JP4981235B2 - 超高真空で作動する粒子源を備えた粒子放射装置およびこの種の粒子放射装置のためのカスケード状ポンプ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、超高真空で作動する粒子源を備えた粒子放射装置およびこの種の粒子放射装のためのカスケード状ポンプ装置に関するものである。
【０００２】
米国特許第５８２８０６４号明細書には、電界放出源を備えたいわゆる環境走査電子顕微鏡(Environmental Scanning Elektronenmikroskop ESEM)が記載されている。この種のＥＳＥＭを用いると、通常の大気圧で試料を電子顕微鏡で検査することができ、或いは、通常の大気圧よりもわずかに減圧して検査することができる。他方、電界放出源と、しばしば電界放出源とも呼ばれるショットキーエミッターは超高真空を必要とするので、電子顕微鏡全体は３つの中間圧力段を備えた差動ポンプシステムとして構成されている。その結果システム全体は５つの圧力領域を有し、これら圧力領域は４つの圧力段または圧力段絞りによって互いに分離されている。ポンプに対するコスト以外にも、３つの中間圧力領域の真空接続部にスペースが必要であるので、電子光学的構成要素には必要としない付加的な高さが必要である。
【０００３】
米国特許第４７２０６３３号明細書からは他のＥＳＥＭが知られているが、電子源のチャンバーの真空は、装置を電界放出源で作動させるにはあまりにも不具合である。
【０００４】
米国特許第５７１７２０４号明細書からは、半導体製造において検査用に使用する電子顕微鏡が知られている。超高真空領域と該超高真空領域に隣接している中間圧力領域とはゲッターイオンポンプにより真空にされている。試料室と該試料室に隣接している圧力領域とはそれぞれ別個のターボ分子ポンプによってポンピングされており、両ターボ分子ポンプは共通のフォアポンプの吸込み側に接続されている。通常この種の検査装置は、試料室の不具合な真空状態で作動するようには想定されていない。
【０００５】
ドイツ連邦共和国特許公開第４３３１５８９Ａ１号明細書からは、複数のターボ分子ポンプを互いに直列に接続したカスケード状ポンプ装置が知られている。このポンプ装置では、ターボ分子ポンプの吐出し側はその上流側に配置されたターボ分子ポンプのメインポートによって予めポンピングされる。この場合、前記上流側に配置されたターボ分子ポンプはＴ形部材を介して中間圧力領域にも接続されている。このカスケード状ポンプ装置により、上流側に配置されたターボ分子ポンプによってポンピングされる中間圧力領域の真空は、次に高い真空段によって負荷される。
【０００６】
米国特許第４８８９９９５号明細書から知られている走査電子顕微鏡では、回転ポンプによって予めポンピングされるターボ分子ポンプは弁を介してプレパラート室を真空にするためにも、電子源および中間圧力領域のチャンバーを真空にするためにも並行的に用いられる。さらに、電子源とこれに隣接している両中間圧力領域とのチャンバーを真空にするために超高真空ポンプが設けられている。このようなポンプ装置によっても試料室が不具合な真空状態での作動は不可能である。
【０００７】
日本応用物理学会、付録２、第２４９頁以下（１９７４年）の論文からは、オイル拡散ポンプから成るポンプ装置を備えた電子顕微鏡が知られている。しかしながら、オイル拡散ポンプは高圧でのポンプキャパシティが小さいために、プレパラート室を可変圧力で作動させることができねばならない電子顕微鏡には適していない。
【０００８】
【特許文献１】
米国特許第５８２８０６４号
【特許文献２】
米国特許第４７２０６３３号
【特許文献３】
米国特許第５７１７２０４号
【特許文献４】
ドイツ連邦共和国特許公開第４３３１５８９Ａ１
【特許文献５】
米国特許第４８８９９９５号
【非特許文献１】
日本応用物理学会、付録２、第２４９頁以下（１９７４年）
【０００９】
