, a changing electrode control amplifier 220, and a shield electrode control amplifier 230.
- the light source characteristics of the electron gun 2 which change depending on the beam current extracted by the extraction electrode 30, are adjusted to appropriate values.
- a conversion electrode 40 and a shield electrode 50 are placed on the target side of the extraction electrode 30 and on the cathode side of the focusing lens 110.
- the main lens power as a focusing lens is provided by the focusing lens 110. Meanwhile, the final focusing of the electron beam EB1 is determined by correction by the adjustment lens 120 arranged inside the focusing lens 110.
- the adjustment lens 120 performs correction to focus the electron beam EB1, as well as correction of defocus that depends on the amount of deflection by the deflector 170.
- the deflector 170 is arranged on the target side of the adjustment lens 120.
- the modified electrode voltage command G sent from the modified electrode control amplifier 220 to the modified electrode 40 is determined depending on the electron beam command I sent from the controller 190 to the extraction electrode 30. Therefore, the modified electrode control amplifier 220 applies a voltage to the modified electrode 40 based on the electron beam command I.
- the shield electrode voltage command S sent from the shield electrode control amplifier 230 to the shield electrode 50 is determined depending on the electron beam command I. Therefore, the shield electrode control amplifier 230 applies a voltage to the shield electrode 50 based on a voltage command based on the electron beam command I.
- the adjustment lens control command C sent from the focusing lens unit control amplifier 320 to the adjustment lens 120 is determined depending on the electron beam command I, the beam deflection command D, and the beam diameter command F. Therefore, the focusing lens unit control amplifier 320 controls the focusing lens unit 100 based on a voltage command or a current command based on the electron beam command I, the beam deflection command D, and the beam diameter command F.
- the focusing lens unit control amplifier 320 only needs to apply a current or a voltage to the focusing lens unit 100 based on at least the electron beam command I, or the electron beam command I and the beam deflection command D.
- the focusing lens unit control amplifier 320 applies a current or a voltage to the adjustment lens 120.
- the deflector control amplifier 330 outputs a current to the deflector 170 based on the beam deflection command D.
- the first beam deflector 130 or the second beam deflector 150 may be used as an astigmatism corrector.
- the first deflection field command DA1 sent from the first deflector control amplifier 300 (not shown in FIG. 12) to the first beam deflector 130, or the second deflection field command DA2 sent from the second deflector control amplifier 310 (not shown in FIG. 12) to the second beam deflector 150 is determined depending on the electron beam command I, the beam deflection command D, and the beam diameter command F, similar to the adjustment lens control command C.
- the adjustment of the modified electrode voltage command G and the shield electrode voltage command S is performed by the extraction electrode 30, modified electrode 40, shield electrode 50, and a set of a first beam deflector 130 and a first aperture 140 arranged on the target side of the shield electrode 50, and a set of a second beam deflector 150 and a second aperture 160 arranged on the target side of the first aperture 140.
- the adjustment lens control command C is adjusted by the extraction electrode 30, the change electrode 40, the shield electrode 50, the deflector 170, and the beam measurement sensor 180.
- the beam measurement sensor 180 is disposed on the target side of the deflector 170 and has an opening on the melt surface.
- These modified electrode voltage command G, shield electrode voltage command S, and adjustment lens control command C are adjusted by measuring the light source characteristics of the electron gun 2, which change depending on the beam current, inside the lens barrel 3.
- the electron gun according to this embodiment comprises the extraction electrode 30, the anode 60, the modifying electrode 40, an extraction electrode control amplifier (in this embodiment, the extraction electrode control amplifier 211 provided in the extraction electrode control circuit 210), and the modifying electrode control amplifier 220.
- the extraction electrode 30 controls the amount of the electron beam EB 1 emitted from the cathode 101 .
- the anode 60 accelerates the electron beam EB 1 emitted from the cathode 101 .
- the changing electrode 40 is provided between the extraction electrode 30 and the anode 60, and changes the aperture angle of the electron beam EB1 passing therethrough.
- An extraction electrode control amplifier (in this embodiment, an extraction electrode control amplifier 211 provided in the extraction electrode control circuit 210) applies a voltage to the extraction electrode 30 based on an electron beam command that specifies the amount of the electron beam EB1.
- the modifying electrode control amplifier 220 applies a voltage to the modifying electrode 40 based on the electron beam command I.
- the electron gun according to this embodiment (in this embodiment, the high-speed beam modulation mechanism 6) can change the opening angle of the electron beam EB1 by applying a voltage to the changing electrode 40 based on the amount of the electron beam EB1, so that adjustments can be made to obtain the desired beam diameter on the modeling surface even if the beam current is changed.
- the beam diameter (spot diameter) of the electron beam EB1 on the modeling surface needs to be modulated at high speed during modeling. At that time, the beam diameter is adjusted to a desired value using the adjustment lens 120 while the voltages of the extraction electrode 30, the deflection electrode 40, and the shield electrode 50 are fixed at arbitrary values. To ensure accuracy, it is necessary to create a correction function for correcting the excitation by the adjustment lens 120 by measuring the spot diameter on the modeling surface.
- the light source characteristics of the electron gun 2 gradually change during operation, making it necessary to modify the above correction function.
- the voltages of the extraction electrode 30, the change electrode 40, and the shield electrode 50 are changed in order to measure the light source characteristics of the electron gun 2 in real time and obtain the desired performance. Therefore, there is no need to change the excitation by the adjustment lens 120 or the correction function.
- FIG. 13 is a diagram showing an example of an electron beam measurement method according to this embodiment.
- an edge profile is acquired by scanning the first aperture 140 and the second aperture 160.
- the first aperture 140 has a first current sensor 141, and is placed on a first placement plane PZ1 on the target side of the first beam deflector 130.
- the second beam deflector 150 is disposed on the emission side of the first aperture 140.
- the second aperture 160 has a second current sensor 161, and is disposed on a second arrangement plane PZ2 on the target side of the second beam deflector 150.
- the first arrangement plane PZ1 and the second arrangement plane PZ2 are each a plane perpendicular to the optical axis direction.
- the electron beam EB1 from the electron gun 2 is scanned on a first aperture 140 having a first current sensor 141 by changing the deflection angle of the electron beam EB1 using a first beam deflector 130.
- the electron beam EB1 scans the edge of an opening 142 of the first aperture 140.
- the electron beam EB1 from the electron gun 2 is scanned over a second aperture that is disposed on the exit side of the first aperture 140 and has a second current sensor, using the second beam deflector 150.
- the electron beam EB1 scans the edge of an opening 162 of the second aperture 160.
- FIG. 14 shows an example of the output from the current sensor (the first output from the first current sensor 141, or the second output from the second current sensor 161) when the electron beam EB1 is scanned over the aperture.
- FIG. 14 shows the output when the electron beam EB1 is scanned in the X-axis direction (left-right direction).
- the horizontal axis indicates the position of the electron beam EB1 in the X-axis direction.
- the vertical axis indicates the signal strength output from the current sensor. The signal strength indicates the magnitude of the beam current of the electron beam EB1 blocked by the aperture.
- the edge profile EP1 indicates the signal intensity when the electron beam EB1 is scanned in the X-axis direction.
- the line spread function LSF1 is obtained by differentiating the edge profile EP1 with respect to the position in the X-axis direction.
- Region R1 indicates the region in the line spread function LSF1 where the electron content of the electron beam EB1 at a predetermined position in the optical axis direction (the position of the first placement surface PZ1 or the second placement surface PZ2) is a predetermined percentage (50 percent).
- an edge profile is obtained at the position of the first placement surface PZ1.
- an edge profile is obtained at the position of the second placement surface PZ2. In other words, an edge profile is obtained for each of the two positions in the optical axis direction (positions in the Z direction).
- Beam current distribution with an arbitrary electron content ratio is measured for each of the two positions in the optical axis direction using the edge profile.
- the beam current distribution on the first placement plane PZ1 is calculated from a profile signal indicating the magnitude of the first output of the first current sensor 141 for the position on the first placement plane PZ1.
- the beam current distribution on the second placement plane PZ2 is calculated from a profile signal indicating the magnitude of the second output of the second current sensor 161 for the position on the second placement plane PZ2.
- the first output from the first current sensor 141 is used to measure the beam current distribution of the electron beam EB1 on the first placement surface PZ1.
- the second output from the second current sensor 161 is used to measure the beam current distribution of the electron beam EB1 on the second placement surface PZ2 of the second aperture 160.
- the source size and aperture angle of the electron beam EB1 from the electron gun 2 are determined based on the beam current distribution measured using the first output of the first current sensor 141 and the beam current distribution measured using the second output of the second current sensor 161.
- FIG. 15 is a diagram showing an example of the measurement of the source size of the electron beam EB1 according to this embodiment.
- FIG. 15 shows the change in beam current distribution with respect to the position in the Z-axis direction.
- the opening angle for the region with an electron content of 30 percent is shown as opening angle W30
- the opening angle for the region with an electron content of 50 percent is shown as opening angle W50
- the opening angle for the region with an electron content of 90 percent is shown as opening angle W90.
- the opening angle for the region with an electron content of 90 percent is shown as the total electron content opening angle DT1.
- the source size SP1 can be obtained by drawing a straight line to connect the beam diameters that have the same electron content at two points.
- the source size of the electron beam EB1 can be measured by projecting the measured beam diameter back onto the electron gun 2.
- the light source size SP1 and the opening angles W30, W50, W90, and DT1 having the desired electron content are calculated using the first profile signal obtained from the first output of the first current sensor 141, the second profile signal obtained from the second output of the second current sensor 161, and information regarding the distance between the first placement surface PZ1 and the second placement surface PZ2.
- the first beam deflector 130 and the second beam deflector 150 can be modulated at high speed, so that the light source characteristics of the electron gun 2 can be measured in real time during modeling.
- FIG. 16 is a diagram showing an example of a method for measuring the spot diameter on the printing surface according to this embodiment.
- FIG. 17 is a diagram showing an example of the configuration of a beam measurement sensor 180 according to this embodiment.
- the beam measurement sensor 180 is installed on the printing surface.
- the beam measurement sensor 180 includes a Faraday cup 181 and a measurement chart 182.
- the diameter of the Faraday cup 181 is equal to the size of the printing range.
- the measurement chart 182 has multiple openings 183 provided in a plane approximately perpendicular to the optical axis AX1.
- the measurement chart 182 is scanned by the deflector 170, and the electron beam EB1 that passes through the opening 183 provided in the measurement chart 182 is detected by the Faraday cup 181. Based on the detection results by the Faraday cup 181, the edge profile is measured and the spot diameter on the modeling surface is calculated.
- the measurement chart 182 is made of a metal (e.g., tungsten) that can withstand the heat of the incident electron beam EB1, and another type of metal (e.g., copper) is attached to the back side.
- the shape of the apertures 183 is octagonal. This is so that the shape of the spot can be measured in each of the X-axis direction, Y-axis direction, and 45-degree rotation direction.
- the width of one aperture 183 and the spacing between adjacent apertures 183 are determined based on the condition that a spot shape of up to 1.5 mm can be correctly estimated. For example, the width of the apertures 183 is 3 mm or more, and the spacing between adjacent apertures 183 is 2.5 mm or more.
- the correction function is calculated based on the relationship between the spot diameter and deflection amount measured by the beam measurement sensor 180 and the excitation by the adjustment lens 120.
- the electron beam measurement method includes scanning the electron beam EB1 from the electron light source unit (electron gun 2 in this embodiment) over the first aperture 140 having a first current sensor 141 using a first beam deflector 130 that can change the deflection angle of the electron beam EB1, measuring a first beam current distribution of the electron beam EB1 on the first placement plane PZ1 of the first aperture 140 using a first output from the first current sensor 141 of the first aperture 140, and scanning the electron beam EB1 from the electron light source unit (electron gun 2 in this embodiment) over the first aperture 140 having a first current sensor 141 using a first output from the first current sensor 141 of the first aperture 140.
- the method includes scanning a second aperture 160, which is disposed on the exit side of the first aperture 140 and has a second current sensor 161, using a changeable second beam deflector 150, measuring a second beam current distribution of the electron beam EB1 on a second placement surface PZ2 of the second aperture 160 using a second output from the second current sensor 161 of the second aperture 160, and determining the light source size and opening angle of the electron beam EB1 from the electron light source unit (electron gun 2 in this embodiment) based on the beam current distribution measured using the first output of the first current sensor 141 and the beam current distribution measured using the second output of the second current sensor 161.
- the electron beam measurement method can control the beam diameter based on the determined light source size and opening angle even when the beam current changes, making it possible to obtain the desired beam diameter on the printing surface.
- the electron lens barrel 1 may include at least one of the configurations of the extraction electrode control circuit 210, the configuration of the focusing electrode 20, the configuration of the aperture angle adjustment/differential exhaust mechanism 4, the high-speed beam alignment system 5, and the configuration of the high-speed beam modulation mechanism 6 described in this embodiment. Therefore, in the configuration of the electron lens barrel 1, the configuration of the extraction electrode control circuit 210, the configuration of the focusing electrode 20, the configuration of the aperture angle adjustment/differential exhaust mechanism 4, the high-speed beam alignment system 5, and the high-speed beam modulation mechanism 6 may each be configured in a manner other than that described in this embodiment. Furthermore, in the electron lens column 1, the electron beam trajectory control method and the electron beam measurement method described in this embodiment do not necessarily have to be used.
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Abstract
Description
本発明は、電子ビーム制御回路、電子銃、電子光源装置、電子ビーム計測方法、及び電子ビーム軌道制御方法に関する。 The present invention relates to an electron beam control circuit, an electron gun, an electron light source device, an electron beam measurement method, and an electron beam trajectory control method.
電子銃として、電子を放出する電子放出面と、電子放出面との間に電場を生じさせ電子放出面から電子を放出させる引出電極と、電子放出面の周囲に電子放出面と同電位の円錐状の電極を配置した、ピアス型電子銃が使用されている(特許文献1)。 The electron gun used is a pierce-type electron gun that has an electron emission surface that emits electrons, an extraction electrode that generates an electric field between the electron emission surface and the electron emission surface to cause electrons to be emitted from the electron emission surface, and a cone-shaped electrode that has the same potential as the electron emission surface and is arranged around the electron emission surface (Patent Document 1).
本発明の一態様は、引出電極を備える電子銃のカソードから放出される電子ビームのオン状態とオフ状態との切替えを引出電極に印加される電圧を制御することによって変更する制御回路であって、前記引出電極に順バイアス電圧を供給するアンプと、前記引出電極に逆バイアス電圧を供給する電源と、前記電子ビームを前記オン状態にするときに前記アンプと前記引出電極とを接続し、前記電子ビームを前記オフ状態にするときに前記電源と前記引出電極とを接続するように切り替えるスイッチ回路と、を備える電子ビーム制御回路である。 One aspect of the present invention is a control circuit that changes the on and off states of an electron beam emitted from a cathode of an electron gun having an extraction electrode by controlling the voltage applied to the extraction electrode, and is an electron beam control circuit that includes an amplifier that supplies a forward bias voltage to the extraction electrode, a power supply that supplies a reverse bias voltage to the extraction electrode, and a switch circuit that connects the amplifier to the extraction electrode when the electron beam is in the on state and switches to connect the power supply to the extraction electrode when the electron beam is in the off state.
本発明の一態様は、カソードから放出される電子ビームの量を制御する引出電極と、前記カソードから放出された前記電子ビームを加速させるアノードと、前記引出電極と前記アノードとの間に設けられ、通過する前記電子ビームの開き角を変える変更電極と、前記電子ビームの量を指定する電子ビーム指令に基づいて、前記引出電極に電圧を印加する引出電極制御アンプと、前記電子ビーム指令に基づいて、前記変更電極に電圧を印加する変更電極制御アンプと、を備える電子銃である。 One aspect of the present invention is an electron gun comprising an extraction electrode that controls the amount of electron beam emitted from a cathode, an anode that accelerates the electron beam emitted from the cathode, a modification electrode that is provided between the extraction electrode and the anode and changes the opening angle of the electron beam passing through it, an extraction electrode control amplifier that applies a voltage to the extraction electrode based on an electron beam command that specifies the amount of the electron beam, and a modification electrode control amplifier that applies a voltage to the modification electrode based on the electron beam command.
