JP2009175067A - アクティブ磁気シールド装置及びアクティブ磁気シールド方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電子ビーム描画装置内における磁気シールドを必要とする重要な空間領域の磁気雑音を有効にキャンセルするアクティブ磁気シールド装置及びアクティブ磁気シールド方法を提供する。
【解決手段】所定空間内の磁気雑音を消去するアクティブ磁気シールド装置であって、所定空間外に設けられる磁界検出用センサ１００と、発生した磁気雑音を消去するキャンセルコイル５００と、磁界検出用センサ１００に検出される磁界に基づいて所定空間内の磁気雑音を推定する磁界推定部２００と、磁界推定部２００によって推定された磁気雑音をキャンセルコイル５００で発生させる電流を演算する電流演算部３００と、電流演算部３００で演算された電流と大きさが等しく符号が反対の電流を該キャンセルコイル５００に導通するキャンセルコイル制御部４００と、を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、磁気シールドが必要とされる所定空間に対し、外界からの磁気雑音を減衰し、アクティブに磁気シールドを行なうための、アクティブ磁気シールド装置及びアクティブ磁気シールド方法に関し、特に、外界の磁気雑音による影響を受けやすい電子ビームを用いた顕微鏡および電子ビーム描画装置ならびに電子ビーム露光装置を設置する環境に対して、外界の磁気雑音の影響をアクティブに低減する技術に関する。

従来、磁気シールド技術としては、「強磁性磁気シールド」と「アクティブ磁気シールド」がある。強磁性磁気シールドは、磁気雑音を消したい場所の周囲を、パーマロイや電磁鋼板などのような高い透磁率を有する強磁性材料で囲い、磁界が強磁性材料内を通過しやすい性質を利用して、強磁性材料で囲まれた空間の磁気雑音が低下するものである。このような強磁性磁気シールドには、強磁性材料は高価なため、磁気シールドのためのコストが高価になる、磁気シールドを行う空間が大きいほど、磁気シールドの性能が低くなる、そして、空間を強磁性材料で周囲を囲うため、外部と遮断される、という問題点がある。

これ対して、アクティブ磁気シールドは磁界検出用センサにて磁気雑音（Ｂ）を検出し、逆位相で等強度の磁界（―Ｂ）を作るようにキャンセルコイルに電流（Ｉ）を流し、両者を相殺させることにより、磁気雑音を低減させる手法である。外界の磁気雑音による影響を受けやすい電子ビームを用いた顕微鏡や電子ビーム描画装置ならびに電子ビーム露光装置を設置する必要がある、次世代の半導体製造環境を対象とした磁気環境制御技術のひとつとして、このアクティブ磁気シールド技術が期待されている。本発明は、高精度なアクティブ磁気シールド技術の開発に先立つ基礎的な技術要素を提案するものである。アクティブ磁気シールドには、磁界の検出方法により、以下の２方式に大別される。

外部検出方式はシールド空間から離れた場所に磁界検出用センサを配置し、センサが検知した磁界と逆位相の磁界を発生させるようにキャンセルコイルに電流を流す方式である。この方式は磁界検出用センサが、キャンセルコイルが作る磁界を検出することはない、広帯域の磁界をキャンセルすることが可能である。しかしながら、磁気雑音の発生源が複数存在したり、近接した場所に存在する場合には、キャンセル性能が低下する。例えば、外部検出方式のアクティブ磁気シールド技術としては、特許文献１（特開２００２−２５７９１４号公報）に記載のものなどを挙げることができる。

また、内部検出方式はシールド空間の内部に磁界検出用センサを配置し、センサが検知した磁界を負帰還回路にて逆位相の電流をキャンセルコイルに流す方式である。この方式は磁界検出コイルがキャンセルコイルが作る磁界も検出するため、帰還電流の応答性が低い場合には十分なキャンセル効果が得られない。また、検出コイルの近くに導電体や磁性体が存在する場合には、磁界の位相変化が起こることから、高周波の磁界に対してキャンセル性能が低下する。内部検出方式のアクティブ磁気シールド技術としては、特許文献２（特開２００３−１６７０３８号公報）を挙げることができる。
特開２００２−２５７９１４号公報 特開２００３−１６７０３８号公報

