JP3714810B2

JP3714810B2 - 電子線装置

Info

Publication number: JP3714810B2
Application number: JP37383598A
Authority: JP
Inventors: 昭光大蔵; 政司木村; 裕貴野中; 剛小柏
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-12-28
Filing date: 1998-12-28
Publication date: 2005-11-09
Anticipated expiration: 2018-12-28
Also published as: JP2000195454A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子線装置に係り、特に走査電子顕微鏡や電子線描画装置に用いるに好適な電界放出型電子銃を備えた電子線装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電界放出型電子銃は、従来のヘアピン形熱電子銃に比較して極めて高輝度かつ小さい電子源を有するため、電子顕微鏡や電子線描画装置等の電子線装置に用いるとその性能は飛躍的に向上する。特に最近は、走査形電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope、以下ＳＥＭと略す）の電子銃に用いられ、超高分解能ＳＥＭとして威力を発揮している。
図７は、従来のショットキーエミッション（Schottky Emission）タイプの電界放出型電子銃を備えた粒子線装置の電子銃部１と電磁レンズ部２の概略構成図である。電子銃部１は、電子銃室３と、高圧導入碍子４及び各電極とイオンポンプＩＰ１等から成る。
【０００３】
ショットキーエミッションタイプの電界放出型電子銃は、主として針状陰極（チップ）６、サプレッサ電極７、第１陽極８、第２陽極９等より成る。針状陰極６と第１陽極８間には、引出し電圧Ｖ₁を印加し、この電界により針状陰極６から電子１１を放出せしめる。これら電子１１の一部は第１陽極孔１２を通過し、針状陰極６と第２陽極９との間に印加された加速電圧Ｖ₀によって加速される。なお、第２陽極９はアースＥと同電位になっている。また、サプレッサ電極７は、針状陰極６のフィラメントを加熱電源Ｖｆで加熱することによって放出される不要な熱電子を抑制するための電極である。これに負のサプレッサ電圧Ｖｓが印加される。
【０００４】
加速電圧Ｖ₀により加速された電子は、第１陽極８と第２陽極９により形成される静電レンズ作用により第２陽極孔１７を通過して下方に収束される電子ビーム１８となる。この電子ビーム１８は、一般には静電レンズ下方に付設された電磁レンズ１９により、所望の位置に焦点を結ぶように構成される。
このような構成において、電子銃室３は、通常、イオンポンプＩＰ１で１０^-7Ｐａ以下の真空度（圧力）に維持される。また、電磁レンズ部２の電磁レンズ室２０は、イオンポンプＩＰ２で１０^-6Ｐａ以下の真空度（圧力）に維持されている。なお、電子銃部１のイオンポンプは１台に限らず、複数台設けられている場合もあるが、ここでは１台のみで構成されている場合を例にとり説明する。
【０００５】
さて、これらの真空度を維持するためには、最終的に到達真空度を得る排気過程で、ベーキング用電源２２，２３と加熱ヒータ２４，２５等により電子銃室３、電磁レンズ室２０及び各イオンポンプＩＰ１，ＩＰ２の加熱脱ガス（ベーキング）が行われる。