本発明の一態様は、絶縁体ベースから延ばされた給電経路を有し、電子ビームを放出するカソードに電圧を印加するためのフィラメント給電部と、前記カソードからの前記電子ビームの量を制御する引出電極と、前記電子ビームの量を減少させるように前記引出電極が制御されるときに、前記引出電極から前記給電経路へ向かう電子の経路を遮断するカソードプロテクタとを備える電子光源装置である。 One aspect of the present invention is an electron light source device having a power supply path extending from an insulator base, comprising a filament power supply unit for applying a voltage to a cathode that emits an electron beam, an extraction electrode for controlling the amount of the electron beam from the cathode, and a cathode protector for blocking the path of electrons from the extraction electrode to the power supply path when the extraction electrode is controlled to reduce the amount of the electron beam.
本発明の一態様は、電子光源部からの電子ビームを、前記電子ビームの偏向角度を変更できる第1ビーム偏向器を用いて、第1電流センサを有する第1アパーチャ上で走査することと、前記第1アパーチャの前記第1電流センサからの第1出力を用いて、前記第1アパーチャの第1配置面における前記電子ビームの第1ビーム電流分布を測定することと、前記電子光源部からの前記電子ビームを、前記第1アパーチャの射出側に配置されて前記電子ビームの偏向角度を変更できる第2ビーム偏向器を用いて、前記第1アパーチャの射出側に配置されて第2電流センサを有する第2アパーチャ上で走査することと、前記第2アパーチャの前記第2電流センサからの第2出力を用いて、前記第2アパーチャの第2配置面における前記電子ビームの第2ビーム電流分布を測定することと、前記第1電流センサの第1出力を用いて測定されるビーム電流分布と、前記第2電流センサの第2出力を用いて測定されるビーム電流分布とに基づいて、前記電子光源部からの前記電子ビームの光源サイズ、及び開き角を求めることとを含む電子ビーム計測方法である。 One aspect of the present invention is an electron beam measurement method that includes: scanning an electron beam from an electron light source unit on a first aperture having a first current sensor using a first beam deflector capable of changing the deflection angle of the electron beam; measuring a first beam current distribution of the electron beam on a first arrangement surface of the first aperture using a first output from the first current sensor of the first aperture; scanning the electron beam from the electron light source unit on a second aperture arranged on the exit side of the first aperture and having a second current sensor using a second beam deflector arranged on the exit side of the first aperture and capable of changing the deflection angle of the electron beam; measuring a second beam current distribution of the electron beam on a second arrangement surface of the second aperture using a second output from the second current sensor of the second aperture; and determining a light source size and an opening angle of the electron beam from the electron light source unit based on the beam current distribution measured using the first output of the first current sensor and the beam current distribution measured using the second output of the second current sensor.
本発明の一態様は、カソードから放出される電子ビームの量を制御する引出電極と、磁場によって前記電子ビームを収束させる集束レンズを含む集束レンズ部と、前記引出電極と前記集束レンズとの間に設けられ、前記電子ビームの軌道を偏向する第1偏向器と、前記第1偏向器と前記集束レンズとの間に設けられ、前記第1偏向器によって偏向された前記電子ビームの軌道を偏向する第2偏向器と、前記電子ビームの量を指定する電子ビーム指令に基づいて、前記引出電極に電圧を印加する引出電極制御アンプと、前記電子ビーム指令に基づく電圧指令または電流指令に基づいて、前記第1偏向器に励磁電流を出力する第1制御部と、前記電子ビーム指令に基づく電圧指令または電流指令に基づいて、前記第2偏向器に励磁電流を出力する第2制御部と、を備え、前記第1制御部は、前記第1偏向器からの前記電子ビームの軌道が前記第2偏向器の中心に向かうように前記第1偏向器を制御し、前記第2制御部は、前記第2偏向器からの前記電子ビームの軌道が光軸に沿うように、または前記光軸と平行となるように前記第2偏向器を制御する電子銃である。 One aspect of the present invention is a laser scanning electron microscope comprising an extraction electrode for controlling the amount of an electron beam emitted from a cathode, a focusing lens unit including a focusing lens for converging the electron beam by a magnetic field, a first deflector provided between the extraction electrode and the focusing lens for deflecting the trajectory of the electron beam, a second deflector provided between the first deflector and the focusing lens for deflecting the trajectory of the electron beam deflected by the first deflector, an extraction electrode control amplifier for applying a voltage to the extraction electrode based on an electron beam command that specifies the amount of the electron beam, and a focusing lens unit for focusing the electron beam. The electron gun includes a first control unit that outputs an excitation current to the first deflector based on a voltage command or a current command based on an electron beam command, and a second control unit that outputs an excitation current to the second deflector based on a voltage command or a current command based on the electron beam command, where the first control unit controls the first deflector so that the trajectory of the electron beam from the first deflector is directed toward the center of the second deflector, and the second control unit controls the second deflector so that the trajectory of the electron beam from the second deflector is along the optical axis or parallel to the optical axis.
本発明の一態様は、電子光源部からの電子ビームを第1ビーム偏向器によって偏向することと、前記第1ビーム偏向器からの電子ビームを第2ビーム偏向器によって偏向することと、前記電子光源部からの前記電子ビームのビーム電流を変化させることとを含み、前記第1ビーム偏向器によって偏向することは、前記ビーム電流が変化したときに前記第1ビーム偏向器からの前記電子ビームの第1軌道が変化しないように前記電子ビームを偏向することを含み、前記第2ビーム偏向器によって偏向することは、前記ビーム電流が変化したときに前記第2ビーム偏向器からの前記電子ビームの第2軌道が変化しないように前記電子ビームを偏向することを含む電子ビーム軌道制御方法である。 One aspect of the present invention is an electron beam trajectory control method that includes deflecting an electron beam from an electron light source unit with a first beam deflector, deflecting the electron beam from the first beam deflector with a second beam deflector, and changing the beam current of the electron beam from the electron light source unit, where the deflecting with the first beam deflector includes deflecting the electron beam such that a first trajectory of the electron beam from the first beam deflector does not change when the beam current changes, and the deflecting with the second beam deflector includes deflecting the electron beam such that a second trajectory of the electron beam from the second beam deflector does not change when the beam current changes.
(実施形態)
以下、図面を参照しながら実施形態について詳しく説明する。
[電子鏡筒1の構成]
図1及び図2を参照し、本実施形態に係る電子鏡筒1の構成について説明する。電子鏡筒1は、電子銃2と、レンズ鏡筒部3とを備える。図1は、本実施形態に係る電子銃2の構成の一例を示す断面図である。図2は、本実施形態に係るレンズ鏡筒部3の構成の一例を示す断面図である。
(Embodiment)
Hereinafter, the embodiments will be described in detail with reference to the drawings.
[Configuration of the electron lens barrel 1]
The configuration of an
なお、図面には、説明の便宜上、三次元直交座標系であるXYZ直交座標系を示してある。当該XYZ直交座標系において、Z軸の向きは、鉛直下向きである。以下の説明において、Z軸に平行な方向を上下方向ともいう。Z軸の向きを下向きともいう。Z軸の向きと逆の向きを上向きともいう。Z軸の方向の正の側を下側ともいい、Z軸の方向の負の側を上側ともいう。
また、Z軸に平行な方向を光軸方向ともいう。Z軸の方向の正の側をターゲット側ともいい、Z軸の方向の負の側をカソード側ともいう。
Y軸に平行な方向を奥行方向ともいう。Y軸の方向の正の側を手前側ともいい、Y軸の方向の負の側を奥側ともいう。X軸に平行な方向を左右方向ともいう。X軸の方向の正の側を右側ともいい、X軸の方向の負の側を左側ともいう。
For ease of explanation, the drawings show an XYZ Cartesian coordinate system, which is a three-dimensional Cartesian coordinate system. In the XYZ Cartesian coordinate system, the direction of the Z axis is vertically downward. In the following explanation, the direction parallel to the Z axis is also referred to as the up-down direction. The direction of the Z axis is also referred to as the downward direction. The direction opposite to the direction of the Z axis is also referred to as the upward direction. The positive side of the direction of the Z axis is also referred to as the downward side, and the negative side of the direction of the Z axis is also referred to as the upward side.
The direction parallel to the Z axis is also referred to as the optical axis direction. The positive side of the Z axis is also referred to as the target side, and the negative side of the Z axis is also referred to as the cathode side.
The direction parallel to the Y-axis is also called the depth direction. The positive side of the Y-axis is also called the front side, and the negative side of the Y-axis is also called the back side. The direction parallel to the X-axis is also called the left-right direction. The positive side of the X-axis is also called the right side, and the negative side of the X-axis is also called the left side.
電子銃2は、カソードユニット10と、フォーカシング電極20と、引出電極30と、変更電極40と、シールド電極50と、アノード60と、カソードプロテクタ70と、高電圧制御ユニット200とを備える。カソードユニット10、フォーカシング電極20、引出電極30、変更電極40、及びカソードプロテクタ70は、シールド電極50の内部に備えられている。シールド電極50は、電子銃2の筐体の一部を構成している。
The
カソードユニット10、フォーカシング電極20、引出電極30、変更電極40、シールド電極50、及びアノード60は、光軸AX1に沿って配置されている。光軸AX1は、中心軸であるZ方向に延びている。
The
カソードユニット10、フォーカシング電極20、引出電極30、変更電極40、シールド電極50、アノード60、及びカソードプロテクタ70は、いずれもその光軸AX1に近い部分は、光軸AX1に対して回転対称な形状を有している。
The
カソードユニット10、フォーカシング電極20、引出電極30、及び変更電極40はそれぞれ、電気的に絶縁されてシールド電極50に保持されている。カソードユニット10は、カソードプロテクタ70に収納されて、周囲から電気的に絶縁される。カソードプロテクタ70は、フォーカシング電極20に囲まれている。
The
カソードユニット10は、カソード101と、フィラメント給電部102と、絶縁体ベース104とを備える。
フィラメント給電部102は、カソード101に電圧を印加する。フィラメント給電部102は、加熱用電源からの電流を流す給電経路103を有する。給電経路103は、絶縁体ベース104から延ばされている。カソード101は、フィラメント給電部102によって電圧を印加されることによって電子ビームを放出する。カソード101が放出する電子ビームとは、給電経路103からの加熱によってカソード101から放出される熱電子の流れである。
The
The
引出電極30は、カソード101から放出される電子ビームEB1の量を制御する。引出電極30は、高電圧制御ユニット200より印加された制御電圧により熱電子の量(電子ビームEB1の電流の大きさ)を制御する。
The
フォーカシング電極20は、引出電極30によって引き出された熱電子が引出電極30を通過するように集束させる。フォーカシング電極20は、カソード101から電子ビームEB1が放出される方向に沿った軸(つまり、光軸AX1)を囲むように設けられる。ここでフォーカシング電極20は、電気絶縁性を維持したまま給電経路103を含むように包含固定する構造を有する。本実施形態では、当該構造は、フォーカシング電極20の内部にカソードプロテクタ70が収納されることによって実現される。フォーカシング電極20の構成の詳細については後述する。
The focusing
アノード60は、カソード101から放出された電子ビームEB1を加速させる。ここでアノード60は、フォーカシング電極20によって集束された電子ビームEB1を所望の速度まで加速させる。
The
変更電極40は、引出電極30とアノード60との間に設けられる。変更電極40は、通過する電子ビームEB1の開き角を変える。つまり、変更電極40は、通過する電子ビームEB1を集束させる。
The
オリフィス80は、アノード60の射出側に設けられる。オリフィス80は、アノード60が有する開口を通過した電子ビームEB1が通過するように設けられる。オリフィス80は、電子銃2と電子銃2の下部の領域であるレンズ鏡筒部3との真空度に差をつける。オリフィス80の長さは、従来の電子鏡筒に設けられるオリフィスに比べ長い。オリフィス80の内径及び長さは、後述する条件(通過条件、及び差動排気条件)に基づいて決められている。
The
シールド電極50は、カソード101、フォーカシング電極20、引出電極30、及び変更電極40それぞれからの放電を防ぐように、シールド電極50の内部と外部の電場をシールドする。上述したように、シールド電極50は電子銃2の筐体の一部を構成し、フォーカシング電極20、引出電極30、及び変更電極40は、シールド電極50の内部に配置される。なお、シールド電極50は、変更電極40とアノード60との間に少なくとも一部が設けられていればよい。
シールド電極50は、電子ビームEB1が通過する開口を有し電子ビームEB1を収束させる。これによって、シールド電極50は、電子ビームの出力形状を調整する。
The
The
制御器190は、高電圧制御ユニット200を制御する。
高電圧制御ユニット200は、引出電極制御回路210と、変更電極制御アンプ220と、シールド電極制御アンプ230とを備える。
The
The high
制御器190は、電子ビーム指令Iを引出電極制御回路210に送信する。電子ビーム指令Iは、電子ビームEB1のビーム電流の大きさを示す。引出電極制御回路210は、電子ビーム指令Iに基づいて引出電極30に制御電圧を供給する。
The
引出電極制御回路210は、電子ビームEB1のオン状態とオフ状態との切替えを引出電極30に印加される電圧を制御することによって変更する制御回路である。引出電極制御回路210は、MOSFETスイッチ、及び高速高電圧アンプを有する。MOSFETスイッチは、電子ビームEB1のオン状態とオフ状態との切替えを行うため、順バイアス電圧と逆バイアス電圧との制御電圧を切り替える。高速高電圧アンプは、電子ビームEB1の大きさを変化できるよう順バイアスの制御電圧を引出電極30に供給する。引出電極制御回路210の構成の詳細については後述する。
なお、以下の説明では、電子ビームEB1のオン状態とオフ状態との切り替えを、オン/オフ切り替えという場合がある。
The extraction
In the following description, switching between the on and off states of the electron beam EB1 may be referred to as on/off switching.
