WO2016178283A1 - イオンポンプを備えた荷電粒子線装置 - Google Patents

イオンポンプを備えた荷電粒子線装置 Download PDF

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浩 任田
富士夫 大西
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    • H01J2237/2448—Secondary particle detectors

Definitions

  • the present invention relates to a charged particle device provided with an ion pump.
  • the charged particle beam apparatus performs image acquisition of the sample by irradiating the sample installed in the sample chamber maintaining a relatively high vacuum state with the charged particle beam. For example, in a scanning electron microscope or transmission electron microscope, the target sample is irradiated with an electron beam as a charged particle beam, and a microscopic image of the target sample is generated based on the amount of secondary electrons or transmitted electrons detected by the detector. is doing.
  • an ion pump is used to maintain the inside of a sample chamber in which a sample is installed and a lens barrel of a charged particle optical system in a high vacuum state. If an attempt is made to measure a state set to a high vacuum using this ion pump, the detected current becomes weak, so the influence of noise cannot be ignored.
  • Patent Document 1 discloses that “a leakage parabolic voltage leaking from a parabolic voltage generation circuit to an operational amplifier of a pulse width control circuit via a high-voltage resistance circuit is a parabolic voltage of the parabolic voltage generation circuit.
  • the divided parabola voltage having the same phase and the same amplitude as the leakage parabola voltage obtained by dividing the voltage by resistance is added to the operational amplifier and canceled by differential amplification.
  • An ion pump is used to maintain the vacuum chamber constituting the sample chamber of the electron microscope apparatus and the lens barrel of the electron optical system in an ultra-high vacuum state.
  • a high voltage is applied between the anode and cathode in the exhaust mechanism and a strong magnetic field is applied from the outside, so that electrons generated from the cathode collide with gas molecules, ionize gas molecules,
  • the degree of vacuum in the vacuum vessel is improved by being adsorbed by the cathode or captured by the ion trap.
  • the space of the lens barrel of the electron optical system on which the electron gun is mounted is required to be in an ultrahigh vacuum (10 ⁇ 9 Pa or less) state.
  • the degree of vacuum in the space of the electron optical system column is proportional to the load current flowing between the anode and cathode in the exhaust mechanism of the ion pump, and can be measured in the exhaust mechanism of the ion pump.
  • the load current detection circuit provided in the power source of the ion pump is required to have a detection accuracy of the order of 1 nA indicating an ultra-high vacuum state.
  • low frequency noise (0.1 to 60 Hz) is superimposed on the output stage of the high voltage circuit, so it is formed between the high voltage signal line and the GND line of the high voltage cable laid between the ion pump and the ion pump power supply.
  • Low frequency noise is superimposed on the load current detection circuit through the cable capacity to be obtained, and detection accuracy of the order of 1 nA cannot be obtained, and it cannot be ensured that the space in which the electron gun is mounted is in an ultra-high vacuum state There was a problem.
  • Patent Document 1 discloses a leaky parabolic voltage superimposed on an input stage of an operational amplifier of a pulse width control circuit from a parabolic voltage generating circuit through a high voltage resistance circuit, and a parabolic voltage of a parabolic voltage generating circuit as a resistance. It is described that a divided parabolic voltage having the same phase and the same amplitude as the leakage parabolic voltage obtained by dividing is added to the operational amplifier and canceled by differential amplification. However, the configuration described in Patent Document 1 has a problem that the leakage component cannot be reduced with high accuracy because the impedance of the high-voltage resistor circuit and the voltage dividing resistor that are visible from the parabolic voltage generation circuit are different.
  • an object of the present invention is to provide a charged particle beam apparatus equipped with an ion pump that can sufficiently measure low-frequency noise of a power source of the ion pump and measure the degree of vacuum with high accuracy.
  • a charged particle beam irradiation detection unit that detects a secondary charged particle generated from a sample by irradiating the sample with a charged particle beam converged in a processing chamber, and a charged particle beam
  • An image processing unit that processes a detection signal of secondary charged particles detected by the irradiation detection unit to form a secondary charged particle image of the sample, an output unit that processes the image processing unit and outputs an image, and a processing chamber
  • a charged particle beam apparatus including an ion pump including an ion pump that maintains a vacuum inside, a drive power supply unit of the ion pump, and a high-pressure cable that connects the ion pump and the drive power supply unit.
  • an ion microscope provided with an electron microscope provided with a lens barrel, an ion pump that maintains the inside of the electron microscope lens tube in a vacuum, and a drive power supply unit of the ion pump
  • a charged particle beam apparatus including a pump, wherein a drive power supply unit of the ion pump includes a high voltage power supply circuit unit that operates the ion pump, a load current detection circuit unit that detects a load current applied to the ion pump, and a load And a canceller circuit unit for reducing low frequency noise applied to the current detection circuit unit.
  • low-frequency noise of the power source of the ion pump can be sufficiently reduced, and the degree of vacuum inside the lens barrel of the charged particle device can be measured with high accuracy.
  • low-frequency noise of the ion pump drive power source is reduced, load current detection accuracy in an ion pump of 1 nA order is obtained, and the space in which the electron gun is mounted is super Since it can be ensured that it is in a high vacuum state, it contributes to higher accuracy of measurement of the electron microscope apparatus.
  • the present invention relates to a charged particle apparatus including an ion pump, wherein a load current detection circuit provided in a power source of the ion pump is provided with a canceller circuit, and a main circuit and a canceller circuit including a high-voltage cable and a current-voltage conversion circuit are By setting the canceller circuit so that the impedances seen from the frequency noise sources are equal to each other, it is possible to reduce the low frequency noise to such an extent that it does not become an obstacle to measuring the degree of vacuum.
  • a canceller circuit having a capacity equivalent to a cable capacity, a current-voltage conversion circuit, an inverting amplifier, and an adder circuit is provided.
  • a charged particle beam apparatus equipped with an ion pump capable of reducing impedances seen from noise sources to the same extent that low frequency noise can be reduced to a level not causing a problem in measuring the degree of vacuum will be described.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a schematic configuration of a charged particle beam apparatus 1000 including an ion pump according to the present embodiment.
