氏名　寺林　隆夫
学位の種類　工学博士
学位記番号　博甲第5号
学位授与の日付　平成元年3月25日
学位論文の題目　電子ビームによる微細穴加工に関する研究
論文審査委員
　主査　教授　小林　勝
　副査　教授　吉谷　豊
　副査　教授　松田　甚一
　副査　教授　服部　賢
　副査　助教授　増田　渉
　副査　東京大学　教授　増沢　隆久

• 論文目次
• 論文要旨

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第1章　緒論　p.1
1.1　研究の背景および従来の研究　p.1
1.1.1　研究の背景　p.1
1.1.2　従来の研究　p.3
1.2　本研究の目的および論文の構成　p.6
参考文献　p.7
第2章　電子ビーム加工機の開発　p.13
2.1　緒言　p.13
2.2　加工機の全体構成　p.14
2.2.1　電子銃　p.18
2.2.2　電子光学系の構成と機能　p.22
2.2.3　ビーム径の測定　p.26
2.3　補助収束システム　p.34
2.3.1　コイルの設置方式　p.34
2.3.2　コイルの設計　p.37
2.4　偏向系　p.41
2.5　加工室、真空系およびXYテーブル　p.49
2.5.1　加工室および真空排気系　p.49
2.5.2　XYテーブル　p.53
2.6　CNC制御装置　p.57
2.7　結言　p.58
参考文献　p.60
第3章　電子ビーム穴あけ過程の理論解析　p.62
3.1　緒言　p.62
3.2　各種材料の透過飛程とエネルギ吸収率分布　p.63
3.3　材料除去を考慮した熱伝導解析　p.67
3.3.1　解析モデル　p.67
3.3.2　差分法による熱伝導計算　p.69
3.3.3　材料除去の臨界条件　p.73
3.4　解析結果および考察　p.79
3.4.1　解析条件および実験条件　p.79
3.4.2　加工形状に及ぼす加工パラメータの影響　p.80
3.4.3　電子ビーム加工における問題点　p.90
3.5　結言　p.93
参考文献　p.96
第4章　下敷材料による溶融物の強制排除　p.99
4.1　緒言　p.99
4.2　下敷材料を考慮した熱伝導解析　p.100
4.2.1　解析モデル　p.100
4.2.2　数値解析条件　p.105
4.2.3　解析結果および考察　p.110
4.3　実験結果およびその検討　p.119
4.3.1　実験方法および実験条件　p.119
4.3.2　下敷材料による穴詰りの抑制　p.121
4.3.3　下敷材料を用いた場合の穴加工特性　p.125
4.4　結言　p.136
参考文献　p.137
第5章　マルチパルス加工による加工穴円筒度の向上　p.139
5.1　緒言　p.139
5.2　実験材料およびその特性　p.140
5.3　グリーンシート加工における材料除去機構　p.142
5.4　解析結果および検討　p.152
5.5　マルチパルスによるグリーンシートの加工特性　p.165
5.5.1　パルス数の影響　p.167
5.5.2　デューティファクタの影響　p.167
5.5.3　ビーム条件の影響　p.177
5.6　結言　p.178
参考文献　p.181
第6章　動的焦点制御によるグリーンシートの高速高精度加工　p.183
6.1　緒言　p.183
6.2　パルスビーム走査時のビーム焦点移動現象　p.185
6.2.1　実験装置および実験方法　p.185
6.2.2　実験条件　p.185
6.2.3　実験結果および考察　p.188
6.3　動的ビーム焦点制御による焦点移動の補正　p.201
6.4　結言　p.212
参考文献　p.213
第7章　電子ビーム加工法の適用　p.214
7.1　緒言　p.214
7.2　下敷材料を用いたプロセスによる穴加工例　p.214
7.2.1　金属の加工例　p.214
7.2.2　セラミックスの加工例　p.218
7.3　電子回路基板用アルミナグリーンシートの加工　p.218
7.4　結言　p.222
参考文献　p.222
第8章　総括　p.224
8.1　研究のまとめ　p.224
8.2　残された課題　p.227
謝辞　p.228
著者の学術研究業績　p.229

