一种电子枪高压电源装置的制作方法

1.本发明属于电子技术领域，尤其是一种电子枪高压电源装置。


背景技术：

2.电子束扫描测量仪是半导体制造业的核心量测设备，用于测量晶圆上图案及其关键尺寸，利用从电子枪发射出的高能电子束，通过线圈偏转和汇聚后，照射到试样表面，通过探测激发出的二次电子获得试样表面的图像，以清晰的表面图像为基础，高精度的测量关键尺寸。电子枪阴极在常温下自由电子并不能逸出金属灯丝表面，只有动能大于逸出功的自由电子才能逸出，随着阴极灯丝温度升高，金属灯丝内的自由电子动能大于逸出功的电子越来越多，发射电流会越来越大。要获得大量的电子束流，需要对灯丝提供足够的加热电流，且加热电流需稳定，以保证发射电子束稳定可控。在电子逸出后，对电子进行引出和加速，以获得加速电子流，用于轰击被测样品，因此需要电子枪的高压供电电源系统，用于提供阴极灯丝的悬浮高压和引出电压，以实现加速电场和引出电场。
3.灯丝发射电流影响电子能量及电流密度，进而影响设备测量结果的准确性。传统的测量方法测量阳极板接收电子电流大小作为灯丝发射电流，响应速度较慢，且电子束在加速过程中存在损耗时，会导致测量不准确的问题。随着半导体制造工艺提升，对电子束能量的控制精度要求越来越高，而现有的发射电流测量精度及响应速度极大的制约了电子束能量的控制精度的提升。


技术实现要素：

4.本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种电子枪高压电源装置，在存在悬浮高压的阴极灯丝侧，实现加热电流和发射电流的高精度实时检测，为电子束能量的精确调控提供良好的基础。
5.本发明的技术方案如下：
6.一种电子枪高压电源装置，包括控制单元、供电单元和电流检测单元，供电单元的输入端连接控制单元，供电单元的输出端连接电流检测单元，用于为电流检测单元提供多种所需电压；电流检测单元的第一端和反馈端均连接控制单元，电流检测单元的第二端作为装置的检测端连接电子枪的阴极灯丝；
7.电流检测单元包括第二隔离变压器、第二整流电路、第二滤波电路、加热电流检测电路、发射电流检测电路、模数转换器和光耦隔离模块；第二隔离变压器的初级线圈作为电流检测单元的第一端，连接位于低压侧的控制单元，第二隔离变压器的次级线圈依次与位于高压侧的第二整流电路和第二滤波电路相连，第二滤波电路的第一端作为电流检测单元的第二端连接阴极灯丝正极，给阴极灯丝提供加热电流，第二滤波电路的第二端依次与加热电流检测电路、发射电流检测电路相连，发射电流检测电路的输入端作为电流检测单元的第二端连接阴极灯丝负极，发射电流检测电路的输入端还连接悬浮高压；加热电流检测电路和发射电流检测电路的输出端依次连接模数转换器和光耦隔离模块，光耦隔离模块的
输出端作为电流检测单元的反馈端连接位于低压侧的控制单元，控制单元基于反馈的电压检测信号进行加热电流和发射电流的实时计算。
8.其进一步的技术方案为，供电单元包括第一隔离变压器、第一整流电路、第一滤波电路和电压转换器，第一隔离变压器的初级线圈作为供电单元的输入端，连接位于低压侧的控制单元，第一隔离变压器的次级线圈依次与位于高压侧的第一整流电路、第一滤波电路和电压转换器相连，电压转换器的各个输出端作为供电单元的输出端，连接电流检测单元的电源端。
9.其进一步的技术方案为，加热电流检测电路包括第一运算放大器、三个电阻和第一电容；第一运算放大器的同相输入端连接第一电阻的第二端，第一电阻的第二端还连接阴极灯丝负极；第一运算放大器的反相输入端通过第二电阻连接第一电阻的第一端，第一电阻的第一端还连接第二滤波电路的第二端，第一运算放大器的反相输入端还通过第三电阻连接第一运算放大器的输出端，第一电容与第三电阻并联，第一运算放大器的输出端作为加热电流检测电路的输出端，连接第一模数转换器的输入端，第一模数转换器的输出端连接光耦隔离模块。
