JP2821313B2 - 電子線照射装置 - Google Patents

電子線照射装置

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JP2821313B2
JP2821313B2 JP4130471A JP13047192A JP2821313B2 JP 2821313 B2 JP2821313 B2 JP 2821313B2 JP 4130471 A JP4130471 A JP 4130471A JP 13047192 A JP13047192 A JP 13047192A JP 2821313 B2 JP2821313 B2 JP 2821313B2
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【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は電子線装置に係り、特に
試料室を低真空状態に維持して試料を観察する走査電子
顕微鏡に関するものである。
【0002】
【従来の技術】走査電子顕微鏡は数万倍の倍率をもって
表面観察を行うのに好適な装置である。この表面観察を
行う際には、電子線が空気分子によって散乱されること
なく、試料に到達することが必要である。そのため走査
電子顕微鏡では電子線通路を真空状態とするために真空
ポンプによる真空引きが行われる。 一方、水分や油分を
含む試料は、真空領域内での時間の経過に従って、蒸発
が進行して蒸発に伴う表面形態の変化が進み、真の表面
観察が難しくなる。この課題を解決するために、高真空
を維持しなければならない電子源の周りを高真空状態と
し、水分等の蒸発が問題になる試料付近は低真空とする
走査電子顕微鏡が開発されるようになった。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】試料付近を低真空とす
る走査電子顕微鏡(低真空SEM)は、2つの異なる真
空(高真空と低真空)を作る必要があるので、例えば特
開昭54−124966号公報に開示された走査電子顕微鏡と比
較して、真空排気系の構造が複雑になるという問題があ
った。更に高真空用のポンプはある程度の真空値に達し
ないと、動作しないため、ある程度まで真空を引くため
のポンプを更に設ける必要があり、このことが真空系の
構造をより複雑なものとしてしまうという問題があっ
た。 また、特開昭54−124966号公報には、高真空排気を
行うための油拡散ポンプの背圧排気を行うためのポンプ
と、高真空排気を行うために行われる予備排気を同じポ
ンプで行うことについての開示があるが、このような構
成では予備排気を行っている間、油拡散ポンプの背圧を
排気することができなくなるので、予備排気中に油拡散
ポンプの油が逆流してしまい、試料の汚染等が問題とな
る。 本発明は上記課題を解決し、真空系の構造を簡単に
した走査電子顕微鏡の提供を目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明は、電子源と、該
電子源から放出される電子線を収束するためのレンズ系
と、試料を収容するための試料室を備え、当該試料室
を、前記電子源を収容する空間より低い真空に設定する
機能を備えた走査電子顕微鏡において、排気ポンプと前
記試料室間を連通する第1の排気系と、高真空排気ポン
プと前記電子源を収容する空間との間を連通する第2の
排気系と、前記排気ポンプと前記電子源を収容する空間
を連通すると共に前記第1と第2の排気系の一部を共有
する第3の真空系を備え、前記第1の排気系及び前記第
3の排気系を開放して前記排気ポンプを動作させ、前記
試料室の真空値が設定値に達した場合に前記第1の排気
系を遮断し、前記電子源を収容する空間の真空が前記高
真空排気ポンプの動作真空値に達した場合に前記第3の
排気系を遮断して前記第2の排気系を開放し前記高真空
排気ポンプを動作させるシーケンスが設定されているこ
とを特徴とする走査電子顕微鏡である。
【0005】
【作用】 上記構成によれば、排気ポンプによって試料室
と電子源を収容する空間の排気を並行して行い、試料室
の真空が設定値に達した場合には第1の真空系を遮断
し、電子源を収容する空間が高真空排気ポンプの動作設
定値に達した場合は第3の真空系を遮断して第2の真空
系を開放し高真空排気ポンプを動作させるようにしたの
で、高真空排気ポンプの予備排気と試料室の排気用のポ
ンプを共有することができる。また試料室と電子源を収
容する空間の真空引きを並列して行うことができるの
で、排気ポンプを共有のものとしても、走査電子顕微鏡
の排気立ち上げ時間の増加を防ぐことができる。 また2
つの排気ポンプの内の1つを高真空ポンプの背圧排気専
用ポンプとすることが可能になる。
【0006】
【0007】
【0008】
【0009】
【0010】
【0011】
【0012】
【実施例】光に比べて電子は電荷を持っているので周囲
の原子,分子との相互作用が大きいため高真空状態(〜
10-4Pa)でないと散乱が多くなり、試料に到達する
