JP2002313270A

JP2002313270A - 高真空電子線装置及びその排気方法

Info

Publication number: JP2002313270A
Application number: JP2001116247A
Authority: JP
Inventors: Shigehiro Mitamura; 茂宏三田村
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2001-04-16
Filing date: 2001-04-16
Publication date: 2002-10-25

Abstract

(57)【要約】【課題】電子銃が設けられたチャンバにイオンポンプ
が取付けられ、ベーキング装置を設け、排気能力を最大
限にするようにした高真空電子線装置を提供する。【解決手段】ベーキング用電源６ａからベーキング装
置６に加熱電流が流され、チャンバ２及びイオンポンプ
５を加熱すると同時に、バルブ１２及びバルブ１１を開
き、その排気通路からチャンバ１を介して油拡散ポンプ
４で真空排気する。ある程度水分や残留ガスが放出さ
れ、チャンバ２が中真空になったベーキング後期でイオ
ンポンプ５を動作させ、発生したガスを排気通路から排
気する。そして、ベーキングを終了しクーリングを開始
した３〜１０分後にバルブ１１を閉じる。上記の操作を
シーケンスプログラムによって行い、イオンポンプ５に
かかる負荷を軽減し、能力を最大限に引き出す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子銃を備えた真
空装置に係わり、特に、イオンポンプとベーキング装置
を備え、高真空度にして電子銃を用いた電子顕微鏡、電
子線マイクロアナライザ、電子線描画装置等の高真空電
子線装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】電子線を物質の表面に照射すると、電子
と物質との相互作用の結果、特性Ｘ線、反射電子、ある
いは二次電子などの量子を発生する。これらの量子は物
質の性質を示す情報の媒体である。主に特性Ｘ線を検出
して物質の微小領域を非破壊で元素分析する装置がＸ線
マイクロアナライザであり、電子線を走査して２次電子
を検出し信号として表示装置に拡大表示し、記録する装
置が走査形電子顕微鏡である。また、走査電子によって
試料にパターンを描写し加工する装置が電子線描画装置
である。

【０００３】上記の各種電子線装置は、内部に色々な部
品が設けられた真空チャンバからなり、真空チャンバ壁
や各部品からガスが放出される。真空チャンバ内のガス
放出機構のモデルを図３に示す。内部の気体を真空ポン
プで速く排気しても、（１）表面吸着ガス、（２）チャ
ンバ壁からの漏れガス、（３）内部吸蔵ガス、（４）チ
ャンバ壁を透過するガス等が内部に放出され、実際の装
置においては、これらの気体がチャンバ内の圧力を支配
している。このうち、（２）の漏れガス、（４）の透過
ガスは普通無視できるくらいに小さくすることができ
る。一方、（１）の表面吸着ガス、（３）の内部吸蔵ガ
スを少なくするために、通常容器の材料にステンレスを
用い、１０⁻ ^１Ｐａくらいの所で、あらびきポンプから
主ポンプに切り換えて、真空容器をベーキング（真空容
器を加熱しながら排気すること）することが行われる。
また、排気速度を上げるためには、真空ポンプとチャン
バ間は配管抵抗を少なくするために、直径の大きい配管
を用い、できるだけ距離を短くしてコンダクタンスを大
きくした装置の設計にされる。真空ポンプから遠くに位
置し、細い配管で接続された真空チャンバは、高速に排
気することができないばかりか、到達真空度も低くな
る。そのために、遠くに位置するチャンバには別の差動
排気用のポンプが設置される。

