JPWO2020161795A1 - 荷電粒子線装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、安価かつ簡易な回路構成により荷電粒子線源のフィラメントの寿命を予測することができる荷電粒子線装置を提供することを目的とする。本発明に係る荷電粒子線装置は、フィラメントに対して供給する電圧を昇圧する昇圧回路を備え、昇圧回路の低圧側に流れる電流の測定値を用いて、フィラメントの残寿命を予測する（図３参照）。

Description

本発明は、試料に対して荷電粒子線を照射する荷電粒子線装置に関する。

荷電粒子線装置の荷電粒子線源としてフィラメントが用いられる。例えば荷電粒子線源が電子である場合、フィラメント両端に電圧を印加し、フィラメントを加熱したときに発生する熱電子を用いる。この原理を用いた電子銃は熱電子銃と呼ばれる。この手法においては、フィラメントは高温化で使用されるので、昇華により使用にともなってフィラメントが損耗し、損耗が激しくなると断線してしまう。熱電子銃のフィラメント寿命時間は、一般的に５０から１００時間程度と言われている。

フィラメントが断線した場合、ユーザは試料の観察画像を急に観察できなくなった場合や、エミッション電流が０Ａとなってしまった場合、初めてフィラメントが断線したと気づくことができる。フィラメントが断線した場合、ユーザはフィラメントを交換する必要があり、再度観察試料の視野探しやフォーカス調整などを実施して撮像しなおす必要があるので、装置の利用効率が悪くなってしまう。フィラメントの寿命を予測して、交換が必要となるタイミングを事前に知ることができれば、ユーザは断線の心配をすることなく観察をすることができる。

フィラメントの寿命を予測する方法として、フィラメントの積算使用時間を表示して、これまでの経験よりフィラメント寿命を予測する方法がある。この手法は長年の経験が必要であるとともに、フィラメント両端に印加する電圧の大きさによっても、フィラメント寿命が変化してしまうので、初心者が実施するのは困難である。

下記特許文献１は、高電圧電源のリップルを測定し、そのリップルの値からフィラメントの加熱温度の品質を管理する方法が開示されている。またフィラメントの寿命を予測する方法として、フィラメントに流れる電流を測定し、測定したフィラメント電流とフィラメント両端に印加する電圧からフィラメントの電気抵抗値を求め、抵抗値の経時変化にしたがってフィラメントの損耗状態を調べる方法がある。

特開平５−１６６４８１号公報

荷電粒子線装置はフィラメントに対して数１０ｋＶ程度の高電圧を印加する。したがってフィラメント電流を測定することによりフィラメント寿命を推定するためには、フローティング測定を用いる必要がある。この場合、フローティング測定のために特殊な回路が必要となる。したがって電圧源の回路構成が複雑となって大型化とコスト増加につながってしまう。また、フィラメントに対して印加する電圧を測定することによりフィラメント電流を測定する場合、数１０ｋＶ程度の電圧を測定することになるが、これをそのままＡＤコンバータへ入力すると、ＡＤコンバータの分解能が不足する。したがって数１０ｋＶ程度のフィラメント電圧を直接測定するのは困難である。

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、安価かつ簡易な回路構成により荷電粒子線源のフィラメントの寿命を予測することができる荷電粒子線装置を提供することを目的とする。

本発明に係る荷電粒子線装置は、フィラメントに対して供給する電圧を昇圧する昇圧回路を備え、昇圧回路の低圧側に流れる電流の測定値を用いて、フィラメントの残寿命を予測する。

本発明に係る荷電粒子線装置によれば、安価かつ簡易な回路構成によりフィラメントの寿命時間を正確に予測することができる。これにより、フィラメントが断線する前に交換すべきタイミングを知ることができるので、観察途中でフィラメントが断線してしまうリスクを低減させることができる。

実施形態１に係る走査型電子顕微鏡１００の構成図である。 電子銃１１８の構成図である。 フィラメント１２９に対して電流を供給する昇圧回路１３０の回路図である。 フィラメント１２９の積算使用時間と低圧側１３３に流れる電流の関係を示すグラフである。 フィラメント１２９に対する印加電圧を変更する前後における低圧側１３３に流れる電流とフィラメント使用可能時間の関係を示す図である。 フィラメント１２９の寿命を推定する手順を説明する模式図である。 フィラメント１２９に対する印加電圧を変更する前後における使用開始時の低圧側１３３に流れる電流の差分を示す図である。 表示装置１０３がフィラメント１２９の寿命を示すアイコン表示の例である。

＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施形態１に係る走査型電子顕微鏡１００の構成図である。走査型電子顕微鏡１００は、鏡筒部１０１、試料室１０２、制御部１１７、を備える。鏡筒部１０１は、陰極１０６、ウェーネルト１０７、陽極１０９、第１集束レンズ１１０、第２集束レンズ１１１、上段偏向コイル１１２、下段偏向コイル１１３、対物レンズ１１４、を有する。試料室１０２は、真空ポンプ１０５によって１０^−３〜１０^−４Ｐａの真空度に保たれる。試料室１０２は、試料１１５、試料台１１６、検出器１０４、を有する。

制御部１１７は、走査型電子顕微鏡１００が備える各部を制御する機能部であり、高電圧制御回路１１９、集束レンズ制御回路１２０、偏向制御回路１２１、対物レンズ制御回路１２２、信号処理回路１２３、表示装置１０３、を有する。高電圧制御回路１１９は、電子銃１１８に対して印加する電圧を制御する。集束レンズ制御回路１２０は、第１集束レンズ１１０と第２集束レンズ１１１を制御する。偏向制御回路１２１は、上段偏向コイル１１２と下段偏向コイル１１３を制御する。対物レンズ制御回路１２２は、対物レンズ１１４を制御する。記憶部１５０は例えばハードディスクなどの記憶装置によって構成することができる。

１次電子ビーム１０８は、第１集束レンズ１１０と第２集束レンズ１１１によって集束された後、対物レンズ１１４によって試料１１５上に集束される。試料１１５上に集束される１次電子ビーム１０８は同時に、上段偏向コイル１１２と下段偏向コイル１１３によって試料１１５上に対する照射位置を走査される。１次電子ビーム１０８の照射にともなって、試料１１５からは試料１１５の形状や組成などによって決まる信号電子が放出される。検出器１０４はその信号電子を検出する。検出された信号電子は、増幅器１２４により増幅される。信号処理回路１２３は、信号電子の検出結果を用いて試料１１５の観察画像を生成し、表示装置１０３はその観察画像を表示する。

図２は、電子銃１１８の構成図である。電子銃１１８としては、熱電子銃、ショットキー電子銃、冷陰極電界放出型の電子源などを用いることができる。本実施形態１においては熱電子銃を採用した。陰極１０６が有するフィラメント１２９に対して電流を流し、フィラメント１２９の両端に電圧を印加して加熱すると、陽極１０９に向かって１次電子ビーム１０８が照射される。

電子銃１１８はさらに、加熱電源１２５、バイアス電源１２６、加速電源１２７を備える。加熱電源１２５は熱電子銃としての加熱を供給する。加速電源１２７は１次電子ビーム１０８の加速電圧を供給する。バイアス電源１２６は１次電子ビーム１０８のビーム電流を制御する。高電圧制御回路１１９は、これら電源の動作を制御することにより、電子銃１１８を制御する。

図３は、フィラメント１２９に対して電流を供給する昇圧回路１３０の回路図である。昇圧回路１３０は、電子銃１１８の一部として構成することもできるし、電子銃１１８に対して接続することもできる。図３においては記載の便宜上、電子銃１１８とは別の回路として構成した例を示した。昇圧回路１３０は走査型電子顕微鏡１００内の任意箇所に配置することができる。

昇圧回路１３０は、低圧側１３３と高圧側１３２を有する。低圧側１３３は電圧源１３５を有し、高圧側１３２にはフィラメント１２９が接続されている。電圧源１３５が供給する電圧はトランス１３１によって昇圧され、高圧側１３２に対して供給される。これによりフィラメント１２９に対して電流を供給することができる。電流計１３４は低圧側１３３に流れる電流を測定する。図３においては記載簡単のため高電圧を印加する回路を省略した。

