JP2011029044A - 真空排気方法及び真空装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、放出ガスの発生個所であると考えられる摺動部から放出される放出ガスを高効率、且つ簡単な構成で除去する真空排気方法及び真空排気装置の提供にある。
【解決手段】上記目的を達成するための一態様として、真空室内に移動装置を備えた真空装置において、前記移動装置の移動に伴って、摺動する摺動機構を備え、当該摺動機構の被摺動部を、活性金属材料を含むゲッタ面とし、摺動部を当該ゲッタ面を摩擦する摩擦部材とすることを特徴とする真空装置、及び移動機構の移動に伴って、活性金属材料表面を摩擦することで、ゲッタ面を新生する真空排気方法を提案する。
【選択図】 図２

Description

本発明は真空排気方法、及び真空装置に係り、特に移動機構を備えた真空装置に好適な真空排気方法、及び装置に関する。

電子ビームを試料上に走査して、得られた二次電子または反射電子像により試料上に形成されたパターンまたはコンタクトホールの寸法及び形状の測定，観察する荷電粒子線装置は半導体素子の微細化が進むにつれて、その役割の重要性が増している。

半導体の検査等に用いられる荷電粒子線装置において、単位時間当たりの測定処理枚数を示すスループットは装置性能を判断する際に大きな目安の一つであり、装置性能の向上にはスループット向上は欠かせない項目となっている。このスループット向上には測定に関わる様々な部分の時間短縮が求められるが、このうち測定及び観察対象のウエハを所望の位置へ移動させる機構のスピードアップも欠かせない。

しかし、真空雰囲気内で移動機構が動くたびに摺動部分からガスが放出され、スピードアップする事により更に多くのガスが放出される場合がある。半導体測定、或いは検査用の荷電粒子線装置において、真空中の移動機構からの放出ガスは、装置内の真空の劣化や観察対象のウエハや試料への付着が懸念されるため、速やかな除去が望まれる。

特許文献１には、試料ステージ等の移動機構の摺動部に加熱精製された潤滑剤を適用することで、放出ガスの抑制を実現する手法が開示されている。また、特許文献２には、試料に付着した放出ガスを、加熱によって除去する手法が開示されている。更に、特許文献３には、真空室の圧力、或いは温度変化に応じて、冷却機構を用いた汚染除去を行う手法が開示されている。

特開２００７−１４１７４１号公報 特開２００７−１４９５７１号公報 特開平１０−１２１７３号公報

上述のように荷電粒子線装置内の移動機構が動くことにより放出されるガスは装置内の真空の劣化や試料への付着が懸念される。特許文献１には、放出ガスの発生原因である潤滑剤の改良により、放出ガスそのものの発生を抑制する手法が、特許文献２，３には、放出ガスが付着したときに、それを除去する手法が説明されているが、放出されたガスを試料付着前に高効率に除去するという点において、必ずしも十分なものではなかった。特許文献２に開示の手法は、一端付着してしまったガス分子を加熱によって除去するものであり、付着前の除去を目的とするものではない。また、特許文献３に開示されているように圧力低下を検知した上でガス分子をトラップする手法では、ガス分子が真空室内に存在することを検知した上で、放出ガスを除去することになるため、試料付着前の放出ガス除去という観点では十分なものではない。また、冷却機構，圧力低下を検知するセンサ、及びセンサによる圧力低下の検知に基づいて冷却気候を制御する制御装置等の構成も必要となる。

以下に、放出ガスの発生個所であると考えられる摺動部から放出される放出ガスを高効率、且つ簡単な構成で除去することを目的とする真空排気方法及び真空排気装置について説明する。

上記目的を達成するための一態様として、真空室内に移動装置を備えた真空装置において、前記移動装置の移動に伴って、摺動する摺動機構を備え、当該摺動機構の被摺動部を、活性金属材料を含むゲッタ面とし、摺動部を当該ゲッタ面を摩擦する摩擦部材とすることを特徴とする真空装置、及び移動機構の移動に伴って、活性金属材料表面を摩擦することで、ゲッタ面を新生する真空排気方法を提案する。