【０００４】図４に、Ｘ線マイクロアナライザの構造を
示す。Ｘ線マイクロアナライザは、通常、電子銃部、電
子ビーム制御系、電子走査部、試料台部、検出器部、お
よびコンピュータ制御とデータ処理系とから構成され
る。装置上部にチャンバ２を備え、電子銃部には負の高
電圧が印加されフィラメントに加熱電流が供給される電
子銃７が、チャンバ２の上部に絶縁されて取付けられて
いる。電子線は、フィラメント、ウエネルト円筒、陰極
からなる電子銃７から放射され、一般に１〜５０ｋＶの
電圧で加速されてバルブ１２の中心を通り、筒１４に設
けられた電子ビーム制御系の集束レンズ１９ａと対物レ
ンズ１９ｂの電磁レンズ作用によって、細く絞られた電
子プローブとなり、電子走査部の走査コイル１９ｃで偏
向走査されて、下部のチャンバ１内に設けられた試料台
１３ａ上の試料１３に照射される。試料１３上での電子
線は、直径４０Å〜１μｍ程度になるが、分析目的に応
じて径１００μｍ以上に電磁レンズの励磁を変えて調整
することができる。そして、照射された試料１３から、
特性Ｘ線、反射電子、２次電子などが放出される。その
特性Ｘ線をＸ線検出器１５で検出し、又、その２次電子
を電子線検出器１６で検出して、コンピュータ制御とデ
ータ処理系で処理されて、表示装置又は記憶装置に出力
される。上部のチャンバ２は、バルブ１２で下方のチャ
ンバ１と仕切られ、差動排気用のイオンポンプ５が配管
接続され、外装にベーキング装置６が装着され、ベーキ
ング用電源６ａから加熱電流が流されてチャンバ２が加
熱され、イオンポンプ用電源５ａから直流電圧が印加さ
れイオンポンプ５が動作してチャンバ２内が高真空に排
気される。通常、電子線を扱う部分は、約１０^−５〜１
０^−７Ｐａ程度の真空度に保たれている。下方のチャン
バ１は、バルブ８を備えたバイパス１８を介して、ロー
タリポンプ３で真空あら引きを行い、１０^−１Ｐａくら
いの所で、バルブ８を閉じて、あらびきポンプから主ポ
ンプに切り換えて、バルブ２０を開放し油拡散ポンプ４
（又はターボ分子ポンプ）からバルブ９を介してロータ
リポンプ３で真空排気する。また、主ポンプに切り換え
て所定の真空度になってから、上部のバルブ１２を開放
する。上部のチャンバ２は下方の真空排気装置でチャン
バ１を介して排気されるが、配管抵抗が大きいので、ベ
ーキングしてイオンポンプ５によって高真空にされる。

【０００５】図５に、スパッタイオンポンプ（以下イオ
ンポンプ５と呼ぶ）の原理を示す。イオンポンプ５は、
（ａ）対極からなる陰極方向に磁場Ｂが数ｋＧでかけら
れ、その両陰極間に配置された円筒状の陽極に直流電圧
が印加されて、マグネトロン放電によってイオンを生成
する。（ａ）の上部の図はａ−ｂ断面で見たｅ⁻の動き
を示す。そして、（ｂ）電離作用によって生成したプラ
スイオンは、化学的に極めて活性な材料（通常、チタ
ン）で作られた陰極に衝突し、そのエネルギーによって
陰極材料がスパッタされて円筒陽極に捕獲される。そし
て（ｃ）スパッタされた金属によるガス吸着が行われ
る。この三つの過程が、常に行われ、空間にある気体を
スパッタされた陰極材との化合物等として空間から除去
する。従って、化学的に不活性な希ガス（Ｈｅ、Ｎｅ、
Ａｒなど）は僅かしか排気しない。そのため（ｃ）の上
部の図に示すように、陰極を格子状にするとアルゴンも
真空容器上にスパッタされた原子により閉じ込められて
排気される。このポンプはノーブルポンプと呼ばれてい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】Ｘ線マイクロアナライ
ザや走査形電子顕微鏡等の高真空電子線装置は、以上の
ように構成されているが、従来、ベーキング時には、ベ
ーキング装置６にベーキング電源６ａから加熱電流を流
し、ベーキング開始直後から、イオンポンプ５にイオン
ポンプ用電源５ａから直流電圧を印加して動作させる
か、あるいは、ベーキングが終了してからイオンポンプ
５を動作させていた。このようにベーキング開始ととも
にイオンポンプ５を動作させるのでは、ベーキング中は
真空度が低下しているので、イオンポンプ５が低真空中
にさらされ、その負荷が大きくなるという問題がある。
またベーキングが終了してイオンポンプ５が冷えた状態
でイオンポンプ５を動作させるのでは、イオンポンプ５
内の電極エレメント等の浄化が十分に行えないために、
イオンポンプ５の排気能力を十分に引き出せないという
問題がある。