ところで、従来のアクティブ磁気シールドにおいては、磁気雑音を消したい該当場所には、磁気雑音が障害となる電子ビーム描画装置などの装置が置かれるため、磁界検出用センサが設置できない。そのため、アクティブ磁気シールド技術を採用した場合、磁界検出用センサを設置した場所の磁気雑音は小さくなるが、電子ビーム描画装置などにおける磁気雑音低減が必要な空間領域―例えば、電子ビーム描画装置における電子線が通過する領域―の磁気雑音はあまり小さくならない、という問題があった。すなわち、磁気雑音が障害となる機器や装置はある程度の大きさを持つという状況の下、その寸法の範囲内の磁気雑音を消す必要があるにも関わらず、前記範囲内に磁界検出用センサを配置し磁気雑音を検出することができないために、磁界検出用センサは機器や装置の周囲に配置せざるを得ず、磁気シールドを必要とする重要な空間領域における磁気雑音を有効にキャンセルすることができないという、問題が従来のアクティブ磁気シールドには存在した。

この発明は、上記のような課題を解決するものであって、請求項１に係る発明は、所定空間内の磁気雑音を消去するアクティブ磁気シールド装置であって、所定空間外に設けられる磁界検出用センサと、発生した磁気雑音を消去するキャンセルコイルと、該磁界検出用センサに検出される磁界に基づいて所定空間内の磁気雑音を推定する磁界推定手段と、該磁界推定手段によって推定された磁気雑音を該キャンセルコイルで発生させる電流を演算する電流演算手段と、該電流演算手段で演算された電流と大きさが等しく符号が反対の電流を該キャンセルコイルに導通するキャンセルコイル制御手段と、を有することを特徴とする。

また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載のアクティブ磁気シールド装置において、該磁界検出用センサは複数あり、少なくとも２つの磁界検出用センサは、同一直線上に存在することを特徴とする。

また、請求項３に係る発明は、請求項１に記載のアクティブ磁気シールド装置において、該磁界検出用センサは複数あり、複数の磁界検出用センサは正ｎ角形（ただし、ｎは３以上の自然数）の頂点に配置されることを特徴とする。

また、請求項４に係る発明は、所定空間外に設けられる磁界検出用センサで磁気雑音を検出し、検出された磁気雑音を基に所定空間内における磁気雑音を推定し、推定された磁気雑音を打ち消す磁界をキャンセルコイルで発生させることを特徴とするアクティブ磁気シールド方法である。

本発明のアクティブ磁気シールド装置及びアクティブ磁気シールド方法によれば、磁界検出用センサを、電子ビーム描画装置などの装置の周囲に配置したとしても、装置内における磁気シールドを必要とする重要な空間領域の磁気雑音を有効にキャンセルすることが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１は本発明のアクティブ磁気シールド装置の構成の概要を示す図であり、図２は本発明のアクティブ磁気シールド装置のシステムのブロック構成を示す図である。なお、図１のアクティブ磁気シールド装置における磁界検出用センサやキャンセルコイルのレイアウトは一例に過ぎず、本発明は図１にレイアウトに限定されるものではない。

図１及び図２において、１００は磁界検出用センサ群、１０１は第１磁界検出用センサ、１０２は第２磁界検出用センサ、１０３は第３磁界検出用センサ、１０４は第４磁界検出用センサ、２００は磁界推定部、３００は電流演算部、４００はキャンセルコイル制御部、５００はキャンセルコイル群、５０１は第１キャンセルコイル、５０２は第２キャンセルコイル、５０３は第３キャンセルコイル、５０４は第４キャンセルコイルをそれぞれ示している。