フィラメント１２９に流れる電流を正確に測定するためには、高圧側１３２に電流計１３４を設置するのが望ましい。しかし高電圧による回路故障などを抑制する必要があるので、高圧側１３２に電流計１３４を配置する場合は、フローティング測定を用いる必要がある。そうすると電流測定のための回路規模が大きくなり、昇圧回路１３０の大型化やコスト増加につながる。一方で図３のように低圧側１３３で電流を測定する場合、フィラメント１２９に流れる電流値を知るためには、トランス１３１の特性を考慮して低圧側１３３で測定した電流値を高圧側１３２に流れる電流値へ変換する必要がある。他方でこれによりフローティング測定などの特別な回路構成は不要なので、安価で小さな回路構成によりフィラメント電流を測定できる利点がある。

＜実施の形態１：フィラメント寿命を予測する方法＞
低圧側１３３に流れる電流値を用いて、フィラメント１２９の寿命を予測する方法について説明する。電子銃１１８においてフィラメント１２９は高温に加熱されて使用されるので、フィラメント１２９は昇華して使用とともにその線径は細くなる。これによりフィラメント１２９の抵抗値は大きくなるので、フィラメント１２９の抵抗値を測定することにより、フィラメント１２９の線径がどれだけ細くなったかを予測することができる。フィラメント１２９の線径はフィラメント１２９の寿命を表しているので、以上の手法によりフィラメント１２９の寿命を予測することができる。

図４は、フィラメント１２９の積算使用時間と低圧側１３３に流れる電流の関係を示すグラフである。フィラメント１２９の電気抵抗値を測定するためには、フィラメント１２９に流れる電流を計測するのが最も直接的であるが、本実施形態１においてはこれに代えて低圧側１３３に流れる電流を測定することとした。そこで本実施形態１においては、フィラメント１２９の積算使用時間と低圧側１３３に流れる電流の関係をあらかじめ測定して図４のようなデータとして記述し、記憶部１５０に格納しておく。低圧側１３３に流れる電流はフィラメント１２９の使用時間とともに小さくなっていき、フィラメント１２９に流れる電流をある程度反映していると考えられる。制御部１１７は、電流計１３４が測定した電流値を取得し、その電流値を用いて図４のデータを照会することにより、フィラメント１２９の寿命を推定することができる。

図４下段は、フィラメント１２９の残寿命を１０分割してパーセント表示する場合の例である。各残寿命に対応するフィラメント電流をあらかじめ特定しておき、電流計１３４による測定結果と比較することにより、フィラメント１２９の残寿命をパーセント表示で得ることができる。その結果を例えば表示装置１０３上で提示することにより、ユーザに対して残寿命を知らせることができる。

＜実施の形態１：まとめ＞
本実施形態１に係る走査型電子顕微鏡１００は、フィラメント１２９に対して供給する電圧を昇圧する昇圧回路１３０を備え、低圧側１３３に流れる電流の測定値を用いて、フィラメント１２９の残寿命を予測する。これにより、フィラメント電流を直接測定するための特別な回路構成は必要ないので、簡易な回路構成によってフィラメント１２９の残寿命を推定することができる。

＜実施の形態２＞
実施形態１においては、低圧側１３３に流れる電流を用いてフィラメント１２９の寿命を予測する手法を説明した。この手法は、フィラメント１２９に対して印加する電圧が一定であり、したがって図４で説明した関係が変化しないことを前提としている。しかし実際の走査型電子顕微鏡１００においては、フィラメント１２９に対して印加する電圧を変えながら使用する場合がある。

フィラメント１２９に対して印加する電圧を変化させるとフィラメント１２９の加熱温度も変化するので、抵抗値の経時変化特性も変わってしまう。そうすると、図４で説明した関係をそのまま用いることはできない。そこで本発明の実施形態２では、フィラメント１２９に対して印加する電圧を変えた場合において、図４で説明した関係を利用してフィラメント１２９の寿命を推定する手法を説明する。走査型電子顕微鏡１００の構成は実施形態１と同様である。

図５Ａは、フィラメント１２９に対する印加電圧を変更する前後における低圧側１３３に流れる電流とフィラメント使用可能時間の関係を示す図である。例えば印加電圧を下げた場合、フィラメント１２９に流れる電流は減少するので、フィラメント１２９の寿命は延びる。したがって図４で説明した関係は、図５Ａの点線のように変化する。図５Ａ点線の関係は、あらかじめ測定していなければ分からない。ただしフィラメント１２９が使用時間にともなって次第に細くなるという特性を考慮すると、使用開始時と寿命終端時それぞれにおいて低圧側１３３に流れる電流の差分は、印加電圧を変更する前後において変わらないと想定される（図５Ａの矢印）。本実施形態２においては、この原理を利用してフィラメント１２９の寿命を推定する。