【０００７】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たものであって、電子銃が設けられたチャンバを高真空
にするために、ベーキング装置を設け、イオンポンプ動
作時は低真空にすることの無いようにし、排気能力を最
大限にした高真空電子線装置を提供することを目的とす
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め本発明の高真空電子線装置は、電子銃を内部に含むと
ともに内部を高真空に排気するためのイオンポンプが接
続され外部をベーキング装置で囲まれた第１のチャンバ
と、前記電子銃で発生された電子ビームを導入する第２
のチャンバと、前記第１のチャンバ内を前記イオンポン
プによる排気に先立って中真空に排気するための排気通
路を有する高真空電子線装置において、前記第１のチャ
ンバをベーキングする際に、前記排気通路を介して前記
第１のチャンバを中真空まで排気した後に前記ベーキン
グ装置を起動し、ベーキング終了予定時刻から所定時間
だけ手前の時刻に前記イオンポンプを起動し、その後ベ
ーキング終了予定時刻においてベーキングを停止するよ
う制御する制御装置を備えたものである。

【０００９】また、本発明の高真空電子線装置の排気方
法は、電子銃を内部に含むとともに内部を高真空に排気
するためのイオンポンプが接続され、外部をベーキング
装置で囲まれた第１のチャンバと、前記電子銃で発生さ
れた電子ビームを導入する第２のチャンバと、前記第１
のチャンバ内を前記イオンポンプによる排気に先立って
中真空に排気するための排気通路を有する高真空電子線
装置の排気方法において、前記第１のチャンバをベーキ
ングする際に、前記排気通路を介して前記第１のチャン
バを中真空まで排気した後に前記ベーキング装置を起動
し、ベーキング終了予定時刻から所定時間だけ手前の時
刻に前記イオンポンプを起動し、その後ベーキング終了
予定時刻においてベーキングを停止するものである。

【００１０】ここで、上記の高真空とは、イオンポンプ
で引いて得られる真空度であり、１０^−５〜１０^−７Ｐ
ａ程度をさしており、中真空とは、拡散ポンプでひいて
得られる真空度であり、１０^−２〜１０^−４Ｐａ程度を
さしている。

【００１１】本発明の高真空電子線装置は上記のように
構成されており、電子銃を備え、イオンポンプが接続さ
れ、外部をベーキング装置で囲まれた第１のチャンバ
と、電子銃で発生した電子ビームを導入する第２のチャ
ンバと、第１のチャンバ内を中真空に排気するための排
気通路が設けられ、中真空まで排気した後に、ベーキン
グ装置を起動し、ベーキング終了予定時刻から所定時間
だけ手前の時刻に前記イオンポンプを起動し、その後ベ
ーキング終了予定時刻にベーキングを停止して、チャン
バを高真空度にするもので、イオンポンプの作動と第１
のチャンバのベーキングとを、上記のシーケンスに基づ
いて自動的に制御装置で行う。そのためイオンポンプ動
作時は低真空になることが無いようにし、また、イオン
ポンプの排気能力を最大限にするようにシーケンス制御
を行うことができ、チャンバを効率良く高真空にするこ
とができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の高真空電子線装置及びそ
の排気方法の一実施例を図１、図２を参照しながら説明
する。図１は、本発明の高真空電子線装置の構成を示す
図である。本高真空電子線装置は、装置上部に設けられ
たステンレス製のチャンバ２と、そのチャンバ２に接続
配管されたイオンポンプ５（イオンポンプ用電源５ａを
含む）と、チャンバ２に取付けられ電子源に高輝度用の
ＬａＢ_６またはＣｅＢ_６を用いた電子銃７と、その電子
銃７とチャンバ２とイオンポンプ５の外装を覆い加熱し
てベーキングするベーキング装置６（ベーキング用電源
６ａを含む）と、チャンバ２に接続配管されバルブ１１
を有するあらびき用のバイパス１７と、チャンバ２に対
して筒１４を介して接続されるチャンバ１とチャンバ２
との間を仕切るバルブ１２と、電子銃７から放射する電
子線を制御して細く絞り試料１３に照射する電子ビーム
制御系１９と、試料１３をセットする試料台１３ａ、試
料１３から放射する特性Ｘ線を検出するＸ線検出器１
５、試料１３から放射する２次電子を検出する電子線検
出器１６とを内蔵するステンレス製のチャンバ１と、そ
のチャンバ１にバイパス１７が接続配管され、バルブ８
を介して配管されたあらびき用のバイパス１８と、バル
ブ２０を介して配管された本排気用の油拡散ポンプ４
と、その油拡散ポンプ４にバルブ９を介して接続された
ロータリポンプ３と、真空系に大気圧を導入するバルブ
１０とから構成されている。