本実施形態では、勾配磁界のキャンセルならびにシールド空間の大規模化を図るため、キャンセルコイルと磁界検出用センサを多段に配置した方式を採用するものであり、例えば、４体のキャンセルコイルと４個の磁界検出用センサを用い、磁気雑音の検出ならびにキャンセル磁界の算出・生成を行うものである。

図１において、Ｒ１で示される空間は、例えば、電子ビーム描画装置などの装置が占有する空間であり、Ｒ２で示される空間は、例えば、電子ビーム描画装置における磁気雑音低減が必要な空間領域―例えば、電子ビーム描画装置における電子線が通過する領域―を示している。本実施形態では、空間Ｒ１外に磁界検出用センサ群１００が設置されるようになっている。

電子ビーム描画装置などの実際の使用環境においては、磁気雑音を除去したい空間Ｒ２には装置が存在しており、磁界検出用センサを設置することはできない。そのために、装置の外部の空間Ｒ１に磁界検出用センサを設置して、装置が置かれた空間Ｒ２の磁気雑音をキャンセルするように構成される。

磁界検出用センサ群１００は、本発明では第１磁界検出用センサ１０１、第２磁界検出用センサ１０２、第３磁界検出用センサ１０３、第４磁界検出用センサ１０４の４つにより構成されているが、本発明はこのようなセンサ数に限定されるものではない。磁界検出用センサ群１００は、各センサが設置された箇所における磁気雑音を検出するものであり、４個の磁界検出用センサで磁気雑音（Ｂ₁，Ｂ₂，Ｂ₃，Ｂ₄）を測定する。

磁界推定部２００は、４個の磁界検出用センサで測定された磁気雑音（Ｂ₁，Ｂ₂，Ｂ₃，Ｂ₄）に基づいて、例えば、空間Ｒ２内の点Ｐ₁，Ｐ₂，Ｐ₃，Ｐ₄における磁気雑音（Ｂ₁’，Ｂ₂’，Ｂ₃’，Ｂ₄’）を所定の演算により推定するものである。

キャンセルコイル群５００は、第１キャンセルコイル５０１、第２キャンセルコイル５０２、第３キャンセルコイル５０３、第４キャンセルコイル５０４の４体のキャンセルコイルから構成されている。

電流演算部３００は、磁界推定部２００によって推定された磁気雑音（Ｂ₁’，Ｂ₂’，Ｂ₃’，Ｂ₄’）をキャンセルコイル群５００で発生させるための電流を演算するものである。磁界推定部２００及び電流演算部３００には、プログラムが組まれた汎用の情報処理装置や論理回路などを用いることができる。

キャンセルコイル制御部４００は、電流演算部３００で演算された電流と大きさが等しく符号が反対の電流をキャンセルコイル群５００に導通するものであり、このような電流によってキャンセルコイル群５００が発生する磁界で空間Ｒ２内の点Ｐ₁，Ｐ₂，Ｐ₃，Ｐ₄における磁気雑音（Ｂ₁’，Ｂ₂’，Ｂ₃’，Ｂ₄’）をキャンセルさせる。

以上のように、本発明のアクティブ磁気シールド装置によれば、磁界検出用センサ群１００を、電子ビーム描画装置などの装置の周囲に配置したとしても、装置内における磁気シールドを必要とする重要な空間領域の磁気雑音（Ｂ₁’，Ｂ₂’，Ｂ₃’，Ｂ₄’）を推定した上で、この推定に基づいて、キャンセルコイル群５００を駆動するようになっているので、前記空間領域の磁気雑音を有効にキャンセルすることが可能となる。

次に、本発明の実施例について説明する。図３は本発明の第１実施の形態に係るアクティブ磁気シールド装置の構成の概要を示す図であり、図４は本発明の第１実施の形態に係るアクティブ磁気シールド装置の概略を上面からみた図である。図３及び図４において、図１と図２と同一の参照符号が付されている構成は同じものであり、また、本実施形態においても図２に示すようなシステムによって装置が駆動されているものとする。

