JP2009158141A - 電子線装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内部を真空引きするためのポンプが取り付けられた電子線鏡筒において、ポンプ取り付け後の電子線鏡筒の断面の外形寸法を低減する。
【解決手段】電子線装置の電子線鏡筒１の内部を排気するためのスパッタイオンポンプＰ１のアノード３１１〜３２２は複数の孔を有し、これら複数の孔が電子線鏡筒１内の真空室１２の周囲に環状に配列される。
【選択図】図３

Description

本発明は、真空領域内にて発生させた又は真空領域中を通る電子線を利用する電子線装置に関する。特に電子線を発生させる又は電子線が通る真空領域を排気するための技術に関する。

近年、半導体装置に形成されるパターンの微細化が進むのに伴って、より微細な形状を扱うことができる電子線を用いた製造装置や、検査装置、評価装置などが製造過程において欠くことができない装置となっている。例えば半導体装置の表面に形成された微細パターンの外観を観察するために走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）が使用されている。

走査型電子顕微鏡は電子銃から生じさせた電子線を偏向させて試料上を電子線で走査し、試料からの２次電子又は反射電子を検出し、各時点における試料上での電子線の走査位置と各時点において検出された電子量とを同期させて２次元の顕微鏡像を得る。
なお以下の説明では、電子線装置として走査型電子顕微鏡を例に説明するが、本発明の用途は走査型電子顕微鏡に限られることなく、真空領域内にて発生させた又は真空領域中を通る電子線を利用する電子線装置に広く適用可能である。したがって本発明の範囲にはこのような電子線装置が広く含まれる。

電子線鏡筒によって電子線を偏向できる範囲は狭いため、試料全体を観察するためには、試料と電子線鏡筒とを相対移動させて試料上の所望の観察位置へ電子線鏡筒を位置付ける必要がある。このため従来の走査型電子顕微鏡は、試料を移動させるためのステージを備えている。
一般に、半導体装置製造工程に使用される製造装置や、検査装置、評価装置は、クリーンルームと呼ばれる特別な部屋に収容される。クリーンルームはその中の空気中に存在する塵の個数を半導体装置製造に支障のないレベルまで低減させるとともに、室内の温度及び湿度を許容範囲内に制御する。このようなクリーンルームの設置及び維持には多大のコストを要するため、クリーンルームへ収容される製造装置等の小型化を図ることは、半導体装置の製造コストを削減する上の重要な課題となる。

近年の半導体製造分野では、原価低減の必要性から半導体ウエハなどの試料の寸法が大きくなっており、このような試料寸法の増大が電子線装置の真空試料室の寸法を大幅に増大させ、電子線装置の床面積（フットプリント）を増大させている。例えば、上述の走査型電子顕微鏡において試料の全面を観察するためには、試料をその直径寸法と同程度に移動する必要があるが、このことは、試料を収める試料室の寸法が試料の直径の２倍以上になることを意味する。例えば、最近用いられるようになった直径３００ｍｍを扱う場合には、６００ｍｍ以上の寸法を有する大きな試料室を設ける必要がある。

電子線装置の小型化を図るため、本出願人は、特願２００６−２７５５６号（下記特許文献１）にて、電子線鏡筒側を移動させて試料上の観察位置を変更する電子顕微鏡を提案した。図１の（Ａ）は、本出願人が下記特許文献１にて提案したのと同様の走査型電子顕微鏡の概略構成図である。
走査型電子顕微鏡１００は、試料Ｓの周りを真空に保つために真空試料室１０１が設けられ、真空試料室１０１は筐体１０２によって外部と遮断されている。真空試料室１０１内には、試料Ｓ上を走査する電子線ＥＢを発生させる電子線鏡筒１が設けられる。また、水平（ＸＹ平面）に支持されたベース（定盤）１０４上には試料を静電チャックなどの手段により保持するステージ１０３が設けられている。

走査型電子顕微鏡１００は、試料Ｓの観察面であるＸＹ平面に平行な面内で、電子線鏡筒１を２次元移動させる移動機構を備える。この移動機構は、Ｘ方向に沿って電子線鏡筒１を移動させるための１対のＸ方向ガイド１０５ａ及び１０５ｂと、Ｙ方向に沿って電子線鏡筒１を移動させるための可動Ｙ方向ガイド１０７と、可動Ｙ方向ガイド１０７を支持したままＸ方向ガイド１０５ａ及び１０５ｂにそれぞれ沿って移動する１対のＸ方向移動部１０６ａ及び１０６ｂと、電子線鏡筒１を支持したまま可動Ｙ方向ガイド７０に沿って移動するＹ方向移動部１０８と、を備えて構成される。