図５Ｂは、フィラメント１２９の寿命を推定する手順を説明する模式図である。記載の便宜上、図５Ａのうち点線部分のみを転記した。フィラメント１２９に対する印加電圧を変更した以後の適当な時点（例えば変更した時点）において、低圧側１３３に流れる電流の時間微分（ΔＩＬ／Δｔ）を求める。低圧側１３３の電流が積算使用時間にともなって線形的に減少すると仮定した場合、低圧側１３３の電流の現在値ＩＬ（ｔ）と、寿命終端時点における電流値ＩＬ_０’との間の差分を、求めた時間微分で除算することにより、寿命終端時点までの残時間を算出することができる。すなわち、残時間＝（ＩＬ（ｔ）−ＩＬ_０’）／（ΔＩＬ／Δｔ）（式１）である。

図５Ｃは、フィラメント１２９に対する印加電圧を変更する前後における使用開始時の低圧側１３３に流れる電流の差分を示す図である。印加電圧変更前において低圧側１３３に流れる使用開始時電流をＩＬ_１００とし、印加電圧変更後において低圧側１３３に流れる使用開始時電流をＩＬ_１００’とする。フィラメント１２９に対する印加電圧とフィラメント１２９に流れる電流がフィラメント１２９の電気抵抗を基準とした線形関係にあると仮定した場合、印加電圧を変更する前後においてフィラメント１２９に流れる電流の差分をその電気抵抗と線形関係にしたがって計算することができる。したがって低圧側１３３に流れる電流もその電気抵抗と線形関係に基づき計算することができる。すなわち、ＩＬ_１００とＩＬ_１００’の差分を計算することができる。この差分は終端時電流ＩＬ_０とＩＬ_０’の差分とも等しい。

ＩＬ_０とＩＬ_０’の差分（すなわちＩＬ_１００とＩＬ_１００’の差分）をＤＩＦＦ０とすると、ＩＬ（ｔ）−ＩＬ_０’＝ＩＬ（ｔ）−（ＩＬ_０−ＤＩＦＦ０）（式２）と計算することができる。式２を式１に代入することにより、フィラメント１２９の残寿命を計算することができる。

図５Ａ〜図５Ｃはフィラメント１２９に対する印加電圧を下げた例を示したが、印加電圧を上げた場合、ＩＬ_１００’はＩＬ_１００よりも大きく、ＩＬ_０’もＩＬ_０より大きい。したがって式２は、ＩＬ（ｔ）−ＩＬ_０’＝ＩＬ（ｔ）−（ＤＩＦＦ０−ＩＬ_０）となることを付言しておく。

特に寿命終端付近において、低圧側１３３の電流が積算使用時間にともなって非線形的に減少するとみなす場合は、式１と式２によって求められる値を適宜補正してもよい。例えば、図４に示す関係はあらかじめ分かっているので、これを横軸方向（時間方向）に伸長することにより、印加電圧変更後の関係を近似的に求めることができる。この近似関係を用いて残寿命を計算してもよい。

＜実施の形態２：まとめ＞
本実施形態２に係る走査型電子顕微鏡１００は、フィラメント１２９に対する印加電圧を変更した場合、式１で説明した関係にしたがって、低圧側１３３に流れる電流の時間微分を用いて、寿命終端時点までに至る残時間を算出する。これにより、図４に示す関係が変更された場合であっても、フィラメント１２９の寿命を正確に求めることができる。

本実施形態２に係る走査型電子顕微鏡１００は、フィラメント１２９に対する印加電圧を変更した場合、フィラメント１２９の電気抵抗にしたがって、フィラメント１２９に対する印加電圧とフィラメント１２９に流れる電流の線形関係に基づき、印加電圧変更前後における低圧側１３３の電流の差分を求める。これにより、式２で説明した関係にしたがって、印加電圧変更後における使用開始時電流と寿命終端時電流を求めることができる。すなわち、印加電圧変更後における低圧側１３３の電流と積算使用時間の関係をあらかじめ測定していない場合であっても、計算によりこれを推定することができる。