また、点Ｐ₁，Ｐ₂，Ｐ₃，Ｐ₄を図４に示すようにそれぞれｉ＝１，２，３，４と称し、第１キャンセルコイル５０１、第２キャンセルコイル５０２、第３キャンセルコイル５０３、第４キャンセルコイル５０４は図４に示すようにそれぞれｊ＝１，２，３，４の磁界検出用センサと称する。

本実施形態では、第１磁界検出用センサ１０１、第２磁界検出用センサ１０２、第３磁界検出用センサ１０３、第４磁界検出用センサ１０４、及び、磁気雑音を除去したい空間Ｒ２内の点Ｐ₁，Ｐ₂，Ｐ₃，Ｐ₄は同一平面Ｓ上に存在する場合を想定している。

また、点Ｐ₁，Ｐ₄は、第１磁界検出用センサ１０１と第４磁界検出用センサ１０４とを結ぶ直線上に、点Ｐ₂，Ｐ₃は第２磁界検出用センサ１０２、第３磁界検出用センサ１０３上に存在するものとする。

また、点Ｐ₁は第１磁界検出用センサ１０１と第４磁界検出用センサ１０４とを結ぶ直線上のｍ：ｎの点に配置され、点Ｐ₂は第２磁界検出用センサ１０２と第３磁界検出用センサ１０３とを結ぶ直線上のｍ：ｎの点に配置され、点Ｐ₃は第３磁界検出用センサ１０３と第２磁界検出用センサ１０２とを結ぶ直線上のｍ：ｎの点に配置され、点Ｐ₄は第４磁界検出用センサ１０４と第１磁界検出用センサ１０１とを結ぶ直線上のｍ：ｎの点に配置されている。

以上のような配置関係となっているときにおいては、空間Ｒ２内の点Ｐ₁，Ｐ₂，Ｐ₃，Ｐ₄における磁気雑音（Ｂ₁’，Ｂ₂’，Ｂ₃’，Ｂ₄’）は式（１）に示すように推定することができる。

本実施形態では、磁界推定部２００は式（１）に示すような比較的単純な演算を実行するのみであるので、演算負担が小さい。従って、以上のような配置関係にあるアクティブ磁気シールド装置によれば、制御回路は演算処理の負担がほとんど無く、高いフィードバック特性が期待される。

Ａ_ijをキャンセルコイルｊに単位電流を流した際に、点ｉにて生じる磁界強度とすると、式（２）のような関係が成立する。式（２）右辺における4行4列の行列をＡとする。

｜Ａ｜≠０であるとき、逆行列Ａ―¹が存在する。この逆表列を式（３）で示すこととする。

式（２）の行列方程式を解くと次のようになる。

すなわち、ｊ＝１〜４のキャンセルコイルに、

の電流を流したときに、空間Ｒ２内の点Ｐ₁，Ｐ₂，Ｐ₃，Ｐ₄における磁気雑音と同じ、磁界を発生させることができる。式（１）を式（５）に代入して、整理すると式（６）のようになる。電流Ｉ_iと磁界検出用センサによる検出磁界（Ｂ₁，Ｂ₂，Ｂ₃，Ｂ₄）の関係を得ることができる。このような演算は電流演算部３００にて実行することができる。

キャンセルコイル制御部４００は、キャンセルコイル群５００に（６）で求められた電流と大きさが等しく符号が反対の電流を流すようにして、キャンセルコイル群５００を駆動することによって、磁気雑音（Ｂ₁’，Ｂ₂’，Ｂ₃’，Ｂ₄’）をキャンセルすることができる。

本実施形態のように、少なくとも２つの磁界検出用センサは、同一直線上に存在するような配置によれば、磁界推定部２００、電流演算部３００での演算用のソフトウエアや演算回路は、単純な加算処理を行うのみであるから、応答性に優れたアクティブ磁気シールドを構成することができる。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図５は本発明の第２実施の形態に係るアクティブ磁気シールド装置の概略を上面からみた図である。図５において、図１と図２と同一の参照符号が付されている構成は同じものであり、また、本実施形態においても図２に示すようなシステムによって装置が駆動されているものとする。

