WO2016170588A1

WO2016170588A1 - 磁界測定システムおよびこれを用いた故障診断システム

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Publication number: WO2016170588A1
Application number: PCT/JP2015/062027
Authority: WO
Inventors: 久亮金井; 李　ウェン; 諭村岡; 幕内　雅巳
Original assignee: 株式会社日立製作所
Priority date: 2015-04-21
Filing date: 2015-04-21
Publication date: 2016-10-27

Abstract

低コストでかつ設置が容易な装置の故障診断システムを提供する。故障診断システムを、診断対象装置内の制御基板より流れる電流で発生する磁界強度を測定する磁界測定システムと、前記磁界測定システムで取得した第１の時刻における磁界データを保持するメモリと、前記磁界測定システムで取得した第２の時刻における磁界データと、前記メモリから読み出した登録済の磁界データとを比較する比較部と、前記比較部で比較した両磁界データの差分データが所定のしきい値を超過した場合に前記診断対象装置または制御基板が故障と判定する故障診断部とを備えて構成した。

Description

磁界測定システムおよびこれを用いた故障診断システム

　本発明は、磁界測定システムおよびこれを用いた故障診断システムに関するものである。

　半導体ウェハ上に形成した配線パターンの形状を検査、計測するための走査型電子ビーム式の半導体検査、計測装置は、真空の筐体内に設置した、電子ビームを加速する加速電極、電子ビーム径を絞るための複数の絞り電極、電子ビームの照射位置を調整する複数の偏向電極などの、複数の電極を介して、ステージ上のサンプルに電子ビームを照射し、サンプルからの二次電子や反射電子を検出して、配線パターン形状を検査、計測する。また、半導体ウェハ上に配線パターンを形成するための走査型電子ビーム式の描画装置においても、同様に、複数の電極を介して、電子ビームを半導体ウェハ上に積層したレジストに照射することで、配線パターンを形成する。上記のような半導体製造装置や半導体検査計測装置では、複数の荷電粒子ビームを制御するための電極が設けられており、各電極を制御するための複数の制御基板が搭載されている。これらの制御基板が故障すると、測定精度や形成パターン精度の低下、半導体ウェハの破壊、製造ラインの停止による機会損失を招くため、早期に故障箇所を特定してメンテナンスすることが求められる。

　荷電粒子ビーム描画装置の故障箇所の検知方法として、特許第５４６１７９９号公報（特許文献１）に記載の技術があり、特許文献１には、「荷電粒子ビーム描画装置の偏向制御回路からＤＡＣアンプユニットに回路診断用の第１デジタルデータを製品レチクルの描画速度と同等の速度で送信すると共に記憶し、前記第１デジタルデータに対応して前記ＤＡＣアンプユニットのデジタル部から出力される第２デジタルデータを記憶し、記憶された前記第１デジタルデータと前記第２デジタルデータとを読み出し、読み出した前記第１デジタルデータと前記第２デジタルデータとをビット毎に比較することで、前記デジタル部の診断を行うことを特徴とする荷電粒子ビーム描画装置におけるＤＡＣアンプユニットの診断方法。」が記載されている。

特許第５４６１７９９号公報

　特許文献１に記載の故障箇所検知方法は、ＤＡＣアンプユニットに回路診断用の機能を追加して、ＤＡＣアンプユニットの動特性を測定することで故障状態を検知するものである。このため、回路診断機能を持たないＤＡＣアンプユニットを搭載している描画装置に適用する場合、全てのＤＡＣアンプユニットを交換する必要があり、高いコストがかかることになる。また、ＤＡＣアンプユニットを交換するために装置を停止する必要がある。

　本願発明は、上記課題に鑑み、低コストで実現でき、かつ、装置を停止することなく既存装置に適用可能な故障診断システムを提供するものである。

　上記課題を解決するために本発明では、測定対象の内部を流れる電流に基いて発生する磁界を測定するシステムを、リング型の磁性体コアと、前記磁性体コアの周囲に巻き回した励磁コイルと、前記磁性体コアの周囲に巻き回した検出コイルと、前記検出コイルの外周に巻き回したループコイルを備えており、前記検出コイルと前記ループコイルは、外部磁界に対する検出感度軸が一致するように構成されており、かつ、ループコイルのループ面積が検出コイルのループ面積よりも大きくなるように構成されている磁界測定プローブと、前記励磁コイルに励磁電流を印加するＦＧセンサ駆動回路と、前記ループコイルに地磁気補正電流を印加するループコイル駆動回路と、前記検出コイルで検出した電圧を増幅する第１のプリアンプ回路と、前記ループコイルで検出した電圧を増幅する第２のプリアンプ回路と、前記ループコイル駆動回路と前記第２のプリアンプ回路を切り替えて前記ループコイルの端子に接続する送受切替器と、前記第１のプリアンプ回路の出力信号と前記第２のプリアンプ回路の出力信号を受信して、磁界データを出力する制御回路とを備えて構成した。

