JP2007019045A - 小型電子銃 - Google Patents

Abstract

【課題】 電子顕微鏡、電子描画装置等の電子銃において、小型で高真空維持が達成可能
な電子銃を提供する。
【解決手段】 非蒸発ゲッターポンプ、加熱ヒータ、フィラメント、電子源位置決め機構
により構成される電子銃において、粗引き用開口とその自動開閉バルブと、非蒸発ゲッタ
ーポンプ用の不活性ガス／化合物ガスの電離分解手段を設ける。
【効果】 高さ、幅とも１５ｃｍ程度の小型電子銃を用いて電子銃から電子を放出した状
態で、イオンポンプを必要とせず、１０^−１０Ｔｏｒｒの高真空維持を達成できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は電子顕微鏡、電子描画装置等の電子銃に係り、特に電子銃の小型化に関する。

従来の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）や電子線描画装置（ＥＢ）は、電界放出型もしくは
、熱電界放出型の電子源により構成される電子銃から放出される電子線を加速し、電子レ
ンズで細い電子ビームとし、これを一次電子ビームとして走査偏向器を用いて試料上に走
査し、ＳＥＭであれば得られる二次電子あるいは反射電子を検出して像を得るものであり
、ＥＢであれば、試料上に塗布されたレジスト膜上に予め登録されたパターンを描画する
ものである。電子源の材料としては、汎用ＳＥＭの場合は、タングステンを用いている。
また、半導体用の電子源には、タングステンにジルコニアを含有させる場合がある。さら
に、ＥＢの場合には、ＬａＢ_６を用いることがある。

上記電子源から良好な電子ビームを長期間にわたって放出させるには、電子源周りを高
真空（１０^-９〜１０^−１０Ｔｏｒｒ）に保つ必要がある。このために、従来においては
、図２に示すように電子銃１６周りをイオンポンプ１３で強制排気する方法が取られてい
た。イオンポンプ１３は、可動部がなく通電のみにより１０^−１０Ｔｏｒｒ以下の圧力に
維持できる長所があるものの、数十ｃｍ角以上の大きさを有する上に、磁場を発生するた
めに、電子銃側に磁気シールド１５が必要になるなど、相当の容積を必要とする。

特開２０００−１４９８５０号公報の [００３３]段落には、電子光学系を小型化する
手段として、鏡筒内にゲッターイオンポンプを内蔵した荷電粒子線装置が開示されている
。また、米国特許４、８３３、３６２号のFIG.3や特開平６−１１１７４５号公報の [０
０３３]段落および図２には、電子銃室内に非蒸発ゲッターポンプを内蔵した荷電粒子線
装置が開示されている。ここで、ゲッターポンプとは、加熱によりゲッターを活性化・揮
発させ、ゲッターに不純物を吸着する形式の真空ポンプである。また、非蒸発ゲッターポ
ンプとは、ゲッターを蒸発させずに加熱するだけでガス吸着する合金を用いて構成された
真空ポンプのことである。小型化の観点からは、非蒸発ゲッターポンプの方が適している
。

更に、特開２０００−２９４１８２号公報の [００１４]段落には、電子源の軸調整の
ための軸調整ネジがフランジ円周上に設けられた電子銃が開示されている。また、特開平
６−１８８２９４号公報の図９には、電子源周りを超高真空に保つための差動排気構造を
備えた構造の荷電粒子装置が開示されている。更にまた、特開２００１−３２５９１２号
公報には、試料室に残留しているハイドロカーボン系ガスを、試料室に導入した活性酸素
と反応させることにより、排気されやすい水や二酸化炭素に分解し、真空室の排気効率を
向上する技術が開示されている。

特開２０００−１４９８５０号公報

米国特許４，８３３，３６２号 特開平６−１１１７４５号公報 特開２０００−２９４１８２号公報 特開平６−１８８２９４号公報 特開２００１−３２５９１２号公報

電界放出型の電子銃を用いる場合、１０^−９〜１０^−１０Ｔｏｒｒという高い真空度が
要求されるので、電子銃用カラム１１の真空排気には専用のイオンポンプ１２が用いられ
ている。従来の技術では、図２に示すようにイオンポンプが大きく、かつ、磁場のもれが
あるために電子銃から一定の距離をおいて設置する必要があるため、小型化が困難であっ
た。
また、イオンポンプの筐体の構造をドーナッツ型として電子銃用カラムと同軸構造にする
などの方法を取ることもあるが、イオンポンプ筐体の直径は最低でも数十ｃｍ程度あるた
め、小型化には限界があった。
非蒸発ゲッターポンプを用いれば、理論的には電子光学系を小型化できると考えられる。
しかしながら、非蒸発ゲッターポンプでは、ヘリウムやアルゴンといった希ガス、メタン
等の化学的に安定なガスの排気が困難であり、実質的に高真空を保つことができず、実用
化に至っていない。吸着にはガスが微小に電位を有している必要があるが、希ガスやフロ
ロカーボン等の化学的に安定なガスの場合、完全に平衡であるので排気しにくくなる。
更に、電子源を動作させると、放出された電子の一部が電子銃の構成部品に当たって雑多
なガスが放出され、このため真空度が劣化して、結果的に電子銃の寿命が短くなるという
課題がある。特に電子銃を小型化して容積が小さくなると、上記希ガスの分圧が低くても
全圧が上昇し、真空度が劣化する傾向が顕著になるので、問題である。