  • ion pump power source 1 includes an ion pump power source 1, an ion pump 2, a charged particle beam device main body 3, a high-pressure cable 4 that connects the ion pump power source 1 and the ion pump 2, and the whole.
  • an input / output unit 6 having a screen for displaying the acquired image.
  • FIG. 2 shows the configuration of an electron microscope as the charged particle beam apparatus main body 3.
  • the electron microscope 3 includes an electron source 31, an extraction electrode 32 that extracts electrons generated by the electron source 31, and a beam that is extracted by the extraction electrode 32 inside a vacuum container (barrel) 30 that can be evacuated to a vacuum.
  • a vacuum container barrel
  • a blanking electrode 33 that greatly swings the electron trajectory, an aperture 34 that has an opening in the center portion and captures an electron beam that has been bent largely by the blanking electrode 33, and an electron beam that has passed through the opening of the aperture 34
  • a deflecting electrode 35 for deflecting the X-Y direction
  • a converging lens 36 for converging the electron beam that has passed through the deflecting electrode
  • a table 37 on which the sample 40 is mounted and movable in two or three dimensions
  • a converging lens 36 A detector 38 for detecting secondary electrons generated from the sample 40 irradiated with the converged electron beam is provided.
  • the electron source 31, the extraction electrode 32, the blanking electrode 33, the deflection electrode 35, the converging lens 36, and the table 37 are connected to the overall control unit 5 and controlled by the control unit 51 of the overall control unit 5.
  • the signal of the detector 38 that detects the secondary electrons generated from the sample 40 irradiated with the electron beam is sent to the overall control unit 5, where the image processing unit 52 performs image processing, and the image processing unit 52 performs the image processing.
  • the generated SEM image of the sample 40 is displayed on the display screen 61 of the input / output unit 6.
  • the ion pump 2 is connected to a vacuum container 30 of the electron microscope 3 and has an anode electrode 21 inside and a pair of cathode electrodes 22 on both sides of the anode electrode 21. .
  • a general ion pump 2 operates in a range from a high vacuum state (about 10 ⁇ 3 Pa) to an ultrahigh vacuum state (about 10 ⁇ 9 Pa), and a load current flowing between the anode 21 and the cathode 22 in the exhaust mechanism section.
  • the ion pump power supply 1 needs to stably output a high voltage (DC 5 kV) over a wide load range, and the quasi-resonant flyback method is widely used.
  • the ion pump 2 attached to the electron microscope apparatus 3 and the ion pump power source 1 are connected by a high-voltage cable 4.
  • the ion pump power supply 1 includes an AC-DC converter 101, a DC-DC converter 102, a flyback transformer 103, a rectifier diode 104, a rectifier capacitor 105, a switching MOSFET 106, and a primary side.
  • Resonance capacitor 107 voltage detection voltage dividing resistors 108 and 109, voltage detection isolation amplifier 110, control unit 111, pulse generation unit 112, current-voltage conversion operational amplifier 114, current-voltage conversion variable resistor 113, current detection Isolation amplifier 115, A / D converter 116, load current display unit 117, capacity 118 equivalent to the cable capacity of high-voltage cable 4, current-voltage conversion operational amplifier 120, current-voltage conversion variable resistor 119, inverting amplification operational amplifier 123 Inverting amplification resistors 121 and 122, addition Road 124, configured with a microcomputer (mu control) 125.
  • microcomputer microcomputer
  • the resistors 108 and 109, the voltage detection isolation amplifier 110, the control unit 111, and the pulse generation unit 112 have a high electric field between the anode electrode 21 of the ion pump 2 and the pair of cathode electrodes 22 disposed on both sides thereof.
  • a high-voltage power supply circuit unit for operating the ion pump 2 is generated.
  • a current detection circuit 130 is configured.
  • the high voltage cable 4 has a capacity 118 equivalent to the cable capacity, a current / voltage conversion operational amplifier 120, a current / voltage conversion variable resistor 119, an inverting amplification operational amplifier 123, inverting amplification resistors 121 and 122, and an addition circuit 124. It is possible to adjust the impedance so that the impedance seen from the low-frequency noise source is equivalent to the main circuit composed of the cable 4 and the high-voltage power supply circuit section that is the current-voltage conversion circuit.
  • the canceller circuit 140 can be reduced to such a level that does not cause a problem in measuring the current.
  • the primary side of the flyback transformer 103 is connected to an AC-DC converter 101 that converts electric power supplied from a commercial AC 100 V (50/60 Hz) power source 7 into a predetermined DC voltage, and a switching MOSFET 106, and is connected to a DC-
  • the DC converter 102 generates another DC voltage from the predetermined DC voltage output from the AC-DC converter 101 and supplies it to the controller 111 and the pulse generator 112.
  • the isolation amplifier 115 is used.
  • the voltage detection circuit 150 includes a voltage detection voltage dividing resistors 108 and 109 and a voltage detection isolation amplifier 110, and includes a control unit 111 and a pulse generation unit 112. Is provided.
  • the load current detection circuit detects the load current of the ion pump by utilizing the property that the degree of vacuum in the vacuum vessel 30 is proportional to the load current flowing between the anode 21 and the cathode 22 in the exhaust mechanism of the ion pump 2. ing.
  • FIG. 3 includes a load current detection circuit 330 corresponding to the load current detection circuit 130 as a comparative example of the ion pump power supply 1 including the load current detection circuit 130 and the canceller circuit 140 according to the present embodiment described in FIG.
  • a configuration of an ion pump power supply unit 301 that does not have a circuit corresponding to the canceller circuit 140 is shown.
  • the load current detection circuit 330 of the comparative example shown in FIG. 3 includes a current / voltage conversion operational amplifier 314, a current / voltage conversion variable resistor 313, an inverting amplification operational amplifier 362, inverting amplification resistors 360 and 361, and a current detection isolation amplifier. 315, an A / D converter 316, and a load current display unit 317.
  • the load current detection circuit 330 is required to have a wide dynamic range because it becomes 1 nA order to several tens mA.