制御器190は、変更電極電圧指令Gを変更電極制御アンプ220に送信する。変更電極電圧指令Gは、変更電極40を高速かつ高電圧で制御するための制御電圧を示す。変更電極制御アンプ220は、変更電極電圧指令Gに基づいて変更電極40に制御電圧を供給する。
The
制御器190は、シールド電極電圧指令Sをシールド電極制御アンプ230に送信する。シールド電極電圧指令Sは、シールド電極50を高速かつ高電圧で制御するための制御電圧を示す。シールド電極制御アンプ230は、シールド電極電圧指令Sに基づいてシールド電極50に制御電圧を供給する。
The
ビーム偏向器90は、オリフィス80の周囲に設けられる。ビーム偏向器90は、オリフィス80を通過する電子ビームEB1の方向を変更する偏向場を発生させる。これによってビーム偏向器90は、電子ビームEB1がオリフィス80内部に当たらない様にビーム軌道を変化させる。ビーム偏向器90は、高周波数のもとで磁場を変化させるために空芯コイルであってもよい。本実施形態では、一例として、ビーム偏向器90は、第1空芯コイル91と第2空芯コイル92とを備える。
The
図2を参照し、電子鏡筒1の構成の説明を続ける。
レンズ鏡筒部3は、集束レンズ部100と、第1ビーム偏向器130と、第1アパーチャ140と、第2ビーム偏向器150と、第2アパーチャ160と、ディフレクタ170と、ビーム計測センサ180と、制御器190と、第1偏向器制御アンプ300と、第2偏向器制御アンプ310と、集束レンズ部制御アンプ320と、ディフレクタ制御アンプ330とを備える。なお、制御器190は、電子銃2と、レンズ鏡筒部3とに共通して備えられる。レンズ鏡筒部3は筐体の内部に備えられているが、図2では当該筐体については示されていない。
The description of the configuration of the
The
集束レンズ部100は、変更電極40を通過した電子ビームEB1を集束させる。集束レンズ部100は、集束レンズ110と、調整レンズ120とを備える。
集束レンズ110は、磁場によって電子ビームEB1を収束させる。集束レンズ110は、ターゲットへの照射位置において電子ビームEB1を集束させるための対物レンズである。
調整レンズ120は、集束レンズ110による電子ビームEB1の収束度を磁場によって変更する。調整レンズ120は、ターゲットへの照射位置において電子ビームEB1のビーム径を調節するための静電式または磁気式のダイナミックレンズである。
The focusing
The focusing
The adjusting
第1ビーム偏向器130は、引出電極30と集束レンズ110との間に設けられる。第1ビーム偏向器130は、電子ビームEB1の軌道を偏向する。つまり、第1ビーム偏向器130は、電子ビームEB1の偏向角度を変更できる。第2ビーム偏向器150は、第1ビーム偏向器130と集束レンズ110との間に設けられる。第2ビーム偏向器150は、第1ビーム偏向器130によって偏向された電子ビームEB1の軌道を偏向する。つまり、第2ビーム偏向器150は、電子ビームEB1の偏向角度を変更できる。
The
第1ビーム偏向器130及び第2ビーム偏向器150はそれぞれ、電子ビームEB1のビーム電流に応じて変化するビームの軸ずれとチルトを補正する偏向場を発生する。第1ビーム偏向器130及び第2ビーム偏向器150はそれぞれ、例えば、4極または8極の磁気式、もしくは静電式の偏向器である。
The
第1アパーチャ140は、第1ビーム偏向器130によって偏向された電子ビームEB1が通過する。第1アパーチャ140は、第1電流センサ141を備える。第1電流センサ141は、第1アパーチャ140に衝突した電子ビームEB1のビーム電流の大きさを測定する。
The
第2アパーチャ160は、第1アパーチャ140を通過し、第2ビーム偏向器150によって偏向された電子ビームEB1が通過する。第2アパーチャ160は、第2電流センサ161を備える。第2電流センサ161は、第2アパーチャ160に衝突した電子ビームEB1のビーム電流の大きさを測定する。
The
この構成によって、第1アパーチャ140、及び第2アパーチャ160はそれぞれ、電子ビームEB1のビーム電流に応じて変化するビーム径、発散角、軸ずれ、及びチルトの量を電流センサによって計測する。
With this configuration, the
ディフレクタ170は、集束レンズ部100よりもターゲット側に設けられる。ディフレクタ170は、集束レンズ部100によって収束された電子ビームEB1を偏向させる。ディフレクタ170は、ターゲットへの照射位置において電子ビームEB1のビーム位置(左右方向、及び奥行方向の位置)を決める偏向場を発生する4極または8極の磁気式、もしくは静電式の偏向器である。
ビーム計測センサ180は、ターゲットへの照射位置において電子ビームEB1のビーム径(スポット径ともいう)を測定する。ビーム計測センサ180は、例えば、ファラデーカップ、及び測定用チャートを備える。
制御器190は、第1偏向器制御アンプ300と、第2偏向器制御アンプ310と、集束レンズ部制御アンプ320と、ディフレクタ制御アンプ330とをそれぞれ制御する。
The
制御器190は、第1偏向場指令DA1を第1偏向器制御アンプ300に送信する。第1偏向場指令DA1は、第1ビーム偏向器130を高速で制御するための指令である。第1偏向場指令DA1は、第1ビーム偏向器130を高速かつ高圧で制御するための制御電圧、または第1ビーム偏向器130を高速かつ高電流で制御するための制御電流を示す。第1偏向器制御アンプ300は、第1偏向場指令DA1に基づいて第1ビーム偏向器130に制御電流を供給する。当該制御電流によって、第1ビーム偏向器130の偏向場が制御される。
The
制御器190は、第2偏向場指令DA2を第2偏向器制御アンプ310に送信する。第2偏向場指令DA2は、第2ビーム偏向器150を高速で制御するための指令である。第2偏向場指令DA2は、第2ビーム偏向器150を高速かつ高圧で制御するための制御電圧、または第2ビーム偏向器150を高速かつ高電流で制御するための制御電流を示す。第2偏向器制御アンプ310は、第2偏向場指令DA2に基づいて第2ビーム偏向器150に制御電流を供給する。当該制御電流によって、第2ビーム偏向器150の偏向場が制御される。
The
ここで制御器190は、第1偏向場指令DA1、及び第2偏向場指令DA2それぞれを電子ビーム指令Iに同期させる。
Here, the
制御器190は、調整レンズ制御指令Cを集束レンズ部制御アンプ320に送信する。調整レンズ制御指令Cは、調整レンズ120を高速かつ高電流で制御するための制御電流を示す。集束レンズ部制御アンプ320は、調整レンズ制御指令Cに基づいて調整レンズ120に制御電流を供給する。当該制御電流によって、調整レンズ120の電場または磁場が制御される。
また、集束レンズ部制御アンプ320は、集束レンズ110に制御電流を供給する。当該制御電流によって、集束レンズ110の電場または磁場が制御される。
The
Furthermore, the condenser lens
制御器190は、ビーム偏向指令Dをディフレクタ制御アンプ330送信する。ビーム偏向指令Dは、ディフレクタ170を制御するための制御電流を示す。ディフレクタ制御アンプ330は、ビーム偏向指令Dに基づいてディフレクタ170に制御電流を供給する。当該制御電流によって、ディフレクタ170の偏向場が制御される。
The
ここで制御器190は、調整レンズ制御指令Cを電子ビーム指令I及びビーム偏向指令Dに同期させる。
Here, the
[引出電極制御回路210の構成]
電子鏡筒の制御において、ミリ秒レベルの時間スケールで生じる金属凝固現象を制御するためには、少なくとも10倍以上速いサブミリ秒の速度でビーム電流(入熱量)を制御できることが好ましい。一方、造形物の形状まで考えた場合、例えば造形物の境界で電子ビームのオン/オフ切り替えを素早く行う必要がある。
[Configuration of extraction electrode control circuit 210]
In controlling the electron microscope, in order to control the metal solidification phenomenon that occurs on a millisecond time scale, it is preferable to be able to control the beam current (heat input) at a sub-millisecond speed, which is at least 10 times faster. On the other hand, when the shape of the object is taken into consideration, it is necessary to quickly switch the electron beam on and off at the boundary of the object, for example.
この場合、特にビーム偏向速度が速い場合は、ビーム電流制御を司る電子銃電極(Mod Anode、本実施形態において引出電極30)の高速な電圧設定だけでなく、設定された電圧への更に高速な立上り時間、及び立下り時間が必要となる。例えば、溶融面において径100umのビームが速度10m/sで偏向されていた場合、ビーム径の10%以下の区間で電子ビームのオン/オフ切り替えを行うための立上り時間及び立下り時間は1μs以下となる。この速度でMod Anode駆動するための急速な充放電回路が必要となる。
In this case, particularly when the beam deflection speed is fast, not only is it necessary to set the voltage of the electron gun electrode (Mod Anode,
一方、60kV以上の高電圧にフローティングさせた環境で1μsの速度で電極電圧を直接制御することが可能な高電圧アンプは、大型となるだけでなく、消費電力の増大によるフローティング部の温度上昇と、フローティング部への送電負荷の増大とを引き起こす。
以上より、装置の大型化、及び高消費電力化を抑えつつ、サブミリ秒のビーム電流変調速度とマイクロ秒の速度で電子ビームのオン/オフ切り替えを行うことが課題となる。
On the other hand, a high-voltage amplifier capable of directly controlling the electrode voltage at a speed of 1 μs in an environment floating at a high voltage of 60 kV or more not only becomes large, but also causes a rise in temperature of the floating section due to increased power consumption and an increase in the power transmission load to the floating section.
In view of the above, the challenge is to achieve sub-millisecond beam current modulation speeds and microsecond on/off switching of the electron beam while preventing the device from becoming too large and consuming too much power.
図3は、本実施形態に係る引出電極制御回路210の構成の一例を示す図である。引出電極制御回路210は、引出電極制御アンプ211と、逆バイアス電圧供給源212と、スイッチ回路213と、充電用コンデンサ214と、充電用電源215と、エミッタフォロア216とを備える。なお、図3では、図1に示した引出電極30の回路構成が引出電極217として示されている。
FIG. 3 is a diagram showing an example of the configuration of the extraction
引出電極制御アンプ211は、引出電極217に順バイアス電圧を供給する。引出電極制御アンプ211は、所定以上の電圧の順バイアス電圧を、所定以上の速度において印加する高速・高電圧アンプである。引出電極制御アンプ211が印加する順バイアス電圧は、電子ビーム指令Iに基づいて制御される。
The extraction
逆バイアス電圧供給源212は、引出電極217に逆バイアス電圧を供給する。ここで逆バイアス電圧供給源212は、電子ビームEB1がオン状態からオフ状態に切り替えられるときに、引出電極217に逆バイアス電圧を供給する。なお、逆バイアス電圧供給源212は、定電圧電源であってもよい。
The reverse bias
スイッチ回路213は、電子ビームEB1をオン状態にするときに引出電極制御アンプ211と引出電極217とを接続し、電子ビームEB1をオフ状態にするときに逆バイアス電圧供給源212と引出電極217とを接続するように切り替える。スイッチ回路213は、例えば、MOSFETスイッチであってもよく、高電圧・高速MOSFETであってもよい。
The
充電用コンデンサ214は、電子ビームEB1をオン状態にするときに引出電極217への充電を行う。ここで引出電極217は、充電用コンデンサ214によって急速に充電が行われる。充電用コンデンサ214は、一例として、コンデンサバンクである。コンデンサバンクとは、複数のコンデンサが並列に接続されたコンデンサの集まりである。
The charging
充電用電源215は、充電用コンデンサ214を充電する。充電用電源215は、定電圧電源であってもよい。
The charging
エミッタフォロア216は、ベースが引出電極制御アンプ211に接続され、エミッタが充電用コンデンサ214及び充電用電源215に並列接続され、コレクタがスイッチ回路213に接続されたトランジスタを含む。エミッタフォロア216は、当該トランジスタが複数並列に接続されて構成される。第1aトランジスタ2161a、第2aトランジスタ2162a、第3aトランジスタ2163a、及び第4aトランジスタ2164aは、当該並列に接続された複数のトランジスタの一例である。
The
ここで本実施形態では、当該トランジスタでは、別のトランジスタを介してコレクタがスイッチ回路213に接続される。当該トランジスタのコレクタと、当該別のトランジスタのエミッタとが互いに接続される。第1bトランジスタ2161b、第2bトランジスタ2162b、第3bトランジスタ2163b、及び第4bトランジスタ2164bはそれぞれ、当該別のトランジスタの一例である。
In this embodiment, the collector of the transistor is connected to the
したがって、エミッタフォロア216は、コレクタとエミッタとが互いに接続された複数のトランジスタを含む。換言すれば、エミッタフォロア216では、ダーリントン接続が用いられている。この構成により、エミッタフォロア216では、小さいベース電流によって大きなコレクタ電流を制御できる。なお、エミッタフォロア216において、ダーリントン接続は用いられてなくてもよい。
Therefore, the
充電用コンデンサ214の静電容量は、例えば、2nF以上である。なお、充電用コンデンサ214の構成は、十分な静電容量があればよく、コンデンサが複数並列に接続された構成に限られない。
The capacitance of the charging
引出電極制御アンプ211の順バイアス電圧と、逆バイアス電圧供給源212の逆バイアス電圧とをスイッチ回路213によって高速に切り替えることによって、電子ビームEB1のオン/オフ切り替えが行われる。この時、オン状態に切り替えた時に、電子ビームEB1のビーム電流は、電子ビーム指令Iによって指定されるビーム電流となっている。または、電子ビームEB1がオン状態を継続しながら連続的に電子ビームEB1を変調できるように、順バイアス電圧は引出電極制御アンプ211によって制御されている。
The electron beam EB1 is switched on and off by switching between the forward bias voltage of the extraction
ここで引出電極制御アンプ211の電流容量が小さい場合、または配線を含む引出電極217の浮遊容量が大きい場合、引出電極217の急速充電時に必要な電流量が電流容量を上回る場合がある。これによって引出電極制御アンプ211の電圧降下が生じ、結果として電子ビーム指令Iによって指定されたビーム電流に制定されるまでの時間が大幅に遅れる。指定されたビーム電流に制定されるまでの時間が大幅に遅れることは、とりわけ電子ビームEB1がオフ状態からオン状態へと切り替えられた際の逆バイアス電圧から順バイアス電圧への急峻な変化時に高い。
If the current capacity of the extraction
そこで、引出電極制御回路210では、エミッタ側に静電容量の大きなコンデンサバンクである充電用コンデンサ214と、電流容量の大きい定電圧電源と充電用電源215とを並列接続し、ベースに引出電極制御アンプ211を接続し、コレクタ側をスイッチ回路213に接続したエミッタフォロア216を採用している。引出電極制御回路210の構成によって、順バイアス電圧が引出電極制御アンプ211の出力値であるという関係を維持しつつ、充電について以下を実現できる。つまり、当該関係を維持しつつ、電子ビームEB1がオフ状態からオン状態に切り替えられた時、またはオン状態を継続しながら連続的に電子ビームEB1を高速に変調した時には、引出電極217への急速充電を充電用コンデンサ214が担う。一方、当該関係を維持しつつ、引出電極217が電圧定常時には充電用コンデンサ214は充電用電源215によって充電することができる。
Then, the extraction
なお、引出電極制御回路210の構成から、充電用コンデンサ214、充電用電源215、及びエミッタフォロア216は省略されてもよい。
In addition, the charging
以上に説明したように、本実施形態に係る電子ビーム制御回路(本実施形態において、引出電極制御回路210)は、引出電極30を備える電子銃2のカソード101から放出される電子ビームEB1のオン状態とオフ状態との切替えを引出電極30に印加される電圧を制御することによって変更する制御回路であって、アンプ(本実施形態において、引出電極制御アンプ211)と、電源(本実施形態において、逆バイアス電圧供給源212)と、スイッチ回路213とを備える。
アンプ(本実施形態において、引出電極制御アンプ211)は、引出電極30に順バイアス電圧を供給する。
電源(本実施形態において、逆バイアス電圧供給源212)は、引出電極30に逆バイアス電圧を供給する。
スイッチ回路213は、電子ビームEB1をオン状態にするときにアンプ(本実施形態において、引出電極制御アンプ211)と引出電極30とを接続し、電子ビームEB1をオフ状態にするときに電源(本実施形態において、逆バイアス電圧供給源212)と引出電極30とを接続するように切り替える。
As described above, the electron beam control circuit of this embodiment (in this embodiment, the extraction electrode control circuit 210) is a control circuit that changes the switching between the on state and the off state of the electron beam EB1 emitted from the
The amplifier (in this embodiment, the extraction electrode control amplifier 211 ) supplies a forward bias voltage to the
A power supply (in this embodiment, a reverse bias voltage supply 212 ) supplies a reverse bias voltage to the
The
この構成により、本実施形態に係る電子ビーム制御回路(本実施形態において、引出電極制御回路210)は、電子ビームEB1のオン/オフ切り替えを行うことができるため、電子ビームEB1の制御を簡便にできる。 With this configuration, the electron beam control circuit according to this embodiment (in this embodiment, the extraction electrode control circuit 210) can switch the electron beam EB1 on and off, making it easy to control the electron beam EB1.
なお、電子ビームのオン/オフ切り替えを行わずにオン状態を継続した場合、電子ビームの照射位置をターゲットから外した状態において温度の管理などが必要となるため、電子ビームの制御を予め設計しておく必要がある。 If the electron beam is left on without being switched on and off, temperature control will be required when the electron beam is moved away from the target, so electron beam control must be designed in advance.