電子の数が少なくなる。そのため試料雰囲気を低真空度
としても電子銃から発生した電子は試料に到達するまで
の大部分は高真空状態として、試料に到達する直前で低
真空雰囲気でのガス分子との相互作用により試料表面に
帯電した電子を中和させて良質な像観察を行い、なおか
つ試料に合わせた最適な低真空度を設定できることが大
切である。
【0013】以下、図面を参照してこの発明の一実施例
について説明する。
【0014】図1に実施例の全体を示す。電子銃部1
は、フィラメント2とフィラメント2を加熱し、フィラ
メント2に負電位を印加する電源3より構成される。加
熱されたフィラメント2より放出された熱電子は収束レ
ンズ系4により微細ビームに集束、対物レンズ5により
試料6表面に最小スポットとして照射される。この動作
は高真空状態でも低真空状態でも同一である。排気系は
電子銃部1内を排気する排管7とレンズ系4及び対物レ
ンズ5の電子線通路部を排気する排管8が真空排気ポン
プ9にバルブ10を介し接続されている。排気ポンプ1
2bは、ポンプ9の背圧を排気するものである。なお大
気よりの予備排気にはバルブ11を介し、排気ポンプ1
2aに接続されている。試料室13は電子銃部1および
レンズ系4および5の高真空部と分離するため、オリフ
ィス14(0.1〜0.2mmφ)を設けている。低真空雰
囲気状態ではバルブ15で高真空部と分離しバルブ16
により排気ポンプ12aに接続されている。試料室13
内の真空度は真空計17により検出される。また、低真
空度設定のため排気ポンプ12aの排気容量とのバラン
スをとるためニードルバルブ18の開閉により、ガスを
試料室13内に導入する。なお試料室13内を高真空で
使用する場合、ニードルバルブ18との間にバルブ19
を設けている。試料室13内の真空度は真空計17によ
る出力信号を外部真空度表示メータ20を介し、比較部
21に入る。一方設定したい低真空度の基準信号を真空
度設定部22により設定し、その基準信号も比較部21
に入れ、前記試料室13内真空度の出力信号との比較を
行いその差を増幅し、モータ制御部23で信号レベルを
判断し、モータ24に回転方向の指示を与え比較部21
の信号差が零になるまでモータ24が回転し、ニードル
バルブ18を回転させ導入ガス量を制御する。この制御
により電子銃1を含む高真空部が、例えば10-3〜10
-4Paに維持したまま、試料室13の真空度を1〜数百
Paまで可変できる。前記各バルブ全てをシーケンスを
組むことにより簡単に低真空状態または高真空状態を実
現できる。低真空での排気立上時の各バルブ状態はバル
ブ11および16が開、その他のバルブは閉の状態で排
気ポンプ12aで排気される。試料室13内の設定下限
値(たとえば270Pa)になるとバルブ16が閉とな
り試料室13内の真空度は設定下限値で保持される。高
真空部は排気ポンプ12aで排気を続け、高真空排気ポ
ンプ9の動作範囲まで排気された事を、真空計25の信
号で判断し、バルブ11を閉としバルブ10を開として
高真空排気を行う。一方並行してバルブ10が開の信号
によりバルブ16およびバルブ19が開となり、あらか
じめ設定した真空度まで自動設定を行う。
【0015】図2はオリフィスの交換機構の一実施例を
示す。オリフィスは電子線と残留ガスの相互作用により
汚れるため、電子線に影響をおよぼすことから、一定時
間使用後はクリーニング又は交換の必要がある。本発明
ではオリフィスを試料側、即ち図面の下方に引き出す如
き構成を有するので、交換は電子銃1及びレンズ系4、
対象レンズ5を取り外すことなく簡単に交換できる。
【0016】実施例として、対物レンズ5の両磁極間に
オリフィス設定用金具26が真空シール27を介し固定
されている。オリフィス14は固定金具29によりオリ
フィスブロック30にセットされて、オリフィス14,
固定金具29と一体化されている。ブロック30は設定
用金具26にネジ込みにより固定されている。オリフィ
ス取外しはブロック30を治具を用いて取外すことによ
り簡単に交換できる。図3にオリフィス上下機構の一実
施例を示す。オリフィスから試料面までの間は低真空領
域で、前述の電子がガス分子との相互作用を行う領域で
ある。試料からの水分等の蒸発を抑えるため、低真空を
例えば270Pa程度とすると水分の蒸発速度は相当遅
くなり、試料表面をより真の形態に近い状態で観察でき
るが、一方ではガス分子と電子の相互作用の確率が非常
に高くなり、散乱電子が多くなり微細構造の観察に制限
を受けるため、高倍率での観察が難しくなってくる。
【0017】ここで低真空度を保ちながらオリフィス1
4をより試料面に近づけ、電子とガス分子の相互作用の
確率を試料表面に帯電した電子を中和できる程度まで近
づけることにより、散乱電子の数を大幅に減少させて、
より微細構造の観察を水分が蒸発しにくい雰囲気で高倍
率での観察を可能にした。
【0018】歯車A31は真空外部より自由に回転でき
る構造となっている。また、歯車B32は歯車A31と
噛み合い、歯車B32にはピン33が固定されている。
歯車B32の内径の穴にはブロック30が挿入されてい