　また、上記課題を解決するために本発明では、故障診断システムを、診断対象装置内の制御基板より流れる電流で発生する磁界強度を測定する磁界測定システムと、前記磁界測定システムで取得した第１の時刻における磁界データを保持するメモリと、前記磁界測定システムで取得した第２の時刻における磁界データと、前記メモリから読み出した登録済の磁界データとを比較する比較部と、前記比較部で比較した両磁界データの差分データが所定のしきい値を超過した場合に前記診断対象装置または制御基板が故障と判定する故障診断部とを備えて構成した。

　また、上記課題を解決するために本発明では、前記故障診断システムにおいて、前記磁界測定システムは、２次元の磁界を測定する磁界ベクトル測定システムであり、前記磁界ベクトル測定システムが有する磁界測定プローブは、リング型の磁性体コアと、前記磁性体コアの周囲に巻き回した励磁コイルと、前記磁性体コアの周囲に巻き回した第１の検出コイルと、前記第１の検出コイルと直交するように前記磁性体コアの周囲に巻き回した第２の検出コイルと、第１のループコイルと、第１のループコイルと直交するように設置された第２のループコイルを備えており、前記第１の検出コイルと第１のループコイルの組合せ、及び前記第２の検出コイルと第２のループコイルの組合せは、それぞれ外部磁界に対する検出感度軸が一致するように構成されており、かつ、それぞれの組合せのループコイルのループ面積が検出コイルのループ面積よりも大きくなるように構成した。

　本発明によれば、低コストで実現でき、かつ、装置を停止させることなく設置でき、装置や制御基板の故障を検知できる。

本発明の第１の実施形態である故障診断システムの構成を示した図である。第１の実施形態の磁界測定システムにおいて採用した磁界測定プローブの構造の一例を示す図である。第１の実施例の磁界測定プローブを適用した広帯域・高感度磁界測定システムの構成を示す図である。磁界測定システムの測定フローチャートである。第１の実施形態における故障診断システムの故障診断処理を説明するフローチャートである。第1の実施形態の故障診断システムを適用した走査型電子顕微鏡を説明する図である。本発明の第２の実施形態による故障診断システムの構成を示す図である。第２の実施形態の磁界ベクトル測定システムが備える磁界ベクトル測定プローブの構成を示す図である。図８の磁界ベクトル測定プローブを適用した磁界ベクトル測定システムの測定回路構成を示す図である。第1の実施形態の故障診断システムを適用した車両を説明する図である。磁界ベクトル測定プローブを、診断対象装置の筐体上に各制御基板から流れるグランド電流を測定する用途に適用する例を説明する図である。磁界測定システムで測定した磁界データの一例を示す図である。

　以降の実施形態では、当業者が本発明を実施するのに十分詳細にその説明がなされているが、他の実装・形態も可能で、本発明の技術的思想の範囲と精神を逸脱することなく構成・構造の変更や多様な要素の置き換えが可能である。

　図１は、本発明の第１の実施形態である故障診断システム１００の構成を表している。故障診断システム１００は、例えば、１枚の基板上に構成された故障診断装置１０７と外部インタフェース１０８に接続されたモニタ１０６により構成される。

　故障診断装置１０７は、診断対象の装置内へ実装されて、該診断対象装置内の磁界強度を測定するための磁界測定システム１０１と、前記磁界測定システム１０１で、前記故障診断装置１０７を設置した初期状態のタイミング(前記診断対象装置が正常に稼働していると見做せる)で取得した磁界データ１１０を格納するメモリ１０２と、前記メモリ１０２の格納データと前記磁界測定システム１０１で取得した前記診断対象装置を診断する任意のタイミングで取得した磁界データ１１０との周波数特性を比較する周波数特性比較部１０３と、前記メモリ１０２の格納データと前記磁界測定システム１０１で前記任意の診断時のタイミングで取得した磁界データ１１０の波高値とを比較する波高値比較部１０４と、前記周波数特性比較部１０３と前記波高値比較部１０４の比較データから、前記診断対象装置あるいは装置内の制御基板の故障状態を判定して診断結果を出力する故障診断部１０５とを備えて構成されている。

　また、磁界測定システム１０１は、故障診断の対象装置内に在る制御基板を流れる電流により生成された磁界を検出できるように設置され、磁界の周波数特性や波高値を常時計測して、周波数特性比較部１０３と波高値比較部１０４の比較した値が所定のしきい値を超えた場合に、診断対象装置や特定の制御基板が故障したと前記故障診断部１０５が診断して、診断結果を作成して、外部インタフェース１０８を介して、故障箇所をモニタ８０６に表示する。

　前記磁界測定システム１０１は、磁界を測定するプローブを備える。
磁界測定システムにおいて、ループコイルやフラックスゲートセンサの磁界測定プローブを採用する方法が挙げられる。ループコイルは、ループ状に形成した導電線で構成され、ループと鎖交する磁束の時間変化に応じてコイルの両端に誘起される電圧から磁界や電流を測定する方法である。フラックスゲートセンサは、磁性体コアと、磁性体コアに巻き回された励磁コイルと検出コイルからなり、磁性体コアが磁気飽和する大きさの交流磁界を励磁コイルで印加し、その際に検出コイルに誘起される電圧から磁界、電流を測定する方法である。ループコイルは、鎖交磁束の時間変化に比例して発生する誘起電圧から磁界を測定する方法であるので、数Ｈｚから数十Ｈｚ以下の低周波数の磁界に対する検出感度が低下する可能性がある。また、フラックスゲートセンサは、高透磁率の磁性体を利用するため、磁性体の周波数特性が律速条件となり、数十ｋＨｚ以上の磁界に対しては感度が大きく低下する。また、地磁気（日本では約46,000nＴ）の影響を受けるため、電流ノイズが発生する被測定磁界と地磁気を同時に検出できるように、高ダイナミックレンジでかつ低ノイズのプリアンプ回路を設計する必要があり、設計コストや部品コストが増加する可能性がある。