＜実施の形態３＞
図６は、表示装置１０３がフィラメント１２９の寿命を示すアイコン表示の例である。実施形態１ではフィラメント１２９の寿命予測方法について説明した。現在のフィラメント１２９の寿命をユーザに対して知らせる方法として、表示装置１０３上で適当なアイコンなどによって寿命を示唆することができる。例えば初心者でも視覚的に容易に寿命を把握できるように、パーセント表示１３６、時間表示１３７、メータ表示１３８、電池表示１３９、信号表示１４０、カウント表示１４１、ＬＥＤランプ表示１４２などを用いることができる。これらの表示により、ユーザはフィラメント１２９の交換時期を容易に知ることができる。

図６のような表示は、表示装置１０３が表示するグラフィカルユーザインターフェース（ＧＵＩ）として提供することもできるし、走査型電子顕微鏡１００本体が備える表示デバイスによって提供することもできる。例えばＬＥＤランプ表示１４２は、走査型電子顕微鏡１００本体にＬＥＤランプを設けてこれにより提供することができる。その他態様についても同様である。

図６の表示に代えてまたはこれに加えて、フィラメント１２９を交換するように促すメッセージを提示してもよい。例えば残寿命が所定閾値以下になると、その旨を通知するメッセージを提示することができる。

＜本発明の変形例について＞
以上の実施形態において、低圧側１３３に流れる電流を電流計１３４によって測定し、これを用いてフィラメント１２９の寿命を推定することを説明した。これに代えて、低圧側１３３に印加される電圧を用いることもできる。すなわち、低圧側１３３に印加される電圧とフィラメント１２９の総使用可能時間との間の関係を図４と同様にあらかじめ測定してその関係を記述したデータを記憶部１５０に格納しておく。制御部１１７は低圧側１３３の電圧を取得してその電圧によりデータを照会すればよい。実施形態２で説明した手法についても同様である。

以上の実施形態においては、低圧側１３３に流れる電流を用いてフィラメント１２９の寿命を推定することを説明したが、これに代えてまたはこれと並行して、フィラメント１２９の積算使用時間を用いることもできる。例えば標準的な印加電圧の下におけるフィラメント１２９の総使用可能時間をあらかじめ記憶部１５０に記録しておき、フィラメント１２９に通電した時間を積算して総使用可能時間と比較することにより、残寿命を推定することができる。低圧側１３３に流れる電流を併用する場合は、例えば２つの手法を用いて推定した結果をそれぞれ表示装置１０３上に提示し、いずれを用いるかをユーザに委ねることができる。

以上の実施形態において、昇圧回路１３０としてトランス１３１を用いる構成を例示したが、低圧側１３３の電圧を高圧側１３２の電圧へ昇圧することができれば、昇圧回路１３０の構成は任意である。すなわち、低圧側１３３に流れる電流を計測することができればよい。

以上の実施形態において、制御部１１７は、その機能を実装した回路デバイスなどのハードウェアによって構成することもできるし、その機能を実装したソフトウェアを演算装置が実行することによって構成することもできる。

以上の実施形態において、走査型電子顕微鏡１００を例示したが、その他タイプの荷電粒子線装置においても、本発明を適用することができる。すなわち、フィラメント１２９を荷電粒子線源として用いる荷電粒子線装置であれば、本発明を用いてフィラメント１２９の寿命を推定することができる。

１００：走査型電子顕微鏡
１０１：鏡筒部
１０２：試料室
１０３：表示装置
１０４：検出器
１０５：真空ポンプ
１０６：陰極
１０７：ウェーネルト
１０８：電子ビーム
１０９：陽極
１１０：第１集束レンズ
１１１：第２集束レンズ
１１２：上段偏向コイル
１１３：下段偏向コイル
１１４：対物レンズ
１１５：試料
１１６：試料台
１１７：制御部
１１８：電子銃
１１９：高電圧制御回路
１２０：集束レンズ制御回路
１２１：偏向制御回路
１２２：対物レンズ制御回路
１２３：信号処理回路
１２４：増幅器
１２９：フィラメント

Claims (11)

