JP5040757B2

JP5040757B2 - 荷電粒子線走査装置

Info

Publication number: JP5040757B2
Application number: JP2008070595A
Authority: JP
Inventors: 信幸葛田; 哲也森井
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2008-03-19
Filing date: 2008-03-19
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2028-03-19
Also published as: JP2009224292A

Description

本発明は、ＳＥＭ（走査電子顕微鏡）やＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザ）などで利用される電子線やＳＩＭ（走査イオン顕微鏡）などで利用されるイオンビームなどの荷電粒子線を１次元的又は２次元的に走査する荷電粒子線走査装置に関し、さらに詳しくは、その荷電粒子線を走査するための偏向磁場を形成する回路に関する。

ＳＥＭやＥＰＭＡでは、分析対象である試料の励起源として電子線が利用される。図２はＳＥＭやＥＰＭＡなどの分析系の概略構成図である。電子銃１から出射された電子線は、集束レンズ３により微小径に集束されて試料４に照射される。偏向コイル２は偏向磁場を形成し、それによって電子線を偏向させる。この電子線の偏向により、試料４上の所定の測定範囲内で電子線の照射位置が１次元的又は２次元的に走査される。試料４上で電子線の照射位置からは２次電子や反射電子が発生するから、検出器５によりこれら電子を検出し、その検出信号に基づいて測定範囲における試料表面の拡大画像を作成してモニタの画面上に表示する。

また、試料４上の電子線照射位置からはそこに含まれる元素に特有のエネルギーを有する特性Ｘ線も放出されるため、電子線の照射位置を走査しながら特性Ｘ線をＸ線分析器６で検出してエネルギーを調べることにより、測定範囲内に含まれる元素のマッピングを行うこともできる。

上述したような電子線の走査は偏向コイル２に供給する駆動電流を制御することにより行われる。駆動電流を供給するための偏向コイル駆動回路７においては、一般に、駆動電流の安定化を図るために負帰還制御が行われる。偏向コイルに流れる電流を直接的に検出することはできないため、偏向コイルに直列に電流検出用抵抗器を挿入し、この抵抗器の両端に生じる電圧を検出して、この電圧が目標電圧になるように電圧負帰還制御が行われるのが一般的である。

しかしながら、上述の従来の電圧負帰還型構成による駆動回路では次のような問題がある。即ち、偏向コイルに所望の電流を流すため、この偏向コイルのインダクタンスと電流周波数とによって異なるものの、或る程度、大きな電圧（通常、±数十Ｖ程度、ＥＰＭＡ等の大形の装置では±１００Ｖ程度まで）を偏向コイルに印加する必要がある。一般的に１段の電圧増幅でこのような大きな電圧を得ることは難しいため、複数段の電圧増幅を行う必要がある。ところが、各増幅段でそれぞれ位相変化（位相遅れ）が発生するため、複数の電圧増幅器を縦列的に接続すると位相変化は大きなものとなる。こうした大きな位相変化を持つ増幅回路に対して上記のように負帰還制御を行うと、帰還ループの安定性が乏しく発振が生じ易くなる。

これを避けるために適宜の位相補償回路を付加する必要があるが、動作安定化のためには、こうした位相補償回路の定数を駆動電流のレンジに応じて切り替えることが不可欠である。そのため、回路構成が複雑になる。また、回路パターンレイアウトなどにも配慮が必要であるために、設計が面倒で制約も大きくなる。

特開２００６−７８４２４号公報特開２００６−３１３６５１号公報

本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、偏向コイルを駆動する駆動回路の安定性を高め、駆動電流レンジ毎の位相補償回路定数の切り替えも不要で回路構成を簡素化することができる荷電粒子線走査装置を提供することにある。

上記課題を解決するために成された本発明は、試料に照射する荷電粒子線を、偏向コイルにより形成される偏向磁場を利用して１次元的又は２次元的に走査する荷電粒子線走査装置において、
前記偏向コイルに駆動電流を供給する駆動回路が１段の電圧増幅を用いた電流負帰還型の構成で、且つその電流負帰還ループに含まれる前記偏向コイルに並列に抵抗器が接続されており、前記駆動回路は、
a)制御目標電圧に応じた目標電流と前記偏向コイルに流れる駆動電流との差に対応する誤差電流を抽出する誤差電流検出部と、
b)高いインピーダンス状態を有する後記電流増幅部の入力段を挟むように正極性側と負極性側とにそれぞれ設けられ、該電流増幅部の入力段に前記誤差電流を転写するカレントミラー部と、
c)該カレントミラー部により転写された誤差電流を所定の駆動電流レベルまで増幅する電流増幅部と、
を含むことを特徴としている。