　以上に説明したループコイルやフラックスゲートセンサの磁界測定プローブを用いた磁界計測システムでも、本発明の実施例１の故障診断システムで多少の効果を得ることはできるが、制御基板の故障診断精度をより向上する上で、磁界測定システムを広帯域化、高感度化することは非常に有用である。

　そこで、第１の実施形態の磁界測定システムにおいて採用した広帯域、高感度を実現する磁界測定プローブ１２０の構造の一例を図２に示す。
広帯域・高感度磁界測定プローブ１２０は、リング型の磁性体コア１２２と、前記磁性体コア１２２の周囲に巻き回した励磁コイル１２４と、前記磁性体コア１２２の直径部の両端の周囲に巻き回した検出コイル１２３と、前記検出コイル１２３より外周にループ形状を成して形成されたループコイル１２１により構成されており、外部磁界に対する検出感度軸が一致するように検出コイル１２３とループコイル１２１が構成されており、かつ、ループコイル１２１のループ面積が検出コイル１２３のループ面積よりも大きくなるように構成されている。

　リング型の磁性体コア１２２と、前記磁性体コア１２２の周囲に巻き回した励磁コイル１２４と、前記磁性体コア１２２の直径部の両端の周囲に巻き回した検出コイル１２３は、フラックスゲートセンサを構成しており、磁性体コア１２２が磁気飽和を起こす大きさの磁界を励磁コイル１２４で発生させるとフラックスゲートセンサとして動作する。

　ループコイル１２１は、高周波磁界測定プローブと地磁気のキャンセル機能を持っており、ループコイル１２１の端子に直流電流を印加するように回路を接続すると地磁気キャンセラとして機能し、ループコイルの端子間電圧を測定するように回路を接続すると高周波磁界測定プローブとして機能する。ここで、磁性体コアの形状やループコイルの形状として円形のリング状のものを示したが、ループコイルが検出コイルの外周に形成され、ループコイルのループ面積が検出コイルよりも大きければ、円形リング状によらず矩形や多角形などの構造でも、広帯域かつ高感度な磁界測定プローブを構成することができる。

　図３に、本実施例の磁界測定プローブ１２０を適用した広帯域・高感度磁界測定システム１０１の構成を示す。
広帯域・高感度磁界測定システム１０１は、励磁コイル１２４に励磁電流を印加するＦＧセンサ駆動回路２０５と、ループコイル１２１に地磁気補正電流を印加するループコイル駆動回路２０１と、検出コイル１２３で検出した電圧を増幅する第１のプリアンプ回路２０２と、ループコイル１２１で検出した電圧を増幅する第２のプリアンプ回路２０３と、ループコイル駆動回路２０１と第２のプリアンプ回路２０３を切り替えてループコイル１２１の端子に接続する送受切替器２０９と、ＦＧセンサ駆動回路２０５に周期信号を印加する周期信号発生回路２０７と、周期信号発生回路２０７で発生した周期信号を２倍の周期に逓倍する２逓倍回路２０６（この回路の採用は、フラックスゲートセンサの検出原理より、周期信号の周波数の２倍の周波数成分に有効な情報が乗っているので、２倍の周波数成分のみを検出して出力する。）と、第１のプリアンプ回路２０２の出力信号と２逓倍回路２０６の出力信号を乗算する乗算回路２０４と、送受切替器２０９の切替信号とループコイル駆動回路２０１の駆動信号と周期信号発生回路２０７の周期設定信号を送信し、及び第１のプリアンプ回路２０２の出力信号と第２のプリアンプ回路２０３の出力信号を受信して、磁界測定システム１０１の磁界データ１１０を出力する制御回路２０８で構成される。

　磁界測定プローブ１２０は、磁界測定システム１０１の回路部と同様に、故障診断装置１０７の基板上に実装される形式でも良いが、通常は、磁界測定プローブ１２０は独立して、診断対象装置内の磁界測定位置に設置され、磁界測定プローブ１２０と磁界測定システム１０１とはケーブルにて接続され、故障診断装置１０７の基板は、ケーブルが届く範囲内で、前記診断対象装置内に設置される。

