JP2020087701A - 荷電粒子線装置及び荷電粒子線装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】必要以上の電力消費を抑え、装置始動時の熱平衡に達するまでの時間を短くすることが可能な荷電粒子線装置及び荷電粒子線装置の制御方法を提供すること。【解決手段】荷電粒子線装置は、一対のコイルからなる電磁コイルを有する磁界レンズを備え、ユーザの操作に基づいて、磁界レンズの最大起磁力を規定する最大電流値を設定する設定部と、電磁コイルで消費される熱電力が、設定された最大電流値に応じた熱電力で一定となるように、設定された最大電流値に応じた電流範囲内で一対のコイルのそれぞれに供給する電流を制御する電流制御部とを含む。【選択図】図１

Description

本発明は、荷電粒子線装置及び荷電粒子線装置の制御方法に関する。

特許文献１には、電流の方向及び大きさをそれぞれ独立に制御できる一対の補助コイルを有し、一対の補助コイルの電流の代数和の絶対値を一定に保つことにより、熱電力消費量を一定の範囲内に維持する磁界レンズが開示されている。このような磁界レンズを用いた電子顕微鏡では、観察条件（加速電圧や観察倍率）を変化させても電磁コイルの発熱量を一定に保ち、周辺部材の温度を変化させないようにすることができ、温度変化によるドリフト（電子線や透過電子像の移動）の発生を抑えることができる。

特公平４−１９６６４号公報

実際の電子顕微鏡の活用形態において、その装置の持つ最大出力が常に求められるわけではなく、多くの場合、限定的な条件で利用されている。例えば、走査電子顕微鏡においては加速電圧が最大３０ｋＶという仕様の製品が多いが、必ずしもその最大加速電圧で使用されるわけではなく、１５ｋＶや５ｋＶなど低い加速電圧で運用されることが多い。これは、加速電圧を低く抑えることにより、試料に対する電子線の侵入距離が小さくなり、表面近傍の情報を得たり微小な物体を検出したりする性能が向上するからである。また、電子線照射による試料破壊の程度を抑えるために低加速電圧にする場合もある。低加速電圧の場合、電子線のエネルギーは低いため、その分必要となる磁界レンズの強さは弱くしなければならない。加速電圧をＵとした場合、磁界レンズのコイルに流す電流は一般にＵ^１／２に比例する。上記の従来の磁界レンズでは、低加速電圧で運用する場合であっても、磁界レンズの最大起磁力に応じた熱電力消費量が維持されるように補助コイルに供給する電流が制御されるため、低加速電圧で日常的に運用する場合に必要以上の無駄な電力を消費していることになる。

電磁コイルの発熱量を一定にして安定化させているとはいえ、コイル部分は周辺部材よりも温度は高いはずである。よって、装置電源がオフの状態（コイル温度が周辺部材や大気と近い温度の状態）から、装置を始動させてコイルに電流を流すと、ジュール熱でコイル温度は上昇し、やがてコイルと周辺部材との間で温度は平衡に達し、それ以降は熱的安定となる。その平衡に達するまではコイルや周辺部材の温度は上昇し、その間はドリフトが発生する。そのため、最初の装置始動時はドリフトが許容量以下に収まるまでいわゆるドリフト待ちをしなければならない。ドリフト待ちの時間は数分から数１０分或いはそれ以上であり、平衡に達したときの温度が高いほど、ドリフト待ちの時間は長くなる。上述したように、従来の磁界レンズでは、必要以上の無駄な電力を消費しており、必要以上に大きな発熱量になっている。すなわち、コイル及び周辺部材の温度を必要以上に高くしてしまっており、最初の装置始動時に必要以上のドリフト待ちを強いられていることになる。

本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明のいくつかの態様によれば、必要以上の電力消費を抑え、装置始動時の熱平衡に達するまでの時間を短くすることが可能な荷電粒子線装置及び荷電粒子線装置の制御方法を提供することができる。