  • the low frequency noise (0.5 to 60 Hz) ⁇ ⁇ superimposed on the high voltage (DC 5 kV) output from the ion pump power supply 301 is
  • the load current detection circuit 330 When detecting a minute load current of the order of 1 nA by going to the load current detection circuit 330 through a capacitor formed between the high voltage signal line and the GND line of the high voltage cable 4, the detected voltage is low and the minute load current is reduced. There is a problem that it cannot be detected.
  • the causes of low frequency noise include low frequency noise output from the voltage detection isolation amplifier 110, low frequency fluctuation of the reference voltage, resistance noise, and the like.
  • a negative DC voltage 401 indicating a load current and a low-frequency noise 402 that wraps around through the high-voltage cable 4 appear at the output stage of the current-voltage conversion operational amplifier 114.
  • a canceller comprising a capacitor 118 equivalent to the cable capacity of FIG. 1, a current-voltage conversion operational amplifier 120, a current-voltage conversion variable resistor 119, an inverting amplification operational amplifier 123, inverting amplification resistors 121 and 122, and an adder circuit 124.
  • the circuit 140 at the output stage of the inverting amplification operational amplifier 123, as shown in FIG.
  • the ion pump power supply 1 is configured as described in the present embodiment, so that the ion pump 2 operates from a high vacuum state (about 10 ⁇ 3 Pa) to an ultrahigh vacuum state (about 10 ⁇ 9 Pa).
  • the load current detection circuit 130 can stably detect a load current range of several tens mA to several nA flowing between the anode 21 and the cathode 22 of the ion pump 2.
  • the ion pump power source that controls the switching of the primary side flyback transformer using the quasi-resonant flyback method which is one of various boosting methods has been described. Even if other boosting methods such as a half-bridge method and a full-bridge method are used, the same effects as in the present embodiment can be obtained, and the invention is not limited to the quasi-resonant flyback method.
  • addition circuit 124 of the present embodiment may be constituted by, for example, an addition operation operational amplifier 1241 and addition operation resistors 1242, 1243, and 1244 shown in FIG.
  • the load current detection circuit 130 includes a current / voltage conversion operational amplifier 114, a current / voltage conversion variable resistor 113, a current detection isolation amplifier 115, an A / D converter 116, and a load current display unit 117.
  • the canceller circuit 140 includes a capacitance 118 equivalent to a cable capacitance, a current-voltage conversion operational amplifier 120, a current-voltage conversion variable resistor 119, an inverting amplification operational amplifier 123, inverting amplification resistors 121 and 122, and an addition circuit 124. It was described as comprising and comprising. However, as shown in FIG.
  • an inverting amplification operational amplifier 133 and inverting amplification resistors 131 and 132 are provided at the output stage of the current-voltage conversion operational amplifier 114, a differential amplification operational amplifier 138, and differential amplification resistors 134 and 135,
  • the positive DC voltage may be detected by arranging 136 and 137 and canceling the signals converted into the same frequency and opposite phase as the low frequency noise in the same phase.
  • the output signals of the current-voltage conversion operational amplifier 114 and the current-voltage conversion operational amplifier 120 are input to the differential amplification operational amplifier 138 to cancel the low frequency noise, and then the inverting amplification operational amplifier 1303, A positive DC voltage may be detected by the inverting amplification resistors 1301 and 1302.
  • the impedance seen from the low frequency noise source is equal in the main circuit and the canceller circuit composed of the high voltage cable of the ion pump power source and the current-voltage conversion circuit, and the degree of vacuum is measured for the low frequency noise.
  • the degree of vacuum in the vacuum vessel can be measured with high reliability, and this can contribute to higher accuracy of measurement of the electron microscope apparatus.
  • the charged particle beam apparatus body 3 is described as an electron microscope such as a scanning electron microscope or a transmission electron microscope.
  • the present embodiment is not limited to this, The present invention can also be applied to an ion beam apparatus that uses an ion beam as a particle beam.
  • the capacity 118 formed between the high-voltage line and the GND line of the high-voltage cable 4 and the capacity 118 equivalent to the cable capacity of the canceller circuit are 1000 pF and 2000 pF, respectively, the low-frequency noise of the output stage of the current-voltage conversion operational amplifier 120 While the amplitude is twice that of the output stage of the current-voltage conversion operational amplifier 114, the phase of the low-frequency noise has almost no difference. Therefore, there is a problem that the canceling effect is reduced due to the difference in capacity.
  • FIG. 7 is an example of a configuration diagram of an ion pump power source 701 of the present embodiment that solves the above-described problems.
  • the inversion amplification resistor 122 in FIG. 1 is an inversion amplification variable resistor 722 and the inversion is performed so that the detected low frequency noise is minimized.
  • An amplitude adjustment unit 726 that switches the amplification variable resistor 722 is provided.
  • the inverting amplification variable resistor 722 is replaced with the inverting amplification resistance.
  • the resistance value is set to a half of 121, the low frequency noise in the output stage of the adding circuit 124 is canceled, and only a positive DC voltage indicating a desired load current appears.
  • the amplitude adjusting unit 126 may repeat the process of measuring the remaining low frequency noise by switching the inverting amplification variable resistor 722 so that the remaining low frequency noise is minimized.
  • low-frequency noise can be reduced with high accuracy, detection accuracy of the order of 1 nA can be obtained, and it can be ensured that the space in which the electron gun is mounted is in an ultra-high vacuum state. This contributes to higher accuracy.
  • this invention is not limited to an above-described Example, Various modifications are included.
  • the above-described embodiments have been described in detail for easy understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations described.
  • a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment.
  • Each of the above-described configurations, functions, processing units, processing means, and the like may be realized by hardware by designing a part or all of them with, for example, an integrated circuit.
  • Each of the above-described configurations, functions, and the like may be realized by software by interpreting and executing a program that realizes each function by the processor.
  • Information such as programs, tables, and files for realizing each function can be stored in a recording device such as a memory, a hard disk, an SSD (Solid State Drive), or a recording medium such as an IC card, an SD card, or a DVD.
  • the control lines and information lines indicate what is considered necessary for the explanation, and not all the control lines and information lines on the product are necessarily shown. Actually, it may be considered that almost all the components are connected to each other.