本発明の目的は、試料室がほぼ周囲圧まで変化し、且つ粒子源の領域は超高真空であるにもかかわらず、簡潔な構成を有する粒子線放射装置、特に走査電子顕微鏡を提供することである。本発明の他の目的は、粒子線放射装置の簡潔な構成を可能にする真空システムを提供することである。
【００１０】
上記の目的は、本発明によれば、請求項１の構成を備えたポンプ装置と、請求項４の構成を備えた粒子放射装置とによって達成される。
【００１１】
本発明による粒子放射装置用カスケード状ポンプ装置は２つのターボ分子ポンプを有し、そのうち第２のターボ分子ポンプは第１のターボ分子ポンプの出口側を予めポンピングするために用いられる。この場合、第２のターボ分子ポンプの吐出し側は第１のターボ分子ポンプのメインポートと吐出し側との間にある中間圧力領域に接続されている。
【００１２】
第１のターボ分子ポンプはいわゆるスプリットフローポンプであってよく、ターボ分子ポンプのドラグ段の領域にある付加的なポンプポートを有している。このドラグ段ポンプポートは、第２のターボ分子ポンプを予めポンピングするために使用するのが有利である。
【００１３】
ドラグ段とは、通常のようにターボ分子ポンプにしばしば使用される機構であり、ステータのまわりを回転する、隆起部を備えたディスクと、エッジ領域に設けた穴とから構成される。ディスクはターボ分子ポンプの最後のロータプレートの出力側に配置され、ポンピングされたガスを補助的に圧縮するためのものである。
【００１４】
予めポンピングされるターボ分子ポンプの中間圧力領域を、たとえばドラグ段ポンプポートを予め真空にすることによって１つのターボ分子ポンプを予めポンピングすることにより、メインポンプポートの領域が予めポンピングされたターボ分子ポンプのガス流によって負荷されないという利点が得られる。これにより、予めポンピングされるターボ分子ポンプの二重機能にもかかわらず、メインポンプポートにより真空にされた領域の真空状態がより改善される。
【００１５】
カスケード状ポンプ装置を備えた粒子放射装置は、超高真空で作動される粒子源と、高真空領域の圧力により少なくとも１hPa（ヘクトパスカル Hektopascal）までの１０^−３hPa以下の圧力で作動可能なプレパラート室とを有している。本発明による粒子放射装置では、粒子源の超高真空領域とプレパラート室との間に正確に２つの他の中間圧力領域が設けられている。
【００１６】
したがって粒子放射装置は正確に４つの圧力領域を有し、すなわち粒子源が配置されている超高真空領域と、２つの中間圧力領域と、プレパラート室とを有している。これにより本発明による粒子放射装置では全部で３つの圧力段が得られ、これら圧力段に対し全部で３つの圧力段絞りが必要である。
【００１７】
３つの圧力段だけで済ませるために、超高真空領域に隣接している圧力領域は第２のターボ分子ポンプによりポンピングされている。さらに、このターボ分子ポンプの吐出し側はその上流側に配置されるターボ分子ポンプによって予めポンピングされる。この場合、ターボ分子ポンプの吐出し側はその上流側に配置されるターボ分子ポンプのドラグ段に接続されている。このポンプ配置構成により、超高真空領域に隣接している圧力領域の圧力は１０^−６hPa以上の値に保持される。
【００１８】
他の有利な実施態様では、第１のターボ分子ポンプのメインポンプポートはプレパラート室に隣接している圧力領域に接続されている。これにより第１のターボ分子ポンプは二重機能を有することができ、すなわち第２のターボ分子ポンプの吐出し側を予めポンピングする機能と、試料室に隣接している圧力領域を真空にする機能を有する。
【００１９】
さらに、第１のターボ分子ポンプの吐出し側を予めポンピングするフォアポンプを設けるのが有利である。このフォアポンプは、これに加えて、プレパラート室を所望の圧力に真空にするためにも用いることができる。しかしながら、プレパラート室の圧力が５hPa以上の圧力でも作動可能でなければならないような粒子放射装置を使用する場合は、プレパラート質を真空にする第２のフォアポンプを設けて、第１のフォアポンプは、第１のターボ分子ポンプの吐出し側を予めポンピングするためにのみ用いるのが好ましい。
【００２０】