（１）本発明に係る荷電粒子線装置は、一対のコイルからなる電磁コイルを有する磁界レンズを備えた荷電粒子線装置であって、ユーザの操作に基づいて、前記磁界レンズの最大起磁力を規定する最大電流値を設定する設定部と、前記電磁コイルで消費される熱電力が、設定された最大電流値に応じた熱電力で一定となるように、設定された最大電流値に応じた電流範囲内で前記一対のコイルのそれぞれに供給する電流を制御する電流制御部とを含む。

また、本発明に係る荷電粒子線装置の制御方法は、一対のコイルからなる電磁コイルを有する磁界レンズを備えた荷電粒子線装置の制御方法であって、ユーザの操作に基づいて、前記磁界レンズの最大起磁力を規定する最大電流値を設定する設定ステップと、前記電磁コイルで消費される熱電力が、設定された最大電流値に応じた熱電力で一定となるように、設定された最大電流値に応じた電流範囲内で前記一対のコイルのそれぞれに供給する電流を制御する電流制御ステップとを含む。

本発明によれば、ユーザが最大電流値を設定できるように構成し、設定された最大電流値に応じた熱電力消費量を維持するように、設定された最大電流値に応じた電流範囲内で一対のコイルに供給する電流を制御することで、必要以上の電力消費を抑え、装置始動時の熱平衡に達するまでの時間を短くすることができる。

（２）本発明に係る荷電粒子線装置及び荷電粒子線装置の制御方法では、前記設定部は、ユーザの操作により指定された加速電圧の上限に基づいて前記最大電流値を設定してもよい。

本実施形態に係る荷電粒子線装置の一例を模式的に示す図。 磁界レンズの構成の一例を模式的に示す断面図。 磁界レンズの起磁力と一対のコイルそれぞれの起磁力との関係をプロットしたグラフ。 加速電圧の上限の複数の選択肢を提示する画面の一例を示す図。

以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。

図１は、本実施形態に係る荷電粒子線装置の構成の一例を模式的に示す図である。ここでは、荷電粒子線装置が、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）の構成を有する場合について説明するが、本発明に係る荷電粒子線装置は、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）の構成を有していてもよいし、走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）の構成を有していてもよい。なお本実施形態の荷電粒子線装置は図１の構成要素（各部）の一部を省略した構成としてもよい。

荷電粒子線装置１は、荷電粒子線装置本体１０と、処理部１００と、操作部１１０と、表示部１２０と、記憶部１３０とを含む。

荷電粒子線装置本体１０は、電子源１１と、集束レンズ１２と、偏向器１３と、対物レンズ１４と、試料ステージ１５と、電子検出器１６とを備える。

電子源１１は、電子線を発生させる。電子源１１は、例えば、陰極から放出された電子
を陽極で加速し電子線を放出する電子銃である。

集束レンズ１２（コンデンサレンズ）は、電子源１１から放出された電子線を集束させて電子プローブを形成するためのレンズである。集束レンズ１２によって、電子プローブの径（電子ビーム径）やプローブ電流（照射電流量）を制御することができる。対物レンズ１４は、試料Ｓの直前に配置された電子プローブを形成するためのレンズである。集束レンズ１２と対物レンズ１４は磁界レンズであり、集束レンズ１２と対物レンズ１４の少なくとも一方は、一対のコイルからなる電磁コイルを有して構成される。

偏向器１３（走査コイル）は、集束レンズ１２と対物レンズ１４とによって形成された電子プローブ（電子線）を偏向させる。偏向器１３は、電子プローブを、試料Ｓ上で走査するために用いられる。また、偏向器１３は、試料Ｓの任意の位置に電子プローブを移動させて、当該位置を電子プローブで照射するためにも用いられる。

試料ステージ１５は、試料Ｓを保持し、試料Ｓを水平方向や垂直方向に移動させ、また、試料Ｓを垂直軸回りに回転させる。試料ステージ１５は、試料Ｓを移動・回転させるための駆動機構を有している。