上記構成によれば、移動装置の移動に伴って発生する放出ガスを高効率に除去することが可能となる。

移動機構の摺動部を真空排気用のゲッタ面とした構造の一例を説明する図。 真空排気機能を備えた移動テーブル（試料ステージ）の概略説明図。 走査電子顕微鏡の概略説明図。 移動機構の摺動部を真空排気用のゲッタ面とした構造の一例を説明する図であって、摺動パッドに山切りカットを施した例を説明する図。 摺動パッドの押し付け力を制御するために押し付け機構と、押し付け力センサを備えた真空排気機構の一例を説明する図。 摺動パッドを水平方向に押し付ける押し付け気候を備えた真空排気機構の一例を説明する図。 磨耗粉を真空用液体に捕獲させ飛散を防止する機能を備えた真空排気機構の一例を説明する図。 磨耗粉を溜め込むための溝を設けた真空排気機構の一例を説明する図。 ブレーキ機構と真空排気機構を兼用した構成を説明する図。

従来からこのような荷電粒子線装置内の真空の劣化に対する課題に関し、様々な提案がなされている。移動機構動作時の放出ガスを防ぐためには、根本原因であるガス放出の少ない摺動部の開発が望まれる。しかし、摺動部からのガス放出を完全に防ぐことは非常に困難である。ガスの発生源近くに真空ポンプの排気口を近づけ発生したガスを直ぐに排気する方法も考えられるが、荷電粒子線装置内は移動機構の他に、種々のセンサが取り付けられるほか、様々な配管，配線などにより必ずしも真空ポンプの取り付け位置を優先した構造とすることは難しい。

以下の説明は、主として真空装置内に移動機構の可動子の運動を真空排気に利用する方法、並びにその機能を備えた荷電粒子線装置に関するものである。より具体的には、真空容器（真空室）内に移動機構を有する装置において、移動機構の運動よって活性金属材料の表面を摩擦することで、活性金属材料の表面に新生面を作り出し、この活性金属材料の新生面をゲッタ面とし、真空排気ポンプ作用を作り出す装置に関するものである。また、このような真空排気ポンプ作用を有する移動機構を荷電粒子線装置に備えることにより、移動機構の摺動部から放出されるガスを直近で排気することができる。

真空装置内に設置される移動機構の運動より活性金属材料の表面を摩擦し、金属材料表面に新生面を作り出すことで、この活性金属材料の新生面を真空排気ゲッタ面とする。これにより発生ガスを発生源近傍で排気することが可能となる。以下、真空排気機能を備えた移動機構の詳細を図面を用いて説明する。

図１は、直線移動機構における可動子３に摺動パッド１を取り付け真空排気摺動材２を摩擦する機構の説明図である。真空装置内に設置された直線移動機構において、直線駆動機構４によって移動する可動子３に摺動パッド取付部５を介し摺動パッド１を取り付ける。真空排気摺動材２は、摺動パッド１に接触し摺動パッド１の移動方向に移動量の長さ分配置された活性金属材料の板材とする。これにより可動子３が移動するたびに摺動パッド１と真空排気摺動材２が摩擦される。この摩擦によって、活性金属材料の真空排気摺動材２の最表面には、新生面が作り出される。活性金属材料の新生面は、化学的に非常に活性であるために気体分子を物理吸着するゲッタ面となり真空排気の機能を有し、結果として真空ポンプとして利用することができる。すなわち、ガス発生源である摺動部をガス吸収源に変えることができる。好ましくは摺動パッド１は、真空排気摺動材２より硬質な部材とすることで、摺動部として効果的にゲッタ面（被摺動部）を形成できるようにする。