る。ブロック30にはピン33に合った螺旋状の溝が切
ってあり、溝にはピン33が入っている。ブロック30
にはオリフィス14が固定金具29により固定されてい
る。またブロック30にはガイドピン34が通る溝が設
けられ、回転しないようになっている。反射電子検出器
28は試料6とオリフィス14間に設けてある。真空外
部より歯車A31を回転させることにより、噛み合って
いる歯車B32が回転し、歯車B32に固定されているピ
ン33も回転する。ピン33が回転するとピン33が入
っているブロック30の溝の位置が変わるため、試料6
とオリフィス14の間の距離が変化する。
【0019】図4に図1の試料室13を高真空状態と低
真空状態の真空バルブの開閉状態を示す。このように各
真空バルブをあらかじめ設定したシーケンスに従い、開
閉動作させることにより高真空状態,低真空状態を簡単
に実現できる。
【0020】なおこのシーケンスに連動して、切り替え
時電源3をOFFとすることで電子銃の放電等による事
故を防ぎ、装置の安全性を保つ動作を与えている。
【0021】また、低真空状態での大気からのシーケン
スに従った排気動作中において試料室13の真空が、可
変設定下限に達するとバルブ16が閉となり、一時試料
室13の真空度を保持したままバルブ11開の状態で高
真空排気ポンプ9が動作可の真空度まで排気ポンプ12
aで排気し、前記真空度に達するとバルブ11が閉とな
り、バルブ10開で高真空排気を行う。同時にバルブ1
6,バルブ19が開となり、あらかじめ比較部21で設
定した真空度まで排気ポンプ12aとニードルバルブ1
8により実現する。
【0022】この動作により、低真空状態での大気から
のシーケンスに従った排気動作中において、試料室13
が設定真空度以上に高真空になり、不必要な水分蒸発が
起こることを防止し、真の形態の観察を実現できる。
【0023】
【発明の効果】本発明によれば、試料室の真空を電子源
の周囲に比べて低く設定する走査電子顕微鏡において、
走査電子顕微鏡に必要な排気立ち上げ時間の増加を抑制
しつつ、必要なポンプの数を減らすことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の全体構成図である。
【図2】本発明の一実施例の部分図である。
【図3】本発明の一実施例の部分図である。
【図4】本発明の一実施例の表を示す図である。
【符号の説明】
1…電子銃、2…フィラメント、3…電源、4…レンズ
系、5…対物レンズ、6…試料、7…排管、8…排管、
9…高真空排気ポンプ、10…バルブ、11…バルブ、
12a,12b…排気ポンプ、13…試料室、14…オ
リフィス、15…バルブ、16…バルブ、17…真空
計、18…バルブ、19…バルブ、20…真空度表示メ
ータ、21…比較部、22…真空度設定部、23…モー
タ駆動制御部、24…モータ、25…真空計、26…設
定用金具、27…真空シール、28…反射電子検出器、
29…固定金具、30…ブロック、31…歯車A、32
…歯車A、33…歯車B、34…ピン、35…ガイドピ
ン。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭56−38756(JP,A) 特開 平1−183047(JP,A) 特開 昭54−124966(JP,A) 実開 平1−115151(JP,U) 実開 昭59−71561(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01J 37/16 - 37/18 H01J 37/28

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】電子源と、該電子源から放出される電子線
    を収束するためのレンズ系と、試料を収容するための試
    料室を備え、当該試料室を、前記電子源を収容する空間
    より低い真空に設定する機能を備えた走査電子顕微鏡に
    おいて、排気ポンプと前記試料室間を連通する第1の排
    気系と、高真空排気ポンプと前記電子源を収容する空間
    との間を連通する第2の排気系と、前記排気ポンプと前
    記電子源を収容する空間を連通すると共に前記第1と第
    2の排気系の一部を共有する第3の真空系を備え、前記
    第1の排気系及び前記第3の排気系を開放して前記排気
    ポンプを動作させ、前記試料室の真空値が設定値に達し
    た場合に前記第1の排気系を遮断し、前記電子源を収容
    する空間の真空が前記高真空排気ポンプの動作真空値に
    達した場合に前記第3の排気系を遮断して前記第2の排
    気系を開放し前記高真空排気ポンプを動作させるシーケ
    ンスが設定されていることを特徴とする走査電子顕微
    鏡。
  2. 【請求項2】請求項1において、前記高真空排気ポンプ
    には、背圧排気用の排気ポンプが設けられていることを
    特徴とする走査電子顕微鏡。
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