【００１３】チャンバ２は、全体がベーキング装置６で
覆われ、上部に電子銃７と、側面にイオンポンプ５とあ
らびき用のバイパス１７に接続配管されるバルブ１１
と、下部に電子銃７からのビームラインを通す筒１４を
介してチャンバ１と接続され、その間を仕切るバルブ１
２とを備えている。そして、そのチャンバ２の材料にス
テンレスが用いられ、１０^−１Ｐａくらいの所で、チャ
ンバ２がベーキング（真空容器を加熱しながら排気する
こと）される。表面の吸着ガス、内部の吸蔵ガスの大部
分が、Ｈ_２Ｏであり、この中の酸素成分が装置の内部に
設けられた部品の表面を酸化したり、イオンポンプ５の
負荷を大きくしたり、イオンポンプ５内の電極エレメン
ト等の浄化を十分に行うことができず、排気能力を十分
に引き出すことができないので、極めて悪い影響を与え
る。そのため、バルブ１２及びバルブ１１を開放し、ベ
ーキングしてバイパス１７から真空あらびきが行われ
る。電子銃７は、通常タングステンのヘアピン形フィラ
メントが使われているが、ここではさらに高輝度を得る
ために、電子源としてランタンヘキサボライド陰極また
はセリウムヘキサボライド陰極を用いる。そして、電子
銃７はマイナスの高電圧が印加されるのでチャンバ２に
電気的に絶縁されて取付けられ、高輝度用の電子源を用
いているので、チャンバ２内部は常に高真空に保たれて
いる。イオンポンプ５は、陰極方向に磁場がかけられ陽
極に直流電圧が印加されて、マグネトロン放電によって
イオンを生成させ、電離作用によって生成したプラスイ
オンが、化学的に極めて活性な材料で作られた陰極に衝
突し、そのエネルギーによって陰極材料がスパッタされ
て陽極に捕獲され、スパッタされた金属によるガス吸着
が行われるスパッタイオンポンプを用いる。希ガス（Ｈ
ｅ、Ｎｅ、Ａｒなど）の多い場合は、ノーブルポンプを
用いてもよい。ベーキング装置６は、抵抗加熱線を布様
のものでおおって電気的に絶縁したもので、イオンポン
プ５と電子銃７を取付けたチャンバ２の外装を覆い、ベ
ーキング用電源６ａから電流を流して、必要な個所に温
度検出器を備えて温度制御し、加熱するものである。抵
抗加熱式以外に赤外線源による加熱方法でもよい。ま
た、加熱後に、風冷もしくは水冷によりクーリングする
こともできる。バイパス１７は、チャンバ２にバルブ１
１を介して接続配管され、チャンバ１に接続される。そ
して、バルブ１１を開けて、ベーキング装置６でベーキ
ングを行いながら、電子銃７が取付けられたチャンバ２
を真空あらびきする時に、このバイパス１７が使用され
る。バルブ１１は、開放されて、チャンバ２内がベーキ
ングされ、バイパス１７からチャンバ１を介して真空あ
らびきされる。所定の真空度になってからイオンポンプ
５がＯＮされ、イオンポンプ５の負荷をできるだけ軽減
して、その能力をできるだけ発揮させるようにする。そ
して、ベーキング終了後、所定の時間経過した後バルブ
１１は閉じられる。バルブ１２は、チャンバ２内がベー
キングされている時、バルブ１１の開放と同時に、開放
される。ベーキング終了後もチャンバ１が高真空にされ
て、チャンバ２もイオンポンプ５で高真空にされ、バル
ブ１２が開放の状態にされる。そして電子銃７からの電
子線が、このバルブ１２の中央に通し、電子ビーム制御
系１９により試料１３に導かれる。使用後はバルブ１２
を閉じ、チャンバ２は高真空の状態で保たれる。また、
試料台１３ａ上の試料１３を交換するときや、本体のチ
ャンバ１をメインテナンスする時には、バルブ１２を閉
じて、電子銃７側のチャンバ２を高真空に維持させる。