　本論文は、「電子ビームによる微細穴加工の研究」と題し、8章より構成されている。
　第1章「緒論」では電子ビーム加工の現状と従来の研究について概説し、難削材料の高能率微細穴加工法として古くから注目されてきた電子ビーム加工法が熱加工であるが故の加工変質層のため極く限られた分野にしか適用されていないこと、また従来の研究が、加工機構の解明に重点が置かれ、実生産において高品質の穴を大量に加工する時の問題については全く言及されていないことなどを明らかにしている。そして、本研究の目的が、実生産に適用可能な高品質穴の高速加工プロセスの開発にあることについて述べている。
　第2章では試作した電子ビーム加工機の概要について述べている。特に、ビーム電流の小さい領域を安定化した電子銃と、ビーム移動のための鞍形偏向コイルならびにビーム焦点位置を動的に高速制御するための時定数可変の収束コイルの開発によって微小径電子ビームの高速移動制御を可能にしている。さらに、被加工物を能率良く搬送するためのXYテーブルとこれらを精度良く位置決め制御するためのCNC制御システムの開発により、実生産に適用が可能な高機能電子ビーム加工機が得られたことについて述べている。
　第3章では、与えられた加工諸元に対して加工条件を適切に設定する必要性から、電子ビーム加工過程のシミュレーション技術の開発を行なっている。穴あけ過程を軸対称熱伝導問題として取扱い、材料除去の臨界条件として、材料内のビーム照射部分が蒸発可能温度になると周辺の溶融物も共に飛散除去されるという概念を解析に導入し、材料除去を考慮して差分法により熱伝導方程式を解くことによって、実際の加工過程と良く合うシミュレーション技術の開発に成功している。さらに、この解析と検証実験を通じて単一ビームパルスによる加工では円筒度が原理的に良くならないこと、溶融物の再凝固による加工穴の閉塞や厚い加工変質層が生じることを明らかにしている。
　第4章では、溶融物の再凝固による穴の閉塞や加工変質層を低減するための方法として、気化しやすい下敷材料の蒸発圧力を利用して加工穴内部の溶融物を強制排除する新しい加工プロセスを提案し、有限要素法による解析を通じて下敷材料による溶融物の強制排除の可能性と効率良く溶融物を排除するために下敷材料に要求される性質を明らかにしている。
　さらに、下敷材料の効果を実験的に確認すると共に、被加工材よりも気化温度が低く、熱伝導率の大きい下敷材料を被加工材の下面に密接させることにより、被加工材を溶融するに足るだけのビームエネルギがあれば、被加工材を介した熱伝導による下敷材料の気化圧力によって穴内部の溶融物を強制排除させうることを明らかにしている。この結果、投入エネルギが同じでも下敷材料を用いない加工プロセスに比べて円筒度および品質の良い穴が得られることについて述べている。
　第5章では、穴テーパを小さくし、円筒度を向上する手法として、マルチパルスによる穴加工プロセスについて、電子回路基板用アルミナグリーンシートを対象に検討している。グリーンシートの加工では材料中の有機物が熱分解する時に発生するガスの圧力によって、周辺のアルミナ粒子が吹き飛ばされることで加工が進行するが、この熱分解ガスの影響によるビームの拡大のため穴径および穴テーパが増大する現象があることを明らかにしている。この現象を緩和する手法としてマルチパルス加工が有効であるが、デューティファクタが大きくなると、同じ理由で穴径及び穴テーパが増大するため、円筒度を良くするためにはデューティファクタを1％以下にする必要があることを明らかにしている。
　第6章では、熱分解ガスの影響による加工速度の低下を解決する手法として、単一パルスビームの多重走査方式の穴加工法を提案している。これはある面積をもった領域内をビーム偏向位置決めを利用して単一パルスビュームで走査し、これを複数回繰り返すことで、加工速度を低下させずに見かけ上低デューティファクタで加工を行なう手法である。この際、パルス照射時間間隔が短いと場所的に穴寸法が増大する現象が生じ、これが熱分解ガスが電子衝撃によって電離した時に発生する正イオンの作用によりビーム焦点位置が上方に移動する現象であることを明らかにしている。そしてこの焦点移動を相殺するようにビーム焦点位置を高速で移動させる動的焦点制御技術の開発により、高速加工下で寸法精度の良い加工が可能であることを実証している。
　第7章では、本研究により開発された加工プロセスにより各種の難削材料に穴あけをした例を示すことで、本加工プロセスの可能性を判断するための資料呈示を行っている。
　第8章においては本研究の総括を行うと共に残された課題について述べている。