次に、図面に記載した実施形態に関し本発明をさらに詳細に説明する。
【００２１】
図１において（１）はプレパラート室、（２）は粒子放射装置の電子光学的コラムである。電子光学的コラム（２）は３つの圧力領域（６），（７），（８）を有し、これらの圧力領域はそれぞれ圧力段絞り（９），（１０），（１１）によって互いに分離されている。（幾何学的に見て）電子光学的コラム（２）の最上位の圧力領域（６）は、５×１０^−８hPaよりも低い圧力で超高真空を維持するように構成されている。この超高真空領域はゲッターイオンポンプ（１２）を介して真空にされる。当該超高真空領域内には、電界放出源またはショットキーエミッターの形態の粒子源（３）が配置されている。
【００２２】
超高真空領域（６）とこれに隣接している中間圧力領域（７）との間には粒子放射装置のコンデンサ（５）が配置され、図１ではそのポールシューのみを図示した。コンデンサ（５）とほぼ同じ高さで、或いは、（電子の伝播方向に見て）コンデンサレンズ（５）のポールシュースリットの後方には、前記圧力段絞り（９）が配置されている。この圧力段絞り(９)は超高真空領域（６）とこれに隣接している中間圧力領域（７）との間で適当な圧力差を維持するためのものである。
【００２３】
第１の中間圧力領域（７）の後には第２の中間圧力領域（８）が設けられている。第２の中間圧力領域(８)は第２の圧力段絞り（１０）によって第１の中間圧力領域（７）から分離されている。この第２の中間圧力領域（８）とプレパラート室との間には粒子放射装置の対物レンズ（４）が配置され、図１ではそのポールシューのみを図示した。対物レンズ（４）の間、或いは、（電子の伝播方向に見て）対物レンズ（４）のポールシューの前方には、第３の圧力段絞り（１１）が配置されている。この第３の圧力段絞り(１１)は第２の中間圧力領域（８）とプレパラート室（１）との間で適当な圧力差を確保するためのものである。
【００２４】
適当な真空条件を設定するため、図１の実施形態では、超高真空領域（６）用のゲッターイオンポンプ（１２）以外に、フォアポンプ（１６）と部分的には同様に直列に接続されている２つのターボ分子ポンプ（１３），（１４）とから成るカスケード状のポンプ装置が設けられている。この場合フォアポンプ（１６）は二重に機能を果たす。すなわちフォアポンプ(１６)は、別個のパイプコネクションを介して直接プレパラート室（１）を真空にするために用いるとともに、第１のターボ分子ポンプ（１４）の出口（２５）を吸引するためにも用いる。この場合、プレパラート室（１）の真空状態はパイプコネクションに設けた弁（１７）を介して調節可能である。プレパラート室の圧力は図示していない調節可能なガス供給弁を介して設定することができる。
【００２５】
第１のターボ分子ポンプ(１４)は、出力が大きいいわゆるスプリットフローポンプとして構成され、三重に機能を果たす。メインポンプポート（２１）の吸込み側接続部は、配管系（１５）を介して、プレパラート室（１）に隣接している中間圧力領域（８）に直接フランジ結合され、これによりこの中間圧力領域を直接真空にする用を成している。同時にメインポンプポート（２１）の吸込み側接続部は第２の弁（１９）を介して直接プレパラート室（１）にフランジ結合されている。さらに、第１のターボ分子ポンプ（１４）のドラグステップポート（２２）の吸込み側接続部は第２のターボ分子ポンプ（１３）の吐出し側に接続されており、その結果第１のターボ分子ポンプ(１４)は、プレパラート室（１）に隣接している中間圧力領域（８）を真空にする機能に加えて、ドラグステップポート（２２）を介して第２のターボ分子ポンプ（１３）を予めポンピングする用をも成している。第２のターボ分子ポンプ（１３）の吸込み側接続部（２３）は、超高真空領域（６）に隣接している中間圧力領域（７）に直接接続されている。
【００２６】
上述したように、或いは以下で説明するように、１つの真空ポンプを１つの圧力領域に直接接続する限りにおいては、このポンプにより行なわれる圧力領域の真空化は直接に行われる。すなわち、このポンプから吐き出されたガス分子を、圧力領域と当該ポンプの吸込み側接続部との間において圧力段絞りを通過させる必要がない。