なお、上述の例では、可動子３（移動する側の構成）に摩擦部材である摺動パッド１を取り付け、真空室内壁側（移動しない側の構成）に、真空排気摺動材２を取り付ける例について説明したが、これに限られることはなく、移動する側の構成に、真空は行き摺動材を設置し、移動しない側の構成に摺動パッド１を設置するようにしても良い。

以上のように、摺動に伴ってゲッタ面が新生されるような構成によって、ガスが放出されると考えられる試料ステージの移動時に選択的にゲッタ面を新生することが可能となる。また、試料ステージ等のガス放出源に沿ってゲッタ面を配置することができるので、試料ステージの移動に伴って発生する放出ガスを高効率に除去することが可能となる。

なお、以下の実施例では、試料ステージが直線状に移動する試料ステージを例にとって説明するが、これに限られることはなく、例えば、Ｚ方向（荷電粒子線の光軸方向）やＲ，θ方向に移動する試料ステージ、或いは傾斜ステージに上述のような摺動パッド１と真空排気摺動材２の組み合わせを適用するようにしても良い。その場合、ステージの移動軌道に沿って真空排気摺動材２を設けるようにすると、上述のようにゲッタ面を放出ガスの発生源に沿って、設置することが可能となる。

図２は真空排気機能を備えた移動テーブルの一例を説明する図である。直線案内６の可動子３を介して取り付けられたテーブル７はボールネジなどの直線駆動機構４によって直線案内６に沿った直線運動が可能である。この可動子３に摺動パッド取付部５を取り付け、摺動パッド１が活性金属材料で作製した真空排気摺動材２に接触するよう配置する。これによってテーブル７の移動と共に、摺動パッド１は真空排気摺動材２を摩擦し、真空排気摺動材２表面に真空ポンプ作用を発生させることができる。図２において可動子３が移動する際、直線案内６との摩擦でガスが発生するが発生源の直近に設けられた真空排気摺動材２によって排気が可能になる。真空排気摺動材２の排気能力を向上させるには摺動パッド１との接触面積を増やしたり、摺動パッド１の摩擦回数を増やすなどの方法がある。

上述したような直線移動テーブルは、テーブルの移動方向を直行させ上下に配置すれば、Ｘ−Ｙステージとなる。図３には、そのＸ−Ｙステージを搭載した半導体検査用の荷電粒子線装置の例を示す。図３では、試料室１０にＸ−Ｙテーブルが設置されている。

荷電粒子線装置は、電子銃室８，コンデンサレンズ室９，試料室１０が配置され、コンデンサレンズ室９と試料室１０の間は中間室１１となっている。試料室１０には隣接して予備排気室１２があり、上部には試料交換室１３が設置される。電子銃室８には、電子銃１４，引出電極１５，加速電極１６及び固定絞り１７が、コンデンサレンズ室９にはコンデンサレンズ１８が、中間室１１には偏向コイル１９，対物レンズ２０および対物レンズ絞り２１が設置される。電子銃室８は真空ポンプ２４，２５で、コンデンサレンズ室９は真空ポンプ２６で真空排気が行われ、安定した電子線２９が得られるようになっている。試料室１０は真空ポンプ２８により真空排気され、中間室１１は排気バイパス３２を経て試料室１０に繋がり真空ポンプ２８によって排気される。

予備排気室１２は真空ポンプ２７によって排気される。ウエハ３６は、始め試料交換室１３に入れられ、ゲートバルブ２２を経て予備排気室１２へ移動し、ゲートバルブ２３を開けることにより、Ｙ軸テーブル３５上に移載される。Ｙ軸テーブル３５の下にはＸ軸テーブル３４が有り、ウエハ３６の表面の観察位置を自在に移動させることができるようになっている。中間室１１には電子線２９を照射した時に、ウエハ３６の表面からの二次電子または反射電子３０を検出する反射電子・二次電子検出器３１が取り付けられており、得られた情報から顕微鏡画像が作成される。