本発明が解決しようとする課題の一つは、電子ビームを放出中であっても高真空を維持
可能、かつ従来よりも小型の電子銃を提供することである。また別の課題としては、該小
型電子銃を搭載した電子顕微鏡、あるいは電子線描画装置を提供することである。

本発明は、電子源と、該電子源を保持する真空容器と、該真空容器の内部に設けられた
ゲッターポンプと、前記真空容器の内部を真空排気するための開口部と、前記電子源の動
作中に発生するガスを分解する手段とを備えることにより、前記の課題を解決する。

本発明を用いることによりイオンポンプを必要とせずに、１０^−１０Ｔｏｒｒ台の高真
空を維持できる小型電子銃を備えた電子顕微鏡、電子線描画装置を得ることができる。

図１には、本実施例の電子銃の構成を示す。電子源としては、熱電界放出型の電子銃（
ＴＦＥ）１を用いている。この電子源１は、ＩＣＦ７０のフランジに取り付けられており
、図示しない電極（サプレッサ、引出し、チップ）への導入端子１２と結合されている。
この電子源１は、電子銃用カラム１１に挿入、固定される。
このカラムの内径は３７ｍｍ程度である。カラム１１には、内径に沿ってシート状の非
蒸発ゲッターポンプ２を備えている。この非蒸発ゲッターポンプ２は、過熱することによ
り活性化して吸気する。このための第１の加熱用ヒータ４が電子銃用カラム１１の外部に
設けられる。本実施例では、シーズヒータを巻きつけて使用した。このようなヒータの構
成のほかに、真空容器の内部すなわち電子銃カラムの内部に、非蒸発ゲッターポンプの加
熱手段を設けてもよいことはいうまでもない。電子銃用カラム１１の側面に熱電対８があ
り、非蒸発ゲッターポンプ２の加熱温度をモニタする。なお、本実施例においては、４０
０℃、１０分で活性化する非蒸発ゲッターポンプを用いた。
電子銃カラム１１の筐体の一部に、電離機能付きポンプ部１０１が設けられる。電離機
能付きポンプ部１０１内部には、電子銃のエミッション中に発生する雑多なガスを分解す
るための発熱体が格納される。本実施例では、発熱体として、フィラメント６を用いる。
電離機能付きポンプ部１０１は、電子銃カラム１１の筐体に別な部品として取り付けても
良いし、電子銃カラム１１の筐体の一部として設けても良い。電離機能付きポンプ部１０
１の内部構成は後段で説明する。

次に、電子銃各構成部品の動作について説明する。電子源１が電子をエミッションする
と、放出された電子の一部が構成部品に当たってハイドロカーボンを含んだガスを放出す
る。本実施例のように電子銃用カラムの容積が小さく、イオンポンプによる強制排気のな
い条件では、ハイドロカーボンガスは非蒸発ゲッターポンプ２では排気されない。従って
、電子銃内の真空度が劣化して電子源１に悪影響をもたらす問題がある。
このため、電子銃用カラム１１の側面に、タングステン製のフィラメント６を備えた電
離機能付きポンプ部１０１を設ける。フィラメント６は、電子銃用カラム１１中のハイド
ロカーボン（主にメタン）を炭素と水素とに熱電離分解するためのものである。すなわち
、非蒸発ゲッターポンプでは排気できないハイドロカーボンを熱電離分解する手段を電子
銃に付加することにより、ハイドロカーボンを排気可能にする。電離機能付きポンプ部１
０１は、電子銃カラム１１の筐体に開口を設けて筐体に取り付けられる。電離機能付きポ
ンプ部１０１の内壁面には、第２の非蒸発ゲッターポンプが設けられ、電離分解されたハ
イドロカーボンガスを吸着させる。このように、フィラメント近傍に第２の非蒸発ゲッタ
ーポンプを設けることにより、より排気効率が向上する。電離機能付きポンプ部１０１筐
体の外部には、第２の非蒸発ゲッターポンプを過熱するため、第２の加熱ヒータ５が設け
られる。電子銃の過熱を防ぐため、電子銃のエミッション中には、電子銃カラムの筐体を
加熱する第１の加熱ヒータはオフしておく方が好ましい。従って、電離機能付きポンプ部
１０１に設けた第２の加熱ヒータを第１の加熱ヒータとは別に設けることにより、電子銃
がエミッション中であっても第２の非蒸発ゲッターポンプを加熱できる。すなわち、ハイ
ドロカーボンガスの発生源周辺のみを真空排気することができる。