　図４に、磁界測定システム１０１の測定フローチャートを示す。測定を開始すると、ループコイル１２１にループコイル駆動回路２０１を接続するように送受切替器２０９を設定する（Ｓ１０１）。次に、周期信号発生回路２０７の周波数を設定して（Ｓ１０２）励磁電流を励磁コイル１２４に印加し、検出コイル１２３の誘起電圧を測定する（Ｓ１０３）。
  測定した誘起電圧から外部直流磁界強度を計測する（Ｓ１０４）。計測した外部直流磁界をキャンセルするようにループコイル駆動回路２０１の駆動電流を設定（Ｓ１０５）し、検出コイル１２３の誘起電圧を測定する（Ｓ１０６）。
  次に、周期信号発生回路２０７の出力をオフにし（Ｓ１０７）、ループコイル１２１と第２のプリアンプ２０３を接続するように送受切替器２０９を設定して（Ｓ１０８）、ループコイル１２１の誘起電圧を測定する（Ｓ１０９）。
  測定した検出コイル１２３の誘起電圧とループコイル１２１の誘起電圧の測定データから周波数毎の外部磁界強度を算出して（Ｓ１１０）、磁界データ１１０を出力する。
  本フローチャートに基づいて外部磁界を測定することで、数Ｈｚから数十ＭＨｚの外部磁界を高感度に測定することが可能となる。

　図６は、本実施例の故障診断システム１００を走査型電子ビーム式半導体検査・計測装置６００に適用した場合の実施形態を示す。走査型電子ビーム式半導体検査・計測装置６００は、電子ビームを放出する電子銃６０１と、電子ビームを加速する加速電極６１２と、電子ビーム径を絞るための絞り電極６０２－１、６０２－２と、電子ビームの照射位置を調整する偏向電極６０３－１，６０３－２と、サンプル６０５を設置するステージ６０４と、サンプル６０５から放出された２次電子を検出する検出器６０６と、検出信号を増幅し、ディジタル信号に変換して信号処理を行う信号検出基板６０７と、信号処理したデータを画像表示するモニタ６０８と、各電極に制御電圧あるいは制御電流を印加するための制御基板６１１－１，６１１－２，６１１－３，６１１－４で構成される電子顕微鏡である。

　この電子顕微鏡を診断対象として、磁界測定プローブ１２０－ａ，１２０－ｂと故障診断装置を搭載した基板１０７－ａ，１０７－ｂにより構成される故障診断システム１００を、制御基板から電極に流れる電流により生成される磁界を検出可能なように、制御基板が設置される付近に設置している。故障診断システム１００の診断結果は、走査型電子ビーム式半導体検査・計測装置６００に設置されているモニタ６０８を共用して出力している。

　図５は、本実施形態における故障診断システム１００の故障診断処理を説明するフローチャートである。
故障診断システム１００は、搭載する磁界測定システム１０１により第１のタイミングで磁界強度を測定し（Ｓ２０１）、測定した磁界強度(磁界データ)をメモリに格納する（Ｓ２０２）。
磁界測定システム１０１が磁界強度を測定する「第１のタイミング」は、故障診断処理に先立って、診断対象装置が正常に稼働していることを確認した時点で測定したタイミングである。ここで測定された磁界データはメモリ１０２に格納されて、以後の故障診断処理の際には、メモリ１０２の格納データが常時読み出されて使用される。診断対象装置の仕様が変更されるなど、正常稼働時の磁界に変化が無いと判断されるならば、メモリの格納データは更新されない。通常は、Ｓ２０２の磁界データをメモリに格納するまでの処理は、正常稼働時の磁界データ登録処理のプログラムとして実装され、以後の故障診断処理は別プログラムとして実装されると考えられるが、図５のフローチャートでは、両プログラムのステップを続けて記載している。

　図５のフローチャートに戻り、次に、磁界測定システム１０１で第２のタイミングで磁界強度を測定する（Ｓ２０３）。メモリに格納している磁界データと第２のタイミングで測定した磁界データの周波数特性を比較し（Ｓ２０４）、周波数特性の差分が所定のしきい値を超えているかを評価する（Ｓ２０５）。
「第２のタイミング」とは、診断対象装置の故障診断処理が開始されて、故障診断システム１００が備える所定の診断サイクルタイムとなった際、または故障診断システム１００に診断開始の指示が入力された時点などである。

　図１２は、磁界測定システム１０１で測定した磁界データの一例を示す図である。図１２(ａ)は、第1のタイミングで取得した磁界データの周波数スペクトル、図１２(ｂ)は、第１の制御基板が故障した場合の周波数スペクトル、図１２(ｃ)は、第２の制御基板が故障した場合の周波数スペクトルを示している。周波数スペクトルには、制御基板で生じた電流ノイズを重ね合せた特性が現れており、正常状態では、第２のタイミングで取得した周波数スペクトルは、第１のタイミングで取得した周波数スペクトルと一致する。

　第１の制御基板が故障した場合、第１の制御基板が発生する電流ノイズが変化し、第２のタイミングで取得した周波数スペクトルと第１のタイミングで取得した周波数スペクトルには不一致箇所が現れるため、故障したことが分かる。一方、第２の制御基板が故障した場合、同様に、第２のタイミングで取得した周波数スペクトルと第１のタイミングで取得した周波数スペクトルには不一致箇所が現れると共に、第１の制御基板が故障した場合と異なる周波数スペクトルになる。つまり、故障した制御基板に応じて、周波数スペクトルの変化する箇所が異なるため、このような特徴を利用することで、故障制御基板を特定することが可能になる。