電子検出器１６は、電子プローブが試料Ｓに照射（走査）されることにより試料Ｓから放出された二次電子や反射電子を検出する。電子検出器１６の出力信号（二次電子や反射電子の強度信号）は、増幅器２０によって増幅された後、処理部１００に供給される。

操作部１１０は、ユーザが操作情報を入力するためのものであり、入力された操作情報を処理部１００に出力する。操作部１１０の機能は、キーボード、マウス、ボタン、タッチパネル、タッチパッドなどのハードウェアにより実現することができる。

表示部１２０は、処理部１００で生成された画像を出力するものであり、その機能は、操作部１１０としても機能するタッチパネルや、ＬＣＤ、ＣＲＴなどにより実現できる。

記憶部１３０は、処理部１００の各部としてコンピュータを機能させるためのプログラムや各種データを記憶するとともに、処理部１００のワーク領域として機能し、その機能はハードディスク、ＲＡＭなどにより実現できる。

処理部１００は、荷電粒子線装置本体１０（電子源１１、集束レンズ１２、偏向器１３、対物レンズ１４、試料ステージ１５）を制御する処理や、増幅器２０によって増幅された検出信号を走査信号に同期させて画像化し試料Ｓの走査電子顕微鏡像を取得する処理、表示制御等の処理を行う。処理部１００の機能は、各種プロセッサ（ＣＰＵ、ＤＳＰ等）などのハードウェアや、プログラムにより実現できる。処理部１００は、設定部１０１、電流制御部１０２を含む。

設定部１０１は、ユーザの操作（操作部１１０で入力された操作情報）に基づいて、対物レンズ１４（磁界レンズ）の最大起磁力を規定する最大電流値を設定する。また、設定部１０１は、ユーザの操作により指定された加速電圧の上限に基づいて前記最大電流値を設定してもよい。処理部１００は、ユーザが最大電流値や加速電圧の上限を指定するための設定画面を表示部１２０に表示させる。

電流制御部１０２は、荷電粒子線装置本体１０に備わる磁界レンズ（集束レンズ１２及び／又は対物レンズ１４）の電源を制御して、磁界レンズの電磁コイルで消費される熱電力が、設定部１０１で設定された最大電流値に応じた熱電力で一定となるように、設定部１０１で設定された最大電流値に応じた電流範囲内で電磁コイルを構成する一対のコイル
のそれぞれに供給する電流を制御する。

図２は、荷電粒子線装置本体１０に備わる磁界レンズの構成の一例を模式的に示す断面図である。磁界レンズは、それぞれ導線ワイヤを巻いて作成した一対のコイル３０ａ，３０ｂからなる電磁コイル３０と、電磁コイル３０を冷却するための冷却板３１と、電磁コイル３０を囲むように配置されたヨーク３２とを含んで構成されている。図２に示すように、磁界レンズは回転対称の形状となっており、回転対称軸を光軸ＯＡとしてその近傍を電子線が通るように構成されている。ヨーク３２は、鉄などの透磁率の高い材料で作成され、光軸ＯＡに面する部分には切欠き（レンズギャップ）が設けられている。コイル３０ａには電源３３ａから電流が供給され、コイル３０ｂには電源３３ｂから電流が供給される。電源３３ａ，３３ｂはそれぞれバイポーラ電源であり、電源３３ａ，３３ｂの出力は、電流制御部１０２によって制御される。なお、ここでは、電源３３ａ，３３ｂの両方がバイポーラ電源である場合について説明するが、電源３３ａ，３３ｂのいずれか一方がバイポーラ電源であればよい。電磁コイル３０（一対のコイル３０ａ，３０ｂ）に電流を供給することで発生した磁力線はヨーク３２を流れ、ヨーク３２の切欠き部分から磁力線が漏洩して磁場が発生し、光軸ＯＡ近傍を通る電子線に対してレンズ効果を及ぼす。

