JP4349964B2 - 小型電子銃 - Google Patents
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Description
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。
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。
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、400℃、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101の内部構成は後段で説明する。
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101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。
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。
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。
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。
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23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。
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。
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。
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。
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。
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。
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、39: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 (3)
- 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、
前記非蒸発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、
前記真空容器にイオンポンプが接続されないことを特徴とする電子線応用装置。 - 請求項1に記載の電子線応用装置において、前記電子銃が、
第2の非蒸発ゲッターポンプと、該第2の非蒸発ゲッターポンプを加熱するための第2の加熱ヒータとを更に備えたことを特徴とする電子線応用装置。 - 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、
前記非蒸発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、
前記真空容器にイオンポンプが接続されないことを特徴とする電子銃。
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