JP4628230B2 - 荷電粒子線偏向装置 - Google Patents

Description

本発明は荷電粒子線偏向装置に関する。

質量分析装置等においては、質量の大きさに応じてその軌道が曲げられることから、分子或いは原子の質量を検出することが行われている。図１１は荷電粒子線偏向装置の構成とコイルの接続関係を示す図である。図において、（ａ）は荷電粒子線偏向装置を、（ｂ）はコイルの接続関係を示している。（ａ）において、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは偏向コイル、１ａは偏向コイルＡのコイルを、１ｂは偏向コイルＢのコイルを、１ｃは偏向コイルＣのコイルを、１ｄは偏向コイルＤのコイルをそれぞれ示している。

この構成では、全てのコイルが（ｂ）に示すように直列接続されている。従って、偏向コイルＡ〜Ｄ単独で調整することはできず、４つのコイルＡ〜Ｄのコイルの機械的位置と向きを調整することにより、荷電粒子の軌道を修正するようになっている。

従来のこの種の装置としては、基盤に固定されるレンズ１３を有するエネルギーフィルタであって、前記レンズは、磁極となる２つのポールピース１４，１５の間に通路１６が形成されるように、２つのスペーサ１７，１８が挟着され、取り付けネジ１９で固定されたものが知られている（例えば特許文献１参照）。また、スリットの開口部中央から電子線がずれた場合、試料等から発生する２次電子の強度変化を基に、そのずれを高精度に補正する技術が知られている（例えば特許文献２参照）
特開平１０−１２５２６７号公報（段落０００６〜００１０、図１） 特開２００４−１７１８０１号公報（段落００２８〜００３４、図１）

前述した従来の技術では、コイルが直列に接続された荷電粒子軌道偏向装置（図１１参照）では、各コイルに流れる電流は個別に制御することはできない。従って、機械的誤差によりずれた軌道を正確に修正しきれない場合がある。荷電粒子軌道偏向装置の一例として図１１に示すような４つの偏向用コイルが直列接続された場合について説明する。この装置において、荷電粒子軌道をΩ字状に曲げるためには、複数個の偏向コイルが必要になる。もし、機械的誤差により粒子の軌道がずれたとしてもコイル個々の電流を調整できないので、電気的に軌道修正できないという問題があった。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、個々の偏向コイルを個別に軌道修正することができる荷電粒子線偏向装置を提供することを目的としている。

（１）請求項１記載の発明は、複数の偏向コイルを組み合わせて荷電粒子の軌道を曲げることが可能となるように構成された荷電粒子線偏向装置において、
それぞれの偏向コイルをパスさせめためのスイッチと、パスされた偏向コイルのインピーダンスを等しくした疑似負荷と、偏向方向を微調整することが可能な調整コイルを設け、これら偏向コイルから出射したビームが直進する方向にビーム検出器を設け、このビーム検出器の検出出力が最大値となるように、前記調整コイルを調整することを特徴とする。
（２）請求項２記載の発明は、前記偏向コイルを、先ず最初の第１の偏向コイルの通過ビームが最大値をとるように前記調整コイルを調整し、次に第１の偏向コイルの出力が入射された第２の偏向コイルの出力が最大となるように調整コイルを調整する動作を偏向コイルの数だけ実行することを特徴とする。
（３）請求項３記載の発明は、前記ビーム検出器は３分割されており、これら３分割検出素子の出力からビーム位置を検出することを特徴とする。
（４）請求項４記載の発明は、前記調整コイルの調整用電源に交流信号を印加するようにしたことを特徴とする。