従来技術では、このベーキングは電子銃室３、電磁レンズ室２０及び各イオンポンプＩＰ１，ＩＰ２とも同時に行っていた。ところが、ベーキングを終了して数日経つと、電磁レンズ部２の真空度は次第に悪くなり、そのまま放置したり、室温が高くなると、２桁以上も悪くなることがある。これは、電子銃部１が放出ガスのできるだけ少ない超高真空用部材で構成されているのに対し、電磁レンズ部２は、必ずしもすべて超高真空用部材を使用している訳ではないことによる。例えば、電磁レンズ下方のエアーロック装置２６にはＯリング２７を使用するなど、機能性やコストも配慮した構成部材を使用している。また、これらの構成部材からの放出ガスだけでなく、エアーロック装置２６下方より流入してくるガスも加わるので、電磁レンズ室２０の真空劣化は電子銃室３よりずっと早くなる。
【０００６】
電磁レンズ室２０の真空が劣化すると差動排気のバランスが崩れ、電子銃室３にも影響を与える。例えば、針状陰極６の表面にガスが吸着して電子銃の輝度の低下や電子ビームが不安定になる原因となる。あるいは、電子ビームを出している間に高圧放電を生じ、針状陰極６が破損する原因ともなる。さらに、電磁レンズ室２０の真空劣化によりイオンポンプＩＰ２からのイオンの散乱が増大し、電磁レンズ下方の試料室にまで侵入して、ＳＥＭ像にノイズを発生させる原因となることがある。このため、従来技術では、電磁レンズ部２の真空度がある所定の値、例えば７×１０^-5Ｐａより悪くなったら、電子銃部１と電磁レンズ部２を同時にベーキングし、真空度を回復させていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに、電子銃部と電磁レンズ部を同時にベーキングする方法では、いったん電子銃からの電子ビーム出しを中断しなければならない。ショットキーエミッションタイプの電子銃の場合は、電子ビーム出しを中断すると、再度の電子ビーム出しの際、安定するのに長時間を要する場合がある。また、陰極を加熱しない、いわゆるコールドエミッション（冷陰極）タイプの電界放出型電子銃では、ベーキング後に陽極表面からの放出ガスを徹底的に枯渇させないとチップノイズや電子ビームの経時変化が大きくなるといった難点がある。いずれの場合も、電子銃部と電磁レンズ部を同時にベーキングすることによる時間的なロスは非常に大きいという問題があった。
【０００８】
本発明の目的の一つは、上記した従来技術の欠点を無くし、効率よく電磁レンズ室の真空度を回復させるための手段と方法を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、長時間安定に動作する電界放出型電子銃を備えた電子線装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明では、電界放出型電子銃とその下方の電磁レンズ部とを真空的に仕切るための手段を設ける。この仕切り手段は、電子銃と電磁レンズの光軸に対して随時移動可能となるよう構成する。仕切り手段は、少なくとも１個の絞り孔を有する絞りを兼備したり、電子銃からの電子ビームを検出できる構成とし、電子流検出器としての機能も付加することができる。これにより、従来長時間かかっていた電子線装置全体のベーキング時間を短縮し、効率化するとともに、電磁レンズ室の真空度劣化に伴うノイズ混入や、電子ビームが不安定になる現象を防止し、Ｓ／Ｎのよい走査像が得られるようにすることができる。
【００１０】
すなわち、本発明の電子線装置は、電界放出型電子銃を収容する電子銃室と、その下方に設けられた電磁レンズを収容する電磁レンズ室と、電子銃室を真空排気する第１のイオンポンプと、電磁レンズ室を真空排気する第２のイオンポンプと、電子銃室及び第１のイオンポンプを加熱脱ガスする手段と、電磁レンズ室及び第２のイオンポンプを加熱脱ガスする手段とを備えた電子線装置において、電子銃室と電磁レンズ室との間を真空的に仕切る仕切り手段を設けたことを特徴とする。
【００１１】
仕切り手段は、少なくとも１個の絞り孔を兼ね備えることができ、また、電子銃からの電子流を検出する手段を兼ね備えることができる。仕切り手段は、真空外より電子線の光軸を横切る方向の複数位置に移動可能とするのが好ましい。前記複数位置は、封止位置、絞り位置等に対応する。