　周波数特性を比較する処理は、例えば、比較対象の両周波数スペクトルの中のある特定の周波数における振幅の差分が許容誤差以上の場合に、その周波数において一致しないと判定する。周波数スペクトルの中の主だった周波数(予め周波数を指定しておく)において、一致、不一致を同様に判定する。以上の周波数特性を比較する処理を周波数特性比較部１０３で実行する。そして、不一致の個数が例えば１か所以上で起これば、比較対象の両周波数スペクトルは不一致と判定される。
更に、不一致が起こった周波数の位置のパターンによって、故障制御基板を特定する。このためには、予め診断対象装置内の各制御基板が故障を起こした場合に、不一致を起こしそうな周波数の位置のパターンを予測する情報を故障診断部１０５に格納しておく。
ここでは、周波数スペクトルを一例に挙げたが、磁界データの波高値や時間情報などを用いたり、これらのデータを組み合わせたりすることでも同様の効果を得ることができる。

　図５のフローチャートに戻り、次に、故障診断部１０５において、周波数特性の差分が所定のしきい値内か、または超えているかを判定し（Ｓ２０５）、所定のしきい値内の場合にはＳ２０６へ移行し、超えている場合にはＳ２０９において故障と判定する。周波数特性の差分は、例えば、Ｓ２０４において、周波数スペクトルの中の主だった周波数をどの程度細かく選択するか、および振幅の差分の許容誤差の選択によって相違があるが、各周波数における不一致の個数を何個以内であれば両周波数スペクトルは同一であると判定するしきい値を設定しておく。

　次に、Ｓ２０６において、メモリ１０２に格納されている磁界データと第２のタイミングで測定した磁界データの波高値を比較し、Ｓ２０７において波高値の差分が所定のしきい値を超えているかを評価して、波高値の差分が所定のしきい値を超えている場合は、Ｓ２０９において故障と判定し、波高値の差分が所定のしきい値内の場合、Ｓ２０８において正常と判定する。
波高値比較部１０４における両磁界データの波高値の比較処理は、例えば、予め比較をする周波数を１つ以上決めておき、各周波数における両磁界データの振幅の差分を積算して波高値差分を算出する。次に、故障診断部１０５において、予め設定してあるしきい値と前記波高値差分を比較して、診断対象装置の故障診断を行う。

　続いて、Ｓ２１０において、故障診断部１０５が故障診断結果をモニタ１０６などに出力し(正常と判定することが続けば、結果の出力を省略することも考えられる。)、続いて、Ｓ２１１において、故障診断処理を終了させるか判定をして、特に終了の指示が無ければ、再びＳ２０３の処理へ移行し、終了の指示があれば故障診断処理を終了する。

　このように磁界測定システム１０１で取得した磁界強度の経時変化を評価することで、装置や制御基板の故障を診断することができる。
磁界計測システムの設置場所は、制御基板に流れる電流により生成された磁界を検出できるように配置されることが望ましく、例えば制御基板と制御電極を接続するケーブル付近や、制御基板と装置筐体のグランド端子を接続している場所の付近に設置することで、いずれの制御基板が故障したかを弁別できる。

　本実施形態によれば、故障診断機能を持たない制御基板でも、制御基板を変更することなく装置や制御基板の故障診断が可能となるので低コストで実現でき、かつ、装置を停止させることなく設置できるのでランニングコストへの影響も小さい。

　図１０は、本実施形態の故障診断システム１００を自動車に適用した形態を示す図である。自動車内には、エンジンやブレーキシステム、ナビゲーションシステムなどを制御する複数の制御ユニット７０４，７０５が搭載されると共に、モータ７０１を制御するインバータ７０２、電源ユニット７０３などが搭載されている。磁界測定プローブ１２０－ａ，１２０－ｂと故障診断装置を搭載した基板１０７－ａ，１０７－ｂにより構成される故障診断システム１００を、制御ユニット７０４，７０５やインバータ７０２から流れる電流により生成される磁界を検出可能なように、制御基板が設置される付近に設置することにより、回路の故障を検知することが可能となり、安全性を向上することが可能となる。

　上記のような広帯域・高感度磁界測定システム１０１を適用することにより、制御基板の故障診断精度の高い故障診断システム１００を提供することができる。

　図７は、本発明の第２の実施形態による故障診断システム３００の構成を表している。図１に示す第１の実施形態の故障診断システム１００との相違点は、磁界ベクトル測定システム３０１を備えているところである。第１の実施形態の磁界測定システム１０１における磁界測定プローブ１２０(図２参照)は、検出コイル１２３とループコイル１２１が、磁性体コア１２２のリングの直径部で直交する面に沿って磁性体コア１２２の周囲に巻き回していることより、磁界の１軸センサの機能を持つものである。