【００１４】図２に、イオンポンプ５の作動とチャンバ
２のベーキングとバルブ１１及びバルブ１２の開閉を自
動で行うシーケンス図を示す。図１及び図２を参照しな
がら本装置の動作を説明する。まず、バルブ１０を閉
じ、ロータリポンプ３を動作させバルブ８を開き、チャ
ンバ１内をバイパス１８を介してあらびきする。次に、
バルブ８を閉じ、バルブ９を開き油拡散ポンプ４を動作
させる。そして、バルブ２０を開き、チャンバ１内を真
空にする。次に、チャンバ２内の真空度を高めるため
に、図２に示すシーケンスプログラムによって動作す
る。まず、バルブ１１及びバルブ１２が開けてあってチ
ャンバ２の真空度はチャンバ１の真空度と同程度になっ
た状態であるとする。次にベーキング装置６にベーキン
グ用電源６ａから加熱電流が流され、チャンバ２及びイ
オンポンプ５が加熱される。装置によって異なるが、ベ
ーキング開始してから約１時間で１００℃（１００〜１
５０℃に加熱することが可能）になる工程で加熱する。
チャンバ２及びイオンポンプ５から大量のガス及び水分
が、バイパス１７及び筒１４を通り、チャンバ１を介し
て、油拡散ポンプ４から排気される。そして、ベーキン
グは、開始して所定の温度になってから約８時間程度そ
の温度で続けられる。十分にガス及び水分が排気された
後、ベーキング終了予定時刻の１時間（３０分から２時
間の範囲が可能）手前の時刻のところで、イオンポンプ
５にイオンポンプ用電源５ａから直流電圧が印加されイ
オンポンプ５を動作させる。電子銃７を取付けたチャン
バ２は、イオンポンプ５とバイパス１７及び筒１４で排
気される。筒１４は内部にスリットなどがあり配管抵抗
が大きいので、チャンバ２のガス及び水分は大部分がバ
イパス１７から排気される。ベーキングは終了予定時刻
になると自動的に終了し、その後、チャンバ２及びイオ
ンポンプ５は、クーリング（風冷もしくは水冷又は自然
冷却でもよい）が開始され、チャンバ２及びイオンポン
プ５の温度も下がり、約１時間かかって室温まで下げ
る。同時に電子銃７の温度も下がる。そして、ベーキン
グ終了後、３〜１０分で、イオンポンプ５だけで真空引
きが可能になり、その時刻にバルブ１１が閉じられる。

【００１５】そして、従来のように、電子銃７からの電
子線が１〜５０ｋＶの電圧で加速され、バルブ１２の中
心を通り、筒１４に設けられた電子ビーム制御系１９の
電磁レンズ作用によって細く絞られ、下部のチャンバ１
内に設けられた試料台１３ａ上の試料１３に照射され
る。そして照射された試料１３から、特性Ｘ線、反射電
子、２次電子などが放出される。その特性Ｘ線をＸ線検
出器１５で検出し、又、その２次電子を電子線検出器１
６で検出して、コンピュータ制御とデータ処理系で処理
されて、表示装置又は記憶装置に出力される。