また、電磁レンズ室のイオンポンプ側にイオンポンプからのイオンを遮蔽する手段を設けることができる。このイオン遮蔽手段は、イオンポンプの排気コンダクタンスをあまり低下させることなくイオンポンプからの浮遊イオンを遮蔽することができるものであり、真空状態が良いときにはイオンポンプの排気コンダクタンスが最大となる位置に退避可能なように可動に取り付けられているのが好ましい。
【００１２】
本発明による電子線装置の脱ガス方法は、電界放出型電子銃を収容する電子銃室と、その下方に設けられた電磁レンズを収容する電磁レンズ室と、電子銃室を真空排気する第１のイオンポンプと、電磁レンズ室を真空排気する第２のイオンポンプと、第２のイオンポンプを加熱脱ガスする手段とを備えた電子線装置の脱ガス方法において、電子銃室と電磁レンズ室との間を真空的に仕切り、電子銃室とは独立に第２のイオンポンプを加熱脱ガスすることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明は、電界放出型電子銃から放出された電子線をイオンポンプで真空排気された空間を通して試料に照射する際のイオンポンプからの浮遊イオンの影響を検出する方法において、イオンポンプの吸入側に設けられたイオン遮蔽手段によるイオン遮蔽能力を変化させたとき試料に流れる試料電流の変動を検出することを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳述する。以下の図において、図７と同一部材を意味する部分には、図７と同一の番号を付して示す。
図１は、本発明による電子線装置の一実施の形態を示す構成概略図である。図１において、針状陰極６、第１陽極８など、電子銃室３の内部の構成部材は図７に示した従来技術と同じであるが、本実施の形態では、電子銃部１と電磁レンズ部２の間を真空的に仕切ることのできる仕切り装置２８を設けている。仕切り装置２８は、電子銃室３の下面（すなわち電磁レンズ１９の上面）に位置し、電子銃室３の下面をスライドして電子銃と電磁レンズの中心軸すなわち光軸上に真空外部からセットできるようになっている。この仕切り装置２８の先端部の仕切り板２９は、光軸の開口部３０をふさぐ形で電子銃下面側と接触し、開口部３０の排気コンダクタンスが実質的にほとんど無視できるくらいに小さくなるよう作用する（必ずしも完全に真空的に遮断されていなくてもよい）。
【００１５】
仕切り装置２８で電子銃室３と電磁レンズ室２０の間の開口部３０をふさぐ位置に移動することにより、電磁レンズ部２のイオンポンプＩＰ２をベーキング電源２３でベーキングをした際、電磁レンズ室２０の真空度が悪化しても電子銃室３へはほとんど影響を与えないようにすることができ、電子銃室３は電子ビームを出したまま、安定に維持することができる。また、仕切り板２９は、十分脱ガスされた部材を使用することで、電子ビーム照射を受けても、放出ガスによる電子銃室３への影響はほとんどないようにすることができる。
【００１６】
なお、イオンポンプＩＰ１とイオンポンプＩＰ２との間の熱遮蔽板３１は、イオンポンプＩＰ２のみを単独でベーキングした場合に、イオンポンプＩＰ１側へ熱が伝わってイオンポンプＩＰ１の真空度が悪くなるのを防ぐためのものである。イオンポンプＩＰ１とイオンポンプＩＰ２の間が十分離れていて熱伝導を無視できるならば、この熱遮蔽板３１はなくてもよい。
【００１７】
イオンポンプＩＰ１とイオンポンプＩＰ２の各々の真空度が所定の範囲内に達していれば、仕切り装置２８を光軸上から離し、電子ビーム１８が電磁レンズ１９の下方に届くようにする。ＳＥＭ像を観察する場合は、エアーロック装置２６を開け、その下方の対物レンズ３２で試料室３３に置かれた試料３４の上に電子ビーム１８をフォーカスさせる。このフォーカスされた電子ビームを偏向コイル３５と走査電源３６により試料面上で走査するとともに、試料３４から発生した２次電子３７などの信号を電子信号検出器３８で検出し、信号増幅器３９で増幅する。この信号を映像信号として陰極線管（Cathode Ray Tube、以下ＣＲＴと略す）４０に送り、ＣＲＴ４０上でＳＥＭ像として観察する。
