JP2007141781A - 電磁偏向回路を有する走査電子線装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電磁偏向システムの安定性及び切り替え精度の向上を図る。
【解決手段】寄生ダイオ−ドをもつパワーMOS-FET（Q1，Q2）を逆直列接続するとともに，扱う信号電圧より高いゲート電圧でオン駆動し低い電圧でオフ駆動することにより，オン抵抗の安定な誘導負荷電流の切り替えを行う。
【選択図】 図２

Description

本発明は，走査電子顕微鏡や走査透過電子顕微鏡等の電磁偏向回路を有する走査電子線装置に関する。

走査電子顕微鏡などの走査電子線装置においては，電磁偏向により数倍から数10万倍の倍率切り替えを行う。この倍率切り替えに際しては偏向コイル電流の振幅をおよそ10万倍にわたり変更することになるが，この広いダイナミックレンジを精度よく制御するため，定電流回路の基準抵抗や分流器を有接点のリレーによって切り替えていた。
実用新案登録第3042956号公報

しかし，接点の接触抵抗は基準抵抗の値に比べ無視できない大きさの不安定性をもち，かつ電磁偏向コイルはインダクタンス負荷であるので接点の開閉に伴い接点に負担がかかり有限の寿命となる。リレー接点の接触抵抗が変動すると偏向電流の大きさが変わるので，偏向振幅すなわち倍率変動の原因となる。

高性能走査電子顕微鏡においては，上段と下段の偏向コイルを連動して２組の偏向増幅器で制御することにより，電子線を精密に対物レンズの収差の少ない光軸中心を通過させる必要がある。この場合，上下段の偏向電流が一定比率に制御できないと画像ひずみの原因となる。したがって，このような電磁偏向システムにおいては，さらに高精度すなわち倍率切り替えの安定性が必要になるが，接点による開閉では充分な安定性が得られないので，画像ひずみの改善及び倍率精度の向上の障害になっていた。

本発明は，高倍率の電流切り替えを行う電磁偏向システムを有する走査電子線装置において，接触抵抗が変化する有接点切り替えを排除し，安定性及び切り替え精度の向上を図ることを目的とする。

偏向電流は交流であるが，たとえばトライアックのような交流ソリッドステートリレーのような通常の交流スイッチング素子では，オン電圧が基準抵抗にかかる電圧に比べ大きいので精密な交流電流の切り替えができない。また，低電圧整流に使われるMOS-FETによる同期整流においては交流信号のスイッチング精度は考慮されていない。一方，直流用のソリッドステートスイッチング素子では，たとえばパワーMOS-FETの品種を選ぶことにより10ｍΩ以下のオン抵抗のものが入手できるようになったが，寄生する並列ダイオードのために，図３に示すようにオフ時に逆阻止能力がなかった。

本発明では，並列寄生ダイオードを有する2個のMOS-FETを並列寄生ダイオードの極性が逆直列なるようにして直列に接続した交流電子スイッチにより，両極性の偏向電流を高精度，高安定に切り替える。

すなわち，本発明による走査電子線装置は，並列寄生ダイオ−ドを有する２つのMOS-FETを寄生ダイオードの極性が逆直列となるように直列接続した電子スイッチを備え，その電子スイッチにより電磁偏向回路が備える負荷コイルの電流レンジを切り替える。電子スイッチは，低電圧側でオン・オフすることにより，負荷コイルの電流レンジを切り替えるのが好ましい。

本発明による走査電子線装置の電磁偏向回路は，また，偏向信号を増幅する増幅器と，増幅器からの出力電流が流れる偏向コイルと，偏向コイルと接地との間に接続された第１の基準抵抗と，偏向コイルと接地との間に直列に接続された第１の基準抵抗より抵抗値の低い第２の基準抵抗と電子スイッチとを有し，電子スイッチは，並列寄生ダイオ−ドを有する２つのMOS-FETを備え，その２つのMOS-FETは寄生ダイオードの極性が逆直列となるように直列接続されているものである。この電磁偏向回路は，更に，偏向コイルに直列接続された第１の抵抗と，オンのとき第１の抵抗を短絡する第１の電子スイッチと，直列に接続されたインダクタンス，第２の抵抗及び第２の電子スイッチからなり，偏向コイル及び第１の抵抗からなる回路に並列に接続された分流回路とを備え，偏向コイルのインダクタンスをL1，第１抵抗の抵抗値をR1，分流回路のインダクタンスをL2，第２の抵抗の抵抗値をR2とするとき，L2/R2=L1/R1であり，第１の電子スイッチ及び第２の電子スイッチは，それぞれ，並列寄生ダイオ−ドを有する２つのMOS-FETを備え，２つのMOS-FETは寄生ダイオードの極性が逆直列となるように直列接続されており，第１スイッチと第２のスイッチは，第１のスイッチがオンのとき第２のスイッチがオフ，第１のスイッチがオフのとき第２のスイッチがオンとなるように駆動されるのが好ましい。