（１）請求項１記載の発明によれば、個々の偏向コイルを個別に調整することができる荷電粒子線偏向コイルを提供することができる。
（２）請求項２記載の発明によれば、個々の偏向コイルを個別に調整することが可能となる。
（３）請求項３記載の発明によれば、ビーム検出器の出力により、ビームがどちら方向にずれているかを判断することができるので、ビーム調整を速やかに行なうことが可能となる。
（４）請求項４記載の発明によれば、荷電粒子軌道の位置検出を広範囲で行なうことができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態例を詳細に説明する。図１はコイルを単独動作させた時の荷電粒子軌道を示す図である。図１１と同一のものは、同一の符号を付して示す。図において、Ａ〜Ｄはそれぞれ個別に配置された偏向コイルである。２ａは偏向コイルＡの軌道修正用検出器であり、２ｂは偏向コイルＢの軌道修正用検出器であり、２図２ｃは偏向コイルＣの軌道修正用検出器である。図２は本発明によるコイル接続構成を示す図である。各偏向コイルＡ〜Ｄはスイッチを介して個別に接続されるようになっている。４ａ〜４ｃは切り替えスイッチである。例えば、スイッチ４ａの共通接点ｃがａ接点側に接続されたら、疑似負荷５ａに接続されたことになり、ｂ接点側に接続されたら偏向コイルＢ側に接続されることになる。

このようにして、パスされる偏向コイルに対しては疑似負荷を接続することによって、回路状態が変わらないようにしている。３ａ〜３ｄは各コイルの偏向調整を行なう荷電粒子位置調整用コイル（以下、調整用コイルという）である。

５ａ〜５ｃはそれぞれ偏向コイルの疑似負荷である。例えば、５ａはコイルＢの疑似負荷であり、５ｂはコイルＣの疑似負荷、５ｃはコイルＤの疑似負荷である。このようにして、接続されない偏向コイルに対しては、疑似負荷を接続することで等価回路を構成するようになっている。コイルＢの疑似負荷は、スイッチ４ａにより切り替え制御され、コイルＣの疑似負荷５ｂはスイッチ４ｂにより切り替え制御され、コイルＤの疑似負荷５ｃはスイッチ４ｃにより切り替え制御される。

このように構成された装置の動作を説明すれば、以下の通りである。
先ず、偏向コイルＡの軌道修正動作について、説明する。この時、残りの偏向コイルＢ〜Ｄのコイル接続関係は、図３に示すようなものとなる。図３の太い実線が接続状態を示している。即ち、偏向コイルＡのみが接続され、その他の偏向コイルは疑似負荷に接続されている。具体的には、スイッチ４ａの共通接点ｃが接点ａに接続され、残りの偏向コイルＢ〜Ｄの、スイッチは共通接点ｃが疑似負荷側を選択するように制御される。

この状態で偏向コイルＡから出射されたビームは、直進して検出器２ａに照射される。検出器２ａは、図４に示すような構成をとり、それぞれ３つの検出素子１Ｄ〜３Ｄから構成されている。検出器としては、例えばＣＣＤ等の光電変換素子が用いられる。（ａ）に示すようにビームが上側にずれている場合には、上側の検出素子１Ｄの出力が最大となる。一方、丁度真ん中の検出素子２Ｄによりたくさん照射されている時は、ユニット２Ｄの出力が最大となる。一方、ビームが丁度真ん中の検出素子２Ｄの出力が最大となる。このことより、調整用コイル３ａを調整することで、ビームの照射点が真ん中の検出素子２Ｄ上になるように調整することができる。

図５は各コイル個別調整手順の説明図である。図１と同一のものは、同一の符号を付して示す。（ａ）は偏向コイルＡだけをビーム調整する場合を、（ｂ）は偏向コイルＡに加えて偏向コイルＢをビーム調整する場合を、（ｃ）は偏向コイルＡ，Ｂに加えて偏向コイルＣのビームを調整する場合を、（ｄ）は全ての偏向コイルを作動させた状態を示している。（ｃ）に基づいて全ての偏向コイルの調整用コイル３ａ〜３ｃが調整された状態が（ｄ）である。

例えば、偏向コイルＢを調整する時には、図１に示すように偏向コイルＢを通過したビームが検出器２ｂに照射されるように、図２のスイッチ４ａ〜４ｃを調整して、偏向コイルＢの出力が検出器２ｂに照射されるようにする。この場合において、検出器２ｂの真ん中の検出素子２Ｄに照射されるように調整用コイル３ｂを調整する。以上のような調整を残りの検出器２ｃについても繰り返すと、全ての偏向コイルの調整が終了したことになり、個々の偏向コイルを独立に軌道修正することができる荷電粒子線偏向装置を提供することができる。このように、本発明によれば、個々の偏向コイルを個別に軌道修正することができる荷電粒子線偏向装置を提供することができる。