一対のコイル３０ａ，３０ｂがそれぞれ同じ巻き数ｎで作成されているものとし、コイル３０ａ，３０ｂの抵抗値をｒとする。コイル３０ａに供給される電流値をｉ_１、コイル３０ｂに供給される電流値をｉ_２とすると、コイル３０ａの起磁力Ｊ_１は、Ｊ_１＝ｎ×ｉ_１で表され、コイル３０ｂの起磁力Ｊ_２は、Ｊ_２＝ｎ×ｉ_２で表される。また、電磁コイル３０に供給される電流値をｉとすると、磁界レンズの起磁力Ｊは、Ｊ＝ｎ×ｉで表される。

ここで、磁界レンズの最大の起磁力をＪ_ｍａｘとしたとき、Ｊ_ｍａｘ＝ｎ×ｉ_ｍａｘとなる電流値ｉ_ｍａｘを最大電流値と定義する。最大起磁力Ｊ_ｍａｘを得るために必要な電流値ｉ_１，ｉ_２は、最大電流値ｉ_ｍａｘを用いて、
ｉ_１＝ｉ_２＝ｉ_ｍａｘ／２
で表される。このとき、コイル３０ａ，３０ｂで消費される熱電力Ｐ_１，Ｐ_２（コイル３０ａ，３０ｂで発生するジュール熱）は、
Ｐ_１＝ｒ×ｉ_１ ^２＝ｒ×（ｉ_ｍａｘ／２）^２＝ｒ×ｉ_ｍａｘ ^２／４
Ｐ_２＝ｒ×ｉ_２ ^２＝ｒ×（ｉ_ｍａｘ／２）^２＝ｒ×ｉ_ｍａｘ ^２／４
で表され、電磁コイル３０で消費される熱電力Ｐは、
Ｐ＝ｒ×ｉ_ｍａｘ ^２／４＋ｒ×ｉ_ｍａｘ ^２／４＝ｒ×ｉ_ｍａｘ ^２／２
となる。電流制御部１０２は、電磁コイル３０で消費される熱電力Ｐがｒ×ｉ_ｍａｘ ^２／２（最大電流値ｉ_ｍａｘに応じた熱電力）で一定となるように、コイル３０ａ，３０ｂのそれぞれに供給する電流値ｉ_１，ｉ_２を制御する。具体的には、必要とする磁界レンズの起磁力Ｊから求められる電流値ｉ（ｉ＝Ｊ／ｎ）と、最大電流値ｉ_ｍａｘから、以下の式（１）により電流値ｉ_１，ｉ_２を求める。

式（１）に基づく電流制御を行うことで、電磁コイル３０で消費される熱電力Ｐを一定値（ｒ×ｉ_ｍａｘ ^２／２）に維持しつつ、コイル３０ａ，３０ｂのそれぞれに供給する電流値ｉ_１，ｉ_２を最大電流値ｉ_ｍａｘに応じた電流範囲（電流値ｉ_１を−ｉ_ｍａｘ／２〜
ｉ_ｍａｘ／√２の範囲、電流値ｉ_２を−ｉ_ｍａｘ／√２〜ｉ_ｍａｘ／２の範囲）で制御して、磁界レンズの起磁力Ｊを−Ｊ_ｍａｘ〜Ｊ_ｍａｘの範囲で可変とすることができる。