　これに対して、本実施形態の磁界ベクトル測定システム３０１が備える磁界ベクトル測定プローブ４００の構成を図８に示す。磁界ベクトル測定プローブ４００は、リング型の磁性体コア４０２と、前記磁性体コア４０２の周囲に巻き回した励磁コイル４０４と、前記磁性体コア４０２の直径部の両端の周囲に巻き回した第１の検出コイル４０３ａと、第１の検出コイル４０３ａと直交するように前記磁性体コアの４０２の周囲に巻き回した第２の検出コイル４０３ｂと、第１のループコイル４０１ａと、第１のループコイル４０１ａと直交するように設置された第２のループコイル４０１ｂで構成されており、外部磁界に対する検出感度軸が一致するように、前記第１の検出コイル４０３ａと前記第１のループコイル４０１ａとが一致するように配置され、前記第２の検出コイル４０３ｂと前記第２のループコイル４０１ｂとが一致するように配置されて、かつ、ループコイル４０１ａ，４０１ｂのループ面積が検出コイル４０３ａ，４０３ｂのループ面積よりも大きくなるように構成されていることを特徴とする。

　本実施形態の磁界ベクトル測定プローブ４００は、例えば図１１に示すように、診断対象装置の筐体上に各制御基板から流れるグランド電流を測定する用途が考えられる。筐体上を流れる筐体電流をＸ軸成分とＺ軸成分に分け、それぞれの電流成分によって発生する磁界を、Ｘ軸方向の磁界成分と、Ｚ軸方向の磁界成分に分けて、それぞれの磁界成分を第１の検出コイル(第１のループコイル)、及び第２の検出コイル(第２のループコイル)で測定する。

　Ｘ軸方向の磁界成分検出回路と、Ｚ軸方向の磁界成分検出回路の出力より、Ｘ－Ｚ平面上の磁界ベクトルを算出することができる。磁界ベクトルの方向は、磁界入射角度αで表す。すなわち、筐体表面上の磁界ベクトルを測定する２次元の磁界ベクトル測定システム３０１を構成することができる。

　図９に、本磁界ベクトル測定プローブ４００を適用した広帯域・高感度磁界ベクトル測定システム３０１の測定回路構成を示す。
  磁界ベクトル測定システム３０１は、励磁コイル４０４に励磁電流を印加するＦＧセンサ駆動回路５０５と、第１のループコイル４０１ａに地磁気補正電流を印加する第１のループコイル駆動回路５０１ａと、第２のループコイル４０１ｂに地磁気補正電流を印加する第２のループコイル駆動回路５０１ｂと、
  第１の検出コイル４０３ａで検出した電圧を増幅する第1のプリアンプ回路５０２ａと、第２の検出コイル４０３ｂで検出した電圧を増幅する第２のプリアンプ回路５０２ｂと、
  ループコイル４０１ａで検出した電圧を増幅する第３のプリアンプ回路５０３ａと、ループコイル４０１ｂで検出した電圧を増幅する第４のプリアンプ回路５０３ｂと、
  第１のループコイル駆動回路５０１ａと第３のプリアンプ回路５０３ａを切り替えてループコイル４０１ａの端子に接続する送受切替器５０９ａと、第２のループコイル駆動回路５０１ｂと第４のプリアンプ回路５０３ｂを切り替えてループコイル４０１ｂの端子に接続する送受切替器５０９ｂと、
  ＦＧセンサ駆動回路５０５に周期信号を印加する周期信号発生回路５０７と、周期信号発生回路５０７で発生した周期信号を２倍の周期に逓倍する２逓倍回路５０６と、
  第１のプリアンプ回路５０２ａの出力信号と２逓倍回路５０６の出力信号を乗算する第１の乗算回路５０４ａと、第２のプリアンプ回路５０２ｂの出力信号と２逓倍回路５０６の出力信号を乗算する第２の乗算回路５０４ｂと、
  送受切替器５０９ａ，５０９ｂの切替信号とループコイル駆動回路５０１ａ，５０１ｂの駆動信号と周期信号発生回路５０７の周期設定信号を送信し、プリアンプ回路５０２ａ，５０２ｂ，５０３ａ，５０３ｂの出力信号を受信して、磁界ベクトル信号３１０を出力する制御回路５０８で構成される。

　本実施形態によれば、２次元の磁界ベクトルを高感度に検出が可能となるので、１次元の磁界プローブを用いた場合に比べて、装置や制御基板の故障診断精度を向上することができる。

　図７に示す第２の実施形態の故障診断システム３００の構成の説明に戻る。
故障診断システム３００は、磁界ベクトルを測定するための磁界ベクトル測定システム３０１と、磁界ベクトル測定システム３０１で第１のタイミングで取得した磁界ベクトルデータ３１０を格納するメモリ３０２と、メモリ３０２の格納データと磁界ベクトル測定システム３０１で取得した第２のタイミングで取得した磁界ベクトルデータの周波数特性を比較する周波数特性比較部３０３と、メモリ３０２の格納データと磁界ベクトル測定システム３０１で第２のタイミングで取得した磁界ベクトルデータの波高値を比較する波高値比較部３０４と、メモリ３０２の格納データと磁界ベクトル測定システム３０１で第２のタイミングで取得した磁界ベクトルデータの磁界入射角度αを比較する磁界入射角度比較部３０５と、周波数特性比較部３０３と波高値比較部３０４と磁界入射角度比較部３０５の比較データから、診断対象装置あるいは制御基板の故障状態を判定する故障診断部３０６で構成されている。例えば、以上に説明した故障診断システム３００の各構成要素は、１枚の基板上に形成される故障診断装置３０８を構成する。
故障診断部３０６の診断結果は、外部インタフェース３０９を介して、故障箇所を診断対象装置などに備えられているモニタ３０７に表示される。