引出電極制御回路210では、特に、引出電極制御アンプ211を高速・高電圧アンプとし、スイッチ回路213を高電圧・高速MOSFETとし、充電用コンデンサ214を急速な充電を行うための大容量のコンデンサとすることが好ましい。これによって引出電極制御回路210では、引出電極制御アンプ211によって指定された電圧への高速な電子ビームのオン/オフ切り替えを安定して行うことと、電子ビームEB1がオン状態にある時の連続的な高速ビーム電流変調とが可能となる。
In the extraction
[フォーカシング電極20の構成]
本実施形態に係る電子鏡筒1では、熱電子源を空間電荷制限領域で駆動してビーム電流の変調と、オン/オフ切り替えとを行う。熱電子源を空間電荷制限領域で駆動するために、熱電子源は約1500℃の高温まで加熱する必要がある。そのため、熱電子源の加熱に要する消費電力を抑えるために、カソード101は、材料をカーボン製のフィラメントで挟み込んだ熱容量の小さな構成としている。
[Configuration of focusing electrode 20]
In the
この構成のため、カソード101では、放出面だけでなく側面、及び底面が露出する。この露出によって、周囲の電場によって側面、及び底面からの電子の放出が生じる。側面、及び底面からの電子の放出によって、周囲の絶縁体のチャージアップ及び沿面・空間放電、フィラメント給電部102への吸収による電極電圧の不安定化、並びに、電極を充電する速度の低下を招く。高速なビーム電流変調において、沿面・空間放電の防止、電極電圧の安定化が課題となる。
Due to this configuration, the
ここで図4から図6を参照し、フォーカシング電極20、及びカソードプロテクタ70の構成について説明する。フォーカシング電極20と、カソードプロテクタ70とを合わせて、フォーカシング電極ユニットともいう。図4及び図5はそれぞれ、本実施形態に係る電子銃2のフォーカシング電極20の付近を拡大して示した断面図の一例である。図6は、本実施形態に係るカソードユニット10、カソードプロテクタ70、及びフォーカシング電極20の構成を示す分解斜視図の一例である。
Now, with reference to Figures 4 to 6, the configuration of the focusing
なお、図5及び図6では、図4など他の図とは、上下方向が逆向きである。そのため、図さ5及び図6に言及する場合に限って、Z軸の向きを上向きともいう。Z軸の向きと逆の向きを下向きともいう。Z軸の方向の正の側を上側ともいい、Z軸の方向の負の側を下側ともいう。 Note that the up-down direction in Figures 5 and 6 is opposite to that in other figures such as Figure 4. Therefore, only when referring to Figures 5 and 6, the direction of the Z axis is also referred to as the upward direction. The direction opposite to the direction of the Z axis is also referred to as the downward direction. The positive side of the direction of the Z axis is also referred to as the upper side, and the negative side of the direction of the Z axis is also referred to as the lower side.
フォーカシング電極20は、嵌合部21と、収束部22と、収納部23とを備える。
嵌合部21は、絶縁体ベース104が上下方向から嵌合する。嵌合部21は、図6では、フォーカシング電極20の下側に設けられている。嵌合部21は、カソードユニット10が下側から挿入される形状を有している。これによって、絶縁体ベース104は嵌合部21に嵌合し、フォーカシング電極20の内部にカソード101、及びフィラメント給電部102が挿入される。なお、絶縁体ベース104は、嵌合部21に嵌合した状態で嵌合部21に覆われる。
The focusing
The
収束部22には、カソード101から放出される熱電子を収束させるための曲面が設けられている。当該曲面は、フォーカシング電極20において、上下方向において嵌合部21と対向する部分に設けられる。図6では、当該曲面は、フォーカシング電極20の上側に設けられている。
The converging
収納部23は、上下方向において嵌合部21と収束部22との間に設けられる。収納部23は、カソードプロテクタ70を収納する。
The
カソードプロテクタ70は、プロテクタ部材701-1と、プロテクタ部材701-2とからなる。プロテクタ部材701-1と、プロテクタ部材701-2とは、互いに対向する。プロテクタ部材701-1、及びプロテクタ部材701-2は、互いに対向した状態で、収納部23に側面(図6において奥行方向)から挿入される。収納部23に収納された後、プロテクタ部材701-1、及びプロテクタ部材701-2は、互いに接した状態で、ビス703-1、及びビス703-2が挿入されることによって固定される。
The
カソードプロテクタ70は、フィラメント給電部102の給電経路103を非接触で囲む溝702を有する。ここでプロテクタ部材701-1は、当該溝として溝702-1を有する。プロテクタ部材701-2は、当該溝として溝702-2を有する。カソードプロテクタ70は、プロテクタ部材701-1及びプロテクタ部材701-2によってフィラメント給電部102の給電経路103を挟むことによってフィラメント給電部102の給電経路103を非接触で囲む。
The
これによって、嵌合部21に絶縁体ベース104が嵌合した状態では、カソード101の側面、及び底面がフォーカシング電極20によって覆われる。その結果、カソード101の側面、及び底面から、絶縁体ベース104及び他の電極が見えなくなる。
As a result, when the
ここで、カソードプロテクタ70は、電子ビームEB1の量を減少させるように引出電極30が制御されるときに、引出電極30から給電経路103へ向かう電子の経路を遮断する。また、カソードプロテクタ70は、電子ビームEB1の量を減少させるように引出電極30が制御されるときに、引出電極30から絶縁体ベース104へ向かう電子の経路を遮断する。
Here, the
以上に説明したように、本実施形態に係る電子光源装置(本実施形態において、電子銃2)は、フィラメント給電部102と、引出電極30と、カソードプロテクタ70とを備える。
フィラメント給電部102は、絶縁体ベース104から延ばされた給電経路103を有し、電子ビームEB1を放出するカソード101に電圧を印加するための部材である。
引出電極30は、カソード101からの電子ビームEB1の量を制御する。
カソードプロテクタ70は、電子ビームEB1の量を減少させるように引出電極30が制御されるときに、引出電極30から給電経路103へ向かう電子の経路を遮断する。
As described above, the electron light source device according to this embodiment (the
The filament
The
The
この構成により、本実施形態に係る電子光源装置(本実施形態において、電子銃2)は、カソード101の側面、及び底面から射出される電子が絶縁体、及び他の電極に衝突することを抑制できる。また、当該電子が絶縁体、及び他の電極に衝突することに伴う沿面・空間放電と電極応答遅れを抑制できる。
With this configuration, the electron light source device according to this embodiment (
[開き角調整・差動排気機構4]
六ホウ化ランタン(Lab6)等を材料としたカソードを使用する場合、電子銃領域を超高真空に保つために電子銃領域と下部の差動排気を成立させた小径のオリフィスが用いられる。しかし、積層造形用の大電流ビーム電流を引き出す場合、引き出したビームが出力開口径以上に拡がるため、出力開口の前段(カソード側)に十分な集束力を有する静電レンズが用いられる。
[Opening angle adjustment/differential exhaust mechanism 4]
When using a cathode made of lanthanum hexaboride (Lab6) or the like, a small-diameter orifice is used that establishes differential evacuation between the electron gun region and the lower part in order to keep the electron gun region at an ultra-high vacuum. However, when drawing out a high-current beam current for additive manufacturing, an electrostatic lens with sufficient focusing power is used in front of the output aperture (cathode side) because the drawn beam expands beyond the output aperture diameter.
一方、ビーム電流の高速な変調とオン/オフ切り替えを行う場合、電子ビームの立ち上がりの過程で電子ビームの軌道が歪み出力開口に衝突してしまう場合がある。この時、開口に電子ビームが衝突することによって発生した反射電子または二次電子が、前段(カソード側)の磁気レンズの磁場にトラップされ電子雲を形成してしまう。電子雲が形成されると、後続の電子ビームを発散させる効果、及び出力開口へのビーム衝突を促す効果が生じてしまう。 On the other hand, when the beam current is rapidly modulated and switched on/off, the trajectory of the electron beam may become distorted during the rise process, causing it to collide with the output aperture. When this happens, the reflected electrons or secondary electrons generated by the electron beam colliding with the aperture are trapped in the magnetic field of the magnetic lens in the previous stage (cathode side) and form an electron cloud. When an electron cloud is formed, it has the effect of dispersing the subsequent electron beam and encouraging the beam to collide with the output aperture.
それらの効果によってビーム整定時間に遅れが出てしまうリスクがある。当該リスクを回避しつつ、カソードの寿命を確保するための差動排気を可能とすることが課題である。 There is a risk that these effects will cause delays in beam settling time. The challenge is to avoid this risk while enabling differential pumping to ensure the cathode's lifespan.
以下では図7を参照し、電子ビームEB1の開き角調整、及び差動排気を行うために電子鏡筒1に備えられる機構である開き角調整・差動排気機構4について説明する。図7は、本実施形態に係る開き角調整・差動排気機構4の構成の一例を示す図である。図7では、図1及び図2に示した電子鏡筒1の構成のうち開き角調整・差動排気機構4の説明に必要な構成が示されている。
Below, with reference to FIG. 7, the aperture angle adjustment/
開き角調整・差動排気機構4は、引出電極30と、変更電極40と、シールド電極50と、アノード60と、オリフィス80と、ビーム偏向器90と、制御器190と、高電圧制御ユニット200とを備える。高電圧制御ユニット200は、引出電極制御回路210と、変更電極制御アンプ220と、シールド電極制御アンプ230とを備える。ビーム偏向器90は、第1空芯コイル91と、第2空芯コイル92とを備える。
The aperture angle adjustment/
まず、開き角調整について説明する。
引出電極30への印加電圧によって引き出された電子ビームEB1の開き角は、ビーム電流に依存して変化する。そのため、電子ビームEB1が電子銃出力部(カソードユニット10、フォーカシング電極20、引出電極30、変更電極40、及びシールド電極50)のターゲット側、かつ集束レンズ110のカソード側に配置されたオリフィス80に衝突しないように電子ビームEB1の開き角を調節する。電子鏡筒1では、引出電極30のターゲット側に配置された変更電極40、及びシールド電極50それぞれに電圧を印加することによるレンズ効果で開き角を調節する。
First, the opening angle adjustment will be described.
The aperture angle of the electron beam EB1 extracted by the voltage applied to the
上述したように、引出電極制御回路210に備えられる引出電極制御アンプ211は、電子ビームEB1の量を指定する電子ビーム指令Iに基づいて、引出電極30に電圧を印加する。
開き角調整を行うためには、変更電極制御アンプ220、及びシールド電極制御アンプ230はそれぞれ、引出電極制御回路210による電子ビームEB1のビーム電流の変調速度に追従する必要がある。このため、変更電極制御アンプ220、及びシールド電極制御アンプ230はそれぞれ、ビーム電流の変調速度に追従する高速・高電圧アンプである必要がある。
As described above, the extraction
In order to adjust the aperture angle, the modifying
変更電極制御アンプ220から変更電極40に送信される変更電極電圧指令Gは、制御器190から引出電極30に送信される電子ビーム指令Iに依存して決められる。したがって、変更電極制御アンプ220は、当該電子ビーム指令Iに基づいて、変更電極40に電圧を印加する。引出電極制御アンプ211によって引出電極30に印加される電圧の変更タイミングと、変更電極制御アンプ220によって変更電極40に印加される電圧の変更タイミングとは等しい。引出電極制御アンプ211によって引出電極30に印加される電圧の変更速度と、変更電極制御アンプ220によって変更電極40に印加される電圧の変更速度とは等しい。
The modified electrode voltage command G transmitted from the modified
ここで変更電極制御アンプ220は、電子ビームEB1のビーム電流の大小に従って、変更電極40を通過する電子ビームEB1の発散度を調節するように変更電極40に電圧を印加する。
Here, the modification
また、シールド電極制御アンプ230からシールド電極50に送信されるシールド電極電圧指令Sは、電子ビーム指令Iに依存して決められる。したがって、シールド電極制御アンプ230は、電子ビーム指令Iに基づく電圧指令に基づいて、シールド電極50に電圧を印加する。
In addition, the shield electrode voltage command S sent from the shield
次に差動排気機構について説明する。
オリフィス80の内径及び長さは、通過条件、及び差動排気条件に基づいて決められている。
通過条件とは、変更電極40、及びシールド電極50によって開き角が調整された電子ビームEB1がオリフィス80内部を完全に通過できるという条件である。なお、通過条件は、変更電極40によって開き角が調整された電子ビームEB1がオリフィス80の内部を通過できるという条件であってもよい。
Next, the differential pumping mechanism will be described.
The inner diameter and length of the
The passing condition is a condition that the electron beam EB1 whose opening angle has been adjusted by the changing
差動排気条件は、電子銃室が必要真空度に到達する差動排気を可能とするという条件である。したがって、オリフィス80の内径及び長さは、通過条件とともに、カソード101が位置する空間((電子銃室)が所定の真空度に到達する差動排気を可能とするコンダクタンスに基づいて決められている。
Differential pumping conditions are conditions that allow differential pumping so that the electron gun chamber reaches the required vacuum level. Therefore, the inner diameter and length of the
上記の通過条件、及び差動排気条件に基づいて決められたオリフィス80の内径は、従来よりも大きく、長さは、従来より長い。そのため、電子鏡筒1では、電子ビームEB1の広がりを、十分な集束力を有する静電レンズとしての変更電極40によって制御する。
なお、オリフィス80の内径及び長さは、少なくとも通過条件に基づいて決められればよい。
The inner diameter of the
The inner diameter and length of the
また、制御器190は、ビーム偏向器90の偏向場を調節する。ここで引出電極30等の設置位置の誤差に起因して電子ビームEB1に傾斜が生じる場合がある。制御器190は、当該場合には、オリフィス80の内部に電子ビームEB1が衝突しないようにビーム偏向器90の偏向場を調節する。
The
ここで図8から図10を参照し、電子ビームEB1の広がりの制御について、従来例と比較しながら説明する。図8及び図9はそれぞれ、従来の電子銃2aにおける電子ビームの広がりの様子の一例を示す図である。図8は、電子ビームのビーム電流が大きい場合の一例を示す。図9は、電子ビームのビーム電流が小さい場合の一例を示す。図10は、本実施形態に係る電子銃2における電子ビームの広がりの様子の一例を示す図である。
Here, with reference to Figs. 8 to 10, the control of the spread of the electron beam EB1 will be described in comparison with a conventional example. Figs. 8 and 9 are each a diagram showing an example of the spread of the electron beam in a
電子銃2aは、カソード101aと、フォーカシング電極20aと、引出電極30aと、シールド電極50aと、アノード60aとの5つの電極を備える。
フォーカシングレンズL1aは、フォーカシング電極20aによるレンズ効果を示す。引出電極レンズL2aは、引出電極30aによるレンズ効果を示す。引出電極・ベースレンズL3aは、引出電極30a、及びシールド電極50aによるレンズ効果を示す。ベース・アノードレンズL4aは、シールド電極50a、及びアノード60aによるレンズ効果を示す。
The
The focusing lens L1a shows the lens effect produced by the focusing
電子銃2aでは、ビーム電流が大きい場合、空間電荷発散レンズSL1a、空間電荷発散レンズSL2a、及び空間電荷発散レンズSL3aが生成されている。一方、電子銃2aでは、ビーム電流が小さい場合、空間電荷発散レンズSL1b、空間電荷発散レンズSL2b、及び空間電荷発散レンズSL3bが生成されている。
When the beam current is large,
ここでビーム電流に依存して電極によるレンズ効果は変化する。例えば、図9に示す空間電荷発散レンズSL3bの効果は、電子ビームEB1bの電流密度が電子ビームEB1aに比べて低いため、図8に示す空間電荷発散レンズSL3aの効果に比べて小さい。ビーム電流が小さい場合、電極によるレンズ効果が空間電荷効果を上回る。その結果、電子ビームEB1bは、クロスオーバを形成後に発散する軌道となる。 Here, the lens effect of the electrodes changes depending on the beam current. For example, the effect of the space charge divergence lens SL3b shown in FIG. 9 is smaller than the effect of the space charge divergence lens SL3a shown in FIG. 8 because the current density of electron beam EB1b is lower than that of electron beam EB1a. When the beam current is small, the lens effect of the electrodes exceeds the space charge effect. As a result, electron beam EB1b follows a diverging trajectory after forming a crossover.