図３は、磁界レンズの起磁力Ｊと一対のコイル３０ａ，３０ｂの起磁力Ｊ_１，Ｊ_２との関係をプロットしたグラフである。図３に示すグラフの横軸は磁界レンズの起磁力Ｊを最大起磁力Ｊ_ｍａｘで正規化した値を示し、縦軸はコイル３０ａ，３０ｂの起磁力Ｊ_１，Ｊ_２を最大起磁力Ｊ_ｍａｘで正規化した値を示している。図３に示すように、コイル３０ａ，３０ｂの起磁力Ｊ_１，Ｊ_２が楕円の軌跡を描くように電流制御することで、電磁コイル３０で消費される熱電力Ｐを一定値に維持することができる。例えば、必要な磁界レンズの起磁力Ｊ（正規化された起磁力Ｊ／Ｊ_ｍａｘ）が図中Ａで示す値である場合、コイル３０ａの起磁力Ｊ_１（正規化された起磁力Ｊ_１／Ｊ_ｍａｘ）が図中Ｂで示す値となるように電流値ｉ_１を制御するとともに、コイル３０ｂの起磁力Ｊ_２（正規化された起磁力Ｊ_２／Ｊ_ｍａｘ）が図中Ｃで示す値となるように電流値ｉ_２を制御する。なお、磁界レンズの起磁力Ｊを０〜Ｊ_ｍａｘの範囲で可変とする場合、コイル３０ａの起磁力Ｊ_１を負の値とする必要がなくなるため、コイル３０ｂの電源３３ｂのみをバイポーラ電源とし、コイル３０ａの電源３３ａをユニポーラ電源とすればよい。

本実施形態に係る荷電粒子線装置１は、最大電流値ｉ_ｍａｘをユーザが設定できるように構成されている。例えば、表示部１２０に表示された設定画面において、ユーザが任意の最大電流値ｉ_ｍａｘを入力して設定できるようにしてもよいし、予め用意された最大電流値ｉ_ｍａｘの複数の選択肢をユーザに提示し、これら複数の選択肢の中からユーザによって選択された最大電流値ｉ_ｍａｘを設定するようにしてもよい。

また、設定画面において、予め用意された加速電圧の上限の複数の選択肢（例えば、３０ｋＶ、１５ｋＶ、５ｋＶ、２ｋＶ）をユーザに提示し、これら複数の選択肢の中からユーザによって選択（指定）された加速電圧の上限に基づいて最大電流値ｉ_ｍａｘを設定するようにしてもよい。例えば、予め、複数の加速電圧の上限毎の最大電流値ｉ_ｍａｘをテーブル情報として記憶部１３０に記憶しておき、設定部１０１が、当該テーブル情報を参照して、ユーザによって選択された加速電圧の上限に対応付けられた最大電流値ｉ_ｍａｘを設定する。加速電圧の上限に対応する最大電流値ｉ_ｍａｘは、磁界レンズの荷電粒子線装置における役割（本実施形態では、対物レンズであるか集束レンズであるか）や磁界レンズの機械的構造によって決まるが、加速電圧の上限が低いほど、対応する最大電流値ｉ_ｍａｘは低くなる。加速電圧の上限の複数の選択肢をユーザに提示する際には、図４に示すような、加速電圧の上限毎の制御カーブ（磁界レンズの起磁力Ｊと一対のコイル３０ａ，３０ｂの起磁力Ｊ_１，Ｊ_２との関係をプロットしたカーブ）を表示部１２０に表示するようにしてもよい。この例では、加速電圧の上限の複数の選択肢として、３０ｋＶ、１５ｋＶ、５ｋＶの制御カーブを提示している。なお、加速電圧に代えて電子ビーム径に制限を加えた複数の選択肢をユーザに提示し、ユーザによって選択された電子ビーム径の制限値に基づいて最大電流値ｉ_ｍａｘを設定するようにしてもよい。また、荷電粒子線装置が透過電子顕微鏡である場合には、観察倍率に制限を加えた複数の選択肢をユーザに提示し、ユーザによって選択された観察倍率の制限値に基づいて最大電流値ｉ_ｍａｘを設定するようにしてもよい。