　また、磁界ベクトル測定システム３０１は、故障診断の対象である制御基板を流れる電流により生成された磁界ベクトルを検出できるように設置され、磁界の周波数特性や波高値を常時計測して、経時変化が所定のしきい値を超えた場合に、装置や制御基板が故障したと判定して故障箇所をモニタ３０７に表示する。本実施形態によると、磁界ベクトルの経時変化を評価できるので、制御基板からの電流伝搬方向を検知可能であり、周波数分布や波高値のみを比較して故障診断するよりも、より高精度に故障を診断できる。

　なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、SSD（Solid State Drive）等の記録装置、または、ICカード、SDカード、DVD等の記録媒体に置くことができる。

１００…故障診断システム
１０１…磁界測定システム
１０２…メモリ
１０３…周波数特性比較部
１０４…波高値比較部
１０５…故障診断部
１０６…モニタ
１０７…故障診断装置
１０７－ａ，１０７－ｂ…故障診断装置
１０８…外部インタフェース
１１０…磁界データ
１２０…磁界測定プローブ
１２０－ａ，１２０－ｂ…磁界測定プローブ
１２１…ループコイル
１２２…磁性体コア
１２３…検出コイル
１２４…励磁コイル
２０１…ループコイル駆動回路
２０２…第１のプリアンプ回路
２０３…第２のプリアンプ回路
２０４…乗算器
２０５…ＦＧセンサ駆動回路
２０６…２逓倍回路
２０７…周期信号発生回路
２０８…制御回路
２０９…送受切替器
３００…第２の実施形態による故障診断システム
３０１…磁界ベクトル計測システム
３０２…メモリ
３０３…周波数特性比較部
３０４…波高値比較部
３０５…磁界入射角度
３０６…故障診断部
３０７…表示部
３０８…故障診断装置
３０９…外部インタフェース
３１０…磁界ベクトルデータ
４００…磁界ベクトル測定プローブ
４０１ａ，４０１ｂ…ループコイル
４０２…磁性体コア
４０３ａ，４０３ｂ…検出コイル
４０４…励磁コイル
５０１ａ，５０１ｂ…ループコイル駆動回路
５０２ａ，５０２ｂ，５０３ａ，５０３ｂ…プリアンプ回路
５０４ａ，５０４ｂ…乗算器
５０５…ＦＧセンサ駆動回路
５０６…２逓倍回路
５０７…周期信号発生回路
５０８…制御回路
５０９ａ，５０９ｂ…送受切替器
６００…走査型電子ビーム式半導体検査・計測装置
６０１…電子銃
６０２－１，６０２－２…絞り電極
６０３－１，６０３－２…偏向電極
６０４…ステージ
６０５…サンプル
６０６…検出器
６０７…信号検出基板
６０８…モニタ
６１１－１，６１１－２，６１１－３，６１１－４…制御基板
７０１…モータ
７０２…インバータ
７０３…電源ユニット
７０４，７０５…制御ユニット
α…磁界入射角度