一方、図10に示すように、本実施形態に係る電子銃2では、カソード101と、フォーカシング電極20と、引出電極30と、変更電極40と、シールド電極50と、アノード60との6つの電極を備える。
フォーカシングレンズL1は、フォーカシング電極20によるレンズ効果を示す。引出電極レンズL2は、引出電極30によるレンズ効果を示す。変更電極レンズL3は、引出電極30、変更電極40、及びシールド電極50によるレンズ効果を示す。ベース・アノードレンズL4は、シールド電極50、及びアノード60によるレンズ効果を示す。
On the other hand, as shown in FIG. 10, the
The focusing lens L1 shows a lens effect produced by the focusing
電子銃2では、ビーム電流が小さい場合であっても、変更電極40によってレンズの主面、及び焦点距離それぞれを直接に制御できる。そのため、電子銃2では、ビーム電流が小さい場合であっても、電子ビームEB1の広がりを抑えるように制御できる。
In the
以上に説明したように、本実施形態に係る電子銃(本実施形態において、開き角調整・差動排気機構4)では、引出電極30と、アノード60と、変更電極40と、引出電極制御アンプ(本実施形態において、引出電極制御回路210に備えられる引出電極制御アンプ211)と、変更電極制御アンプ220とを備える。
引出電極30は、カソード101から放出される電子ビームEB1の量を制御する。
アノード60は、カソード101から放出された電子ビームEB1を加速させる。
変更電極40は、引出電極30とアノード60との間に設けられ、通過する電子ビームEB1の開き角を変える。
引出電極制御アンプ(本実施形態において、引出電極制御回路210に備えられる引出電極制御アンプ211)は、電子ビームEB1の量を指定する電子ビーム指令Iに基づいて、引出電極30に電圧を印加する。
変更電極制御アンプ220は、電子ビーム指令Iに基づいて、変更電極40に電圧を印加する。
As described above, the electron gun according to this embodiment (in this embodiment, the aperture angle adjustment/differential pumping mechanism 4) includes the
The
The
The changing
An extraction electrode control amplifier (in this embodiment, an extraction
The modifying
この構成により、本実施形態に係る電子銃(本実施形態において、開き角調整・差動排気機構4)では、電子ビームEB1の量に基づいて変更電極40に電圧を印加することによって電子ビームEB1の開き角を変えることができるため、ビーム整定時間に遅れが出ることを抑制できる。
With this configuration, the electron gun according to this embodiment (in this embodiment, the opening angle adjustment/differential pumping mechanism 4) can change the opening angle of the electron beam EB1 by applying a voltage to the changing
また、本実施形態に係る電子銃(本実施形態において、開き角調整・差動排気機構4)では、オリフィス80の内径及び長さは、通過条件とともに、カソード101が位置する空間が所定の真空度に到達する差動排気を可能とするコンダクタンスに基づいて決められている。
In addition, in the electron gun according to this embodiment (in this embodiment, the opening angle adjustment/differential pumping mechanism 4), the inner diameter and length of the
この構成により、本実施形態に係る電子銃(本実施形態において、開き角調整・差動排気機構4)では、変更電極40によって開き角が調整された電子ビームEB1がオリフィス80の内部を通過できるという通過条件を満たしながら差動排気ができるため、電子銃の寿命を延ばすことができる。
With this configuration, the electron gun according to this embodiment (in this embodiment, the opening angle adjustment/differential pumping mechanism 4) can perform differential pumping while satisfying the passage condition that the electron beam EB1, whose opening angle has been adjusted by the changing
[高速ビームアライメント系5]
ビーム電流を所望の値とするため、引出電極30の電圧を当該所望の値に対応する電圧に設定する。この時、カソード101と引出電極30との設置誤差によって電子ビームEB1の射出方向が変化する。この変化によって電子ビームEB1は射出角のずれ、及び光軸ずれを伴って集束レンズ110に入射する。結果として、溶融面において、ビーム電流の変化に伴った軸外収差とビームの照射位置のずれが生じ得る。
[High-speed beam alignment system 5]
In order to set the beam current to a desired value, the voltage of the
ビーム電流が変化しても、ビームの照射位置のずれと軸外収差によるビーム形状変化を抑制する必要がある。そのため、ビーム電流の変化に同期して、電子ビームEB1の射出角のずれ、及び光軸ずれを補正することが課題である。 Even if the beam current changes, it is necessary to suppress the shift in the beam irradiation position and the change in the beam shape due to off-axis aberration. Therefore, the challenge is to correct the shift in the emission angle of the electron beam EB1 and the optical axis shift in synchronization with the change in the beam current.
以下では図11を参照し、電子ビームEB1の射出角及び光軸AX1に対するずれを補正するために電子鏡筒1に備えられる高速ビームアライメント系5について説明する。図11は、本実施形態に係る高速ビームアライメント系5の構成の一例を示す図である。図11では、図1及び図2に示した電子鏡筒1の構成のうち高速ビームアライメント系5の説明に必要な構成が示されている。
Below, with reference to FIG. 11, the high-speed
高速ビームアライメント系5は、引出電極30と、第1ビーム偏向器130と、第2ビーム偏向器150と、第1アパーチャ140と、第2アパーチャ160と、集束レンズ部100と、ビーム計測センサ180と、制御器190と、引出電極制御回路210と、第1偏向器制御アンプ300と、第2偏向器制御アンプ310とを備える。集束レンズ部100は、集束レンズ110と、調整レンズ120とを備える。
The high-speed
電子ビームEB1の射出角、及び光軸AX1に対する位置は、引出電極30によって引き出された電子ビームEB1のビーム電流に依存して変化する。ここで光軸AX1に対する位置とは、光軸AX1に垂直な方向(奥行方向、及び左右方向)についての位置である。電子ビームEB1の光軸AX1に対する位置のずれを、光軸ずれという場合がある。
The emission angle of electron beam EB1 and its position relative to optical axis AX1 change depending on the beam current of electron beam EB1 extracted by
図11において、ビーム軌道T1は、電子ビームEB1の軌道を示す。ビーム軌道T1のうち第1ビーム偏向器130の設置位置から第2ビーム偏向器150の設置位置までの部分を第1軌道T11という。ビーム軌道T1のうち第2ビーム偏向器150の設置位置から集束レンズ部100の設置位置までの部分を第2軌道T12という。
In FIG. 11, beam trajectory T1 indicates the trajectory of electron beam EB1. The portion of beam trajectory T1 from the installation position of
第1ビーム偏向器130は、引出電極30と集束レンズ110との間に設けられる。第1ビーム偏向器130は、ビーム軌道T1を偏向する。ここで第1ビーム偏向器130は、ビーム軌道T1(第1軌道T11)を第2ビーム偏向器150の中心に向かわせる偏向場を発生する。
The
第2ビーム偏向器150は、第1ビーム偏向器130と集束レンズ110との間に設けられる。第2ビーム偏向器150は、第1ビーム偏向器130によって偏向されたビーム軌道T1を偏向する。ここで第2ビーム偏向器150は、ビーム軌道T1(第2軌道T12)を光軸と平行にする偏向場を発生する。
The
引出電極制御回路210は、電子ビームEB1の量を指定する電子ビーム指令Iに基づいて、引出電極30に電圧を印加する。
第1偏向器制御アンプ300は、電子ビーム指令Iに基づく電圧指令または電流指令に基づいて、第1ビーム偏向器130に励磁電流を出力する。第1偏向器制御アンプ300は、第1ビーム偏向器130からのビーム軌道T1(第1軌道T11)が第2ビーム偏向器150の中心に向かうように第1ビーム偏向器130を制御する。
第2偏向器制御アンプ310は、電子ビーム指令Iに基づく電圧指令または電流指令に基づいて、第2ビーム偏向器150に励磁電流を出力する。第2偏向器制御アンプ310は、第2ビーム偏向器150からのビーム軌道T1(第2軌道T12)を光軸AX1に沿うように、または光軸AX1と平行となるように第2ビーム偏向器150を制御する。
The extraction
The first
The second
第1偏向器制御アンプ300、及び第2偏向器制御アンプ310は、電子ビーム指令Iが指定する電子ビームEB1の量が変化したときに、第2ビーム偏向器150からのビーム軌道T1を一定に維持するように第1ビーム偏向器130、及び第2ビーム偏向器150をそれぞれ制御する。
The first
第1偏向器制御アンプ300は、電子ビーム指令Iが指定する電子ビームEB1の量が変化したときに、第1ビーム偏向器130に出力する励磁電流を変化させて第1ビーム偏向器130からの電子ビームEB1の軌道(第1軌道T11)が第2ビーム偏向器150の中心に向かうようにする。
第2偏向器制御アンプ310は、電子ビーム指令Iが指定する電子ビームEB1の量が変化したときに、第2ビーム偏向器150に出力する励磁電流を変化させて第2ビーム偏向器150からの電子ビームEB1の軌道(第2軌道T12)を光軸AX1に沿うように、または光軸AX1と平行となるようにする。
When the amount of electron beam EB1 specified by electron beam command I changes, the first
When the amount of electron beam EB1 specified by electron beam command I changes, the second
上述したように、第1ビーム偏向器130が発生させる偏向場、及び第2ビーム偏向器150が発生させる偏向場によって電子ビームEB1の射出角、及び光軸ずれが補正される。そのため、第1ビーム偏向器130を駆動する第1偏向器制御アンプ300、第2ビーム偏向器150を駆動する第2偏向器制御アンプ310はそれぞれ、ビーム電流の変調速度に追従する高速・高電圧アンプ、または高速電流アンプである必要がある。
As described above, the emission angle and optical axis deviation of the electron beam EB1 are corrected by the deflection field generated by the
第1偏向器制御アンプ300から第1ビーム偏向器130に送信される第1偏向場指令DA1は、制御器190から引出電極30に送信される電子ビーム指令Iに依存して決められる。なお、第1偏向場指令DA1は、第1偏向器制御アンプ300が高速・高電圧アンプである場合、制御電圧を示す。第1偏向場指令DA1は、第1偏向器制御アンプ300が高速電流アンプである場合、制御電流を示す。したがって、第1偏向器制御アンプ300は、電子ビーム指令Iに基づいて、第1ビーム偏向器130に電流または電圧を印加する。
The first deflection field command DA1 sent from the first
第2偏向器制御アンプ310から第2ビーム偏向器150に送信される第2偏向場指令DA2は、電子ビーム指令Iに依存して決められる。第2偏向場指令DA2は、第2偏向器制御アンプ310が高速・高電圧アンプである場合、制御電圧を示す。第2偏向場指令DA2は、第2偏向器制御アンプ310が高速電流アンプである場合、制御電流を示す。したがって、第2偏向器制御アンプ310は、電子ビーム指令Iに基づいて、第2ビーム偏向器150に電流または電圧を印加する。
The second deflection field command DA2 sent from the second
ここで第1偏向場指令DA1、及び第2偏向場指令DA2の調整は、引出電極30、並びに引出電極30よりもターゲット側に配置された第1ビーム偏向器130、及び第1アパーチャ140の組と、第1アパーチャ140よりもターゲット側に配置された第2ビーム偏向器150、及び第2アパーチャ160の組、または第2ビーム偏向器150、集束レンズ110又は調整レンズ120、ビーム計測センサ180の組によって行う。
これらの第1ビーム偏向器130及び第2ビーム偏向器150によるビーム軌道T1の調整方法(ビーム軌道制御方法)については後述する。
Here, the adjustment of the first deflection field command DA1 and the second deflection field command DA2 is performed by a set of the
A method for adjusting the beam trajectory T1 (a beam trajectory control method) by the
以上に説明したように、本実施形態に係る電子銃(本実施形態において、高速ビームアライメント系5)は、引出電極30と、集束レンズ部100と、第1偏向器(本実施形態において、第1ビーム偏向器130)と、第2偏向器(本実施形態において、第2ビーム偏向器150)と、引出電極制御アンプ(本実施形態において、引出電極制御回路210)と、第1制御部(本実施形態において、第1偏向器制御アンプ300)と、第2制御部(本実施形態において、第2偏向器制御アンプ310)と、を備える。
引出電極30は、カソード101から放出される電子ビームEB1の量を制御する。
集束レンズ部100は、磁場によって電子ビームEB1を収束させる集束レンズ110を含む。
第1偏向器(本実施形態において、第1ビーム偏向器130)は、引出電極30と集束レンズ110との間に設けられ、電子ビームEB1の軌道を偏向する。
第2偏向器(本実施形態において、第2ビーム偏向器150)は、第1偏向器(本実施形態において、第1ビーム偏向器130)と集束レンズ110との間に設けられ、第1偏向器(本実施形態において、第1ビーム偏向器130)とによって偏向された電子ビームEB1の軌道を偏向する。
引出電極制御アンプ(本実施形態において、引出電極制御回路210)は、電子ビームEB1の量を指定する電子ビーム指令Iに基づいて、引出電極30に電圧を印加する。
第1制御部(本実施形態において、第1偏向器制御アンプ300)は、電子ビーム指令Iに基づく電圧指令または電流指令(本実施形態において、第1偏向場指令DA1)に基づいて、第1偏向器(本実施形態において、第1ビーム偏向器130)に励磁電流を出力する。
第2制御部(本実施形態において、第2偏向器制御アンプ310)は、電子ビーム指令Iに基づく電圧指令または電流指令(本実施形態において、第2偏向場指令DA2)に基づいて、第2偏向器(本実施形態において、第2ビーム偏向器150)に励磁電流を出力する。
第1制御部(本実施形態において、第1偏向器制御アンプ300)は、第1偏向器(本実施形態において、第1ビーム偏向器130)からの電子ビームEB1の軌道が第2偏向器(本実施形態において、第2ビーム偏向器150)の中心に向かうように第1偏向器(本実施形態において、第1ビーム偏向器130)を制御する。
第2制御部(本実施形態において、第2偏向器制御アンプ310)は、第2偏向器(本実施形態において、第2ビーム偏向器150)からの電子ビームEB1の軌道が光軸に沿うように、または前記光軸と平行となるように第2偏向器(本実施形態において、第2ビーム偏向器150)を制御する。
As described above, the electron gun according to this embodiment (in this embodiment, the high-speed beam alignment system 5) includes the
The
The focusing
The first deflector (in this embodiment, the first beam deflector 130) is provided between the
The second deflector (in this embodiment, the second beam deflector 150) is provided between the first deflector (in this embodiment, the first beam deflector 130) and the focusing
An extraction electrode control amplifier (in this embodiment, the extraction electrode control circuit 210) applies a voltage to the
The first control unit (in this embodiment, the first deflector control amplifier 300) outputs an excitation current to the first deflector (in this embodiment, the first beam deflector 130) based on a voltage command or a current command (in this embodiment, the first deflection field command DA1) based on the electron beam command I.
The second control unit (in this embodiment, the second deflector control amplifier 310) outputs an excitation current to the second deflector (in this embodiment, the second beam deflector 150) based on a voltage command or a current command (in this embodiment, the second deflection field command DA2) based on the electron beam command I.
The first control unit (in this embodiment, the first deflector control amplifier 300) controls the first deflector (in this embodiment, the first beam deflector 130) so that the trajectory of the electron beam EB1 from the first deflector (in this embodiment, the first beam deflector 130) heads toward the center of the second deflector (in this embodiment, the second beam deflector 150).
The second control unit (in this embodiment, the second deflector control amplifier 310) controls the second deflector (in this embodiment, the second beam deflector 150) so that the trajectory of the electron beam EB1 from the second deflector (in this embodiment, the second beam deflector 150) is along the optical axis or parallel to the optical axis.
この構成により、本実施形態に係る電子銃(本実施形態において、高速ビームアライメント系5)、ビーム電流の変化に応じて電子ビームEB1の射出角のずれ、及び光軸ずれを補正できるため、ビーム形状の変化を抑制できる。 This configuration allows the electron gun of this embodiment (in this embodiment, the high-speed beam alignment system 5) to correct deviations in the emission angle and optical axis of the electron beam EB1 in response to changes in the beam current, thereby suppressing changes in the beam shape.