10.其进一步的技术方案为，发射电流检测电路包括第二运算放大器、第三运算放大器、三个电阻、第二电容和第三电容；第二运算放大器和第三运算放大器的同相输入端作为发射电流检测电路的输入端，均连接悬浮高压；第二运算放大器的反相输入端作为发射电流检测电路的输入端，连接在加热电流检测电路和阴极灯丝负极之间，第二运算放大器的反相输入端还通过第四电阻连接第二运算放大器的输出端，第二电容与第四电阻并联；第二运算放大器的输出端通过第五电阻连接第三运算放大器的反相输入端，第三运算放大器的反相输入端还通过第六电阻连接第三运算放大器的输出端，第三电容与第六电阻并联；第三运算放大器的输出端作为发射电流检测电路的输出端，连接第二模数转换器的输入端，第二模数转换器的输出端连接光耦隔离模块。
11.其进一步的技术方案为，控制单元根据公式一实时计算加热电流，公式一基于加热电流检测电路的连接关系推导得到，表达式为：
[0012][0013]
其中，if为加热电流的计算数值，r1为加热电流采样电阻阻值，r2为第二电阻阻值，r3为第三电阻阻值，v1为第一模数转换器反馈的电压检测信号。
[0014]
其进一步的技术方案为，控制单元根据公式二实时计算发射电流，公式二基于发射电流检测电路的连接关系推导得到，表达式为：
[0015][0016]
其中，ie为发射电流的计算数值，r3为第三电阻阻值，r4为第四电阻阻值，r5为第五电阻阻值，r6为第六电阻阻值，v1为第一模数转换器反馈的电压检测信号，v2为第二模数转换器反馈的电压检测信号。
[0017]
其进一步的技术方案为，第二滤波电路基于hf2024-601y3r0-t01型号实现，模数转换器基于adc10461型号实现，光耦隔离模块基于opi150型号实现。
[0018]
其进一步的技术方案为，第一运算放大器基于opa277型号实现。
[0019]
其进一步的技术方案为，第二运算放大器、第三运算放大器均基于tl081型号实现。
[0020]
本发明的有益技术效果是：
[0021]
本技术提出的电子枪高压电源装置在灯丝侧检测发射电流，与现有技术相比不影响设备量测作业，且实时性高、结构简单；通过在第二滤波电路和阴极灯丝负极之间设置加热电流检测电路和发射电流检测电路，控制单元实时获取两个电路输出的电压检测信号，基于数值计算获取加热电流和发射电流，为电子束能量的精确调控提供了良好的基础；装置中还设计了隔离电路，实现控制电路与高压电路的电气隔离，保证供电安全。
附图说明
[0022]
图1是本技术提供的电子枪高压电源装置的示意图。
[0023]
图2是本技术提供的电流检测单元的电路连接示意图。
[0024]
图3是本技术提供的发射电流校准单元的示意图。
具体实施方式
[0025]
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
[0026]
如图1所示，一种具有检测灯丝加热电流和发射电流的电子枪高压电源装置，包括控制单元、供电单元和电流检测单元，供电单元的输入端连接控制单元，供电单元的输出端连接电流检测单元，用于为电流检测单元提供多种所需电压；电流检测单元的第一端和反馈端均连接控制单元，电流检测单元的第二端作为装置的检测端连接电子枪的阴极灯丝，电流检测单元用于在存在悬浮高压的阴极灯丝侧，给阴极灯丝提供加热电流，并实现加热电流和发射电流的实时检测。
[0027]