電子銃１の下方には、開口７が設けてあり、エミッションした電子は、この開口７を通
過して電子光学系用カラム９内に設けられた電子光学系に導かれる。通常は、電子光学系
用カラム内の真空度の方が、電子銃用カラム内の真空度よりも低いため、開口７を隔てて
、電子光学系用カラムと電子銃用カラムとは差動排気構造となる。このため、上述したハ
イドロカーボンを含むガスは、この開口７から電子光学系用カラムへ侵入することも考え
られる。従って、本発明によるハイドロカーボンガスの熱電離機能は、非蒸発ゲッターポ
ンプを用いる上で重要な機能となるといえる。
フィラメント６の動作によっては、電子源１から発生する電子の軌道が影響を受けるこ
とがある。従って、電子銃カラム１１の筐体内部で、電子源６の電子線放出位置よりも下
流にあると、電子源から放出された電子線がフィラメント６の動作により影響を受けるこ
とがある。よって、フィラメント６または電離機能付きポンプ部１０１の配置される位置
ないし電子銃カラム１１と電離機能付きポンプ部１０１と接続する開口部の位置は、電子
源１の電子線発生位置（例えば電子線の引出し電極など）よりも上部にあることが好まし
い。

次に、本実施例の電子銃を稼働させる際の手順について説明する。
まず試料室の真空を引くために，図示しない真空ポンプを駆動して，大気圧からの粗排
気を開始する。次に第１の加熱ヒータ４と第２のヒータ５を加熱してベーキングを行う。
ベーキングの初期段階においては，２００℃程度に保ち，主に筐体内部の水やハイドロカ
ーボン等のガスを焼きだす。６時間から１２時間程度ベーキングすれば，ほとんどの場合
において内壁面からの脱ガスは問題にならない程度まで低減する。次に第１及び，第２の
加熱ヒータへの印加電力を増して目標温度を４００℃〜５００℃として，非蒸発ゲッター
ポンプ２，３を活性化する。昇温後１０〜２０分程度維持すれば，十分に活性化する。

この電子銃を組み上げて、真空排気、ベーキングを行い、真空度１０^−１０Ｔｏｒｒを
達成した。また、電子源に２ｋＶを印加して電子を放出させた条件において、真空度１０
^−１０Ｔｏｒｒを維持することができた。高真空の維持が可能であることから、本実施例
で用いた熱電界放射型電子源のほか、冷陰極型電子源（ＣＦＥ）、ショットキー型電子源
を用いてもよい。電子銃全体の概略寸法も、幅１５ｃｍ、高さ１５ｃｍ程度と、従来の構
成に比べて格段に小型化できた。
本電子銃用カラム１１を大気から高真空に排気するためには、開口７からの排気では不
十分である場合には、電子銃カラム１１に粗排気用のポートを設けてもよい。

本実施例においては、実施例１で述べてきた電子銃を走査型電子顕微鏡に適用した場合
について説明する。
図３に本実施例になる走査形電子顕微鏡の概略構成を示す。小型化に有利という観点か
ら、本実施例に用いる電子光学系は、すべて静電レンズにより構成された小型電子光学系
を用いている。図３において、電界放出型の電子銃１７から電界放出された電子線１８は
、その下方に設けられた第３レンズ電極１９、第２レンズ電極２０、第１レンズ電極２１
から成る静電レンズのそれぞれの電極間に形成された電界によって集束作用を受け、細く
集束されて試料２５上に照射される。それと同時に、電子線１８は、偏向器２４によって
第二レンズ電極２０の内部空間内で偏向作用を受け、試料２５上で２次元的に走査される
。また、電子線１８と上記静電レンズとの光軸合わせのために、アラインメントコイル２
３によって電子線１８の光軸をシフトできるようになっている。また、電子線１８の非点
収差補正を行なうために、スティグマコイル２２が設けられている。電子線１８の照射に
より試料２５から発生した２次電子３３は、２次電子検出器２６に到達し検出される。こ
の検出信号を画像形成手段２７に入力することにより、試料２５表面の２次元２次電子像
が得られる。本実施例では、半導体の表面観察などの用途に適するように、電子線の照射
による試料表面の帯電や損傷を少なくすることのできる低加速電圧での観察を対象として
おり、従って、電子線１８の加速電圧Ｖａは３ｋＶ以下(主に１ｋＶ前後)に設定してある
。

図３に示した実施例においては、静電レンズのみで電子光学系を構成しているため、電
子光学鏡筒は外径３４ｍｍ、高さ１５０ｍｍと非常に小型になっている。また、本実施例
では、高分解能（加速電圧１ｋＶで６ｎｍ）を実現している。また、電子光学系は、開口
板７を挟んで電子銃１７とは別の真空容器に挿入されている。この真空容器は、ターボ分
子ポンプ２８により真空に保たれる。開口板７は電子線を電子銃外に導出するための開口
部を備えている。
このように、本発明の小型電子銃と静電レンズにより構成された電子光学系の組合せに
より、従来にない小型で高分解能の走査型電子顕微鏡が実現できた。

本実施例においては、実施例１で述べてきた電子銃を電子線描画装置に適用した場合に
ついて説明する。
実施例２で述べてきた小型の走査型電子顕微鏡にパターン描画機能を備えれば、電子線
描画装置として用いることができる。図４は、本実施例の概略を示している。予め描画す
るパターンのレイアウト等のデータが蓄えられたパターン記録制御手段３０のデータを逐
一読み出して、そのパターンを形成するように電子線１８を偏向器２４により偏向するこ
とによって、試料３１に塗布されたレジスト膜上に分解能６ｎｍのパターンを描画できる
。また、位置合わせ用マーク（図示せず）近傍領域から発生する二次電子３３を二次電子
検出器２６によりを検出して、描画するパターンの位置を検出できる構成となっている。