走査型電子顕微鏡１００によれば、試料Ｓを保持するステージ１０３を移動させることなく電子線鏡筒１を試料Ｓ上の所望の観察位置へ位置付けることが可能となり、ステージを移動させる方式と比べて、フットプリントを１／４程度に低減することが可能となる。

特開２００７−２０７６８３号公報

電子線鏡筒１内に設けられた電子銃の保護のために、電子線鏡筒１内は非常に高い真空度に保たれる必要があるが、図１の（Ａ）に示すように真空試料室１０１の内部に電子線鏡筒１を設ける場合に真空試料室１０１内全体を同程度の高い真空度に真空引きすることは不効率である。このため、真空試料室１０１内を真空引きするポンプ（図示せず）とは別に、電子線鏡筒１内を真空引きするためポンプを備えることが効率的である。図１の（Ｂ）は電子線鏡筒１とその周りに外付けされたポンプ１１０〜１１２の配置例を示す図である。

図示するとおりに電子線鏡筒１に既存のポンプ１１０〜１１２を単に取り付けると、電子線鏡筒１の周囲の領域内において領域ポンプ１１０〜１１２が占める領域が取り付け箇所部分に集中する（偏る）ことになる。このため、電子線鏡筒１の周囲の領域を一様に占有するようにポンプを配置するのに比べて、図示のようにポンプ１１０〜１１２を電子線鏡筒１に取り付けた場合は、その取り付けた後の外形寸法Ｗ及びＤに比べて、ポンプ１１０〜１１２が占めるＸＹ平面内面積を大きくすることができない。

同一方式のポンプ同士であれば、一般に装置容積が大きい方がより高い排気能力を実現する。したがって既存の外付けポンプ１１０〜１１２を単に取り付ける従来の構成では、排気能力の割にポンプ１１０〜１１２を取り付けた電子線鏡筒１の外形寸法Ｗ及びＤが大きいという問題があった。このため、ＸＹ平面に平行な面内で電子線鏡筒１を２次元移動させようとすると、真空試料室１０１の寸法が大きくなりフットプリント低減の障害になっていた。

上記問題に鑑み、本発明は、内部を真空引きするためのポンプが取り付けられた電子線鏡筒において、ポンプ取り付け後の電子線鏡筒の断面の外形寸法を低減することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、電子線装置の電子線鏡筒内部を排気するためのスパッタイオンポンプを設ける。このスパッタイオンポンプのアノードは複数の孔を有し、アノードの複数の孔が電子線鏡筒内の真空室の周囲に環状に配列される。図２は本発明による電子線装置に備えるスパッタイオンポンプの概略構成図である。
スパッタイオンポンプは、電子線ＥＢを発生させ又は通過させるために真空状態に排気しようとする領域Ｖの周囲に環状に配列される複数のアノードセルＡ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、…からなるマルチセルアノード３０と、マルチセルアノード３０を挟む陰極（カソード）Ｃ１及びＣ２と、これらマルチセルアノード３０及び陰極Ｃ１及びＣ２に磁界を印加する磁界発生手段Ｍ１及びＭ２を備える。１つの実施例では各アノードセルＡ１〜Ａ４、…は例えば上面及び底面が空いた中空の円筒状電極であってよい。

アノードの複数の孔を真空室の周囲に環状に配列することにより、真空室の周囲の領域をアノードセルの配置のために無駄なく利用することができ、ポンプを設けられた電子線鏡筒の外形寸法をできるだけ小さくすることができる。

以下、添付する図面を参照して本発明の実施例を説明する。図３は、本発明の実施例による電子線装置に設けられる電子線鏡筒の立断面図であり、図４は、図３のＡ−Ａ断面における電子線鏡筒の平断面図である。本実施例による電子線装置の例は、例えば図１に示すような走査型電子顕微鏡であり、電子線鏡筒１を収容する試料室１０１と、試料室１０１内において試料Ｓを保持するステージ１０３と、ＸＹ平面に平行な試料Ｓの観察面に沿って、試料室１０１で電子線鏡筒１を走査することができるＸ方向ガイド１０５ａ及び１０５ｂ、Ｘ方向移動部１０６ａ及び１０６ｂ、可動Ｙ方向ガイド１０７と、及びＹ方向移動部１０８を備えている。
図３及び図４に戻り、電子線鏡筒１は筐体１０を有する。電子線鏡筒１の上部は電子線ＥＢを発生させるための電子銃１１を有する電子銃部をなし、下部は電子線ＥＢを収束及び偏向するためのコイル１３及びコイル１４を有する収束／偏向部をなす。筐体１０の内部には、電子銃１１が収容される第１真空室１２と、収束コイル１３及び偏向コイル１４が収容される第２真空室１５が設けられる。