なお、上記抵抗器は、偏向コイルのインダクタンスと寄生容量成分とから構成されるＬＣ共振回路の作用による過渡応答を抑えるためのダンピング抵抗器を利用することができる。

本発明に係る荷電粒子線走査装置における駆動回路では、電流負帰還ループに挿入される増幅部は１段だけであるので、その増幅段による位相遅れは最大でも９０°である。偏向コイルのインダクタンス成分によっても位相遅れが生じるが、偏向コイルには抵抗器が並列に接続されているため、この並列回路による位相遅れは９０°よりも小さくなる。したがって、電流負帰還ループにおける位相遅れは最大でも１８０°より小さくなり、高い安定性を持った動作を保証することができる。また、電圧増幅では１段の増幅器では十分に高い電圧振幅を確保することが困難であるが、本発明では、カレントミラー部と高いインピーダンス状態を持つ電流増幅部とを組み合わせているため、１段の増幅でも十分に高い電圧振幅を確保することができ、十分な駆動電圧を偏向コイルに供給することができる。

本発明に係る荷電粒子線走査装置によれば、偏向コイルに駆動電流を供給する駆動回路を安定的に動作させ、発振などの不所望の現象の発生を防止することができる。また、動作安定化のために位相補償回路の付加も不要であり、その位相補償の定数の切り替えも不要である。そのため、回路構成が簡素になり、回路パターンレイアウトの自由度も大きくなる。

本発明の一実施例である電子線走査装置の偏向コイル駆動回路について、添付図面を参照して説明する。図１は本実施例による偏向コイル駆動回路の概略構成図である。

この駆動回路は、大別して、入力バッファ部１０、カレントミラー部１２、電流増幅部１４、及び、偏向コイル２を含む磁気回路部１６、から成り、全体としては電流負帰還型増幅器の構成である。

入力バッファ部１０は、ダイオード接続されたトランジスタＱ１、Ｑ２と、これらとそれぞれベース端子が接続されたトランジスタＱ３、Ｑ４を含み、トランジスタＱ１、Ｑ２のエミッタは直結され、図示しない制御回路から与えられる制御目標電圧Ｖcntが印加される。他のトランジスタＱ３、Ｑ４のエミッタも直結され、偏向コイル２に流れる駆動電流を検出する電流検出用抵抗器Ｒ７の一端が接続され、その他端は接地される。この入力バッファ部１０は、制御目標電圧Ｖcntを電流に変換する電圧／電流変換機能と、その電流と偏向コイル２に流れる駆動電流Ｉｄとの差に対応する誤差電流Ｉｅ、Ｉｅ’を抽出する誤差抽出機能と、を有する。

正極性側及び負極性側にそれぞれ設けられたカレントミラー部１２は、ダイオード接続されたトランジスタＱ５、Ｑ７と、これらとそれぞれベース端子が接続されたトランジスタＱ６、Ｑ８と、各トランジスタＱ５〜Ｑ８のエミッタと正負電源ライン±Ｖｃｃとの間に挿入される抵抗器Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４とを含み、動作点がレベルシフトされた電流増幅部１４の入力段に上記誤差電流Ｉｅ、Ｉｅ’を転写する。

電流増幅部１４はトランジスタＱ１１、Ｑ１２などを含み、電圧増幅度は１である一方、大きな電流増幅度を持つ。この電流増幅部１４の入力端のインピーダンスＺｔは、図示するように、接地に対する等価的な直流抵抗Ｒｔと寄生容量Ｃｔとの並列接続であるとみなすことができるが、これは非常に大きい。そのため、カレントミラー部１２により転写された電流Ｉｅ、Ｉｅ’の差分成分がこのインピーダンスＺｔに流れると、大きな電圧に変換される。電流増幅部１４の電圧増幅度は１であるため、この入力端の大きな電圧がほぼそのまま出力に現れる。