Claims

　測定対象の内部を流れる電流に基いて発生する磁界を測定するシステムであって、
　リング型の磁性体コアと、前記磁性体コアの周囲に巻き回した励磁コイルと、前記磁性体コアの周囲に巻き回した検出コイルと、前記検出コイルの外周に巻き回したループコイルを備えており、前記検出コイルと前記ループコイルは、外部磁界に対する検出感度軸が一致するように構成されており、かつ、ループコイルのループ面積が検出コイルのループ面積よりも大きくなるように構成されている磁界測定プローブと、
　前記励磁コイルに励磁電流を印加するＦＧセンサ駆動回路と、
　前記ループコイルに地磁気補正電流を印加するループコイル駆動回路と、
　前記検出コイルで検出した電圧を増幅する第１のプリアンプ回路と、
　前記ループコイルで検出した電圧を増幅する第２のプリアンプ回路と、
　前記ループコイル駆動回路と前記第２のプリアンプ回路を切り替えて前記ループコイルの端子に接続する送受切替器と、
　前記第１のプリアンプ回路の出力信号と前記第２のプリアンプ回路の出力信号を受信して、磁界データを出力する制御回路とを備えていることを特徴とする磁界測定システム。
　請求項１に記載の磁界測定システムにおいて、
　前記磁界測定プローブは、更に、前記検出コイルと直交するように前記磁性体コアの周囲に巻き回した第２の検出コイルと、前記ループコイルと直交するように前記第２の検出コイルの外周に設置された第２のループコイルを備えており、前記第２の検出コイルと前記第２のループコイルは、外部磁界に対する検出感度軸が一致するように構成されており、かつ、第２のループコイルのループ面積が第２の検出コイルのループ面積よりも大きくなるように構成されており、
　前記第２のループコイルに地磁気補正電流を印加する第２のループコイル駆動回路と、
　前記第２の検出コイルで検出した電圧を増幅する第３のプリアンプ回路と、
　前記第２のループコイルで検出した電圧を増幅する第４のプリアンプ回路と、及び
　前記第２のループコイル駆動回路と前記第４のプリアンプ回路を切り替えて前記第２のループコイルの端子に接続する第２の送受切替器とを更に備え、
　前記制御回路は、前記第１乃至第４のプリアンプ回路の出力信号を受信して、磁界ベクトルデータを出力することを特徴とする磁界測定システム。
　診断対象装置内の制御基板より流れる電流で発生する磁界強度を測定する磁界測定システムと、
　前記磁界測定システムで取得した第１の時刻における磁界データを保持するメモリと、
　前記磁界測定システムで取得した第２の時刻における磁界データと、前記メモリから読み出した登録済の磁界データとを比較する比較部と、
　前記比較部で比較した両磁界データの差分データが所定のしきい値を超過した場合に前記診断対象装置または制御基板が故障と判定する故障診断部とを備えた
ことを特徴とする故障診断システム。
　請求項３に記載の故障診断システムにおいて、
　前記磁界測定システムは、リング型の磁性体コアと、前記磁性体コアに巻き回された励磁コイルと、前記磁性体コアに巻き回された検出コイルで構成される磁界測定プローブを前記診断対象装置内に設置して有することを特徴とする故障診断システム。
　請求項３に記載の故障診断システムにおいて、
　前記磁界測定システムが有する磁界測定プローブは、リング型の磁性体コアと、前記磁性体コアの周囲に巻き回した励磁コイルと、前記磁性体コアの周囲に巻き回した検出コイルと、前記検出コイルの外周に巻き回したループコイルを備えており、
　前記検出コイルと前記ループコイルは、外部磁界に対する検出感度軸が一致するように構成されており、かつ、ループコイルのループ面積が検出コイルのループ面積よりも大きくなるように構成されていることを特徴とする故障診断システム。
　請求項３に記載の故障診断システムにおいて、
　前記磁界測定システムは、２次元の磁界を測定する磁界ベクトル測定システムであり、
　前記磁界ベクトル測定システムが有する磁界測定プローブは、
リング型の磁性体コアと、前記磁性体コアの周囲に巻き回した励磁コイルと、前記磁性体コアの周囲に巻き回した第１の検出コイルと、前記第１の検出コイルと直交するように前記磁性体コアの周囲に巻き回した第２の検出コイルと、第１のループコイルと、第１のループコイルと直交するように設置された第２のループコイルを備えており、
　前記第１の検出コイルと第１のループコイルの組合せ、及び前記第２の検出コイルと第２のループコイルの組合せは、それぞれ外部磁界に対する検出感度軸が一致するように構成されており、かつ、それぞれの組合せのループコイルのループ面積が検出コイルのループ面積よりも大きくなるように構成されていることを特徴とする故障診断システム。
　請求項３に記載の故障診断システムにおいて、
　前記第１の時刻とは、前記診断対象装置が正常に稼働していると確認が出来た後に、磁界データをメモリに記憶させるために、前記診断対象装置内の磁界を測定する時刻であり、
　前記第２の時刻とは、前記診断対象装置、または制御基板の故障診断を実施する時刻であり、
　前記比較部は、比較対象の両磁界データを入力して、予め設定されている各周波数における振幅の差分が許容誤差内か否かの判定に基き、一致、又は不一致の判定結果を出力する第１の比較部と、比較対象の両磁界データを入力して、予め設定されている各周波数における両磁界データの振幅の差分を積算して波高値差分を算出して出力する第２の比較部により構成され、
　前記故障診断部は、前記比較部の出力に基き、両磁界データの各周波数における振幅の不一致箇所が所定のしきい値より多くなった場合、または両磁界データの波高値差分が所定のしきい値より大きくなった場合に前記診断対象装置、または制御基板が故障と判定することを特徴とする故障診断システム。
　請求項７に記載の故障診断システムにおいて、
　前記比較部は、更に、比較対象の両磁界データを入力して、磁界ベクトルの磁界入射角度を比較して、磁界ベクトルの向きの変化量を算出して出力する第３の比較部を備え、
　前記故障診断部は、第３の比較部の出力に基き、前記診断対象装置内の電流の流れの向きの変化を算出することを特徴とする故障診断システム。
　電子ビームを放出する電子銃と、
　電子ビームを加速する加速電極と、
　電子ビーム径を絞るための絞り電極と、
　電子ビームの照射位置を調整する偏向電極と、
　サンプルを設置するステージと、
　サンプルから放出された２次電子を検出する検出器と、
　検出信号を増幅し、ディジタル信号に変換して信号処理を行う信号検出基板と、
　各電極に制御電圧あるいは制御電流を印加するための制御基板と、
　前記制御基板、または前記制御基板から流れる電流経路の近傍に設置された磁界測定プローブと、
　前記磁界測定プローブが検知した磁界の誘起電圧信号より磁界強度を算出して、前記制御基板の故障を判定する故障診断システムとを備えた走査型電子顕微鏡。