図６は本発明による自動制御回路の構成例を示す図である。図１，図２と同一のものは、同一の符号を付して示す。図において、３Ａは偏向コイルＡの調整用コイルを制御する電源、２ａはビームを検出する検出器、２０は該検出器２ａの出力をディジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換器、２１は該Ａ／Ｄ変換器２０の出力を受けて、軌道修正動作を行なうパソコン（ＰＣ）である。以上、偏向コイルＡについて示したが、残りの偏向コイルＢ〜Ｄについても同様に動作する。このように構成された装置の動作を説明すれば、以下の通りである。

先ず、図５の（ａ）に示す状態で検出器２ａにビームを照射する。該検出器２ａのそれぞれの検出素子１Ｄ〜３Ｄで検出された信号は、続くＡ／Ｄ変換器２０によりディジタルデータに変換される。このＡ／Ｄ変換器２０の出力は、ＰＣ２１に与えられる。該ＰＣ２１は、検出素子２Ｄの出力が最大となるように、電源３Ａにより調整用コイル３ａを調整する。このようなフィードバック制御を行なうことにより、ビーム中心が軌道の真ん中にくるように調整することができる。

図７は本発明の動作フローを示す図である。先ず、出力が最大の検出器がどれであるかどうかチェックする（Ｓ１）。若し、最大出力の検出素子が１Ｄであった場合には、ＰＣ２１は検出素子２の方へ移動させるように制御させ（Ｓ２）、コイル調整動作を行なう（Ｓ３）。最大出力の検出素子が３Ｄであった場合には、ＰＣ２１は検出素子１の方へ移動させるように制御させ（Ｓ４）、コイル調整動作を行なう（Ｓ５）。若し、最大出力の検出素子が２Ｄであった場合には、他の２つの検出素子（センサ）の出力値がどのようになっているか調べる（Ｓ６）。そして、値に差がある場合には、ＰＣ２１は値が少なくなる方向へ移動させる（Ｓ７）。そして、残り２個の検出素子１Ｄ、３Ｄの出力が等しいか０になったら、調整処理を終了する（Ｓ８）。

以上の調整は、先ずコイルＡのみに電流を流し、荷電粒子の軌道位置を検出する。検出処理は図７に示す通りである。次に、コイルＡを調整後、次のコイルＢにも電流を流してコイルＡと同様の調整を行なう。この作業をコイルＤでも行なうことにより、荷電粒子軌道の微調整が可能となる。この一連の作業は、調整用コイル３ａ〜３ｄをＰＣ２１により制御して行なう。

図８は本発明による自動制御回路の他の構成例を示す図である。図６と同一のものは、同一の符号を付して示す。図において、２５は交流信号を発生させる発振器である。３Ａは調整用コイル３ａを調整する調整用電源、２ａは偏向コイルＡを通過した荷電粒子ビームを検出する検出器、２６は発振器２５の出力と電源出力とを加算する加算器、２７は該検出器２ａの出力を受けるロックインアンプである。該ロックインアンプ２７は、信号の強度と位相を検出するものである。

２０は該ロックインアンプ２７の出力をディジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換器、２１は該Ａ／Ｄ変換器２０の出力を受けて、ビームの位置調整を行なうパソコン（ＰＣ）である。該ＰＣ２１の出力は、電源３Ａにフィードバックされ、検出素子１Ｄ〜３Ｄへのビーム位置調整を行なう。２８は発振器２５の出力を受けて所定の信号を作成する信号作成回路であり、この信号作成回路２８で作成された信号（周波数×２，θ＝Ｔ／４：Ｔは周期）は、ロックインアンプ２７の基準入力（ＲＥＦ）に入力されている。以上の構成は、残りの偏向コイルについても全く同様である。このように構成された回路の動作を説明すれば、以下の通りである。