本実施例においては、加速電圧は１ｋＶ程度の低加速で用いるので、厚膜レジスト（１
μｍ以上）への描画はできない。そのため、用途としては薄膜レジスト（０．３μｍ以下
）の表面にパターン形成するプロセスに向いている。特徴としては、近接効果の影響を低
くできるので、補正の手間が軽減されること、装置サイズを大幅に小型化できること、高
解像度の描画が比較的容易に得られることなどが挙げられる。

本実施例では、電子源の光軸合わせのための位置決め機構と、電子銃カラムを真空排気
する際の、粗排気・主排気の自動切替機構を備えた電子銃の構成について示す。いうまで
もなく電子線や荷電粒子線応用装置を使用する場合、電子線の光軸合わせは正確に行なう
必要がある。しかしながら、電子銃や電子銃を搭載する装置を小型化する場合、小型化の
制約から、複雑な位置決め手段や光軸合わせ手段を装置に搭載することは困難である。
一方、装置の真空排気に関しても、装置小型化の観点からは、荷電粒子線装置全体で使
用する真空排気装置の数は可能な限り少ないことが好ましい。従って、電子銃の下部に配
置される電子光学系や、種々の検出装置が配置される測定光学系等で、真空排気手段は共
通化することが好ましいといえる。そこで、本実施例では、簡便な構成で正確に電子銃の
光軸合わせを行うことが可能な小型電子源向けの位置決め機構と、電子銃カラムと電子光
学系カラム間で、粗排気手段を共通化することが可能な粗排気・主排気の自動切替機構を
備えた電子銃を提供することを目的とする。

図５には、本実施例の電子銃の構成を示す。なお、図５には本実施例の電子銃の応用例
として、本実施例の電子銃を更に走査電子顕微鏡に搭載した場合の構成例を示す。引出番
号１７は電子銃を示す。電子源１や電離機能付きポンプ部１０１等、図１に示した構成の
電子銃と共通な部分の説明は省略する。本実施例の電子銃は、電子源１１を電子重要カラ
ム１１に固定するためのコンフラットフランジ３９やベローズ４０、あるいは先端部に調
節ネジのついたつまみ３９等を含む位置決め機構と、粗排気用自動開閉バルブ１０２を備
えた差動排気部２００を備える点で、実施例１の電子銃と異なる。実際に荷電粒子線装置
を構成する際には、電子銃１７は、電子光学系カラム９と結合されて使用される。電子光
学系カラム９は、偏向器や対物レンズ等、走査電子顕微鏡を構成するために一般的に必要
な部品を格納した電子光学系鏡筒３６や試料台３５を備える。電子光学系カラム９には、
真空ポンプ３４が接続されている。３３は二次電子検出器、２７は二次電子検出器で検出
された信号から二次電子画像を形成する画像形成手段である。図５では区別して記載して
はいないが、真空ポンプ３４は粗排気用真空ポンプと主排気用真空ポンプを含む。

最初に、電子銃の位置決め機構の構成と動作について説明する。電子源１から出射され
る電子線を効率よく開口部を通過させるために、電子源１の位置を調整する必要がある。
開口板７の中心に設けられた開口は、直径０．５ｍｍ程度であるため、移動ストローク１
ｍｍ程度を光軸に垂直な面内で実現する必要がある。電子源１は、直径７０ｍｍのコンフ
ラットフランジ３９に固定され、各種電線が電子源１のチップ（図示せず）、電極（図示
せず）をフィードスルーに設けられた電極１２を介して結合される。ここで、フィードス
ルーとは、各種電線を真空容器内に引き込むために真空容器に設けられる導入部のことで
ある。これらの構造物は、ベローズ４０を介して電子銃用カラム１０に結合されており、
電子源１は、電子銃用カラム１０に対してベローズ４０の変形量分移動可能な構成となっ
ている。両者の相対的な位置は、電子源位置決め用つまみ３８を回しながら、電子光学系
用カラム９に透過してくる電子線が最大となるように調整する。なお、この電子源位置決
め用つまみは、図１には１箇所のみ示しているが、実際には対向する２個で１組であり、
互いに直行する方向に１組ずつ合計４箇所に設けられる。電子源１の位置が決まったら、
互いに対向するつまみを締め切ってロックすることにより、位置ずれを防止できる。