【００１８】
図２は、上述した実施の形態におけるベーキング処理のフローチャートである。まず、仕切り装置２８を光軸上にセットする（Ｓ１１）。この仕切り装置２８のセッティングは真空外部から手動で行ってもよいし、あるいは自動的にセットできるようになっていてもよい。この操作により、光軸の開口部３０を仕切り装置２８で真空的に遮断し、開口部３０の排気コンダクタンスが実質上ほとんど無視できるくらいに小さくなるようにする（Ｓ１２）。次に、電磁レンズ部２のイオンポンプＩＰ２をベーキング電源２３でベーキング開始する（Ｓ１３）。ベーキング時間はタイマー等により適宜設定することができる。こうして、イオンポンプＩＰ２のベーキングが行われる（Ｓ１４）。このとき、イオンポンプＩＰ２の真空度はベーキングにより悪くなるが、ある時点で平衡に達する。その後、イオンポンプＩＰ２のベーキングを終了する（Ｓ１５）。ベーキング終了時点は前述のようにタイマーで決定してもよいし、あるいは真空度の変化や平衡点を検出して終了するようにしてもよい。続いて、イオンポンプＩＰ２の冷却を待つ（Ｓ１６）。
【００１９】
次に、イオンポンプＩＰ２が所定の真空度に達しているか否かを判定する（Ｓ１７）。ステップ１７の判定がＮＯの場合には、再びステップ１３に戻ってイオンポンプＩＰ２をベーキングする。ステップ１７の判定がＹＥＳの場合には次に進んで、仕切り装置２８を光軸上から離す（Ｓ１８）。これによって、電子ビーム１８が電磁レンズ１９の下方に届くようになる。次に、エアーロック装置２６を開けてベーキング処理を完了する（Ｓ１９）。この後は、ＳＥＭ像観察のための操作に移ることになる。
【００２０】
図３は、本発明による電子線装置の他の実施の形態を示す構成概略図である。本実施の形態では、図１で示した仕切り装置２８の機能の他に、仕切り板２９の先端に少なくとも１個の絞り孔を有する薄膜上の絞り４１を付加している。これにより、電子銃からの電子ビームを制限し、散乱電子を少なくすることができるようになる。また、仕切り板２９には、電子銃からの電子ビームを受ける穴（ファラデーカップ用の穴）が設けられており、大気圧側で電流計４２及びアースＥに接続して電流量を測定できるようになっている。
【００２１】
電磁レンズ室２０のイオンポンプＩＰ２側に設けられている回転可能な遮蔽板４３は、イオンポンプＩＰ２からの＋イオン４４や−イオン４５を遮蔽するためのものである。電磁レンズ室２０の真空度が悪化すると、イオンポンプＩＰ２からのイオンが増大し、浮遊イオンの散乱により一部は試料室３３にも到達して、ＳＥＭ像のＳ／Ｎ（信号対ノイズの比）を低下させたり、電子ビーム照射時の雑音の原因となる。例えば、排気能力２０Ｌ／ｓのイオンポンプＩＰ２の真空度が通常使用時５×１０^-6Ｐａで、真空悪化により７×１０^-5Ｐａになったとすると、市販されているイオンポンプにより多少異なるが、イオンポンプＩＰ２内のイオン電流は約２０倍以上も増大する。これらのイオンの一部が、散乱により試料３４や電子信号検出器３８に到達すると、Ｓ／Ｎを著しく低下させたり、ＳＥＭ像では不規則なスジ状のノイズになることがある。
【００２２】
このような場合、前記仕切り装置２８で電子銃直下の電子流を検出するとともに、試料３４上での照射電流または吸収電流を試料電流計４６で検出して、各々の変動分を比較することによりイオンポンプＩＰ２からの浮遊イオンの影響を判断することができる。イオンポンプＩＰ２からのイオンの影響が認められれば、前記遮蔽板４３をイオンの影響が少なくなるように回転する。この回転は、大気圧側から手動で行ってもよいし、あるいは真空側で電磁的に制御できるようになっていてもよい。もしそれでもイオンの影響が大きければ、イオンポンプＩＰ２のベーキングを行うとともに、前記仕切り装置２８を光軸上にセットして電子銃室３と電磁レンズ室２０の間を真空的に遮断する。ただし、前述したように、電子銃室３と電磁レンズ室２０は完全に遮断されていなくてもよい。