本実施形態では、第１磁界検出用センサ１０１、第２磁界検出用センサ１０２、第３磁界検出用センサ１０３及び、磁気雑音を除去したい空間Ｒ２内の点Ｐ₁は同一平面S上に存在する場合を想定している。

また、第１磁界検出用センサ１０１、第２磁界検出用センサ１０２、第３磁界検出用センサ１０３は、正三角形の頂点に配置され、点Ｐ₁は正三角形の頂点から等距離の点となっている。なお、このような配置関係を一般化すれば、正ｎ角形の頂点に磁界検出用センサを配置し、それらの磁界検出用センサから等しい距離の点を点Ｐ₁とする、ということとなる。

以上のような配置関係となっているときにおいては式（７）のように計算する。

式（７）を、先の実施形態同様式（５）に代入して整理することによって、下式（８）を得ることができる。

キャンセルコイル制御部４００は、キャンセルコイル群５００に（８）で求められた電流と大きさが等しく符号が反対の電流を流すようにして、キャンセルコイル群５００を駆動することによって、点Ｐ₁における磁気雑音をキャンセルすることができる。

本実施形態のように、磁界検出用センサは正ｎ角形（ただし、ｎは３以上の自然数）の頂点に配置される構成となっているので、磁界推定部２００、電流演算部３００での演算用のソフトウエアや演算回路は、単純な加算処理を行うのみであるから、応答性に優れたアクティブ磁気シールドを構成することができる。

本発明のアクティブ磁気シールド装置の構成の概要を示す図である。 本発明のアクティブ磁気シールド装置のシステムのブロック構成を示す図である。 本発明の第１実施の形態に係るアクティブ磁気シールド装置の構成の概要を示す図である。 本発明の第１実施の形態に係るアクティブ磁気シールド装置の概略を上面からみた図である。 本発明の第２実施の形態に係るアクティブ磁気シールド装置の概略を上面からみた図である。

符号の説明

１００・・・磁界検出用センサ群、１０１・・・第１磁界検出用センサ、１０２・・・第２磁界検出用センサ、１０３・・・第３磁界検出用センサ、１０４・・・第４磁界検出用センサ、２００・・・磁界推定部、３００・・・電流演算部、４００・・・キャンセルコイル制御部、５００・・・キャンセルコイル群、５０１・・・第１キャンセルコイル、５０２・・・第２キャンセルコイル、５０３・・・第３キャンセルコイル、５０４・・・第４キャンセルコイル

Claims (4)

1. 所定空間内の磁気雑音を消去するアクティブ磁気シールド装置であって、
   所定空間外に設けられる磁界検出用センサと、
   発生した磁気雑音を消去するキャンセルコイルと、
   該磁界検出用センサに検出される磁界に基づいて所定空間内の磁気雑音を推定する磁界推定手段と、
   該磁界推定手段によって推定された磁気雑音を該キャンセルコイルで発生させる電流を演算する電流演算手段と、
   該電流演算手段で演算された電流と大きさが等しく符号が反対の電流を該キャンセルコイルに導通するキャンセルコイル制御手段と、を有することを特徴とするアクティブ磁気シールド装置。
2. 該磁界検出用センサは複数あり、少なくとも２つの磁界検出用センサは、同一直線上に存在することを特徴とする請求項１に記載のアクティブ磁気シールド装置。
3. 該磁界検出用センサは複数あり、複数の磁界検出用センサは正ｎ角形（ただし、ｎは３以上の自然数）の頂点に配置されることを特徴とする請求項１に記載のアクティブ磁気シールド装置。
4. 所定空間外に設けられる磁界検出用センサで磁気雑音を検出し、検出された磁気雑音を基に所定空間内における磁気雑音を推定し、推定された磁気雑音を打ち消す磁界をキャンセルコイルで発生させることを特徴とするアクティブ磁気シールド方法。

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