本実施例は真空排気ポンプ作用を有する直線移動テーブルによってＸ−Ｙテーブルを構成している。これにより、テーブル動作時に摺動部から発生するガスは発生源近くに設置された真空排気ポンプ作用を持つ活性金属によって排気され、試料室１０内の真空の劣化や汚染を防止できる。また、試料室１０内の真空圧力を測定している試料室真空計３３の測定値を利用して、装置がアイドリング状態で試料室真空計３３の値が任意に設定した値よりも高くなった場合、Ｘ軸テーブル３４及びＹ軸テーブル３５を自動で移動させ、図２で示した真空排気摺動材２を摩擦させ新生面を作り出すようにしても良い。

なお、本実施例では、試料に電子ビームを照射する走査電子顕微鏡を例にとって説明したが、これに限られることはなく、ヘリウムイオンや液体金属イオン等を試料に照射するイオンビーム装置への適用も可能である。

図４は、真空排気機能を備えた移動機構の他の例を説明する図である。図１の構成において、真空排気摺動材２の表面の新生面を出しやすくするため摺動パッドの例を示す。図４は山切りカットを施した切り欠き付き摺動パッド３７を示す。この切り欠きは角型の凸凹でも良いし、半円の凸凹でも良い。また、図４の切り欠き付き摺動パッド３７の山切りカットは可動子３の移動方向に対し直交する直線状であるように示してあるが、波型にしても良い。図１に示した摺動パッド１及び切り欠き付き摺動パッド３７の材質は、真空排気摺動材２の材質より硬い方が望ましい。また、このような摺動パッド形状とすることにより、パッドの凹部に磨耗粉を捕獲して飛散を防止する効果が得られる。

図５は、長期間の装置稼動を可能とした移動機構の概略を説明する図である。すなわち、真空排気摺動材２と摺動パッド１の磨耗の進行によって、接触圧力が極端に減少したり接触しなくなる事態の発生が考えられる。このため図５では図１の構成に加え、摺動パッド１の押し付けを制御するため摺動パッド取付部５に伸縮機能を持たせた押し付け機構３８と押し付け力検出センサ３９を具備した。これにより真空排気摺動材２が消耗し厚さが無くなるまで真空排気摺動材２の新生面作成が可能となる。また、押し付け力を制御することで、可動子３の減速ブレーキや停止位置を保持するための停止ブレーキとしても活用でき、Ｘ−Ｙテーブルにおいての減速及び停止ブレーキとしての利用も可能となる。なお、押し付け機構３８と押し付け力検出センサ３９の位置関係は入れ替わっても良い。

図６は更に他の形態を説明する図である。図６は上述した構造とは異なり、摺動パッド１を水平方向へ押し付ける例を示している。図１に示した摺動パッド１を上から下へ押し付ける形態では、磨耗粉は真空排気摺動材２の上にそのまま残ってしまい摺動パッド１が移動する際、磨耗，研削粉を飛散させてしまう可能性がある。図６で示したように水平方向押し付け方法にすれば、磨耗粉は重力によって下方に落ちるため、移動する摺動パッド１によっての飛散を抑えることができる。また、図６の構成において真空排気摺動材２を可動子３側に配置し、摺動パッド１が押さえつける方向を逆向きにしても良い。

図７は更に他の形態を説明する図である。図７は、水平方向に押し付ける方式において、摺動パッド１と真空排気摺動材２の摺動部直下に真空用の低蒸気圧の液体を塗布することによって、この真空用液体塗布部４０に磨耗粉を捕獲させ飛散を防止することが特徴である。用いる液体は真空中でも蒸発しにくい真空用の液体であれば良い。例えば人工衛星の可動部を潤滑するためのパーフルオロアルキルポリエーテル（ＰＦＰＥ：Perfluoroalklyl Polyether）と呼ばれるフッ素系のオイルや炭化水素系の多アルキルシクロペンタン（ＭＡＣ：Multi-Alkylated Cyclopentane）オイルなどの極低蒸気圧（室温で１０^-10Ｐａ程度）の液体がある。また、特異な性質を持つイオン液体も蒸気圧が非常に低く真空中で蒸発しにくいため、本実施の形態に利用できる。