電子線鏡筒１は、第１真空室１２内を真空引き、すなわち排気するための第１スパッタイオンポンプＰ１と、第２真空室１５内を排気するための第２スパッタイオンポンプＰ２を備える。
第１スパッタイオンポンプＰ１は、それぞれ孔が設けられた複数のアノードセル３１１〜３２２を備えるマルチセルアノード３０と、マルチセルアノード３０の各アノードセルを挟む共通の陰極３２及び３３と、これらマルチセルアノード３０及び陰極３２及び３３に磁界を印加する共通の磁界発生手段３４及び３５を備える。

各アノードセル３１１〜３２２は上面及び底面が空いた中空の円筒状電極であってよい。各アノードセル３１１〜３２２は、筐体１０内に設けられた第１真空室１２の周囲を囲む環状空間１６の中に環状に配置され、第１真空室１２から各アノードセル３１１〜３２２へは、第１真空室１２の内壁に設けられた連通孔４１〜４８を介して連絡している。

また各アノードセル３１１〜３２２を挟む共通の陰極３２及び３３は、図２に示す陰極Ｃ１及びＣ２のように環状に構成され環状空間１６の中に設けられる。
磁界発生手段３４及び３５には、例えば永久磁石や電磁石など磁界を発生させる様々な手段を採用してよい。磁界発生手段３４及び３５の磁極を環状に構成して環状空間１６の中に設け、図２に示す磁界発生手段Ｍ１及びＭ２のように、環状のマルチセルアノード３０及び陰極３２及び３３に共通の磁極から磁界を発生させている。このように構成することにより陰極３２及び３３並びに磁界発生手段３４及び３５の個数を少なくして、部品点数を低減することができる。

第２スパッタイオンポンプＰ２は、それぞれ孔が設けられた複数のアノードセルを備えるマルチセルアノード５０と、マルチセルアノード５０の各アノードセルを挟む共通の陰極５２及び５３と、これらマルチセルアノード５０及び陰極５２及び５３に磁界を印加する共通の磁界発生手段５４及び５５を備える。第２スパッタイオンポンプＰ２は、第１スパッタイオンポンプと同様に構成することができ、筐体１０内に設けられた第２真空室１５の周囲を囲む環状空間１７の中に収容される。参照符号６１〜６５は、第２真空室１５からマルチセルアノード５０へと連絡する、第２真空室１５の内壁に設けられた連通孔である。

図５は、本発明の実施例による電子線装置に設けられるスパッタイオンポンプが実現する排気速度のシミュレート結果を示すグラフある。図中の丸印でプロットしたグラフは、スパッタイオンポンプの外径の直径を８０ｍｍにし１つのアノードセルの直径を１０ｍｍにして構成した場合（セル個数１８個）のスパッタイオンポンプの排気速度のシミュレート結果であり、四角でプロットしたグラフは、スパッタイオンポンプの外径の直径を８０ｍｍにし１つのアノードセルの直径を５ｍｍにして構成した場合（セル個数３７個）のスパッタイオンポンプの排気速度のシミュレート結果であり、三角でプロットしたグラフは、スパッタイオンポンプの外径の直径を６０ｍｍにし１つのアノードセルの直径を１０ｍｍにして構成した場合（セル個数１２個）のスパッタイオンポンプの排気速度のシミュレート結果であり、菱形でプロットしたグラフは、スパッタイオンポンプの外径の直径を６０ｍｍにし１つのアノードセルの直径を５ｍｍにして構成した場合（セル個数２５個）のスパッタイオンポンプの排気速度のシミュレート結果である。使用したセルの高さはいずれも直径の１．３倍であり、アノードセルに印加する磁場を２０００ガウスとした。

図示するとおり、いずれの構成のイオンポンプも、真空度１．０Ｅ−７［Ｐａ］（≒１Ｅ−９［Ｔｏｒｒ］）にて、数リットル／秒の排気速度を有している。したがって、第１真空室１２及び第２真空室１５が数ｃｍ³以下程度の容量であり、達成しようとする真空度が１．０Ｅ−７〜１．０Ｅ−６［Ｐａ］程度であれば、本構成例のスパッタイオンポンプにより十分に所望の真空度を実現することができる。

例えば、本発明の実施例による外径の直径６０ｍｍのイオンポンプを電子線鏡筒１に設けた場合に、外径が６０ｍｍ強程度となるように電子線鏡筒１を構成することができる。一方で、現在、電子線鏡筒１に外付けできるものとして利用可能な市販のイオンポンプの大きさは、例えばポンプ単体で１８３×１０３×１８７ｍｍ程度であるから、本発明によるイオンポンプを電子線鏡筒１に設けることにより、電子線鏡筒１を従来の構成に比べて非常にコンパクトに構成することができる。