进一步的，供电单元包括第一隔离变压器t1、第一整流电路、第一滤波电路和电压转换器，第一隔离变压器t1的初级线圈作为供电单元的输入端，连接位于低压侧的控制单元，第一隔离变压器t1的次级线圈依次与位于高压侧的第一整流电路、第一滤波电路和电压转换器相连，电压转换器的各个输出端作为供电单元的输出端，连接电流检测单元的电源端，为高压侧提供+5v、+10v、
±
15v、正24v等电压。
[0028]
进一步的，电流检测单元包括第二隔离变压器t2、第二整流电路、第二滤波电路、加热电流检测电路、发射电流检测电路、模数转换器和光耦隔离模块。第二隔离变压器t2的初级线圈作为电流检测单元的第一端，连接位于低压侧的控制单元，第二隔离变压器t2的次级线圈依次与位于高压侧的第二整流电路和第二滤波电路相连，第二滤波电路的第一端作为电流检测单元的第二端ⅰ连接阴极灯丝正极，输出加热电流，第二滤波电路的第二端依次与加热电流检测电路、发射电流检测电路相连，发射电流检测电路的输入端作为电流检测单元的第二端ⅱ连接阴极灯丝负极，发射电流检测电路的输入端还连接悬浮高压。加热电流检测电路和发射电流检测电路的输出端依次连接模数转换器和光耦隔离模块，光耦隔离模块的输出端作为电流检测单元的反馈端连接位于低压侧的控制单元，控制单元基于反馈的电压检测信号进行加热电流和发射电流的实时计算。
[0029]
如图2所示，加热电流检测电路具体包括第一运算放大器u1、三个电阻和第一电容c1。其中，第一运算放大器u1的同相输入端连接第一电阻r1的第二端，第一电阻r1的第二端
还连接阴极灯丝负极。第一运算放大器u1的反相输入端通过第二电阻r2连接第一电阻r1的第一端，第一电阻r1的第一端还连接第二滤波电路的第二端，第一运算放大器u1的反相输入端还通过第三电阻r3连接第一运算放大器u1的输出端，第一电容c1与第三电阻r3并联，第一运算放大器u1的输出端作为加热电流检测电路的输出端，连接第一模数转换器ad1的输入端，第一模数转换器ad1的输出端连接光耦隔离模块。
[0030]
本例提供的第二滤波电路采用共模滤波器，基于hf2024-601y3r0-t01型号实现。第一电阻r1为加热电流采样电阻，第一运算放大器u1用于对采样电阻电压进行放大，并传输给第一模数转换器ad1转换为数字信号后，经光耦隔离传输至控制单元。
[0031]
发射电流检测电路包括第二运算放大器u2、第三运算放大器u3、三个电阻、第二电容c2和第三电容c3。第二运算放大器u2和第三运算放大器u3的同相输入端作为发射电流检测电路的输入端ⅰ，均连接悬浮高压hv。第二运算放大器u2的反相输入端作为发射电流检测电路的输入端ⅱ，连接在加热电流检测电路和阴极灯丝负极之间，第二运算放大器u2的反相输入端还通过第四电阻r4连接第二运算放大器u2的输出端，第二电容c2与第四电阻r4并联。第二运算放大器u2的输出端通过第五电阻r5连接第三运算放大器u3的反相输入端，第三运算放大器u3的反相输入端还通过第六电阻r6连接第三运算放大器u3的输出端，第三电容c3与第六电阻r6并联。第三运算放大器u3的输出端作为发射电流检测电路的输出端，连接第二模数转换器ad2的输入端，第二模数转换器ad2的输出端连接光耦隔离模块。
[0032]
第二运算放大器u2用于实现电流向电压转换功能，第三运算放大器u3用于对转换后的电压进行放大，并传输给第二模数转换器ad2转换为数字信号后，经光耦隔离传输至控制单元。同时，悬浮高压hv作为高压侧的参考地电位hgnd作用于第二运算放大器u2，使得阴极灯丝处于高电压电位，实现高压侧的加热电流和发射电流检测。
[0033]
上述加热电流检测电路和发射电流检测电路的检测原理如下：
[0034]
(1)对于加热电流if的检测：
[0035]