本発明においては，寄生ダイオードを有する同種MOS-FETを逆直列に接続し，低いオン抵抗で両極性の偏向出力電流を偏向システムのローサイド側で切り替える。偏向システムのハイサイド（高電圧側）で切り替えるためにはDC-DCコンバータなどを用いたフローティング電源が必要になり，通常1000ｐＦ前後のMOS-FETの各種寄生容量を経由してスイッチングノイズが偏向電流に重畳するので高倍率の偏向のときのノイズが課題となる。

本発明によれば，有接点リレーによる電流切り替えに比べ，接触抵抗の安定性及び信頼性の高い電流切り替えを行うことができ，電磁偏向システムを有する走査電子線装置の性能・信頼性向上を図ることができる。

以下，図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。以下では，走査電子顕微鏡を例にとって本発明について説明するが，本発明は走査電子顕微鏡以外の，電磁偏向回路を有する走査電子線装置に対しても同様に適用できる。

図１は，走査電子顕微鏡の模式図である。電子銃部11から発生された電子線12は，コンデンサレンズ13によって収束され，上段偏向コイル14と下段偏向コイル15からなる２段の偏向コイルによって偏向・走査され，対物レンズ16によって試料17に焦点を合わせて照射される。上段偏向コイル14の駆動信号18は，偏向コイル駆動増幅器19によって増幅され，上段偏向コイル14に偏向磁界を発生させる。また，下段偏向コイル15の駆動信号20は，偏向コイル駆動増幅器21によって増幅され，下段偏向コイル15に偏向磁界を発生させる。試料上を走査する電子線によって試料17から発生された２次電子22は，２次電子検出器23によって検出され，試料像の形成に用いられる。２段の偏向コイルを用いて電子線を偏向することによって，電子線12は対物レンズ16の光軸中心を通って試料上を走査する。

図２は，本発明による偏向コイル駆動回路の一実施例を示す図である。この偏向コイル駆動回路は，図１に示した上段偏向コイルの駆動回路14，あるいは下段偏向コイル15の駆動回路として用いられる。

図２中の主偏向コイルL1が，図１中の上段偏向コイル14あるいは下段偏向コイル15に相当する。破線内はMOS-FETを用いた電子スイッチである。電磁偏向の強さを大きく変更するには，値の低い基準抵抗RS1をスイッチによりオン・オフし，オンの時にはRS1（たとえば1.1Ωの抵抗）とより値の高い基準抵抗RS2（たとえば10Ωの抵抗）を並列することにより，大電流を適切な信号レベルで抵抗RFを経由して，偏向増幅器A1に負帰還を行う。したがって，切り替えの接触抵抗あるいはオン抵抗は10ｍΩ程度以下の安定性が必要になる。

オフの時には，基準抵抗がRS2のみ接続されるので，少ない電流においても十分なレベルの帰還信号が得られる。上記の数値例は1：10の電流レンジの切り替えを行う回路定数例である。電流は通常数Ａの交流を扱っている。

ここで，値の低い基準抵抗RS1の値は以下の理由で5Ω以下が好ましい。偏向電流の最大値は0.5Aから2A程度であるので，RS1での電力損失は5Ωで5ないし20Wに達する。したがって，RS1の電力損失が過大にならないために，実用上RS1の値は5Ω程度以下に制限される。

本実施例では，高速偏向時の偏向コイル駆動増幅器の最大出力電圧を±30V（60Vピーク）程度を想定している。偏向感度は（電流）×（巻き数）一定で同一偏向感度を得ることができるが，電流を低減して基準抵抗RS1の値を大きくするには偏向コイルの巻き数を増加させなければならない。しかし高速偏向時に必要な電圧が巻き数の増加に比例するので，偏向コイル駆動増幅器の最大出力電圧も比例的に大きくなる。偏向コイル駆動電圧が大きくなると，コイル駆動用の出力段に必要な耐電圧が上昇する。耐電圧定格が120Vピークを超えると、偏向コイル駆動増幅器の出力段に使用可能な品種が少なくなってしまう。