[ビーム偏向器による電子ビーム軌道制御方法]
引出電極30等の電極の形状または設置位置の誤差により、ビーム軌道T1が曲がることで電子ビームEB1が造形面まで届かない場合がある。また、当該誤差により、ビーム軌道T1が光軸AX1から大きく外れて電子ビームEB1が集束レンズ110に入射することで収差が大きくなってしまう場合がある。一方、電子鏡筒1では、引出電極30等の電極の電圧を高速変調させるため、ビーム軌道T1のずれ(射出角、及び光軸ずれ)も高速で変化する。
[Method of controlling electron beam trajectory using a beam deflector]
An error in the shape or installation position of an electrode such as the
電子ビーム軌道制御方法では、電子銃2からの電子ビームEB1を第1ビーム偏向器130によって偏向する。第1ビーム偏向器130からの電子ビームEB1を第2ビーム偏向器150によって偏向する。電子銃2からの電子ビームEB1のビーム電流を変化させる。ここで第1ビーム偏向器130によって偏向することは、ビーム電流が変化したときに第1ビーム偏向器130からの電子ビームEB1の第1軌道T11が変化しないように電子ビームEB1を偏向することを含む。第2ビーム偏向器150によって偏向することは、ビーム電流が変化したときに第2ビーム偏向器150からの電子ビームEB1の第2軌道T12が変化しないように電子ビームEB1を偏向することを含む。以下では、これらの制御を実現するための方法について説明する。
In the electron beam trajectory control method, the electron beam EB1 from the
電子ビーム軌道制御方法では、第1ビーム偏向器130及び第1アパーチャ140、並びに第2ビーム偏向器150及び第2アパーチャ160を用いてビーム軌道を高速で修正する。第1ビーム偏向器130、及び第2ビーム偏向器150はそれぞれ、引出電極30等と同等の周波数で偏向場(磁場)を変化させることができる。そのため、第1ビーム偏向器130、及び第2ビーム偏向器150はそれぞれ、例えば、空芯コイルであることが好ましい。
In the electron beam trajectory control method, the beam trajectory is corrected at high speed using the
第1ビーム偏向器130を用いてビーム軌道T1を変更して第1アパーチャ140を走査する。当該走査では、第1電流センサ141の測定結果に基づいて、電子ビームEB1が第1アパーチャ140を通過する位置であって、光軸AX1と垂直な方向についての位置が測定される。走査結果に基づいて、第1アパーチャ140の中心を第2ビーム偏向器150の中心として判定する。第1ビーム偏向器130によって、第2ビーム偏向器150の中心を第1軌道T11が通るように調整する。
The
したがって、第1ビーム偏向器130によって偏向することは、第1軌道T11が第2ビーム偏向器150の中心を通過するように電子ビームEB1を偏向することを含む。
Thus, deflecting by the
次に、第2ビーム偏向器150を用いてビーム軌道T1を変更して第2アパーチャ160を走査する。当該走査では、第2電流センサ161の測定結果に基づいて、電子ビームEB1が第2アパーチャ160を通過する位置であって、光軸AX1と垂直な方向についての位置が測定される。走査結果に基づいて、第2アパーチャ160の中心を集束レンズ110の中心として判定する。第2ビーム偏向器150によって、集束レンズ110の中心を第2軌道T12が通るように調整する。
Next, the
したがって、第2ビーム偏向器150によって偏向することは、第2軌道T12が集束レンズ部100の光軸に沿う、または光軸AX1と平行な軸に沿うように電子ビームEB1を偏向することを含む。これによって、第2ビーム偏向器150からの電子ビームEB1を集束レンズ部100に入射させる。
Therefore, deflection by the
その後、集束中心の判定を行う。集束中心は、集束レンズ110、または調整レンズ120の励磁を変化させ(ウォブリング)、造形面での電子ビームEB1の照射位置が変化しない第2ビーム偏向器150の励磁電流を判定することで判定される。つまり、集束レンズ部100の励磁を変化させつつ、光軸AX1と交差する面における、集束レンズ部100を介した電子ビームの位置を集束中心として計測する。造形面での電子ビームEB1の照射位置は、ビーム計測センサ180によって計測される。
Then, the focal center is determined. The focal center is determined by changing the excitation of the focusing
以上に説明したように、本実施形態に係る電子ビーム軌道制御方法は、電子光源部(本実施形態において、電子銃2)からの電子ビームEB1を第1ビーム偏向器130によって偏向することと、第1ビーム偏向器130からの電子ビームEB1を第2ビーム偏向器150によって偏向することと、前記電子光源部からの電子ビームEB1のビーム電流を変化させることとを含む。
第1ビーム偏向器130によって偏向することは、電子ビームEB1のビーム電流が変化したときに第1ビーム偏向器130からの電子ビームEB1の第1軌道の第2ビーム偏向器150の中心における位置が変化しないように電子ビームEB1を偏向することを含む。
第2ビーム偏向器150によって偏向することは、電子ビームEB1のビーム電流が変化したときに第2ビーム偏向器150からの電子ビームEB1の第2軌道が変化しないように電子ビームEB1を偏向することを含む。
As described above, the electron beam trajectory control method according to this embodiment includes deflecting the electron beam EB1 from the electron light source unit (in this embodiment, the electron gun 2) by the
Deflecting by the
Deflecting by the
この構成により、本実施形態に係る電子ビーム軌道制御方法は、ビーム電流の変化に応じて電子ビームEB1の射出角のずれ、及び光軸ずれを補正できるため、ビーム形状の変化を抑制できる。 With this configuration, the electron beam trajectory control method according to this embodiment can correct deviations in the emission angle and optical axis of the electron beam EB1 in response to changes in the beam current, thereby suppressing changes in the beam shape.
[ビーム高速変調機構6]
ビーム電流を変化させた際、空間電荷効果による発散効果も変化するため、光源サイズ、発散角、及び光源位置などの電子光源特性も変化する。したがって、ビーム電流の変化によって、光源よりターゲット側に配置されている集束レンズの収差、及び倍率が連動して変化するという問題がある。ビーム電流の変化の影響を受けず、溶融面における任意のビーム偏向位置で所望のビーム径を得るためには、ビーム電流とビーム偏向とに同期させてビーム径を制御することが課題である。
[High-speed beam modulation mechanism 6]
When the beam current is changed, the divergence effect due to the space charge effect also changes, and the characteristics of the electronic light source, such as the light source size, divergence angle, and light source position, also change. Therefore, there is a problem that the aberration and magnification of the focusing lens located on the target side of the light source change in conjunction with the change in beam current. In order to obtain a desired beam diameter at any beam deflection position on the melt surface without being affected by the change in beam current, the challenge is to control the beam diameter in synchronization with the beam current and beam deflection.
以下では図12を参照し、ビーム電流に依存して変化する電子銃2の光源特性(電子銃性能ともいう)の変化を調整するために電子鏡筒1に備えられるビーム高速変調機構6について説明する。図12は、本実施形態に係るビーム高速変調機構6の構成の一例を示す図である。図12では、図1及び図2に示した電子鏡筒1の構成のうちビーム高速変調機構6の説明に必要な構成が示されている。
Below, with reference to FIG. 12, we will explain the high-speed
ビーム高速変調機構6は、引出電極30と、変更電極40と、シールド電極50と、調整レンズ120と、ディフレクタ170と、第1ビーム偏向器130と、第1アパーチャ140と、第2ビーム偏向器150と、第2アパーチャ160と、集束レンズ110と、ビーム計測センサ180と、制御器190と、高電圧制御ユニット200と、集束レンズ部制御アンプ320と、ディフレクタ制御アンプ330とを備える。高電圧制御ユニット200は、引出電極制御回路210と、変更電極制御アンプ220と、シールド電極制御アンプ230とを備える。
The high-speed
ビーム径の変調を行う際、引出電極30によって引き出されたビーム電流に依存して変化する電子銃2の光源特性を適切な値に調整する。電子銃2の光源特性の調整のため、引出電極30のターゲット側、かつ集束レンズ110のカソード側に変更電極40、及びシールド電極50を配置する。
When modulating the beam diameter, the light source characteristics of the
集束レンズとしての主レンズパワーは、集束レンズ110によって担われる。一方、電子ビームEB1の最終的な集束は、集束レンズ110内部に配置した調整レンズ120による補正によって決定する。なお、調整レンズ120は、電子ビームEB1を集束させるための補正とともに、ディフレクタ170による偏向量に依存したデフォーカスの補正を行う。ディフレクタ170は、調整レンズ120よりターゲット側に配置されている。
The main lens power as a focusing lens is provided by the focusing
電子銃2の光源特性の調整のためには、引出電極30を駆動する引出電極制御回路210、変更電極40を駆動する変更電極制御アンプ220、及びシールド電極50を駆動するシールド電極制御アンプ230、並びに調整レンズ120を駆動する集束レンズ部制御アンプ320はそれぞれ、ビーム電流の変調速度、及び偏向速度に追従する高速・高電圧アンプ、または高速電流アンプである必要がある。
In order to adjust the light source characteristics of the
変更電極制御アンプ220から変更電極40に送信される変更電極電圧指令Gは、制御器190から引出電極30に送信される電子ビーム指令Iに依存して決められる。したがって、変更電極制御アンプ220は、電子ビーム指令Iに基づいて、変更電極40に電圧を印加する。
The modified electrode voltage command G sent from the modified
シールド電極制御アンプ230からシールド電極50に送信されるシールド電極電圧指令Sは、当該電子ビーム指令Iに依存して決められる。したがって、シールド電極制御アンプ230は、電子ビーム指令Iに基づく電圧指令に基づいて、シールド電極50に電圧を印加する。
The shield electrode voltage command S sent from the shield
集束レンズ部制御アンプ320から調整レンズ120に送信される調整レンズ制御指令Cは、電子ビーム指令I、ビーム偏向指令D、及びビーム径指令Fに依存して決められる。したがって、集束レンズ部制御アンプ320は、電子ビーム指令Iとビーム偏向指令Dとビーム径指令Fとに基づく電圧指令または電流指令に基づいて、集束レンズ部100を制御する。なお、集束レンズ部制御アンプ320は、少なくとも電子ビーム指令I、または電子ビーム指令I及びビーム偏向指令Dに基づいて、集束レンズ部100に電流または電圧を印加すればよい。ここで集束レンズ部制御アンプ320は、調整レンズ120に電流または電圧を印加する。
The adjustment lens control command C sent from the focusing lens
ディフレクタ制御アンプ330は、ビーム偏向指令Dに基づいて電流をディフレクタ170に出力する。
The
なお、第1ビーム偏向器130、または第2ビーム偏向器150は、非点補正器として使用されてもよい。その場合、第1偏向器制御アンプ300(図12では不図示)から第1ビーム偏向器130に送信される第1偏向場指令DA1、または第2偏向器制御アンプ310(図12では不図示)から第2ビーム偏向器150に送信される第2偏向場指令DA2は、調整レンズ制御指令Cと同様に、電子ビーム指令I、ビーム偏向指令D、及びビーム径指令Fに依存して決められる。
The
後述するように、変更電極電圧指令G、及びシールド電極電圧指令Sの調整は、引出電極30、変更電極40、シールド電極50、及びシールド電極50よりターゲット側に配置された第1ビーム偏向器130、第1アパーチャ140の組と、第1アパーチャ140よりターゲット側に配置された第2ビーム偏向器150、第2アパーチャ160の組とによって行う。
As described below, the adjustment of the modified electrode voltage command G and the shield electrode voltage command S is performed by the
また、調整レンズ制御指令Cの調整は、引出電極30、変更電極40、シールド電極50、ディフレクタ170、及びビーム計測センサ180によって行う。ビーム計測センサ180は、ディフレクタ170よりターゲット側に配置され、溶融面上に開口を有する。
The adjustment lens control command C is adjusted by the
これらの変更電極電圧指令G、シールド電極電圧指令S、及び調整レンズ制御指令Cの調整は、ビーム電流に依存して変化する電子銃2の光源特性がレンズ鏡筒部3内において計測されることによって行われる。
These modified electrode voltage command G, shield electrode voltage command S, and adjustment lens control command C are adjusted by measuring the light source characteristics of the
以上に説明したように、本実施形態に係る電子銃(本実施形態において、ビーム高速変調機構6)は、引出電極30と、アノード60と、変更電極40と、引出電極制御アンプ(本実施形態において、引出電極制御回路210に備えられる引出電極制御アンプ211)と、変更電極制御アンプ220とを備える。
引出電極30は、カソード101から放出される電子ビームEB1の量を制御する。
アノード60は、カソード101から放出された電子ビームEB1を加速させる。
変更電極40は、引出電極30とアノード60との間に設けられ、通過する電子ビームEB1の開き角を変える。
引出電極制御アンプ(本実施形態において、引出電極制御回路210に備えられる引出電極制御アンプ211)は、電子ビームEB1の量を指定する電子ビーム指令に基づいて、引出電極30に電圧を印加する。
変更電極制御アンプ220は、電子ビーム指令Iに基づいて、変更電極40に電圧を印加する。
As described above, the electron gun according to this embodiment (in this embodiment, the beam high-speed modulation mechanism 6) comprises the
The
The
The changing
An extraction electrode control amplifier (in this embodiment, an extraction
The modifying
この構成により、本実施形態に係る電子銃(本実施形態において、ビーム高速変調機構6)は、電子ビームEB1の量に基づいて変更電極40に電圧を印加することで電子ビームEB1の開き角を変えることができるため、ビーム電流を変化させても造形面において所望のビーム径を得るための調整ができる。
With this configuration, the electron gun according to this embodiment (in this embodiment, the high-speed beam modulation mechanism 6) can change the opening angle of the electron beam EB1 by applying a voltage to the changing
[電子ビーム計測方法]
造形面における電子ビームEB1のビーム径(スポット径)を、造形中に高速変調させる必要がある。その際に、引出電極30、変更電極40、及びシールド電極50それぞれの電圧を任意の値に固定したまま、調整レンズ120を用いて所望のビーム径に調整する。精度担保のためには、造形面におけるスポット径を測定することによって、調整レンズ120による励磁を補正するための補正関数の作成が必要である。
[Electron beam measurement method]
The beam diameter (spot diameter) of the electron beam EB1 on the modeling surface needs to be modulated at high speed during modeling. At that time, the beam diameter is adjusted to a desired value using the
また、稼働中に電子銃2の光源特性が徐々に変化し、上記の補正関数の修正が必要となる。しかし、従来、造形中に造形面でリアルタイムに電子銃2の光源特性の測定を行うことは難しい。
In addition, the light source characteristics of the
本実施形態では、電子銃2の光源特性をリアルタイムに測定し所望の性能を得るために、引出電極30、変更電極40、及びシールド電極50それぞれの電圧を変化させる。したがって、調整レンズ120による励磁、及び補正関数を変更する必要がない。
In this embodiment, the voltages of the
図13は、本実施形態に係る電子ビーム計測方法の一例を示す図である。
電子銃2の光源特性の測定のため、第1アパーチャ140、及び第2アパーチャ160を走査しエッジプロファイルを取得する。第1アパーチャ140は、第1電流センサ141を有し、第1ビーム偏向器130よりターゲット側の第1配置面PZ1に設置される。
第2ビーム偏向器150は、第1アパーチャ140の射出側に配置される。第2アパーチャ160は、第2電流センサ161を有し、第2ビーム偏向器150よりターゲット側の第2配置面PZ2に設置されている。第1配置面PZ1、及び第2配置面PZ2はそれぞれ、光軸方向に垂直な平面である。
FIG. 13 is a diagram showing an example of an electron beam measurement method according to this embodiment.
In order to measure the light source characteristics of the
The
電子銃2からの電子ビームEB1を、第1ビーム偏向器130を用いて電子ビームEB1の偏向角度を変更することによって、第1電流センサ141を有する第1アパーチャ140上で走査する。ここで第1アパーチャ140上での走査では、第1アパーチャ140の開口部142の縁部を電子ビームEB1が走査する。
電子銃2からの電子ビームEB1を、第2ビーム偏向器150を用いて、第1アパーチャ140の射出側に配置されて第2電流センサを有する第2アパーチャ上で走査する。第2アパーチャ160上での走査では、第2アパーチャ160の開口部162の縁部を電子ビームEB1が走査する。
The electron beam EB1 from the
The electron beam EB1 from the
図14に、電子ビームEB1をアパーチャ上で走査することによる電流センサからの出力(第1電流センサ141からの第1出力、または第2電流センサ161からの第2出力)の一例を示す。図14では、一例として、電子ビームEB1をX軸方向(左右方向)に走査した場合の出力が示されている。図14において、横軸は、電子ビームEB1のX軸方向の位置を示す。縦軸は、電流センサから出力される信号強度を示す。当該信号強度は、アパーチャに遮られた電子ビームEB1のビーム電流の大きさを示す。
FIG. 14 shows an example of the output from the current sensor (the first output from the first
エッジプロファイルEP1は、電子ビームEB1をX軸方向に走査した場合の信号強度を示す。エッジプロファイルEP1をX軸方向の位置で微分することによって、線広がり関数LSF1が得られる。領域R1は、線広がり関数LSF1において、光軸方向における所定の位置(第1配置面PZ1の位置、または第2配置面PZ2)における電子ビームEB1の電子含有割合が所定の割合(50パーセント)となる領域を示す。 The edge profile EP1 indicates the signal intensity when the electron beam EB1 is scanned in the X-axis direction. The line spread function LSF1 is obtained by differentiating the edge profile EP1 with respect to the position in the X-axis direction. Region R1 indicates the region in the line spread function LSF1 where the electron content of the electron beam EB1 at a predetermined position in the optical axis direction (the position of the first placement surface PZ1 or the second placement surface PZ2) is a predetermined percentage (50 percent).