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Abstract

イオンポンプを備えた荷電粒子線装置において、イオンポンプの電源の低周波ノイズを十分に低減して真空度を高精度に計測することを可能にする。イオンポンプ（２）の駆動電源部（１）を、イオンポンプ（２）を作動させる高圧電源回路部（１０１－１１２）と、イオンポンプ（２）に印加される負荷電流を検出する負荷電流検出回路部（１３０）と、負荷電流検出回路部（１３０）に加わる低周波ノイズを低減するキャンセラ回路部（１４０）とを備えて構成する。

Description

[規則37.2に基づきISAが決定した発明の名称]　イオンポンプを備えた荷電粒子線装置
　本発明は、イオンポンプを備えた荷電粒子装置に関する。
　荷電粒子線装置は、比較的高い真空状態を維持している試料室内に設置した試料に荷電粒子線を照射することにより、その試料の画像取得等を行うものである。例えば走査型電子顕微鏡や透過型電子顕微鏡においては、対象試料に荷電粒子線として電子線を照射し、検出器により検出した二次電子量又は透過電子量に基づいて、対象試料の顕微鏡像を生成している。
　このような荷電粒子線装置において、試料を設置する試料室や荷電粒子光学系の鏡筒の内部を高い真空状態に維持するためにイオンポンプが用いられている。このイオンポンプを用いて高真空に設定した状態を計測しようとすると、検出する電流が微弱になるために、ノイズの影響が無視できなくなる。
　このようなノイズの問題を解決する方法として特許文献１には、「パラボラ電圧発生回路から高圧抵抗回路を介して、パルス幅制御回路のオペアンプに漏出した漏洩パラボラ電圧は、パラボラ電圧発生回路のパラボラ電圧を抵抗分割して得た、漏洩パラボラ電圧と同相で同振幅の分圧パラボラ電圧を前記オペアンプに加えて、差動増幅することによりキャンセルされる。」と記載されている。
特開平１１－１７７８３９号公報
　電子顕微鏡装置の試料室や電子光学系の鏡筒を構成する真空容器を超高真空の状態に維持するためにイオンポンプが利用される。このイオンポンプでは、排気機構部内の陽極と陰極の間に高電圧を印加し、外部から強い磁場をかけることにより、陰極から発生した電子が気体分子に衝突して気体分子がイオン化し、イオンが陰極に吸着あるいはイオントラップに捕獲されることによって、真空容器内の真空度を向上させる。
　電子顕微鏡装置では、電子銃が搭載される電子光学系の鏡筒の空間内は超高真空(１０－９Ｐａ以下)状態であることが求められている。
　電子光学系の鏡筒の空間内の真空度は、イオンポンプの排気機構部内の陽極と陰極の間に流れる負荷電流と比例関係にあり、イオンポンプの排気機構部内で計測することができる。このようにイオンポンプの排気機構部内で真空度を計測するために、イオンポンプの電源が備える負荷電流検出回路は超高真空状態を示す１ｎＡオーダーの検出精度を必要とされる。
　イオンポンプ電源では、高電圧回路の出力段に低周波ノイズ(０．１～６０Ｈｚ)が重畳するため、イオンポンプとイオンポンプ電源間に敷設された高圧ケーブルの高圧信号線とＧＮＤ線間に形成されるケーブル容量を介して負荷電流検出回路に低周波ノイズが重畳し、１ｎＡオーダーの検出精度を得ることができず、電子銃が搭載される空間内が超高真空状態であることを担保できないという課題があった。
　ノイズキャンセルに関する公知例として、特許文献１には、パラボラ電圧発生回路から高圧抵抗回路を介してパルス幅制御回路のオペアンプの入力段に重畳する漏洩パラボラ電圧を、パラボラ電圧発生回路のパラボラ電圧を抵抗分割して得た、漏洩パラボラ電圧と同相で同振幅の分圧パラボラ電圧を前記オペアンプに加えて、差動増幅することによりキャンセルすることが記載されている。しかし、特許文献１に記載されている構成では、パラボラ電圧発生回路から見える高圧抵抗回路と分圧抵抗器のインピーダンスが異なるため、漏洩成分を高精度に低減できないという課題がある。
　そこで本発明では、イオンポンプの電源の低周波ノイズを十分に低減して真空度を高精度に計測することを可能にするイオンポンプを備えた荷電粒子線装置を提供することを目的とする。
　上記した課題を解決するために、本発明では、処理室内で収束させた荷電粒子ビームを試料に照射して試料から発生した二次荷電粒子を検出する荷電粒子ビーム照射検出部と、荷電粒子ビーム照射検出部で検出した二次荷電粒子の検出信号を処理して試料の二次荷電粒子像を形成する画像処理部と、画像処理部で処理して画像を出力する出力部と、処理室の内部を真空に維持するイオンポンプと、イオンポンプの駆動電源部と、イオンポンプと駆動電源部とを接続する高圧ケーブルとを備えたイオンポンプを備えた荷電粒子線装置であって、イオンポンプの駆動電源部を、イオンポンプを作動させる高圧電源回路部と、イオンポンプに印加された負荷電流を検出する負荷電流検出回路部と、負荷電流検出回路部に加わる低周波ノイズを低減するキャンセラ回路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、鏡筒を備えた電子顕微鏡と、電子顕微鏡の鏡筒の内部を真空に維持するイオンポンプと、イオンポンプの駆動電源部とを備えたイオンポンプを備えた荷電粒子線装置であって、イオンポンプの駆動電源部を、イオンポンプを作動させる高圧電源回路部と、イオンポンプに印加された負荷電流を検出する負荷電流検出回路部と、負荷電流検出回路部に加わる低周波ノイズを低減するキャンセラ回路部とを備えて構成した。
　本発明によれば、イオンポンプの電源の低周波ノイズを十分に低減して荷電粒子装置の鏡筒内部の真空度を高精度に計測することを可能になった。また、荷電粒子装置として、電子顕微鏡に適用した場合、イオンポンプ駆動電源の低周波ノイズを低減し、１ｎＡオーダーのイオンポンプにおける負荷電流検出精度が得られ、電子銃が搭載される空間内が超高真空状態であることを担保できるため、電子顕微鏡装置の計測の高精度化に寄与する。