したがって，半導体増幅器を用いた電磁偏向システムでは，最大偏向電流を0.5Aから2A程度とすることが多い。

基準抵抗RS1の値は，電子スイッチ部のオン時の安定性を本発明により向上させればより低いRS1の値を用いることもできる。

以上により，本発明の効果を充分発揮させるにはRS1の値は5Ω以下であることが望ましい。

入力された偏向信号を増幅する偏向増幅器A1の偏向出力は正負の極性をもっているが，通常のMOS-FETにおいては，図３に示すように，寄生ダイオードの導通により片方の極性のみしか扱うことができない。ｎチャネルMOS-FETでは，ドレインが負になるとダイオードに順電圧がかかり導通するので，逆方向の電流が流れるためである。

これを回避する手段として，本実施例では同種MOS-FET（Q1，Q2）を逆直列接続し，いずれの極性でも電子スイッチとして動作するようにした。具体的には，同種MOS-FET（Q1，Q2）を逆直列することにより，プラスとマイナスの極性の信号をオン・オフすることができる。オフにする制御信号を入力すると，少なくとも片方のMOS-FETのダイオードに逆電圧がかかりMOS-FET本体もオフするので，通流を阻止できる。オン時はMOS-FET本体が双方向の電流に対し低い抵抗になり，ほとんど電圧がかからない。

通常，帰還信号は±数Ｖ以下であるので，MOS-FETのオンあるいはオフにする電圧以上の電圧を制御信号VC1として与えることで，安定に破線部の電子スイッチ（Q1，Q2，RG1）をオン又はオフの状態に制御できる。この部分のスイッチは低い耐電圧でよいので，たとえば数ｍΩのオン抵抗をもつ低電圧電源制御用のMOS-FETスイッチを使用でき，かつそのオン抵抗は経年的にも温度変化に対しても充分安定である。一般のソリッドステートACスイッチではこのような低いオン抵抗又はオン電圧は実現できていない。

接点による開閉においては，数10ｍΩ程度の接触抵抗の微小な変動は回避できないうえ，電磁偏向システムにおいては誘導負荷の開閉となるので，接点の信頼性を充分確保することが困難であったが，本発明による電子スイッチを使用すれば安定なオン抵抗を確保できる。したがって，本発明による電磁偏向回路によれば広い倍率で精度のよい偏向倍率を実現できる。

電磁偏向を有する走査電子顕微鏡システムにおいては，さらに広範囲の偏向倍率まで可変するために，主偏向コイルL1に直列抵抗R1を挿入し，抵抗R2とインダクタンスL2からなる分流回路を用い，L2/R2＝L1/R1とすることにより動的にもバランスさせた状態で分流を行う。たとえば分流比を1：100とすれば，基準抵抗RS1，RS2の切り替えとあわせ，1：1000の偏向電流レンジを切り替えることができる。分流回路R2，L2を働かせて主偏向コイルL1に流れる電流を減少させるには，分流回路に挿入したQ3，Q4，RG2からなる電子スイッチをオンにし， Q5，Q6，RG3からなる抵抗R1を短絡する電子スイッチをオフにすればよい。

この場合，Q3からQ6には偏向最大電圧までの電圧がかかるが，基準抵抗に比べMOS-FETのオン抵抗は若干高くとも良いので，妥当なサイズのMOS-FETを使用できる。しかも，電子スイッチの制御回路は接地基準でよいので，その駆動は容易である。この場合，オンを制御する電圧VC2は｛（帰還信号）＋（MOS-FETをオンにする電圧）｝以上の電圧を制御信号とする。オフ時には｛（帰還信号）−（MOS-FETをオフにする電圧）｝より低い電圧をかけ，必要に応じMOS-FETを負の電圧まで駆動することにより電子スイッチのオフ状態を確保する。VC3も同様に制御できる。したがって，本発明による電子スイッチはシステムのハイサイドではなく，グラウンド側すなわちローサイドに設ける方が駆動回路が簡単になる。

電子スイッチをハイサイドに設ける場合には，通常フローティングされた駆動用電源が必要で，たとえばDC-DCコンバータによる絶縁回路が使用されるが，MOS-FETに寄生する各種容量のため，そのスイッチングノイズが偏向電流に重畳する。したがって，高精度を目的にする場合には，ローサイドにスイッチを配置することが有利である。