次に、差動排気部２００の構成と構成と動作について説明する。本電子銃用カラム１０
を大気から高真空に排気するためには、開口７からの排気では不十分である。従来は、こ
のために粗排気用のポートを電子銃カラム１０に設けており、外形サイズの増大を招いて
いた。一方、実施例１の電子銃においては、開口板７に設けられた開口部が粗排気用ポー
トの役割を果たすため、電子銃１７と電子光学系用カラム９とで粗排気用真空排気手段を
共用でき、従って装置を小型化することが可能である、しかしながら、実施例１の電子銃
では、開口板７に開けられた穴径が小さく、粗排気時のコンダクタンスが小さいという問
題がある。しかし、開口板７に設けられる開口の大きさをあまり大きくすることはできな
い。電子光学系用カラム９内の真空度の方が電子銃用カラム１１内の真空度よりも低いた
め、開口板７の穴径を大きくし過ぎると、電子光学系カラム９内の残留ガスが電子銃用カ
ラム１１内に逆流し、十分な真空度の維持が困難になる恐れがあるからである。そこで、
本実施例の電子銃では、開口板７に電子線通過用の開口とは別の粗排気用開口を設けて、
更に粗排気用開口に自動開閉バルブ１０２を付加する。

図６を用いて、粗排気用自動開閉バルブ１０２の構成と動作について詳しく説明する。
図６(a)は、開口板７を上から見た平面図を、図６(b)は、図６(a)の位置Ａ−Ａ’を図に
示した一点鎖線に沿って切断した断面図をそれぞれ示す。なお、図５の差動排気部２００
では、一枚の開口板７につき、一つの自動開閉バルブ１０２しか示されていないが、実際
には、一枚の開口板７には２つのバルブが付加されている。図６(b)の左側のハッチング
は、差動排気部２００（または電子銃カラム１１）の内壁面を示す。４６は、開口板７と
可動アーム４５とを内壁面に固定するための固定台である。開口板７の中心には、電子ビ
ームが通過する第１の開口４２がある。第１の開口４２とは別に第２の開口４３を設ける
。穴径は、開口４２よりも十分に大きく取ると粗引きの際のコンダクタンスが大きくなり
効果的である。この開口４３にはフタ４４が対応している。フタ４４は、自律可動型のア
ーム４５によって内壁面と結合されており、内壁面を基準に上下運動する。本実施例では
、アーム４５の材料として加熱により変形するバイメタルを用いた。本実施例では、自律
可動型アーム４５を加熱によって変形するバイメタルを用いて構成したが、形状記憶合金
を用いても同様な効果を得ることができる。また、バイメタルの材料としては、通常、Ｆ
ｅＮｉ-ＮｉＦｅＣｒ合金などの磁性材料が使用されているが、可動アームの材料として
磁性材料を使用すると、第１開口４２を通過する電子線の軌道が曲げられる。従って、可
動アームの材料としては非磁性材料を用いたバイメタルを使用する方が好ましい。非蒸発
ゲッターの動作温度を考慮すると、バイメタルは高温耐性を有することが好ましく、更に
その中でもステンレス合金とタングステン等の低熱膨張金属を組み合わせたバイメタルが
好適であることを、実験により確認した。

電子銃カラム１１の気密維持のため、主排気時には、フタ４４は開口板７と密着してい
る必要がある。フタ４４の密着性を考慮すると、フタ４４は、密着時に塑性変形すること
が好ましく、従って、フタ４４を構成する材料の弾性率は、開口板７を構成する材料の弾
性率よりも小さい方が良い。また、開口板７は、中心部の開口４２を電子線が通過するた
め、汚れが付着する場合がある、また、可動アーム４５やフタ４４等も、開口板７との密
着・開放動作を繰り返すうちに経時劣化する場合がある。従って、開口板７や可動アーム
４５やフタ４４は、容易に交換可能である必要がある。そこで、本実施例では、開口板７
と可動アーム４５を、固定ネジ２０１により内壁面に固定した。また、フタ４４と可動ア
ーム４５とは、固定ネジ２０２により固定した。このように、開口板７、フタ４４および
可動アーム４５の内壁面への固定手段を別々に設けることにより、開口板７や可動アーム
４５やフタ４４が容易に交換可能な電子銃を提供することができる。なお、図６(b)では
、可動アーム４５と開口板７の固定手段が同じであるため可動アームと開口板とを独立に
は交換できないが、固定ネジを２つにして可動アームと開口板とを別々に内壁面に固定す
れば、開口板７や可動アーム４５とを独立して交換可能な電子銃を実現することができ、
よりメンテナンスの容易な電子銃が提供可能となる。また，開口板７の上下流間の機密を
維持するために，開口板７を内壁面に溶接してもよい。この際に開口４２は，交換可能な
ように別の部品とする必要があることは，いうまでもない。

次に、本実施例の電子銃および当該電子銃を搭載した荷電粒子線応用装置を真空排気す
る際の手順について説明する。まず、装置を構成する要素を組み立てたら、粗排気を実行
する。この際に、非蒸発ゲッターポンプ３、４１を活性化するためにヒータ４、５に通電
して筐体を加熱する。この時の加熱を利用し、自動開閉バルブを開口してコンダクタンス
を上げて、粗排気の効率を大幅に向上することができる。非蒸発ゲッターポンプの活性化
と粗排気が終了したら、ヒータへの通電をやめて、筐体を室温程度まで冷ます。室温程度
では、フタ４４は開口４３を塞ぐので、電子銃用カラム１０との間のコンダクタンスは、
開口４２によって決まることになり、良好な差動排気が自動的に実現する。本実施例にお
いては、電子光学系用カラム９の真空度１０^−４Ｐａに対して電子銃カラム１０内の真空
度を１０^−８Ｐａと、４桁高い差動排気特性を得ることができた。