図８は、磨耗粉を溜め込むための溝を設けた例を説明する図である。摺動パッド１と真空排気摺動材２の摺動部直下に磨耗粉溜め込み溝４１を設け、この溝に落下した磨耗粉を溜め込むことで磨耗粉の飛散防止を図る。また、この溝に（実施の形態７）で示したように真空用液体塗布部４０を設け磨耗粉を積極的に捕獲することで、更に飛散防止を図ることができる。図８で示した磨耗粉溜め込み溝４１は角型だが丸型や三角型の溝でも良く、磨耗粉溜め込み溝４１に溜まった磨耗粉は装置メンテナンス時などに取り除き、その後、新たに真空用液体を塗布しておけば良い。

図９は、可動子３と摺動パッド１との間に、板ばね４２を介在させることで、当該板ばね４２を押圧機構とした例を説明する図である。特に電子顕微鏡のような高倍率にて試料を測定，観察する装置では、試料ステージの停止後もドリフトが発生する可能性がある。そのためにステージをステージ移動方向とは垂直な方向から、ステージを押圧し停止後に生じるドリフトを抑制するブレーキ機構が備えられるものがある。図９は摺動パッド１を、板ばね４２の押圧力をもって真空排気摺動材２に押圧することで、ブレーキ機構と真空排気機構を兼ねることが可能となる。

１ 摺動パッド
２ 真空排気摺動材
３ 可動子
４ 直線駆動機構
５ 摺動パッド取付部
６ 直線案内
７ テーブル
８ 電子銃室
９ コンデンサレンズ室
１０ 試料室
１１ 中間室
１２ 予備排気室
１３ 試料交換室
１４ 電子銃
１５ 引出電極
１６ 加速電極
１７ 固定絞り
１８ コンデンサレンズ
１９ 偏向コイル
２０ 対物レンズ
２１ 対物レンズ絞り
２２，２３ ゲートバルブ
２４〜２８ 真空ポンプ
２９ 電子線
３０ 反射電子・二次電子
３１ 反射電子・二次電子検出器
３２ 排気バイパス
３３ 試料室真空計
３４ Ｘ軸テーブル
３５ Ｙ軸テーブル
３６ ウエハ
３７ 切り欠き付き摺動パッド
３８ 押し付け機構
３９ 押し付け力検出センサ
４０ 真空用液体塗布部
４１ 磨耗粉溜め込み溝

Claims (7)

1. 真空室内に移動装置を備えた真空装置において、
   前記移動装置の移動に伴って、摺動する摺動機構を備え、当該摺動機構の被摺動部を、活性金属材料を含むゲッタ面とし、摺動部を当該ゲッタ面を摩擦する摩擦部材とすることを特徴とする真空装置。
2. 請求項１において、
   前記活性金属材料より、前記摩擦部材を硬い材料で構成したことを特徴とする真空装置。
3. 請求項１において、
   前記摩擦部材の前記ゲッタ面との接触部に、切り欠きを設けたことを特徴とする真空装置。
4. 請求項１において、
   前記摩擦部材の前記ゲッタ面に押圧する力を制御する制御装置を備えたことを特徴とする真空装置。
5. 請求項１において、
   前記活性金属材料の下方に、溝を設けたことを特徴とする真空装置。
6. 請求項１において、
   前記活性金属材料の下方に、低蒸気圧液体を塗布したことを特徴とする真空装置。
7. 移動装置が設けられた真空室の真空排気を行う真空排気方法において、前記移動装置の移動に伴って、活性金属材料に摩擦部材を摺動させ、当該活性金属材料の摩擦面をゲッタ面とすることを特徴とする真空排気方法。

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