磁気回路部１６にあって、偏向コイル２には抵抗器Ｒ５が直列に接続され、さらにこれに並列にダンピング抵抗器Ｒ６が並列接続されている。容量Ｃｃは偏向コイル２の浮遊容量である。ダンピング抵抗器Ｒ６は、偏向コイル２のインダクタンス成分と浮遊容量Ｃｃとで形成されるＬＣ共振回路による振動特性を抑制（ダンピング）するために挿入されているものである。上述のように電流増幅部１４から供給される駆動電流Ｉｄはこの磁気回路部１６に流れ、さらに入力バッファ部１０に負帰還されることになる。

上記偏向コイル駆動回路では、或る制御目標電圧Ｖcntが与えられると、そのときに磁気回路部１６に流れている駆動電流Ｉｄと制御目標電圧Ｖcntに対応した目標電流との誤差電流Ｉｅ、Ｉｅ’の大きさの差異が縮小する方向に駆動電流Ｉｄの値が修正される。磁気回路部１６を駆動するには或る程度大きな電流容量が必要になるが、電流増幅部１４での電流増幅によって、必要な電流容量を確保することができる。また、電流増幅部１４の入力段で大きな電圧振幅が得られるので、必要となる大きな電圧を磁気回路部１６に印加することができる。

ここで、上記電流負帰還ループにおける位相遅れを考えてみると、増幅段での位相変化は電流増幅部１４の入力端のインピーダンスＺｔにより発生する。その位相遅れは信号の周波数に依存するが、原理的に最大でも９０°の位相遅れだけで済み、従来の多段電圧増幅のように９０°を超える位相遅れとなることはない。

これとは別に磁気回路部１６でも位相変化が発生する。ダンピング抵抗器Ｒ６を除いて考えると、直流では磁気回路部１６は単純な抵抗成分とみなせるため位相変化はゼロであり、周波数が増加するに従い偏向コイル２のインダクタンス成分が大きくなるため位相遅れは最大で９０°になる。このときの周波数は例えば１MHz程度までである。一般に、これ以下の周波数範囲で電流制御は行われる。

磁気回路部１６で９０°の位相遅れが発生してしまうと、負帰還ループの位相遅れは最大１８０°となり、適切な負帰還が行われないので発振するおそれがある。それに対し、本実施例の偏向コイル駆動回路では、偏向コイル２にダンピング抵抗器Ｒ６が並列接続されているため、磁気回路部１６での位相遅れは９０°よりも小さい範囲に抑えられる。そのため、負帰還ループ全体の位相遅れは最大でも１８０°に達せず、安定した電流負帰還制御を行うことができる。

以上のように、本実施例における偏向コイル駆動回路では、煩雑な位相補償回路を付加しなくても、発振を起こすことなく、偏向コイルに供給する駆動電流を安定的に制御することが可能となる。それにより、１次元的又は２次元的な電子線走査の精度を高めることができ、ＳＥＭやＥＰＭＡの空間分解能の向上などに寄与する。

なお、上記実施例は本発明の一例であり、本発明の趣旨の範囲で適宜変形、修正、追加を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは当然である。例えば上記実施例は本発明を電子線走査装置に適用したものであるが、磁場により偏向が可能であるイオンビームなどの荷電粒子線を走査する装置全般に適用できることは明らかである。

本発明の一実施例による偏向コイル駆動回路の概略構成図。本発明の適用対象であるＳＥＭやＥＰＭＡなどの分析系の概略構成図。

符号の説明

２…偏向コイル
１０…入力バッファ部
１２…カレントミラー部
１４…電流増幅部
１６…磁気回路部
Ｒ６…ダンピング抵抗器
Ｒ７…電流検出用抵抗器

Claims

試料に照射する荷電粒子線を、偏向コイルにより形成される偏向磁場を利用して１次元的又は２次元的に走査する荷電粒子線走査装置において、
前記偏向コイルに駆動電流を供給する駆動回路が１段の電圧増幅を用いた電流負帰還型の構成で、且つその電流負帰還ループに含まれる前記偏向コイルに並列に抵抗器が接続されており、前記駆動回路は、
a)制御目標電圧に応じた目標電流と前記偏向コイルに流れる駆動電流との差に対応する誤差電流を抽出する誤差電流検出部と、
b)高いインピーダンス状態を有する後記電流増幅部の入力段を挟むように正極性側と負極性側とにそれぞれ設けられ、該電流増幅部の入力段に前記誤差電流を転写するカレントミラー部と、
c)該カレントミラー部により転写された誤差電流を所定の駆動電流レベルまで増幅する電流増幅部と、
を含むことを特徴とする荷電粒子線走査装置。