本発明の実施例１におけるイオンポンプを備えた荷電粒子装置の概略の構成とイオンポンプ電源回路部の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例１におけるイオンポンプを備えた荷電粒子装置の例として電子顕微鏡を用いた場合の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例１におけるイオンポンプ電源回路部の構成の比較例としてのイオンポンプ電源回路部の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例１における負荷電流検出回路およびキャンセラ回路で観測される電圧波形のグラフである。 本発明の実施例１における加算回路の構成例である。 本発明の実施例１の第１の変形例における負荷電流検出回路とキャンセラ回路の構成を示す回路図である。 本発明の実施例１の第２の変形例における負荷電流検出回路とキャンセラ回路の構成例である。 本発明の実施例２におけるイオンポンプを備えた荷電粒子装置の概略の構成とイオンポンプ電源回路部の構成を示すブロック図である。
　本発明は、イオンポンプを備えた荷電粒子装置において、イオンポンプの電源が備える負荷電流検出回路にキャンセラ回路を設けて、高圧ケーブルと電流電圧変換回路から構成される主回路とキャンセラ回路において、低周波ノイズ源から見えるインピーダンスがそれぞれ同等となるようにキャンセラ回路を設定することにより低周波ノイズを真空度を計測する上で障害にならない程度までに低減することを可能にしたものである。
　以下、本発明の実施の形態について説明する。
　本実施例では、ケーブル容量と同等の容量、電流電圧変換回路、反転増幅器および加算回路を備えたキャンセラ回路を設け、高圧ケーブルと電流電圧変換回路から構成される主回路とキャンセラ回路において、低周波ノイズ源から見えるインピーダンスがそれぞれ同等となり、低周波ノイズを真空度を計測する上で問題にならない程度までに低減することを可能にしたイオンポンプを備えた荷電粒子線装置について説明する。
　図１は、本実施例に係るイオンポンプを備えた荷電粒子線装置１０００の概略の構成を示す図である。
　図１に示したイオンポンプを備えた荷電粒子線装置１０００は、イオンポンプ電源１、イオンポンプ２、荷電粒子線装置本体３、イオンポンプ電源１とイオンポンプ２とを接続する高圧ケーブル４、全体を制御する全体制御部５及び取得した画像を表示する画面を備えた入出力部６を備えている。
　荷電粒子線装置本体３として、電子顕微鏡の構成を図２に示す。電子顕微鏡３は、内部を真空に排気可能な真空容器(鏡筒)３０の内部に、電子源３１、電子源３１で発生させた電子を引き出す引出電極３２、引出電極３２により引き出されたビーム状の電子の軌道を大きく振るブランキング電極３３、中央部分に開口部を有してブランキング電極３３により軌道を大きく曲げられた電子ビームを捕捉するアパーチャ３４、アパーチャ３４の開口部を通過した電子ビームをＸ－Ｙ方向に偏向させる偏向電極３５、偏向電極を通過した電子ビームを収束させる収束レンズ３６、試料４０を載置して２次元又は３次元方向に移動可能なテーブル３７、収束レンズ３６により収束された電子ビームが照射された試料４０から発生した２次電子を検出する検出器３８を備えている。
　電子源３１、引出電極３２、ブランキング電極３３、偏向電極３５、収束レンズ３６、及びテーブル３７は、それぞれ全体制御部５と接続しており、全体制御部５の制御ユニット５１により制御される。また、電子ビームが照射された試料４０から発生した２次電子を検出した検出器３８の信号は、全体制御部５に送られて画像処理部５２で画像処理が行われ、画像処理部５２で生成された試料４０のＳＥＭ画像が入出力部６の表示画面６１上に表示される。
　イオンポンプ２は電子顕微鏡３の真空容器３０に接続されており、内部に陽極の電極２１を有し、陽極の電極２１の両側に１対の陰極の電極２２を備えた構成を有している。
　一般的なイオンポンプ２は高真空状態(１０－３Ｐａ程度)から超高真空状態(１０－９Ｐａ程度)の範囲で動作し、排気機構部内の陽極２１と陰極２２の間に流れる負荷電流の範囲は数十ｍＡ～数ｎＡとなる。そのため、イオンポンプ電源１は高電圧(ＤＣ５ｋＶ)を広い負荷範囲に渡って安定して出力する必要があり、疑似共振フライバック方式が広く使われている。
　また電子顕微鏡装置３に取り付けられたイオンポンプ２とイオンポンプ電源１の間は、高圧ケーブル４で接続されている。
　イオンポンプ電源１は、図１に示したように、ＡＣ―ＤＣ変換部１０１、ＤＣ－ＤＣ変換部１０２、フライバックトランス１０３、整流用ダイオード１０４、整流用コンデンサ１０５、スイッチング用ＭＯＳＦＥＴ１０６、１次側の共振コンデンサ１０７、電圧検出用分圧抵抗１０８、１０９、電圧検出用アイソレーションアンプ１１０、制御部１１１、パルス生成部１１２、電流電圧変換用オペアンプ１１４、電流電圧変換用可変抵抗１１３、電流検出用アイソレーションアンプ１１５、Ａ／Ｄコンバータ１１６、負荷電流表示部１１７、高圧ケーブル４が有するケーブル容量と同等の容量１１８、電流電圧変換用オペアンプ１２０、電流電圧変換用可変抵抗１１９、反転増幅用オペアンプ１２３、反転増幅用抵抗１２１、１２２、加算回路１２４、マイクロコンピュータ(μコン)１２５を備えて構成される。