【００２３】
遮蔽板４３は次のような使用法で、イオンポンプＩＰ２からの浮遊イオンの影響を検出するために用いることもできる。すなわち、遮蔽板４３をイオンポンプＩＰ２からの浮遊イオンを遮蔽できる位置（閉位置）と遮蔽できない位置（開位置）に交互に移動し（イオン遮蔽能力を変化させ）、そのとき試料電流計４６に流れる試料電流の変化を観察する。遮蔽板４３が閉位置にあるときと開位置にあるときとで試料電流が変化するということは、イオンポンプＩＰ２からの浮遊イオンが試料像に影響を与えていることを意味し、この情報はイオンポンプＩＰ２をベーキングする時期を決定するための判断材料として利用することができる。
【００２４】
電磁レンズ部２の真空度の悪化は、試料室３３からのガス流入、電磁レンズ室２０内の構成部材の放出ガス、Ｏリングを使用している場合はＯリングからの透過ガス、室温の上昇などによってもたらされるものであるが、実験によると大体数時間のベーキングで電磁レンズ室２０を所定の真空度（例えば、５×１０^-6Ｐａ以下）に復帰させることが可能である。電磁レンズ部２の真空度をできるだけ良くすることは、Ｓ／Ｎの改善にとって非常に重要である。本実施の形態では、イオンポンプＩＰ２からのイオンを遮蔽するとともに、必要に応じてイオンポンプＩＰ２のベーキングを効率的に実施し、ノイズの少ない試料照射電流を得ることができる。
【００２５】
図４は、図３に示した仕切り装置２８の部分をより詳しく説明するための構成概略図である。同図において電子銃下面の開口部３０に設けられた受け部４７に仕切り装置２８の仕切り板２９が相対し、両者の対向面にシール材４８が接触している。シール材４８は、例えば十分に脱ガスされたフッ素ゴムあるいはポリイミド樹脂等のＯリング状のシール材であって、電気的絶縁と真空シールの役割を兼ねている。仕切り板２９の内面は電子銃からの電子流を検出できるよう深穴があけられており、ファラデーカップとしての役割を持つ。また、仕切り板２９の側面には少なくとも１個の孔を有する薄膜状の絞り板４１とこれを保持する絞りホルダー４９が取り付けられている。この反対側の側面には、絶縁軸棒５０と移動軸棒５１が接続されている。移動軸棒５１にはベローズ５２が溶接され、調整つまみ５３により仕切り板２９や絞り板４１を光軸に対して移動可能なようになっている。
【００２６】
また、仕切り板２９や絞り板４１で検出された電子流は、リード線５４及び電流導入端子５５を介して、大気圧側で電流計４２に接続して測定できるようになっている。なお、仕切り装置２８全体は電磁レンズ部２に取付け取外し可能になっている。
図５は、本実施の形態におけるベーキング処理の一例のフローチャートである。まず、イオンポンプＩＰ２側の遮蔽板４３を、イオンポンプＩＰ２からのイオンを遮蔽する位置と遮蔽しない位置とに回転させる（Ｓ２１）。この状態で、試料電流計４６で試料電流の変動を測定し、イオンポンプＩＰ２からのイオンの影響をチェックする（Ｓ２２）。次に、ステップ２２で測定された試料電流計４６の変動分が仕切り装置２８の絞り４１で検出される電流の変動分より大きいかどうか判定する（Ｓ２３）。変動分は、各々の検出電流の変動率で比較するとよい。遮蔽板４３を回転させたときの試料電流計４６の変動分が仕切り装置２８の絞り４１で検出される電流の変動分より小さいときは、イオンポンプＩＰ２からのイオンの影響が小さいと判断されるので処理を終了する。
【００２７】
試料電流計４６の変動分が仕切り装置２８の絞り４１で検出される変動分より大きいときは、次のステップ２４に進み、図２のステップ１３〜ステップ１９までの処理を実行し、イオンポンプＩＰ２をベーキングする。図５に示した処理が終了した後、ＳＥＭ像観察のための操作に移る。