如图2所示，由于第二滤波电路采用共模滤波器，因此第二滤波电路的第一端流出的加热电流与流回第二滤波电路的第二端的电流相等，也即i1＝i2＝if(为了简化计算，此处仅考虑数值大小，不考虑电流方向)，则加热电流if的数值关系计算方法如下：
[0036]
if＝i2＝ir2+ir1
[0037]
ir1*r1＝ir2*r2[0038]v1
＝ir2*r3[0039]
则推导出公式一：
[0040]
因此，控制单元接收经第一模数转换器ad1反馈的电压检测信号，根据公式一实时计算加热电流if。
[0041]
其中，if为加热电流的计算数值，r1为加热电流采样电阻阻值，r2为第二电阻阻值，r3为第三电阻阻值，v1为第一模数转换器反馈的电压检测信号。
[0042]
(2)对于发射电流ie的检测：
[0043]
如图2所示，阴极灯丝向外发射电子，发射电流ie流入灯丝，也即ie＝i3，则发射电流ie的数值关系计算方法如下：
[0044]
i4＝i3+i1＝ie+if
[0045]
i4＝ir1+ir4
[0046]
ir4＝v3/r4[0047]v3
/r5＝v2/r6[0048]
则推导出公式二：
[0049]
因此，控制单元接收经第一模数转换器ad1和第二模数转换器ad2反馈的电压检测信号，根据公式二实时计算发射电流ie。
[0050]
其中，ie为发射电流的计算数值，r4为第四电阻阻值，r5为第五电阻阻值，r6为第六电阻阻值，v2为第二模数转换器反馈的电压检测信号。
[0051]
进一步的，为了解决实际电路中电阻精度、芯片老化、检测电路电流损耗等导致的发射电流测量误差，本装置还包括发射电流校准单元，如图3所示，包括高压模块、第七电阻r7、开关sw1及隔离模块。高压模块的输入端连接位于低压侧的控制单元，高压模块的第一输出端连接发射电流检测电路的输入端ⅰ，第二输出端通过第七电阻r7连接开关sw1的一端，高压模块输出悬浮高压hv。开关sw1的另一端连接在发射电流检测电路和阴极灯丝负极之间，开关sw1的控制端通过隔离模块连接位于低压侧的控制单元。
[0052]
实现发射电流自动校准的方法具体如下：
[0053]
当需要校准发射电流时，断开发射电流检测电路的输入端与阴极灯丝负极之间的连接，并控制开关sw1闭合，由于悬浮高压hv的存在，则通过第七电阻r7的电流为i7＝hv/r7，发射电流测量值ie(也即公式二计算值)理论上应与i7相同。本技术选用的第七电阻r7采用精密电阻，具有高精度、低温漂、高稳定性的特点，hv电压值通过精密测量获得，因此i7可作为发射电流的测量标准值。
[0054]
控制单元控制高压模块改变悬浮高压hv的输出值，从而改变测量标准值i7和发射电流的计算数值ie(由于v2改变)，获取每次改变时的测量标准值i7与发射电流的计算数值ie之间的偏差
△
i，如
△
i＝i
7-ie，进而获取发射电流的计算数值ie与偏差
△
i的对应关系曲线。
[0055]
当装置正常工作时，控制单元基于曲线查找本次发射电流的计算数值ie1对应的偏差
△
i1，并对发射电流的计算数值进行偏差补偿，如ie1＝ie1+α*
△
i1(α为补偿系数，0≤α≤1)，实现发射电流的自动校准，有效提高灯丝发射电流的测量精度，并自动检测发射电流检测电路的工作状态，比如，当偏差超过设定阈值时，认为发射电流检测电路中的某个元器件受损，可断开电路进行逐一排查。
[0056]
可选的，本技术采用的光耦隔离模块基于opi150型号实现；第一、第二模数转换器均基于adc10461型号实现；第一运算放大器基于opa277型号实现，第二运算放大器、第三运算放大器均基于tl081型号实现。
[0057]
以上所述的仅是本技术的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。