第1電流センサ141からの第1出力に基づいて、第1配置面PZ1の位置におけるエッジプロファイルを取得する。第2電流センサ161からの第2出力に基づいて、第2配置面PZ2の位置におけるエッジプロファイルを取得する。つまり、2つの光軸方向の位置(Z方向の位置)それぞれについてエッジプロファイルを取得する。
Based on the first output from the first
エッジプロファイルを用いて任意の電子含有割合を持つビーム電流分布を、2つの光軸方向の位置それぞれについて測定する。つまり、第1配置面PZ1におけるビーム電流分布は、第1配置面PZ1上の位置に対する第1電流センサ141の第1出力の大きさを示すプロファイル信号から算出される。第2配置面PZ2におけるビーム電流分布は、第2配置面PZ2上の位置に対する第2電流センサ161の第2出力の大きさを示すプロファイル信号から算出される。
Beam current distribution with an arbitrary electron content ratio is measured for each of the two positions in the optical axis direction using the edge profile. In other words, the beam current distribution on the first placement plane PZ1 is calculated from a profile signal indicating the magnitude of the first output of the first
したがって、第1電流センサ141からの第1出力を用いて、第1配置面PZ1における電子ビームEB1のビーム電流分布を測定する。第2電流センサ161からの第2出力を用いて、第2アパーチャ160の第2配置面PZ2における電子ビームEB1のビーム電流分布を測定する。
Therefore, the first output from the first
次に、第1電流センサ141の第1出力を用いて測定されるビーム電流分布と、第2電流センサ161の第2出力を用いて測定されるビーム電流分布とに基づいて、電子銃2からの電子ビームEB1の光源サイズ、及び開き角を求める。
Next, the source size and aperture angle of the electron beam EB1 from the
ここで第1配置面PZ1におけるビーム電流分布から、第1配置面PZ1における電子ビームEB1に含まれる全電子に対する割合が所定の割合となるビーム径を求めることができる。第2配置面PZ2におけるビーム電流分布から、第2配置面PZ2における電子ビームEB1に含まれる全電子に対する割合が所定の割合となるビーム径を求めることができる。 Here, from the beam current distribution on the first placement surface PZ1, it is possible to determine the beam diameter at which the ratio of the total electrons contained in the electron beam EB1 on the first placement surface PZ1 is a predetermined ratio. From the beam current distribution on the second placement surface PZ2, it is possible to determine the beam diameter at which the ratio of the total electrons contained in the electron beam EB1 on the second placement surface PZ2 is a predetermined ratio.
図15は、本実施形態に係る電子ビームEB1の光源サイズの測定の一例を示す図である。図15では、Z軸方向の位置に対するビーム電流分布の変化が示されている。図15では、電子含有割合が30パーセントの領域に対する開き角を開き角W30、50パーセントの領域に対する開き角を開き角W50、及び90パーセントの領域に対する開き角を開き角W90で示している。また、図15では、90パーセントの領域に対する開き角が、全電子含有開き角DT1として示されている。 FIG. 15 is a diagram showing an example of the measurement of the source size of the electron beam EB1 according to this embodiment. FIG. 15 shows the change in beam current distribution with respect to the position in the Z-axis direction. In FIG. 15, the opening angle for the region with an electron content of 30 percent is shown as opening angle W30, the opening angle for the region with an electron content of 50 percent is shown as opening angle W50, and the opening angle for the region with an electron content of 90 percent is shown as opening angle W90. Also, in FIG. 15, the opening angle for the region with an electron content of 90 percent is shown as the total electron content opening angle DT1.
上述したように、ビーム電流分布は、第1配置面PZ1の位置と第2配置面PZ2の2つの光軸方向の位置それぞれについて測定される。そのため、2点において同じ電子含有割合を持つビーム径を直線で結ぶことによって、光源サイズSP1が求められる。つまり、測定したビーム径を電子銃2の側に逆投影して電子ビームEB1の光源サイズを測定できる。
As described above, the beam current distribution is measured for each of the two optical axis positions on the first placement surface PZ1 and the second placement surface PZ2. Therefore, the source size SP1 can be obtained by drawing a straight line to connect the beam diameters that have the same electron content at two points. In other words, the source size of the electron beam EB1 can be measured by projecting the measured beam diameter back onto the
したがって、第1電流センサ141の第1出力から得られる第1プロファイル信号と、第2電流センサ161の第2出力から得られる第2プロファイル信号と、第1配置面PZ1と第2配置面PZ2との距離に関する情報とを用いて光源サイズSP1、及び所望の電子含有割合を持つ開き角W30、開き角W50、開き角W90、及び開き角DT1が算出される。
Therefore, the light source size SP1 and the opening angles W30, W50, W90, and DT1 having the desired electron content are calculated using the first profile signal obtained from the first output of the first
本実施形態に係る電子ビーム計測方法では、第1ビーム偏向器130、及び第2ビーム偏向器150は高速変調できるため、造形中にリアルタイムに電子銃2の光源特性の測定ができる。
In the electron beam measurement method according to this embodiment, the
次に、造形面におけるスポット径の測定と、調整レンズ120による励磁を補正するための補正関数の作成について説明する。なお、補正関数の作成方法については、例えば、特許文献2に記載の作成方法が用いられる。
Next, we will explain how to measure the spot diameter on the modeling surface and how to create a correction function to correct the excitation by the
図16は、本実施形態に係る造形面におけるスポット径の測定方法の一例を示す図である。図17は、本実施形態に係るビーム計測センサ180の構成の一例を示す図である。造形面におけるスポット径を測定するため、造形面にビーム計測センサ180を設置する。ビーム計測センサ180は、ファラデーカップ181と、測定用チャート182とを備える。ファラデーカップ181の径は、造形範囲と同等の大きさである。測定用チャート182は、造形面に設置された状態において、光軸AX1と略垂直な平面に設けられた複数の開口183を有する。
FIG. 16 is a diagram showing an example of a method for measuring the spot diameter on the printing surface according to this embodiment. FIG. 17 is a diagram showing an example of the configuration of a
測定用チャート182をディフレクタ170で走査し、測定用チャート182に設けられたに開口183を通過した電子ビームEB1をファラデーカップ181によって検出する。ファラデーカップ181による検出結果に基づいて、エッジプロファイルを測定し、造形面におけるスポット径を算出する。
The
測定用チャート182は、電子ビームEB1の入射の熱に耐えられる金属(例えば、タングステン)で作製され、裏面に別の種類の金属(例えば、銅)が接着される。開口183の形状は8角形である。これは、X軸方向、Y軸方向、及び45度回転方向それぞれについてスポットの形状を測定するためである。1つの開口183の幅と、隣接する開口183同士の間隔とは、最大1.5mmのスポット形状を正しく推定できるという条件に基づいて決められる。例えば、開口183の幅は、3mm以上であり、隣接する開口183同士の間隔は、2.5mm以上である。
The
補正関数は、ビーム計測センサ180により測定されたスポット径及び偏向量と、調整レンズ120による励磁との関係に基づいて算出される。
The correction function is calculated based on the relationship between the spot diameter and deflection amount measured by the
以上に説明したように、本実施形態に係る電子ビーム計測方法は、電子光源部(本実施形態において、電子銃2)からの電子ビームEB1を、電子ビームEB1の偏向角度を変更できる第1ビーム偏向器130を用いて、第1電流センサ141を有する第1アパーチャ140上で走査することと、第1アパーチャ140の第1電流センサ141からの第1出力を用いて、第1アパーチャ140の第1配置面PZ1における電子ビームEB1の第1ビーム電流分布を測定することと、電子光源部(本実施形態において、電子銃2)らの電子ビームEB1を、第1アパーチャ140の射出側に配置されて電子ビームEB1の偏向角度を変更できる第2ビーム偏向器150を用いて、第1アパーチャ140の射出側に配置されて第2電流センサ161を有する第2アパーチャ160上で走査することと、第2アパーチャ160の第2電流センサ161からの第2出力を用いて、第2アパーチャ160の第2配置面PZ2における電子ビームEB1の第2ビーム電流分布を測定することと、第1電流センサ141の第1出力を用いて測定されるビーム電流分布と、第2電流センサ161の第2出力を用いて測定されるビーム電流分布とに基づいて、電子光源部(本実施形態において、電子銃2)からの電子ビームEB1の光源サイズ、及び開き角を求めることとを含む。
As described above, the electron beam measurement method according to this embodiment includes scanning the electron beam EB1 from the electron light source unit (
この構成により、本実施形態に係る電子ビーム計測方法は、ビーム電流が変化した場合でも、求めた光源サイズ、及び開き角に基づいてビーム径を制御できるため、造形面において所望のビーム径を得ることができる。 With this configuration, the electron beam measurement method according to this embodiment can control the beam diameter based on the determined light source size and opening angle even when the beam current changes, making it possible to obtain the desired beam diameter on the printing surface.
なお、電子鏡筒1は、本実施形態で説明した引出電極制御回路210の構成、フォーカシング電極20の構成、開き角調整・差動排気機構4の構成、高速ビームアライメント系5、及びビーム高速変調機構6の構成のうちすくなくとも1以上を備えていればよい。したがって、電子鏡筒1の構成において、引出電極制御回路210の構成、フォーカシング電極20の構成、開き角調整・差動排気機構4の構成、高速ビームアライメント系5、及びビーム高速変調機構6の構成はそれぞれ、本実施形態で説明した構成以外の構成とされてもよい。
また、電子鏡筒1において、本実施形態で説明した電子ビーム軌道制御方法、及び電子ビーム計測方法は用いられなくてもよい。
The
Furthermore, in the
以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。 Although one embodiment of the present invention has been described in detail above with reference to the drawings, the specific configuration is not limited to that described above, and various design changes can be made without departing from the spirit of the present invention.
1 電子鏡筒
2 電子銃
3 レンズ鏡筒部
4 角調整・差動排気機構
5 高速ビームアライメント系
6 ビーム高速変調機構
10 カソードユニット
20 フォーカシング電極
21 嵌合部
22 収束部
23 収納部
30 引出電極
40 変更電極
50 シールド電極
60 アノード
70 カソードプロテクタ
80 オリフィス
90 ビーム偏向器
91 第1空芯コイル
92 第2空芯コイル
100 集束レンズ部
101 カソード
102 フィラメント給電部
103 給電経路
104 絶縁体ベース
110 集束レンズ
120 調整レンズ
130 第1ビーム偏向器
140 第1アパーチャ
141 第1電流センサ
142 開口部
150 第2ビーム偏向器
160 第2アパーチャ
161 第2電流センサ
162 開口部
170 ディフレクタ
180 ビーム計測センサ
181 ファラデーカップ
182 測定用チャート
183 開口
190 制御器
200 高電圧制御ユニット
210 引出電極制御回路
211 引出電極制御アンプ
212 逆バイアス電圧供給源
213 スイッチ回路
214 充電用コンデンサ
215 充電用電源
216 エミッタフォロア
217 引出電極
220 変更電極制御アンプ
230 シールド電極制御アンプ
300 第1偏向器制御アンプ
310 第2偏向器制御アンプ
320 集束レンズ部制御アンプ
330 ディフレクタ制御アンプ
701-1 プロテクタ部材
701-2 プロテクタ部材
702 溝
I 電子ビーム指令
C 調整レンズ制御指令
S シールド電極電圧指令
D ビーム偏向指令
DA1 第1偏向場指令
DA2 第2偏向場指令
G 変更電極電圧指令
EB1 電子ビーム
PZ1 第1配置面
PZ2 第2配置面
SP1 光源サイズ
T1 ビーム軌道
T11 第1軌道
T12 第2軌道
1 Electron barrel 2 Electron gun 3 Lens barrel section 4 Angle adjustment/differential pumping mechanism 5 High-speed beam alignment system 6 High-speed beam modulation mechanism 10 Cathode unit 20 Focusing electrode 21 Fitting section 22 Converging section 23 Storage section 30 Extraction electrode 40 Changing electrode 50 Shield electrode 60 Anode 70 Cathode protector 80 Orifice 90 Beam deflector 91 First air-core coil 92 Second air-core coil 100 Focusing lens section 101 Cathode 102 Filament power supply section 103 Power supply path 104 Insulator base 110 Focusing lens 120 Adjustment lens 130 First beam deflector 140 First aperture 141 First current sensor 142 Opening 150 Second beam deflector 160 Second aperture 161 Second current sensor 162 Opening 170 Deflector 180 Beam measurement sensor 181 Faraday cup 182, measurement chart 183, opening 190, controller 200, high voltage control unit 210, extraction electrode control circuit 211, extraction electrode control amplifier 212, reverse bias voltage supply source 213, switch circuit 214, charging capacitor 215, charging power supply 216, emitter follower 217, extraction electrode 220, modification electrode control amplifier 230, shield electrode control amplifier 300, first deflector control amplifier 310, second deflector control amplifier 320, focusing lens unit control amplifier 330, deflector control amplifier 701-1, protector member 701-2, protector member 702, groove I, electron beam command C, adjustment lens control command S, shield electrode voltage command D, beam deflection command DA1, first deflection field command DA2, second deflection field command G, modification electrode voltage command EB1, electron beam PZ1, first arrangement surface PZ2, second arrangement surface SP1, light source size T1 Beam orbit T11 First orbit T12 Second orbit
Claims (30)
前記引出電極に順バイアス電圧を供給するアンプと、
前記引出電極に逆バイアス電圧を供給する電源と、
前記電子ビームを前記オン状態にするときに前記アンプと前記引出電極とを接続し、前記電子ビームを前記オフ状態にするときに前記電源と前記引出電極とを接続するように切り替えるスイッチ回路と、
を備える電子ビーム制御回路。 A control circuit for changing the switching between an on state and an off state of an electron beam emitted from a cathode of an electron gun having an extraction electrode by controlling a voltage applied to the extraction electrode,
an amplifier for supplying a forward bias voltage to the extraction electrode;
a power source for supplying a reverse bias voltage to the extraction electrode;
a switch circuit that switches between connecting the amplifier and the extraction electrode when the electron beam is in the on state and connecting the power supply and the extraction electrode when the electron beam is in the off state;
An electron beam control circuit comprising:
前記充電用コンデンサを充電する充電用電源と、
ベースが前記アンプに接続され、エミッタが前記充電用コンデンサ及び前記充電用電源に並列接続され、コレクタが前記スイッチ回路に接続されたトランジスタを含むエミッタフォロアと、
をさらに備える
請求項1に記載の電子ビーム制御回路。 a charging capacitor for charging the extraction electrode when the electron beam is turned on;
a charging power source for charging the charging capacitor;
an emitter follower including a transistor having a base connected to the amplifier, an emitter connected in parallel to the charging capacitor and the charging power supply, and a collector connected to the switch circuit;
The electron beam control circuit of claim 1 further comprising:
請求項2に記載の電子ビーム制御回路。 The electron beam control circuit according to claim 2 , wherein the emitter follower includes a plurality of transistors whose collectors and emitters are connected to each other.
前記カソードから放出された前記電子ビームを加速させるアノードと、
前記引出電極と前記アノードとの間に設けられ、通過する前記電子ビームの開き角を変える変更電極と、
前記電子ビームの量を指定する電子ビーム指令に基づいて、前記引出電極に電圧を印加する引出電極制御アンプと、
前記電子ビーム指令に基づいて、前記変更電極に電圧を印加する変更電極制御アンプと、
を備える電子銃。 an extraction electrode for controlling the amount of the electron beam emitted from the cathode;
an anode for accelerating the electron beam emitted from the cathode;
a deflection electrode provided between the extraction electrode and the anode for deflecting an aperture angle of the electron beam passing therethrough;
an extraction electrode control amplifier that applies a voltage to the extraction electrode based on an electron beam command that specifies the amount of the electron beam;
a modifying electrode control amplifier that applies a voltage to the modifying electrode based on the electron beam command;
An electron gun comprising:
請求項4に記載の電子銃。 5. The electron gun according to claim 4, wherein said modifying electrode control amplifier applies a voltage to said modifying electrode so as to adjust the divergence of said electron beam passing through said modifying electrode in accordance with the magnitude of the beam current of said electron beam.