図６は、本発明による電子線装置の他の実施の形態を示す構成概略図である。この実施の形態では、電子銃室３と電磁レンズ室２０との間の差動排気を効率的に維持するために、電子銃の下方に中間室５６設け、これにイオンポンプＩＰ３、ベーキング用電源５８、加熱ヒータ５９等を取り付け、仕切り装置６０もこの中間室に取付けた。仕切り装置６０の構成は図４で示したものとほぼ同じであるが、本実施の形態では、中間室側の開口部６１で仕切り板６２とシール材６３がスライドし、重力に逆らわない形になるので、構造的には幾分単純化できる。
【００２８】
なお、本発明は、ショットキーエミッションタイプの電子銃に限定されるものではなく、例えば、冷陰極電界放出型電子銃を備えた電子線装置及びその類似装置にも適用できる。また、ＳＥＭ用の電子線装置に限定されるものではなく、例えば、透過形電子顕微鏡、電子線描画装置や、走査トンネル顕微鏡、原子間力顕微鏡などとの複合形装置に使用される電子線装置にも適用しうる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、電界放出型電子銃と電磁レンズ部を有する電子線装置において、効率良く電磁レンズ室の真空度を回復させる手段と方法を提供することができる。また、ＳＥＭ像や照射電子線に混入するノイズを極力少なくする手段を提供することができる。さらに、長時間安定に動作する電界放出型電子銃を備えた電子線装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による電子線装置の一実施の形態の構成概略図。
【図２】本発明によるベーキング処理の一例を示すフローチャート。
【図３】本発明による電子線装置の他の実施の形態の構成概略図。
【図４】図３に示した仕切り装置の部分の詳細図。
【図５】本発明によるベーキング処理の他の例を示すフローチャート。
【図６】本発明による電子線装置の他の実施の形態の構成概略図。
【図７】従来の電子線装置の概略構成図。
【符号の説明】
１…電子銃部、２…電磁レンズ部、３…電子銃室、４…高圧導入碍子、６…針状陰極（チップ）、７…サプレッサ電極、８…第１陽極、９…第２陽極、１１…電子、１２…第１陽極孔、１７…第２陽極孔、１８…電子ビーム、１９…電磁レンズ、２０…電磁レンズ室、２２，２３…ベーキング用電源、２４，２５…加熱ヒータ、２６…エアーロック装置、２７…Ｏリング、２８…仕切り装置、２９…仕切り板、３０…開口部、３１…熱遮蔽板、３２…対物レンズ、３３…試料室、３４…試料、３５…偏向コイル、３６…走査電源、３７…２次電子、３８…電子信号検出器、３９…信号増幅器、４０…陰極線管（ＣＲＴ）、４１…絞り、４２…電流計、４３…遮蔽板、４４…＋イオン、４５…−イオン、４６…試料電流計、４７…受け部、４８…シール材、４９…絞りホルダー、５０…絶縁軸棒、５１…移動軸棒、５２…ベローズ、５３…調整つまみ、５４…リード線、５５…電流導入端子、５６…中間室、５８…ベーキング用電源、５９…加熱ヒータ、６０…仕切り装置、６１…開口部、６２…仕切り板、６３…シール材、Ｅ…アース、ＩＰ１，ＩＰ２，ＩＰ３…イオンポンプ、Ｖ₁…引出し電圧、Ｖ₀…加速電圧、Ｖｆ…フィラメント加熱電源、Ｖｓ…サプレッサ電圧

Claims

電界放出型電子銃から放出された電子線をイオンポンプで真空排気された空間を通して試料に照射する際のイオンポンプからの浮遊イオンの影響を検出する方法において、
前記イオンポンプの吸入側に設けられたイオン遮蔽手段によるイオン遮蔽能力を変化させたとき試料に流れる試料電流の変動を検出することを特徴とする方法。
電界放出型電子銃を収容する電子銃室と、
その下方に設けられた電磁レンズを収容する電磁レンズ室と、
前記電磁レンズ室を真空排気するイオンポンプと、
前記電磁レンズ室のイオンポンプ側に設けられ、前記イオンポンプからのイオンを遮蔽する遮蔽手段と、
前記電磁レンズ室の下方に設けられた試料室と、
前記試料室に置かれた試料とアースの間に流れる試料電流を検出する試料電流計とを有し、
前記遮蔽手段によるイオン遮蔽能力を変化させたとき、前記試料電流計に流れる試料電流の変動を検出することを特徴とする電子線装置。