図６の（Ａ）及び図６の（Ｂ）は、それぞれ本発明の実施例による電子線装置に備えるスパッタイオンポンプのマルチセルアノードの第２及び第３構成例を示す図である。図６の（Ａ）に示すようにマルチセルアノード３０は、中空の円筒状電極である各アノードセル３１１〜３１４…同士を環状に並べた後に結合させて一体的に形成してもよい。
また図６の（Ｂ）に示すように、マルチセルアノード３０は、１つの環状電極Ａに複数の円孔Ｈ１〜Ｈ３…を空けることによって、一体的に形成してもよい。

図７の（Ａ）及び図７の（Ｂ）は、それぞれ本発明の実施例による電子線装置に備えるスパッタイオンポンプのマルチセルアノードの第４及び第５構成例を示す図である。マルチセルアノード３０の個々のアノードセルを環状かつハニカム状に配列することにより、１台のスパッタイオンポンプを構成するアノードセルの個数を増やして排気効率を高めてもよい。

別の言い方をすれば、一部のアノードセルＡ１１〜Ａ１３…と、他のアノードセルＡ２１〜Ａ２３…とを、それぞれ径が異なる環ＣＲ１及び環ＣＲ２の形に沿って配列してもよい（図７の（Ａ））。さらに別の言い方をすれば、各アノードセルＡ１〜Ａ３…は、環状領域ＡＲの周方向θ及び径方向Ｒに分布するように配列されてもよい（図７の（Ｂ））。
図６の（Ａ）や図６の（Ｂ）に示すように、マルチセルアノード３０を一体的に構成する場合でも、図７の（Ａ）及び図７の（Ｂ）に示すように複数のアノードセルを環状かつハニカム状に配列してよい。

なお、上記構成例では、マルチセルアノード３０を円環状に構成したが、電子線鏡筒１の外形に応じて、または電子線鏡筒１を収容する空間の内寸で許容される限りにおいて、矩形環状形状、５角環形状、６角環形状などの多角形形状の環状に構成してよい。

本発明は、真空領域内にて発生させた又は真空領域中を通る電子線を利用する電子線装置に利用可能である。特にこのような電子線装置において真空領域を排気するスパッタイオンポンプに利用可能である。

（Ａ）は従来の走査型電子顕微鏡の概略構成図であり、（Ｂ）は（Ａ）の走査型電子顕微鏡に設けられた電子線鏡筒とポンプの配置例を示す図である。 本発明による電子線装置に備えるスパッタイオンポンプの概略構成図である。 本発明の実施例による電子線装置に設けられる電子線鏡筒の立断面図である。 図３のＡ−Ａ断面における電子線鏡筒の平断面図である。 本発明の実施例による電子線装置に設けられるスパッタイオンポンプが実現する排気速度のシミュレート結果を示すグラフある。 （Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ本発明の実施例による電子線装置に備えるスパッタイオンポンプのマルチセルアノードの第２及び第３構成例を示す図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ本発明の実施例による電子線装置に備えるスパッタイオンポンプのマルチセルアノードの第４及び第５構成例を示す図である。

符号の説明

１ 電子線鏡筒
１０ 筐体
１１ 電子銃
１２ 第１真空室
１５ 第２真空室
３０、５０ マルチセルアノード
３２、３３、５２、５３ 陰極
３４、３５、５４、５５ 磁界発生手段
ＥＢ 電子線
Ｐ１ 第１スパッタイオンポンプ
Ｐ２ 第２スパッタイオンポンプ

Claims (10)

1. 電子線鏡筒内を排気するためのスパッタイオンポンプを備える電子線装置であって、
   前記スパッタイオンポンプのアノードは、複数の孔を有し、
   前記アノードの前記複数の孔が、前記電子線鏡筒内の真空室の周囲に環状に配列されることを特徴とする電子線装置。
2. 複数の前記孔を共通の陰極で挟むことを特徴とする請求項１に記載の電子線装置。
3. 共通の磁極により複数の前記孔に磁界を印加することを特徴とする請求項１に記載の電子線装置。
4. 前記アノードが複数の中空柱状電極により形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電子線装置。
5. 前記複数の中空柱状電極同士が結合されることを特徴とする請求項４に記載の電子線装置。
6. 前記複数の中空柱状電極を一体的に形成することを特徴とする請求項４に記載の電子線装置。
7. 前記アノードは、複数の孔が空けられた電極であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電子線装置。
8. 前記アノードが、複数の孔が空けられた環状電極であることを特徴とする請求項７に記載の電子線装置。
9. 前記孔が、径が異なる２つ以上の環に沿って配列されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の電子線装置。
10. 前記孔が、環状領域の周方向及び径方向に分布するように配列されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の電子線装置。

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