以上、本実施例で述べてきた構成を実現することにより、幅１５ｃｍ、高さ１５ｃｍ程
度と、従来の構成に比べて電子銃全体の概略寸法を格段に小型化できた。この電子銃を組
み上げて、真空排気、ベーキングを行い、真空度１０^−１０Ｔｏｒｒを達成した。また、
電子源に２ｋＶを印加して電子を放出させた条件において、真空度１０^−１０Ｔｏｒｒを
維持することができた。高真空の維持が可能であることから、本実施例で用いた熱電界放
射型電子源のほか、冷陰極型電子源（ＣＦＥ）、ショットキー型電子源を用いてもよい。

本実施例の構造の電子銃を用いて構成した図５の走査電子顕微鏡、あるいは本実施例の
電子銃を図３の走査電子顕微鏡に適用した走査電子顕微鏡は、電子源周りの真空気密性が
良いため、実施例２で説明した走査電子顕微鏡よりも小型，かつ，電子源のメンテナンス
期間の長い走査電子顕微鏡を実現できた。また、本実施例の電子銃を図４に示した電子線
描画装置に適用しても、従来よりも操作性の良い小型電子線描画装置が実現できることは
明かである。

本実施例では、実施例４に示した電子銃よりも位置決めが容易な位置決め機構を備えた
電子銃に付いて説明する。
図７(a)には、本実施例の位置決め機構の原理図を示す。また、図７(b)には、本実施例
の位置決め機構を図５の電子銃に応用した場合の構成図を、電子銃の要部と合わせて示す
。初めに、図７(a)を用いて本実施例の原理について説明する。本実施例の位置決め機構
は、ｘ軸方向とｙ軸方向の位置合わせ基準面を別に設けたことを特徴とする。実施例４に
記載したように、位置決めの際には、電子光学系用カラム９に透過してくる電子線が最大
となるように調整する。しかしながら、小型の荷電粒子線応用装置では、高精度な移動位
置決め機構を持てないため、調整動作は装置ユーザが行なう。実施例４の電子銃では、電
子線源の位置決め用つまみ３８は、全て同じ高さに配置されている。つまり、ｘ方向の位
置決めとｙ方向の位置決めを同じ位置で行なわなければならない。一方、本実施例の電子
銃は、ｘ方向の軸合わせ手段４８とｙ方向の軸合わせ手段４９とを独立して備えている。
従って、装置ユーザは、電子線源の位置決め時に、最初ｘ方向またはｙ方向の位置決めを
行い、しかる後にｙ方向またはｘ方向の位置決めを行なうことができ、電子線源の軸調整
時の装置ユーザの負担が低減される。

図７(b)には、本実施例の位置決め機構を備えた電子銃の要部を示す。電子源１は、当
該電子源を真空容器内の所定位置に保持するための平行板ばね４７により電子銃カラム１
１の内部に吊り下げられている。平行板ばねの内部には、各種電線５０が保持される。平
行板ばね４７の上部は、フィードスルーを備えたフランジに固定され、平行板ばね４７の
下端部には電子源１を装着する。各種電線５０は、ガイシ等により絶縁して上部のフィー
ドスルーへ導かれている。平行板ばね４７の外周を、非蒸発ゲッターポンプ２が覆うよう
に囲っている。平行板ばね４７には、位置決め機構４８，４９の動作に起因して、ｘ方向
からの応力とｙ方向からの応力が加わる。つまり、平行板ばね４７には捻り応力が加わる
。従って、位置決め機構４８，４９は、捻りに対する剛性を持っている必要があり、その
ため本実施例では、対向する２組のロック付の直線導入端子を用いて位置決め機構４８，
４９を構成した。図７(a)に示した位置決め機構の図は，電子銃筐体の外部から直線運動
を導入するために用いたベローズを示している。また，平行板ばね４７は，ｘあるいは，
ｙ方向に捻られて弾性変形するが，それと直交する方向には十分な剛性と弾性率を有して
おり，座屈や塑性変形は起こさないように設計されている。さらに，平行板ばね４７を支
える固定板５１，５２は，位置決めするためにかかる力に対して，十分高い剛性と弾性率
を有していることはいうまでもない。なお、座屈や塑性変形を起こさないような部材であ
れば、平行板ばね以外の構造材で電子源の保持手段を構成しても良い。

平行板ばね４７は、ｘ、ｙの各方向の軸合わせ基準面をなす板ばね固定板５１、５２を
備えている。各板には、対抗する一対の位置決め機構が対応しており、直線導入端子を介
して電子銃カラム１１の筐体外部にある操作つまみ３８と結合されている。これにより大
気側から操作が可能な構造となっている。ｘ方向の位置決めを行うには、ｘ方向の駆動機
構を操作すればよい。この機構は、ｘ方向の位置が決まったら、対向する駆動機構を締め
付けてロックすれば、時間的なドリフトを低減できて望ましい。ｙ方向の位置決めも、基
本的にはｘ方向と同様に行えばよい。
このような構造をとることにより、電子源１は，ｘ、ｙ方向に干渉しないラスタ走査が
できるので、１ｍｍ×１ｍｍの移動可能な領域を網羅的に効率よく移動できる。このため
，電子線を開口４２から効率よく出射するための位置決めが容易となる特長がある。さら
に、小型化も容易に実現できる特長が両立して望ましい。