L2とRS1の間に入った電子スイッチ（Q3，Q4，RG2）をオフ，R1を短絡する電子スイッチ（Q5，Q6，RG3）をオンにすると偏向コイルL1には全電流が流れる。

最近の走査電子顕微鏡においては，上段偏向コイル14と下段偏向コイル15の電流比を正確に保ったまま，偏向を行うシステムが使用されている。このような偏向システムでは，上段偏向コイル14と下段偏向コイル15の電流比が崩れると，倍率精度の低下や像のひずみが発生するので，本発明による電流切り替え回路を使用することにより，電子顕微鏡システムの画像精度の向上と信頼性の確保が同時に可能になる。

本発明を達成するには，必ずしも同種MOS-FETを使う必要はなく，異種極性のｎチャネルMOS-FETとｐチャネルMOS-FETを直列接続した図４の電子回路スイッチも使用できる。この場合にも寄生ダイオードは逆直列となる。

この場合，両MOS-FETを同時にオン・オフするには別系統の駆動信号を入力する必要があるが，Q3，Q4，RG2の電子スイッチとQ5，Q6，RG3の電子スイッチの系統が逆特性駆動となるので，この部分での回路規模の増大はなく，図２のQ1，Q2，RG1の電子スイッチ駆動のみ2系統となる。

以上説明したように，本発明によると，倍率切り替えを行う電磁偏向システム，とくに大きな倍率変更を必要とする走査電子顕微鏡などの偏向システムの性能・信頼性向上を図ることができる。

走査電子顕微鏡の模式図。 本発明による偏向コイル駆動回路の一実施例を示す図。 寄生ダイオードをもつMOS-FETのスイッチング特性例を示す図。 電子スイッチの他の構成例を示す図。

符号の説明

R：抵抗 Q：MOS-FET L：インダクタンス VC：制御電源 A1：偏向増幅器

Claims (5)

1. 電磁偏向回路を有する走査電子線装置において，
   並列寄生ダイオ−ドを有する２つのMOS-FETを前記寄生ダイオードの極性が逆直列となるように直列接続した電子スイッチを備え，前記電子スイッチにより前記電磁偏向回路が備える負荷コイルの電流レンジを切り替えることを特徴とする走査電子顕微鏡。
2. 請求項１記載の走査電子顕微鏡において，前記電子スイッチは，低電圧側でオン・オフすることにより，負荷コイルの電流レンジを切り替えることを特徴とする走査電子線装置。
3. 電磁偏向回路を有する走査電子線装置において，
   前記電磁偏向回路は，偏向信号を増幅する増幅器と，前記増幅器からの出力電流が流れる偏向コイルと，前記偏向コイルと接地との間に接続された第１の基準抵抗と，前記偏向コイルと接地との間に直列に接続された前記第１の基準抵抗より抵抗値の低い第２の基準抵抗と電子スイッチとを有し，
   前記電子スイッチは，並列寄生ダイオ−ドを有する２つのMOS-FETを備え，前記２つのMOS-FETは前記寄生ダイオードの極性が逆直列となるように直列接続されていることを特徴とする走査電子線装置。
4. 請求項３記載の走査電子線装置において，更に，
   前記偏向コイルに直列接続された第１の抵抗と，
   オンのとき前記第１の抵抗を短絡する第１の電子スイッチと，
   直列に接続されたインダクタンス，第２の抵抗及び第２の電子スイッチからなり，前記偏向コイル及び第１の抵抗からなる回路に並列に接続された分流回路とを備え，
   前記偏向コイルのインダクタンスをL1，前記第１抵抗の抵抗値をR1，前記分流回路のインダクタンスをL2，前記第２の抵抗の抵抗値をR2とするとき，L2/R2=L1/R1であり，
   前記第１の電子スイッチ及び第２の電子スイッチは，それぞれ，並列寄生ダイオ−ドを有する２つのMOS-FETを備え，前記２つのMOS-FETは前記寄生ダイオードの極性が逆直列となるように直列接続されており，
   前記第１スイッチと第２のスイッチは，前記第１のスイッチがオンのとき第２のスイッチがオフ，前記第１のスイッチがオフのとき第２のスイッチがオンとなるように駆動されることを特徴とする走査電子線装置。
5. 請求項３又は４記載の走査電子線装置において，前記第２の基準抵抗の抵抗値は５Ω以下であることを特徴とする走査電子線装置。

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