　上記構成で、ＡＣ―ＤＣ変換部１０１、ＤＣ－ＤＣ変換部１０２、フライバックトランス１０３、整流用ダイオード１０４、整流用コンデンサ１０５、スイッチング用ＭＯＳＦＥＴ１０６、１次側の共振コンデンサ１０７、電圧検出用分圧抵抗１０８、１０９、電圧検出用アイソレーションアンプ１１０、制御部１１１、パルス生成部１１２でイオンポンプ２の陽極の電極２１とその両側に配置された１対の陰極の電極２２との間に高電界を発生させてイオンポンプ２を作動させるための高圧電源回路部が形成されている。
　また、電流電圧変換用オペアンプ１１４、電流電圧変換用可変抵抗１１３、電流検出用アイソレーションアンプ１１５、Ａ／Ｄコンバータ１１６、負荷電流表示部１１７によりイオンポンプ２に印加された負荷電流を検出する負荷電流検出回路１３０が構成されている。
　更に、高圧ケーブル４が有するケーブル容量と同等の容量１１８、電流電圧変換用オペアンプ１２０、電流電圧変換用可変抵抗１１９、反転増幅用オペアンプ１２３、反転増幅用抵抗１２１、１２２、加算回路１２４により、高圧ケーブル４と電流電圧変換回路である高圧電源回路部から構成される主回路に対して低周波ノイズ源から見えるインピーダンスが同等となるようにインピーダンスを調整することが可能で、低周波ノイズを真空度を計測する上で問題にならない程度までに低減する事ができるキャンセラ回路１４０が構成されている。
　フライバックトランス１０３の１次側は、それぞれ商用ＡＣ１００Ｖ(５０／６０Ｈｚ)電源７から供給される電力を所定のＤＣ電圧に変換するＡＣ－ＤＣ変換部１０１と、スイッチング用ＭＯＳＦＥＴ１０６に接続され、ＤＣ－ＤＣ変換部１０２はＡＣ－ＤＣ変換部１０１が出力する所定のＤＣ電圧から別のＤＣ電圧を生成し、制御部１１１およびパルス生成部１１２に供給している。
　イオンポンプ電源１では、ノイズによる誤動作防止のため、フライバックトランス１次側(低電圧側)と２次側(高電圧側)を分離する必要があり、電圧検出用アイソレーションアンプ１１０、電流検出用アイソレーションアンプ１１５を使用している。
　また出力電圧を安定化するフィードバック制御を行うため、電圧検出用分圧抵抗１０８、１０９、電圧検出用アイソレーションアンプ１１０から構成される電圧検出回路１５０を有し、制御部１１１、パルス生成部１１２を備える。これにより、負荷電流が増大して出力電圧(イオンポンプ２の陽極２１に印加される電圧)が低下した際には、パルス生成部１１２が出力するスイッチングパルスのパルス幅を増加させることにより、出力電圧を安定化させることができる。
　さらに真空容器３０内の真空度がイオンポンプ２の排気機構部内の陽極２１と陰極２２の間に流れる負荷電流に比例する性質を利用して、負荷電流検出回路はイオンポンプの負荷電流を検出している。
　図３に図１で説明した本実施例に係る負荷電流検出回路１３０とキャンセラ回路１４０とを備えたイオンポンプ電源１の比較例として、負荷電流検出回路１３０に相当する負荷電流検出回路３３０を備えキャンセラ回路１４０に相当する回路を持たないイオンポンプ電源部３０１の構成を示す。図３に示した比較例の負荷電流検出回路３３０は、電流電圧変換用オペアンプ３１４、電流電圧変換用可変抵抗３１３、反転増幅用オペアンプ３６２、反転増幅用抵抗３６０、３６１、電流検出用アイソレーションアンプ３１５、Ａ／Ｄコンバータ３１６、負荷電流表示部３１７で構成されている。真空容器３０内の真空度を負荷電流に換算すると１ｎＡオーダーから数十ｍＡとなるため、負荷電流検出回路３３０は広ダイナミックレンジを必要とされる。
　図３に示したような負荷電流検出回路３３０を備えキャンセラ回路を備えていない構成において、イオンポンプ電源３０１が出力する高電圧(ＤＣ５ｋＶ)に重畳する低周波ノイズ(０．５～６０Ｈｚ) は、高圧ケーブル４の高圧信号線とＧＮＤ線間に形成される容量を介して負荷電流検出回路３３０へ回り込み、１ｎＡオーダーという微小な負荷電流を検出する際には、検出電圧が低く、微小負荷電流を検出できないという課題がある。低周波ノイズの原因は、電圧検出用アイソレーションアンプ１１０が出力する低周波ノイズ、基準電圧の低周波ゆらぎ、抵抗ノイズ等が挙げられる。
　図４の（ａ）に示すように、電流電圧変換用オペアンプ１１４の出力段には、負荷電流を示す負のＤＣ電圧４０１と高圧ケーブル４を介して回り込む低周波ノイズ４０２が現れる。一方、図１のケーブル容量と同等の容量１１８、電流電圧変換用オペアンプ１２０、電流電圧変換用可変抵抗１１９、反転増幅用オペアンプ１２３、反転増幅用抵抗１２１、１２２、加算回路１２４から構成されるキャンセラ回路１４０において、反転増幅用オペアンプ１２３の出力段では、図４の（ｂ）に示すように、電流電圧変換用オペアンプ１１４の出力段における低周波ノイズと同振幅・逆位相の信号４１２が現れる。そのため、加算回路１２４の出力段では低周波ノイズ４０２がキャンセルされ、所望の負荷電流を示す正のＤＣ電圧４０３のみが現れる。
　図１に示したような負荷電流検出回路１３０とキャンセラ回路１４０とを備えた本実施例の構成とすることにより、図３に示したような負荷電流検出回路３３０だけを備え、キャンセラ回路を備えていない比較例のような構成と比べて、低周波ノイズを真空容器内の真空度を測定する上で障害とならない程度まで高精度に低減し、１ｎＡオーダーの検出精度が得られ、電子銃が搭載される空間内が超高真空状態であることを担保できるため、電子顕微鏡装置の計測の高精度化に寄与することがわかる。
　すなわち、イオンポンプ電源１を本実施例で説明したような構成としたことにより、イオンポンプ２が作動する高真空状態(１０－３Ｐａ程度)から超高真空状態(１０－９Ｐａ程度)の範囲で、イオンポンプ２の陽極２１と陰極２２の間に流れる負荷電流数十ｍＡ～数ｎＡの範囲を、負荷電流検出回路１３０で安定して検出することが可能になる。
　尚、本実施例では、各種ある昇圧方式の一つである擬似共振フライバック方式を用いて１次側フライバックトランスをスイッチング制御するイオンポンプ電源について説明をしたが、昇圧方式をプッシュプル方式、ハーフブリッジ方式、フルブリッジ方式といった他の昇圧方式を用いても本実施例と同様の効果を得ることができ、擬似共振フライバック方式に限定されるものではない。