1. 試料に対して荷電粒子線を照射する荷電粒子線装置であって、
   フィラメントから前記荷電粒子線を照射する荷電粒子線源、
   前記フィラメントに対して供給する電圧を昇圧する昇圧回路、
   前記フィラメントを正常に使用することができる残り時間を推定する制御部、
   を備え、
   前記昇圧回路は、第１電流が流れる低電圧側回路と、第２電流が流れる高電圧側回路とを備え、
   前記昇圧回路は、前記低電圧側回路に印加される第１電圧を前記高電圧側回路に印加される第２電圧へ昇圧するとともに、前記第２電圧を前記フィラメントに対して印加し、
   前記制御部は、前記第１電流の測定値または前記第１電圧の測定値を用いて前記残り時間を推定する
   ことを特徴とする荷電粒子線装置。
2. 前記荷電粒子線装置はさらに、前記フィラメントを正常に使用することができる総使用可能時間と、前記フィラメントを通電しているときにおける前記第１電流または前記第１電圧との間の対応関係を記述したデータを格納する記憶部を備え、
   前記制御部は、前記第１電流の測定値または前記第１電圧の測定値を用いて前記データを照会することにより、前記残り時間を推定する
   ことを特徴とする請求項１記載の荷電粒子線装置。
3. 前記制御部は、前記昇圧回路が前記フィラメントに対して供給する電圧を変更した場合は、前記第１電流の測定値または前記第１電圧の測定値を用いて前記データを照会することに代えて、前記第１電流の時間微分または前記第１電圧の時間微分を用いて前記総使用可能時間の終端時点に至るまでの時間を算出することにより、前記残り時間を推定する
   ことを特徴とする請求項２記載の荷電粒子線装置。
4. 前記データは、前記フィラメントを使用し始める時点における前記第１電流の値と、前記総使用可能時間の終端時点における前記第１電流の値とを記述しており、
   前記制御部は、前記第１電流の時間微分を算出するとともに、その算出時点における前記第１電流の測定値を取得し、
   前記制御部は、前記算出時点における前記第１電流の測定値と、前記フィラメントに対して供給する電圧を変更した後の前記終端時点における前記第１電流の想定値との間の差分を、前記第１電流の時間微分によって除算することにより、前記残り時間を推定する
   ことを特徴とする請求項３記載の荷電粒子線装置。
5. 前記データは、前記フィラメントを使用し始める時点における前記第１電圧の値と、前記総使用可能時間の終端時点における前記第１電圧の値とを記述しており、
   前記制御部は、前記第１電圧の時間微分を算出するとともに、その算出時点における前記第１電圧の測定値を取得し、
   前記制御部は、前記算出時点における前記第１電圧の測定値と、前記フィラメントに対して供給する電圧を変更した後の前記終端時点における前記第１電圧の想定値との間の差分を、前記第１電圧の時間微分によって除算することにより、前記残り時間を推定する
   ことを特徴とする請求項３記載の荷電粒子線装置。
6. 前記制御部は、前記フィラメントに対して供給する電圧を変更した後の前記終端時点における前記第１電流の想定値を、前記フィラメントの電気抵抗値にしたがって算出する
   ことを特徴とする請求項４記載の荷電粒子線装置。
7. 前記制御部は、前記フィラメントに対して供給する電圧を変更した後の前記終端時点における前記第１電圧の想定値を、前記フィラメントの電気抵抗値にしたがって算出する
   ことを特徴とする請求項５記載の荷電粒子線装置。
8. 前記荷電粒子線装置は、前記残り時間を提示するインターフェースを備える
   ことを特徴とする請求項１記載の荷電粒子線装置。
9. 前記インターフェースは、前記荷電粒子線装置が備える表示装置によって構成されている
   ことを特徴とする請求項８記載の荷電粒子線装置。
10. 前記荷電粒子線装置は、ユーザが前記荷電粒子線装置を操作するために用いるグラフィカルユーザインターフェース（ＧＵＩ）を備え、
    前記インターフェースは、前記ＧＵＩが表示する画像によって構成されている
    ことを特徴とする請求項８記載の荷電粒子線装置。
11. 前記ＧＵＩは、前記フィラメントを交換するように促すメッセージを表示する
    ことを特徴とする請求項１０記載の荷電粒子線装置。

Images