本実施例の電子銃は、図３あるいは図５等に示した走査電子顕微鏡に適用することが可
能であり、その場合、実施例５の走査電子顕微鏡よりも更に位置決め操作の容易な電子顕
微鏡を実現することができる。また、図３に示した走査電子顕微鏡のように、電子光学系
の偏向器を静電レンズを用いて構成すれば、従来より更に小型の走査電子顕微鏡を実現す
ることが可能である。なお、本実施例の位置決め機構は、マニュアル動作で電子源の位置
決めを行なう形式の電子銃であれば、実施例１以外の構造の電子銃にも適用しても、位置
決めが容易になるという効果が得られる。

本実施例では、図５の１０２に示された自動開閉バルブの別の構成例について説明する
。図８(a)は、開口板７を上から見た平面図であって、図６(a)と同じ図面である。図８(b
)〜図８(d)は、各種自動開閉バルブを搭載した開口板７を、図８(a)の位置Ａ−Ａ’に示
した一点鎖線に沿って切断した断面図である。

以下、図８(b)〜図８(d)に示した自動開閉バルブの特徴点について説明する。図８(b)
の自動開閉バルブは、フタ４４に円錐形こまを用いた構成例である。フタ４４の開閉に伴
う穴と弁の位置ずれ防止（自動調心）効果がある。上記バルブの位置ずれは，各部品の取
り付け誤差や，昇降温を伴うバルブ開閉動作を繰り返すうちに熱変形に起因して生じる現
象である。このようなバルブの位置ずれが生じると開口とバルブの密着性が損なわれて，
その隙間からガスが流出入して真空度が劣化する問題があるため，位置ずれの防止は十分
に考慮する必要がある。
図８(c)に示した自動開閉バルブは、フタ４４の開口４３に対する接触面を球面にした
構成例である。図８(b)に示したバルブと同様、自動調心効果がある。また、フタ４４の
材料に汎用のボールを適用可能なため、バルブ製造のコストを低減できる効果がある。
図８(d)には、フタ４４の開口板7との接触面に、円形の突起部（円形エッジ）２０３を
設けた構成のバルブを示した。このように円形エッジをフタ４４に設けることにより、穴
とバルブの位置ずれに対する許容幅が大きくなる。円形エッジは、フタ４４側ではなく、
開口板７側に形成しても同じ効果が得られる。

以上、図８(b)から図８(d)を用いて説明した構成の自動開閉バルブを用いることにより
、開口板７とフタ４４との密着性が向上し、従って、電子銃カラム１１内の真空気密性が
向上する。また、開口板７よりも弾性率の小さな材料でフタ４４を構成すると、更に密着
性が向上することはいうまでもない。また、図６(b)に示したように固定ネジを用いてフ
タ４４と可動アーム４５を交換可能に構成すると、メンテナンス上便利であることは言う
までもない。

本発明の電子銃を説明する図。 従来の電子銃の構成を説明する図。 本発明を用いた走査型電子顕微鏡を説明する図。 本発明を用いた電子線描画装置を説明する図。 本発明の電子銃の別構成例を説明する図。 (a)本発明の自動開閉バルブを用いた開口板の上面図、(b)本発明の自動開閉バルブの構造を説明する断面図。 (a)本発明の電子源位置決め機構を説明する原理図、(b)本発明の電子源位置決め機構を電子銃に適用した構造の説明図。 (a)自動開閉バルブの別の構成例、(b)自動開閉バルブの別の構成例、(c)自動開閉バルブの別の構成例、(d)自動開閉バルブの別の構成例。

符号の説明

１：電子源、２：非蒸発ゲッターポンプ、３：非蒸発ゲッターポンプ、４：ヒータ、５：
ヒータ、６：フィラメント、７：開口板、８：熱電対、９：電子光学系用カラム、１０：
電子銃用カラム、１１：コネクタ、１２：導入端子、１３：イオンポンプ、１４：イオン
ポンプ、１５：磁気シールド１６：電子銃、１７：電子銃、１８：電子線、１９：第３電
子レンズ、２０：第２の電子レンズ、２１：第１の電子レンズ、２２：スティグマコイル
２３：アラインメントコイル、２４：偏向器、２５：試料、２６：２次電子検出器、２７
：画像形成手段、２８：ターボ分子ポンプ、２９：試料ステージ、３０：パターン記録制
御手段、 ３１：試料、 ３２：ターボ分子ポンプ、３３：２次電子、３４：真空ポンプ、
３５：試料台、３６：電子光学系鏡筒、３７：試料、３８：電子源位置決め用つまみ、３
９：電子源固定用フランジ、４０：ベローズ、４２：開口、４３：粗排気用開口、４４：
バルブ、４５：加熱により変形する材料、４６：固定台、４７：平行板ばね機構、４８：
平行板ばね位置決め機構、４９：平行板ばね位置決め機構、５０：電線，５１：板ばね固
定板，５２：板ばね固定板，１０１：電離機能付ポンプ、１０２：粗排気用自動開閉バル
ブ，２００：差動排気部，２０１：固定ネジ，２０２：固定ネジ。