　また本実施例の加算回路１２４は、例えば図５に示す加算演算用オペアンプ１２４１、加算演算用抵抗１２４２，１２４３，１２４４で構成すれば良い。
　また本実施例では、負荷電流検出回路１３０は、電流電圧変換用オペアンプ１１４、電流電圧変換用可変抵抗１１３、電流検出用アイソレーションアンプ１１５、Ａ／Ｄコンバータ１１６、負荷電流表示部１１７を備えて構成され、一方、キャンセラ回路１４０はケーブル容量と同等の容量１１８、電流電圧変換用オペアンプ１２０、電流電圧変換用可変抵抗１１９、反転増幅用オペアンプ１２３、反転増幅用抵抗１２１、１２２、加算回路１２４を備えて構成されるものとして説明した。しかし、図６Ａに示すように、電流電圧変換用オペアンプ１１４の出力段に反転増幅用オペアンプ１３３、反転増幅用抵抗１３１、１３２を、差動増幅用オペアンプ１３８、差動増幅用抵抗１３４、１３５、１３６、１３７を配置して、低周波ノイズと同振幅・逆位相に変換した信号同士を同相でキャンセルさせて正のＤＣ電圧を検出しても良い。
　また図６Ｂに示すように、電流電圧変換用オペアンプ１１４と電流電圧変換用オペアンプ１２０の出力信号を差動増幅用オペアンプ１３８に入力して、低周波ノイズをキャンセルした後、反転増幅用オペアンプ１３０３、反転増幅用抵抗１３０１、１３０２により、正のＤＣ電圧を検出しても良い。
　本実施例によれば、イオンポンプ電源の高圧ケーブルと電流電圧変換回路から構成される主回路とキャンセラ回路において、低周波ノイズ源から見えるインピーダンスがそれぞれ同等となり、低周波ノイズを真空度を計測する上で問題にならない程度までに低減することが可能になり、真空容器内の真空度を高い信頼度で計測することができ、電子顕微鏡装置の計測の高精度化に寄与することができる。
　なお、上記した実施例では、荷電粒子線装置本体３として、走査型電子顕微鏡や透過型電子顕微鏡などの電子顕微鏡の場合について説明したが、本実施例はこれに限定されるものではなく、荷電粒子ビームとしてイオンビームを用いるイオンビーム装置にも適用できる。
　本実施例では、実施例１で示したキャンセラ回路１４０が有するケーブル容量と同等の容量１１８と、高圧ケーブル４の高圧線とＧＮＤ線間に形成される容量に差異があり、キャンセル効果が低減することを補償する機能を備えたイオンポンプ電源７０１について、図７を用いて説明する。図７において、実施例１で図１を用いて説明した部品と同じ部品には、同じ番号を付してある。また、負荷電流検出回路１３０及びキャンセラ回路１４０の表示を省略している。
　高圧ケーブル４の高圧線とＧＮＤ線間に形成される容量と、キャンセラ回路が有するケーブル容量と同等の容量１１８がそれぞれ１０００ｐＦ、２０００ｐＦである場合、電流電圧変換用オペアンプ１２０出力段の低周波ノイズの振幅は電流電圧変換用オペアンプ１１４出力段の２倍であるのに対して、低周波ノイズの位相はほとんど差異がない。そのため、容量の差異により、キャンセル効果が低減するといった課題がある。
　図７は、上記課題を解決する本実施例のイオンポンプ電源７０１の構成図の例である。実施例１の図１と異なる構成要素は２点あり、図１の反転増幅用抵抗１２２が反転増幅用可変抵抗７２２となっている点と、検出される低周波ノイズが最小となるように反転増幅用可変抵抗７２２を切り替える振幅調整部７２６を備える点である。
　上記した容量の差異により、電流電圧変換用オペアンプ１２０出力段の低周波ノイズの振幅が電流電圧変換用オペアンプ１１４出力段の２倍となる場合には、反転増幅用可変抵抗７２２を反転増幅用抵抗１２１の半分の抵抗値に設定することにより、加算回路１２４出力段の低周波ノイズはキャンセルされ、所望の負荷電流を示す正のＤＣ電圧のみが現れる。
　尚、高圧ケーブル４の高圧線とＧＮＤ線間に形成される容量と、キャンセラ回路が有するケーブル容量と同等の容量１１８との差異が小さい場合には、加算回路１２４出力段にて低周波ノイズのほとんどが低減されるが、低周波ノイズが僅かに残存する。そのため、振幅調整部１２６は、残存する低周波ノイズが最小となるよう、反転増幅用可変抵抗７２２を切り替えては残存する低周波ノイズを計測する処理を繰り返すと良い。
　本実施例により、低周波ノイズを高精度に低減し、１ｎＡオーダーの検出精度が得られ、電子銃が搭載される空間内が超高真空状態であることを担保できるため、電子顕微鏡装置の計測の高精度化に寄与する。
　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。 
　また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
１・・・イオンポンプ電源　　２・・・イオンポンプ　　３・・・電子顕微鏡装置　　４・・・高圧ケーブル　　５・・・全体制御部　　６・・・入出力部　　３０・・・真空容器　　３８・・・検出器　　１０１・・・ＡＣ－ＤＣ変換部　　１０２・・・ＤＣ－ＤＣ変換部　　１０３・・・トランス　　１０４・・・整流用ダイオード　　１０５・・・整流用コンデンサ　　１１１・・・制御部　　１１２・・・パルス生成部　　１１３　電流電圧変換用可変抵抗　　１１４・・・電流電圧変換用オペアンプ　　１１５・・・電流検出用アイソレーションアンプ　　１１６・・・Ａ／Ｄコンバータ　　１１７・・・負荷電流表示部　　１１８・・・ケーブル容量と同等の容量　　１１９・・・電流電圧変換用可変抵抗　　１２０・・・電流電圧変換用オペアンプ　　１２３、１３３、１３０３・・・反転増幅用オペアンプ　　１２４・・・加算回路　　１３０・・・負荷電流検出回路　　１４０・・・キャンセラ回路　　１５０・・・電圧検出回路。