前記電子ビーム指令に基づく電圧指令に基づいて、前記シールド電極に電圧を印加するシールド電極制御アンプと
を更に備える
請求項4または請求項5に記載の電子銃。 a shield electrode that is provided at least partially between the deflection electrode and the anode, has an opening through which the electron beam passes, and focuses the electron beam;
The electron gun according to claim 4 or 5, further comprising: a shield electrode control amplifier that applies a voltage to the shield electrode based on a voltage command based on the electron beam command.
少なくとも前記電子ビーム指令に基づいて、前記集束レンズ部に電流または電圧を印加する集束レンズ部制御アンプと
を更に備える
請求項4から請求項6までのいずれか一項に記載の電子銃。 a focusing lens portion for focusing the electron beam having passed through the deflecting electrode;
7. The electron gun according to claim 4, further comprising: a condenser lens section control amplifier that applies a current or a voltage to the condenser lens section based on at least the electron beam command.
ビーム偏向指令に基づいて電流を前記ディフレクタに出力するディフレクタ制御部と
を備え、
前記集束レンズ部制御アンプは、前記電子ビーム指令と前記ビーム偏向指令とに基づく電圧指令または電流指令に基づいて、前記集束レンズ部を制御する
請求項7に記載の電子銃。 a deflector provided closer to a target than the focusing lens unit and configured to deflect the electron beam converged by the focusing lens unit;
a deflector control unit that outputs a current to the deflector based on a beam deflection command,
8. The electron gun according to claim 7, wherein the condenser lens section control amplifier controls the condenser lens section based on a voltage command or a current command based on the electron beam command and the beam deflection command.
前記集束レンズ部制御アンプは、前記調整レンズに前記電流又は前記電圧を印加する
請求項7または請求項8に記載の電子銃。 the focusing lens unit includes a focusing lens that focuses the electron beam by a magnetic field, and an adjusting lens that changes the degree of convergence of the electron beam by the focusing lens by a magnetic field or an electric field,
9. The electron gun according to claim 7, wherein the focusing lens section control amplifier applies the current or the voltage to the adjustment lens.
請求項4から請求項9までのいずれか一項に記載の電子銃。 10. The electron gun according to claim 4, wherein a timing for changing the voltage applied to the extraction electrode by the extraction electrode control amplifier is equal to a timing for changing the voltage applied to the modification electrode by the modification electrode control amplifier.
請求項4から請求項10までのいずれか一項に記載の電子銃。 11. The electron gun according to claim 4, wherein a rate at which the voltage applied to the extraction electrode by the extraction electrode control amplifier is changed is equal to a rate at which the voltage applied to the modification electrode by the modification electrode control amplifier is changed.
をさらに備え、
前記オリフィスの内径及び長さは、前記変更電極によって開き角が調整された前記電子ビームが前記オリフィスの内部を通過できる通過条件に基づいて決められている
請求項4から請求項11までのいずれか一項に記載の電子銃。 an orifice provided on the emission side of the anode so that the electron beam passing through the opening of the anode passes through;
12. The electron gun according to claim 4, wherein an inner diameter and a length of the orifice are determined based on a passing condition under which the electron beam, the opening angle of which has been adjusted by the deflecting electrode, can pass through the inside of the orifice.
請求項12に記載の電子銃。 13. The electron gun according to claim 12, wherein an inner diameter and a length of the orifice are determined based on the passage condition and a conductance that enables differential evacuation so that a space in which the cathode is located reaches a predetermined vacuum level.
をさらに備える
請求項12または13に記載の電子銃。 14. The electron gun according to claim 12 or 13, further comprising a beam deflector disposed around the orifice and configured to generate a deflection field for changing the direction of the electron beam passing through the orifice.
前記カソードからの前記電子ビームの量を制御する引出電極と、
前記電子ビームの量を減少させるように前記引出電極が制御されるときに、前記引出電極から前記給電経路へ向かう電子の経路を遮断するカソードプロテクタと
を備える電子光源装置。 a filament power supply having a power supply path extending from an insulator base for applying a voltage to a cathode that emits an electron beam;
an extraction electrode for controlling the amount of the electron beam from the cathode;
a cathode protector that blocks a path of electrons from the extraction electrode to the power supply path when the extraction electrode is controlled to reduce the amount of the electron beam.
請求項15に記載の電子光源装置。 16. The electron light source device according to claim 15, wherein the cathode protector blocks a path of electrons from the extraction electrode toward the insulator base when the extraction electrode is controlled to reduce an amount of the electron beam.
前記フォーカシング電極は、
前記絶縁体ベースが第1方向から嵌合する嵌合部と、
前記カソードから放出される熱電子を収束させるための曲面を前記第1方向において前記嵌合部と対向する部分に設けられた収束部と、
前記第1方向において前記嵌合部と前記収束部との間に設けられ、前記カソードプロテクタを収納するための収納部と、
を備える請求項15または請求項16に記載の電子光源装置。 a focusing electrode provided to surround an axis along a direction in which the electron beam is emitted from the cathode;
The focusing electrode is
a fitting portion into which the insulator base is fitted from a first direction;
a converging portion having a curved surface for converging thermoelectrons emitted from the cathode, the curved surface being provided in a portion facing the fitting portion in the first direction;
a housing portion for housing the cathode protector, the housing portion being provided between the fitting portion and the converging portion in the first direction;
The electronic light source device according to claim 15 or 16, comprising:
請求項15から請求項17までのいずれか一項に記載の電子光源装置。 The electron light source device according to claim 15 , wherein the cathode protector has a groove surrounding the power supply path of the filament power supply part in a non-contact manner.
前記カソードプロテクタは、当該部分によって前記フィラメント給電部の前記給電経路を挟むことによって前記フィラメント給電部の前記給電経路を非接触で囲む
請求項18に記載の電子光源装置。 the cathode protector is made up of two opposing portions, each having the groove;
The electronic light source device according to claim 18 , wherein the cathode protector surrounds the power supply path of the filament power supply part without contacting the power supply path of the filament power supply part by sandwiching the power supply path of the filament power supply part with the cathode protector.
前記第1アパーチャの前記第1電流センサからの第1出力を用いて、前記第1アパーチャの第1配置面における前記電子ビームの第1ビーム電流分布を測定することと、
前記電子光源部からの前記電子ビームを、前記第1アパーチャの射出側に配置されて前記電子ビームの偏向角度を変更できる第2ビーム偏向器を用いて、前記第1アパーチャの射出側に配置されて第2電流センサを有する第2アパーチャ上で走査することと、
前記第2アパーチャの前記第2電流センサからの第2出力を用いて、前記第2アパーチャの第2配置面における前記電子ビームの第2ビーム電流分布を測定することと、
前記第1電流センサの第1出力を用いて測定されるビーム電流分布と、前記第2電流センサの第2出力を用いて測定されるビーム電流分布とに基づいて、前記電子光源部からの前記電子ビームの光源サイズ、及び開き角を求めることと
を含む電子ビーム計測方法。 scanning an electron beam from an electron light source unit over a first aperture having a first current sensor by using a first beam deflector capable of changing a deflection angle of the electron beam;
measuring a first beam current distribution of the electron beam at a first placement plane of the first aperture using a first output from the first current sensor of the first aperture;
scanning the electron beam from the electron light source unit over a second aperture disposed on an exit side of the first aperture and having a second current sensor, by using a second beam deflector disposed on an exit side of the first aperture and capable of changing a deflection angle of the electron beam;
measuring a second beam current distribution of the electron beam at a second placement plane of the second aperture using a second output from the second current sensor of the second aperture;
determining a light source size and an opening angle of the electron beam from the electron light source unit based on a beam current distribution measured using a first output of the first current sensor and a beam current distribution measured using a second output of the second current sensor.
前記第2アパーチャ上で走査することは、前記第2アパーチャの開口部の縁部を前記電子ビームが走査することを含む
請求項20に記載の電子ビーム計測方法。 scanning the first aperture includes scanning an edge of an opening of the first aperture with the electron beam;
The electron beam metrology method of claim 20 , wherein scanning over the second aperture includes causing the electron beam to scan an edge of an opening of the second aperture.
前記第2ビーム電流分布は、前記第2配置面上の位置に対する前記第2出力の大きさを示すプロファイル信号から算出される
請求項20または請求項21に記載のビーム計測方法。 the first beam current distribution is calculated from a profile signal indicating a magnitude of the first output with respect to a position on the first arrangement surface;
The beam measurement method according to claim 20 or 21, wherein the second beam current distribution is calculated from a profile signal indicating a magnitude of the second output with respect to a position on the second placement surface.
前記第2ビーム電流分布から、前記第2配置面における前記電子ビームに含まれる全電子に対する割合が所定の割合となるビーム径が算出される
請求項22に記載のビーム計測方法。 a beam diameter, the ratio of which to all electrons contained in the electron beam on the first arrangement plane is a predetermined ratio, is calculated from the first beam current distribution;
The beam measurement method according to claim 22 , further comprising: calculating a beam diameter, the ratio of which to all electrons contained in the electron beam on the second placement plane being a predetermined ratio, from the second beam current distribution.
請求項20から請求項23までのいずれか一項に記載のビーム計測方法。 24. The beam measurement method according to claim 20, wherein, in determining the light source size and the opening angle, the light source size and the opening angle are calculated using a first profile signal obtained from the first output, a second profile signal obtained from the second output, and information regarding a distance between a surface on which the first aperture is disposed and a surface on which the second aperture is disposed.
磁場によって前記電子ビームを収束させる集束レンズを含む集束レンズ部と、
前記引出電極と前記集束レンズとの間に設けられ、前記電子ビームの軌道を偏向する第1偏向器と、
前記第1偏向器と前記集束レンズとの間に設けられ、前記第1偏向器によって偏向された前記電子ビームの軌道を偏向する第2偏向器と、
前記電子ビームの量を指定する電子ビーム指令に基づいて、前記引出電極に電圧を印加する引出電極制御アンプと、
前記電子ビーム指令に基づく電圧指令または電流指令に基づいて、前記第1偏向器に励磁電流を出力する第1制御部と、
前記電子ビーム指令に基づく電圧指令または電流指令に基づいて、前記第2偏向器に励磁電流を出力する第2制御部と、
を備え、
前記第1制御部は、前記第1偏向器からの前記電子ビームの軌道が前記第2偏向器の中心に向かうように前記第1偏向器を制御し、
前記第2制御部は、前記第2偏向器からの前記電子ビームの軌道が光軸に沿うように、または前記光軸と平行となるように前記第2偏向器を制御する
電子銃。 an extraction electrode for controlling the amount of the electron beam emitted from the cathode;
a focusing lens unit including a focusing lens that focuses the electron beam by a magnetic field;
a first deflector provided between the extraction electrode and the focusing lens and configured to deflect a trajectory of the electron beam;
a second deflector provided between the first deflector and the focusing lens, for deflecting a trajectory of the electron beam deflected by the first deflector;
an extraction electrode control amplifier that applies a voltage to the extraction electrode based on an electron beam command that specifies the amount of the electron beam;
a first control unit that outputs an excitation current to the first deflector based on a voltage command or a current command based on the electron beam command;
a second control unit that outputs an excitation current to the second deflector based on a voltage command or a current command based on the electron beam command;
Equipped with
the first control unit controls the first deflector so that a trajectory of the electron beam from the first deflector is directed toward a center of the second deflector;
The second control unit controls the second deflector so that a trajectory of the electron beam from the second deflector is along an optical axis or parallel to the optical axis.
請求項25に記載の電子銃。 26. The electron gun of claim 25, wherein the first controller and the second controller control the first deflector and the second deflector, respectively, to maintain a constant trajectory of the electron beam from the second deflector when the amount of the electron beam specified by the electron beam command changes.
前記第1制御部は、前記第1偏向器に出力する前記励磁電流を変化させて前記第1偏向器からの前記電子ビームの軌道が前記第2偏向器の中心に向かうようし、
前記第2制御部は、前記第2偏向器に出力する前記励磁電流を変化させて前記第2偏向器からの前記電子ビームの軌道を前記光軸に沿うように、または前記光軸と平行となるようにする
請求項25または請求項26に記載の電子銃。 When the amount of the electron beam specified by the electron beam command is changed,
the first control unit changes the excitation current output to the first deflector so that a trajectory of the electron beam from the first deflector is directed toward a center of the second deflector;
27. The electron gun according to claim 25 or 26, wherein the second control unit changes the excitation current output to the second deflector so that a trajectory of the electron beam from the second deflector is along the optical axis or parallel to the optical axis.
前記第1ビーム偏向器からの電子ビームを第2ビーム偏向器によって偏向することと、
前記電子光源部からの前記電子ビームのビーム電流を変化させることと
を含み、
前記第1ビーム偏向器によって偏向することは、前記ビーム電流が変化したときに前記第1ビーム偏向器からの前記電子ビームの第1軌道が変化しないように前記電子ビームを偏向することを含み、
前記第2ビーム偏向器によって偏向することは、前記ビーム電流が変化したときに前記第2ビーム偏向器からの前記電子ビームの第2軌道が変化しないように前記電子ビームを偏向することを含む
電子ビーム軌道制御方法。 deflecting an electron beam from an electron light source unit by a first beam deflector;
deflecting the electron beam from the first beam deflector with a second beam deflector;
changing a beam current of the electron beam from the electron light source unit;
and deflecting with the first beam deflector includes deflecting the electron beam such that a first trajectory of the electron beam from the first beam deflector does not change when the beam current changes;
The method of controlling an electron beam trajectory, wherein the deflecting by the second beam deflector includes deflecting the electron beam such that a second trajectory of the electron beam from the second beam deflector does not change when the beam current changes.
前記第1ビーム偏向器によって偏向することは、前記電子ビームの前記第1軌道が前記第2ビーム偏向器の中心を通過するように前記電子ビームを偏向することを含み、
前記第2ビーム偏向器によって偏向することは、前記電子ビームの前記第2軌道が前記集束レンズ部の光軸に沿う、または前記光軸と平行な軸に沿うように前記電子ビームを偏向することを含む
請求項28に記載の電子ビーム軌道制御方法。 The method further includes causing the electron beam from the second beam deflector to be incident on a focusing lens unit;
deflecting with the first beam deflector includes deflecting the electron beam such that the first trajectory of the electron beam passes through a center of the second beam deflector;
The electron beam trajectory control method of claim 28, wherein deflecting by the second beam deflector includes deflecting the electron beam so that the second trajectory of the electron beam is along an optical axis of the focusing lens section or along an axis parallel to the optical axis.
請求項29に記載の電子ビーム軌道制御方法。 30. The electron beam trajectory control method according to claim 29, further comprising: measuring a position of the electron beam, via the condenser lens section, on a plane intersecting the optical axis while changing excitation of the condenser lens section.
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Citations (4)
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|---|---|---|---|---|
| JP2002228800A (en) * | 2001-02-05 | 2002-08-14 | Nissin High Voltage Co Ltd | Electron beam irradiation device |
| WO2008050670A1 (en) * | 2006-10-23 | 2008-05-02 | Ulvac, Inc. | Method of controlling electron beam focusing of pierce type electron gun and control device therefor |
| WO2008102435A1 (en) * | 2007-02-20 | 2008-08-28 | Advantest Corporation | Electron gun, electron beam exposure apparatus and electron beam exposure method |
| JP2013065486A (en) * | 2011-09-20 | 2013-04-11 | Hitachi High-Technologies Corp | Degasification method of electron gun, electron gun, and electron beam irradiator |
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Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002228800A (en) * | 2001-02-05 | 2002-08-14 | Nissin High Voltage Co Ltd | Electron beam irradiation device |
| WO2008050670A1 (en) * | 2006-10-23 | 2008-05-02 | Ulvac, Inc. | Method of controlling electron beam focusing of pierce type electron gun and control device therefor |
| WO2008102435A1 (en) * | 2007-02-20 | 2008-08-28 | Advantest Corporation | Electron gun, electron beam exposure apparatus and electron beam exposure method |
| JP2013065486A (en) * | 2011-09-20 | 2013-04-11 | Hitachi High-Technologies Corp | Degasification method of electron gun, electron gun, and electron beam irradiator |
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