Claims (13)

1. 電子銃と、電子線の走査偏向手段と検出器を備えた電子線応用装置であって、前記電子銃は、
   電子源と、
   該電子源を保持する真空容器と、
   該真空容器の内部を真空排気する排気手段と、
   前記真空容器内で前記電子源を所定位置に保持するため保持手段と、
   前記電子源で発生した電子線を真空容器外に導出するための開口を有する開口板とを備え、
   前記電子源から発生する電子線を前記開口部に入射させるために、当該電子ビームの光軸をｘ方向に位置決めする手段と、ｙ方向に位置決めする手段とを、それぞれ独立して備えたことを特徴とする電子線応用装置。
2. 請求項１に記載の電子線応用装置において、
   前記保持手段は、
   ｘ方向の位置決め基準面を形成する第１の基準板と、
   ｙ方向の位置決め基準面を形成する第２の基準板とを備え、
   更に前記保持手段が平行ばねで構成されたことを特徴とする電子線応用装置。
3. 請求項１または２に記載の電子線応用装置において、
   前記真空容器内部を真空排気する前記排気手段として、
   前記真空容器の内部に設けられた非蒸発ゲッターポンプと、
   前記真空容器の内部を粗引きするための開口部と、
   前記ゲッターポンプの加熱手段と、
   前記電子源の動作中に発生するガスを分解する手段とを有することを特徴とする電子線応用装置。
4. 請求項１または２に記載の電子線応用装置において、
   前記真空容器内部を真空排気する前記排気手段として、
   前記真空容器の内部に設けられた非蒸発ゲッターポンプと、
   前記真空容器の内部を粗引きするための開口部と、
   前記ゲッターポンプの加熱手段と、
   前記真空容器内に配置された発熱体とを有し、
   該発熱体は、前記電子源よりも上部に配置されていることを特徴とする電子線応用装置。
5. 電子源と、
   該電子源を保持する真空容器と、
   該真空容器の内部を真空排気する排気手段と、
   前記真空容器内で前記電子源を所定位置に保持するための保持手段と、
   前記電子源で発生した電子線を真空容器外に導出するための開口を有する開口板とを備え、
   前記電子源から発生する電子線を前記開口部に入射させるために、当該電子ビームの光軸をｘ方向に位置決めする手段と、ｙ方向に位置決めする手段とを、それぞれ独立して備えたことを特徴とする電子銃。
6. 請求項５に記載の電子銃において、
   前記保持手段は、
   ｘ方向の位置決め基準面を形成する第１の基準板と、
   ｙ方向の位置決め基準面を形成する第２の基準板とを備え、
   更に前記保持手段が平行ばねで構成されたことを特徴とする電子銃。
7. 電子銃と、電子線の走査偏向手段と検出器を備えた電子線応用装置であって、前記電子銃は、
   電子源と、
   該電子源を保持する真空容器と、
   該真空容器の内部を真空排気する排気手段と、
   前記電子源で発生した電子線を真空容器外に導出するための第１の開口を備えた開口板を有し、
   当該開口板は、該第１の開口よりも面積の大きな第２の開口と、前記真空容器の粗排気・主排気に応じて該第２の開口を開閉する可動バルブとを備えたことを特徴とする電子線応用装置。
8. 請求項７に記載の電子線応用装置において、
   前記真空容器内部を真空排気する前記排気手段として、
   前記真空容器の内部に設けられた非蒸発ゲッターポンプと、
   前記ゲッターポンプの加熱手段と、
   前記電子源の動作中に発生するガスを分解する手段とを有することを特徴とする電子線応用装置。
9. 請求項７に記載の電子線応用装置において、
   前記真空容器内部を真空排気する前記排気手段として、
   前記真空容器の内部に設けられた非蒸発ゲッターポンプと、
   前記ゲッターポンプの加熱手段と、
   前記真空容器内に配置された発熱体とを有し、
   該発熱体は、前記電子源よりも上部に配置されていることを特徴とする電子線応用装置。
10. 請求項７から９に記載の電子線応用装置において、
    前記可動バルブは、前記第２の開口を開閉するフタと、当該フタの開閉動作を行なう可
    動アームとを備え、該可動アームはバイメタル合金で形成されたことを特徴とする電子線応用装置。
11. 請求項１０に記載の電子線応用装置において、
    前記バイメタル合金として、非磁性のバイメタル合金を用いたことを特徴とする電子線応用装置。
12. 請求項１１に記載の電子線応用装置において、
    前記非磁性のバイメタル合金として、ステンレス合金とタングステンからなるバイメタ
    ルを用いたことを特徴とする電子線応用装置。
13. 請求項７から９に記載の電子線応用装置において、
    前記可動バルブは、前記第２の開口を開閉するフタと、当該フタの開閉動作を行なう可
    動アームとを備え、該可動アームは形状記憶合金で形成されたことを特徴とする電子線応用装置。

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