調整用コイル３ａの電源３Ａに発振器２５から特定周波数の正弦波信号を印加し、検出器２ａの出力のうち、ロックインアンプ２７により、入力側の交流信号と同じ周波数の同じ周波数成分を検出する。図９のように、検出器出力は、入力側の正弦波信号により時間的に変化し、振動している軌道の中心がずれている場合は、等間隔のピークにならない。図９は検出器の出力と軌道位置の関係を示す図である。（ａ）は検出器２の出力、（ｂ）は入力側正弦波信号である。横軸は何れも時間である。ここでは、実線の波形を軌道１（中心にある）、破線の波形を軌道２（中心からずれている）とする。検出器１は検出素子１は、検出器２は検出素子２、検出器３は検出素子３である。そこで、検出素子２の出力情報から軌道位置を割り出し、等間隔のピークになるように修正を行なう。

調整用コイル３ａに交流信号を印加することにより、図１０に示すように、荷電粒子軌道位置を検出できる範囲が広くなり、軌道が検出器の外側までずれていた場合でも、容易に位置を探し出すことが可能である。図１０は荷電粒子軌道が検出器からずれている場合の説明図である。図において、３０はビームスポットである。（ａ）は交流信号がない場合の状態、（ｂ）は交流信号が有る場合の状態をそれぞれ示す。（ａ）に示す場合には、ビームがどちらにずれているか判断することができない。これに対して、（ｂ）に示すように交流信号を用いると、図（ｂ）に示すようにビームスポットがＬの範囲内であれば、荷電粒子軌道位置を検出することが可能となり、検出器に近づけることができる。

以上、詳細に説明したように、本発明によれば、４コイル直列型の荷電粒子軌道偏向装置において、各コイルを個別に調整できるような機構にして、更にビームの位置の検出器を設置することにより、機械的な誤差の微調整を電気的に行なうことが可能となる。また、荷電粒子軌道の位置検出器を分割することにより、高精度で荷電粒子の位置を制御することができる。また、荷電粒子軌道の位置調整をパソコンを用いて自動化することにより、短時間で最適な状態にすることができる。更に、調整用コイル電源に交流信号を印加することにより、荷電粒子軌道の位置検出を広範囲で行なうことができる。

コイルを単独動作させた時の荷電粒子軌道を示す図である。 本発明によるコイル接続構成例を示す図である。 本発明によるコイル接続構成例を示す図である。 検出器の動作説明図である。 各コイル個別調整手順の説明図である。 本発明による自動制御回路の構成例を示す図である。 本発明の動作フローを示す図である。 本発明による自動制御回路の他の構成例を示す図である。 検出器の出力と軌道位置の関係を示す図である。 荷電粒子軌道が検出器から外れている場合の説明図である。 荷電粒子線偏向装置の構成とコイルの接続関係を示す図である。

符号の説明

Ａ〜Ｄ 偏向コイル
３ａ〜３ｄ 調整コイル
４ａ〜４ｃ スイッチ
５ａ〜５ｃ 疑似負荷

Claims (4)

1. 複数の偏向コイルを組み合わせて荷電粒子の軌道を曲げることが可能となるように構成された荷電粒子線偏向装置において、
   それぞれの偏向コイルをパスさせめためのスイッチと、パスされた偏向コイルのインピーダンスを等しくした疑似負荷と、偏向方向を微調整することが可能な調整コイルを設け、
   これら偏向コイルから出射したビームが直進する方向にビーム検出器を設け、このビーム検出器の検出出力が最大値となるように、前記調整コイルを調整することを特徴とする荷電粒子線偏向装置。
2. 前記偏向コイルを、先ず最初の第１の偏向コイルの通過ビームが最大値をとるように前記調整コイルを調整し、次に第１の偏向コイルの出力が入射された第２の偏向コイルの出力が最大となるように調整コイルを調整する動作を偏向コイルの数だけ実行することを特徴とする請求項１記載の荷電粒子線偏向装置。
3. 前記ビーム検出器は、３分割されており、これら３分割検出器の出力から、ビーム位置を検出することを特徴とする請求項１又は２記載の荷電粒子線偏向装置。
4. 前記調整コイルの調整用電源に交流信号を印加するようにしたことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の荷電粒子線偏向装置。

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