Claims (12)

  1. 　処理室内で収束させた荷電粒子ビームを試料に照射して前記試料から発生した二次荷電粒子を検出する荷電粒子ビーム照射検出部と、
    　前記荷電粒子ビーム照射検出部で検出した二次荷電粒子の検出信号を処理して前記試料の二次荷電粒子像を形成する画像処理部と、
    　前記画像処理部で処理して画像を出力する出力部と、
    　前記処理室の内部を真空に維持するイオンポンプと、
    　前記イオンポンプの駆動電源部と、
    　前記イオンポンプと前記駆動電源部とを接続する高圧ケーブルと
    を備えたイオンポンプを備えた荷電粒子線装置であって、
    　前記イオンポンプの駆動電源部は、
    　前記イオンポンプを作動させる高圧電源回路部と、
    　前記イオンポンプに印加された負荷電流を検出する負荷電流検出回路部と、
    　前記負荷電流検出回路部に加わる低周波ノイズを低減するキャンセラ回路部と
    を備えたことを特徴とするイオンポンプを備えた荷電粒子装置。
  2. 　請求項１記載のイオンポンプを備えた荷電粒子装置であって、前記イオンポンプの駆動電源部の前記高圧電源回路部は、１次側にＭＯＳトランジスタを備えたトランスと、前記トランスの１次側に直流電圧を供給するＡＣ－ＤＣ変換部と、前記トランスの１次側のＭＯＳトランジスタのゲートに電圧パルスを供給するパルス生成部と、前記トランスの２次側の出力電圧を検出する出力電圧検出回路と、前記出力電圧検出回路が検出した出力電圧から電圧パルス幅を決定する制御部とを備えていることを特徴とするイオンポンプを備えた荷電粒子装置。
  3. 　請求項１又は２に記載のイオンポンプを備えた荷電粒子装置であって、前記高圧ケーブルは高圧信号線とＧＮＤ線を有し、前記キャンセラ回路部は、前記高圧ケーブルの高圧信号線とＧＮＤ線間に形成される容量を介して前記負荷電流検出回路に回り込む低周波ノイズを低減することを特徴とするイオンポンプを備えた荷電粒子装置。
  4. 　請求項３記載のイオンポンプを備えた荷電粒子装置であって、前記キャンセラ回路部は、高圧ケーブルの高圧信号線とＧＮＤ線間に形成される容量と同等の容量と、電流電圧変換回路と、反転増幅器と加算回路とを備えていることを特徴とするイオンポンプを備えた荷電粒子装置。
  5. 　請求項３記載のイオンポンプを備えた荷電粒子装置であって、前記キャンセラ回路部は、高圧ケーブルの高圧信号線とＧＮＤ線間に形成される容量と同等の容量と、電流電圧変換回路と、反転増幅器と差動増幅器とを備えていることを特徴とするイオンポンプを備えた荷電粒子装置。
  6. 　請求項４に記載の荷電粒子線装置向けイオンポンプ電源であって、前記キャンセラ回路部は振幅制御部を更に備え、前記キャンセラ回路部の前記反転増幅器は可変抵抗器を有し、前記振幅制御部は、前記負荷電流検出回路部に残存する低周波ノイズが最小となるように前記反転増幅器の前記可変抵抗器の抵抗値を決定することを特徴とするイオンポンプを備えた荷電粒子装置。
  7. 　鏡筒を備えた電子顕微鏡と、
    　前記電子顕微鏡の鏡筒の内部を真空に維持するイオンポンプと、
    　前記イオンポンプの駆動電源部と、
    を備えたイオンポンプを備えた荷電粒子線装置であって、
    　前記イオンポンプの駆動電源部は、
    　前記イオンポンプを作動させる高圧電源回路部と、
    　前記イオンポンプに印加された負荷電流を検出する負荷電流検出回路部と、
    　前記負荷電流検出回路部に加わる低周波ノイズを低減するキャンセラ回路部と
    を備えたことを特徴とするイオンポンプを備えた荷電粒子装置。
  8. 　請求項７記載のイオンポンプを備えた荷電粒子装置であって、前記イオンポンプの駆動電源部の前記高圧電源回路部は、１次側にＭＯＳトランジスタを備えたトランスと、前記トランスの１次側に直流電圧を供給するＡＣ－ＤＣ変換部と、前記トランスの１次側のＭＯＳトランジスタのゲートに電圧パルスを供給するパルス生成部と、前記トランスの２次側の出力電圧を検出する出力電圧検出回路と、前記出力電圧検出回路が検出した出力電圧から電圧パルス幅を決定する制御部とを備えていることを特徴とするイオンポンプを備えた荷電粒子装置。
  9. 　請求項７又は８に記載のイオンポンプを備えた荷電粒子装置であって、前記イオンポンプと前記駆動電源部とを接続する高圧信号線とＧＮＤ線を有する高圧ケーブルを更に備え、前記キャンセラ回路部は、前記高圧ケーブルの高圧信号線とＧＮＤ線間に形成される容量を介して前記負荷電流検出回路に回り込む低周波ノイズを低減することを特徴とするイオンポンプを備えた荷電粒子装置。
  10. 　請求項９記載のイオンポンプを備えた荷電粒子装置であって、前記キャンセラ回路部は、高圧ケーブルの高圧信号線とＧＮＤ線間に形成される容量と同等の容量と、電流電圧変換回路と、反転増幅器と加算回路とを備えていることを特徴とするイオンポンプを備えた荷電粒子装置。
  11. 　請求項９記載のイオンポンプを備えた荷電粒子装置であって、前記キャンセラ回路部は、高圧ケーブルの高圧信号線とＧＮＤ線間に形成される容量と同等の容量と、電流電圧変換回路と、反転増幅器と差動増幅器とを備えていることを特徴とするイオンポンプを備えた荷電粒子装置。
  12. 　請求項１１記載の荷電粒子線装置向けイオンポンプ電源であって、前記キャンセラ回路部は振幅制御部を更に備え、前記キャンセラ回路部の前記反転増幅器は可変抵抗器を有し、前記振幅制御部は、前記負荷電流検出回路部に残存する低周波ノイズが最小となるように前記反転増幅器の前記可変抵抗器の抵抗値を決定することを特徴とするイオンポンプを備えた荷電粒子装置。
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