電流制御部１０２は、設定部１０１によって設定された最大電流値ｉ_ｍａｘと、観察条件（加速電圧など）に応じて求められる必要な起磁力Ｊに基づく電流値ｉとを用いて、式（１）に基づいてコイル３０ａ，３０ｂのそれぞれに供給する電流値ｉ_１，ｉ_２を算出する。なお、ユーザによって指定された加速電圧の上限に基づき最大電流値ｉ_ｍａｘを設定した場合、実際の操作時に、指定された加速電圧の上限を超えた値に加速電圧を設定することを禁止することが装置の安定稼働の観点から好ましいが、それよりも操作の多様性を重視する場合には上限を超えた設定を許容するというオプションを用意するようにしても
よい。

本実施形態によれば、ユーザが最大電流値ｉ_ｍａｘを設定できるように構成し、設定された最大電流値ｉ_ｍａｘに応じた熱電力消費量（ｒ×ｉ_ｍａｘ ^２／２）を維持するように、設定された最大電流値ｉ_ｍａｘに応じた電流範囲（−ｉ_ｍａｘ／√２〜ｉ_ｍａｘ／√２）で一対のコイル３０ａ，３０ｂに供給する電流値ｉ_１，ｉ_２を制御することで、必要以上の電力消費を抑え、装置始動時の熱平衡に達するまでの時間を短くすることができる。すなわち、ユーザは、低加速電圧で荷電粒子線装置を運用する場合等、磁界レンズに大きな起磁力を必要としない場合に、最大電流値ｉ_ｍａｘ（例えば、最大電流値ｉ_ｍａｘを規定する加速電圧の上限）として低い値を設定することで、電磁コイルの熱電力消費量を低く抑えて無駄な電力消費をなくすことができ、また、電磁コイル及びその周辺部材の温度上昇を低く抑えることができるため、電磁コイル及び周辺部材が熱平衡に達してドリフトが十分に小さくなるまでの待ち時間を短くすることができる。上述した電流制御は、荷電粒子線装置に備わる複数の磁界レンズの一部について行うようにしてもよいし、荷電粒子線装置に備わる全ての磁界レンズについて行うようにしてもよい。

上記例では、電磁コイルを構成する一対のコイルとして、２つのコイルを別々に作成して組み合わせたものを用いる場合について説明したが、電磁コイルを構成する一対のコイルとして、２本の導線ワイヤを同時に並列で巻いて（バイファイラ巻きで）作成したコイルを用いてもよい。

なお、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

１…荷電粒子線装置、１０…荷電粒子線装置本体、１１…電子源、１２…集束レンズ、１３…偏向器、１４…対物レンズ、１５…試料ステージ、１６…電子検出器、２０…増幅器、３０…電磁コイル、３０ａ，３０ｂ…コイル、３１…冷却板、３２…ヨーク、３３ａ，３３ｂ…電源、１００…処理部、１０１…設定部、１０２…電流制御部、１１０…操作部、１２０…表示部、１３０…記憶部

Claims (3)

1. 一対のコイルからなる電磁コイルを有する磁界レンズを備えた荷電粒子線装置であって、
   ユーザの操作に基づいて、前記磁界レンズの最大起磁力を規定する最大電流値を設定する設定部と、
   前記電磁コイルで消費される熱電力が、設定された最大電流値に応じた熱電力で一定となるように、設定された最大電流値に応じた電流範囲内で前記一対のコイルのそれぞれに供給する電流を制御する電流制御部とを含むことを特徴とする荷電粒子線装置。
2. 請求項１において、
   前記設定部は、
   ユーザの操作により指定された加速電圧の上限に基づいて前記最大電流値を設定することを特徴とする荷電粒子線装置。
3. 一対のコイルからなる電磁コイルを有する磁界レンズを備えた荷電粒子線装置の制御方法であって、
   ユーザの操作に基づいて、前記磁界レンズの最大起磁力を規定する最大電流値を設定する設定ステップと、
   前記電磁コイルで消費される熱電力が、設定された最大電流値に応じた熱電力で一定となるように、設定された最大電流値に応じた電流範囲内で前記一対のコイルのそれぞれに供給する電流を制御する電流制御ステップとを含むことを特徴とする荷電粒子線装置の制御方法。

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