【００１６】

【発明の効果】本発明の高真空電子銃ベーキング装置は
上記のように構成されており、電子銃を内蔵しイオンポ
ンプが取付けられたチャンバに、ベーキング装置を備
え、本体チャンバとの間に排気通路を設けて中真空まで
排気した後に、ベーキング装置を起動し、ベーキング終
了予定時刻から所定時間だけ手前の時刻にイオンポンプ
を起動し、その後ベーキング終了予定時刻にベーキング
を停止して、チャンバを高真空度にしているので、イオ
ンポンプ動作時は、低真空になることが無いようにさ
れ、イオンポンプ内の碍子などの汚れを最低限に抑え、
また、イオンポンプの残留ガスによるエレメントの浄化
を行い、その際発生したガスをイオンポンプ内にとどま
らせるのでなく、外に放出することで負荷を軽減するこ
とができる。それによって、イオンポンプは長時間にわ
たってその排気能力を最大限にすることができ、シーケ
ンス制御を行うことで延命することができる。そして、
チャンバを長期にわたり効率良く高真空度で使用するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の高真空電子線装置の一実施例を示す
図である。

【図２】本発明の高真空電子線装置のベーキング制御
温度とイオンポンプ動作とバルブ開閉のタイミングを示
す図である。

【図３】真空チャンバのガス放出の源を説明するため
の図である。

【図４】従来の電子線マイクロアナライザの構成を示
す図である。

【図５】スパッタイオンポンプの動作機構を説明する
ための図である。

【符号の説明】

１、２…チャンバ３…ロータリポンプ４…油拡散ポンプ５…イオンポンプ５ａ…イオンポンプ用電源６…ベーキング装置６ａ…ベーキング用電源７…電子銃８、９、１０、１１、１２、２０…バルブ１３…試料１３ａ…試料台１４…筒１５…Ｘ線検出器１６…電子線検出器１７、１８…バイパス１９…電子ビーム制御系１９ａ…集束レンズ１９ｂ…対物レンズ１９ｃ…走査コイル

フロントページの続きＦターム(参考） 4G075 AA30 AA57 BB10 BD03 CA39 CA65 DA01 EB01 EB31 5C033 KK01 KK02 KK04 5F056 EA16

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電子銃を内部に含むとともに内部を高真空
に排気するためのイオンポンプが接続され外部をベーキ
ング装置で囲まれた第１のチャンバと、前記電子銃で発
生された電子ビームを導入する第２のチャンバと、前記
第１のチャンバ内を前記イオンポンプによる排気に先立
って中真空に排気するための排気通路を有する高真空電
子線装置において、前記第１のチャンバをベーキングす
る際に、前記排気通路を介して前記第１のチャンバを中
真空まで排気した後に前記ベーキング装置を起動し、ベ
ーキング終了予定時刻から所定時間だけ手前の時刻に前
記イオンポンプを起動し、その後ベーキング終了予定時
刻においてベーキングを停止するよう制御する制御装置
を備えたことを特徴とする高真空電子線装置。
【請求項２】電子銃を内部に含むとともに内部を高真空
に排気するためのイオンポンプが接続され外部をベーキ
ング装置で囲まれた第１のチャンバと、前記電子銃で発
生された電子ビームを導入する第２のチャンバと、前記
第１のチャンバ内を前記イオンポンプによる排気に先立
って中真空に排気するための排気通路を有する高真空電
子線装置の排気方法において、前記第１のチャンバをベ
ーキングする際に、前記排気通路を介して前記第１のチ
ャンバを中真空まで排気した後に前記ベーキング装置を
起動し、ベーキング終了予定時刻から所定時間だけ手前
の時刻に前記イオンポンプを起動し、その後ベーキング
終了予定時刻においてベーキングを停止することを特徴
とする高真空電子線装置の排気方法。