【００２７】
以上説明した真空システムは、全部で４つの圧力領域を備えた差動ポンプ型真空システムである。
【００２８】
直列に接続されているカスケード状のポンプ装置により、ただ１つのゲッターイオンポンプ（１２）と、２つのターボ分子ポンプ（１３），（１４）と、ただ１つのフォアポンプ（１６）とを用いて、プレパラート室（１）の圧力が５hPaないし１０^−７hPaである場合、超高真空室（６）内の圧力を５×１０^−８hPa以下の超高真空に維持させることができる。プレパラート室（１）内の圧力が所望の１０^−２hPaないし５hPaである場合、フォアポンプ（１６）とプレパラート室（１）との間にある弁(１７)は開いており、第１のターボ分子ポンプ（１４）とプレパラート室（１）との間にある第２の弁(１９)は閉じている。この場合プレパラート室（１）内の真空は、フォアポンプ（１６）を用いて達成可能な真空またはフォアポンプ（１６）で設定された真空だけで決定されている。第１のターボ分子ポンプ（１４）のドラグ段（２４）を前もって真空にすることにより第２のターボ分子ポンプの吐出し側（２６）を予めポンピングすることによって、且つ第１のターボ分子ポンプ（１４）のポンプパワーのほぼ全部をプレパラート室に隣接している中間圧力領域（８）をポンピングするためにのみ用いることによって、超高真空領域に隣接している中間圧力領域（７）を１０^−４hPaないし１０^−６hPaの真空に維持することが保証される。
【００２９】
プレパラート室（１）内の圧力がフォアポンプ（１６）で達成できない１０^−２hPa以下の圧力の場合、フォアポンプ（１６）とプレパラート室（１）との間にある第１の弁(１７)は閉じられ、プレパラート室（１）と第１のターボ分子ポンプ（１４）との間にある第２の弁(１９)は開かれる。この場合、フォアポンプ(１６)は第１のターボ分子ポンプ（１４）を予めポンピングすることにのみ用いられる。このときプレパラート室（１）も該プレパラート室（１）に隣接している中間圧力領域（８）もターボ分子ポンプ（１４）によって直接ポンピングされる。この場合、対物レンズ（４）内に配置されている圧力段絞り(１１)は作用しない。この場合にも、第１のターボ分子ポンプ（１４）により予めポンピングされる第２のターボ分子ポンプ（１３）により、超高真空領域（６）に隣接している中間圧力領域（７）では１０^−４hPaないし１０^−６hPaの真空が維持される。
【００３０】
両ケースとも、第１のターボ分子ポンプのドラグ段(２４)は補助真空状態にあり、この補助真空状態により第２のターボ分子ポンプ(１３)は１０^−１hPaないし１０^−４hPaの範囲で予めポンピングされる。
【００３１】
上述した実施形態において、プレパラート室（１）が開口しても超高真空領域（６）の超高真空が維持されるように、電子光学的コラムの内部には、有利には超高真空領域と該超高真空領域に隣接している圧力領域（７）との間に遮断弁（１８）が設けられている。遮断弁(１８)はプレパラート室（１）が開口する前に閉じられる。これにより、フォアポンプ（１６）と両ターボ分子ポンプ（１３），（１４）とはプレパラート室（１）が開口したときに停止させることができる。
【００３２】
図２に図示した実施形態は概ね図１の実施形態に対応している。したがって図２においては、図１の実施形態の構成要素に対応する構成要素には同一の符号を付した。両実施形態が一致している限りにおいては、図２に関しては図１の上記説明を参照してもらいたい。
【００３３】
図２の実施形態と図１の実施形態との主要な違いは、図２の実施形態においてはフォアポンプ（１６）が第１のターボ分子ポンプ（１４）を予めポンピングするためにのみ用いられることである。ターボ分子ポンプ（１４）の補助真空側のドラグ段(２４)は第２のターボ分子ポンプ（１３）を予めポンピングするために用いられる。プレパラート室（１）を真空にするため第２のフォアポンプ（２０）が設けられ、そのポンプパワーは第１の弁（１７’）を介して調節可能である。第２のフォアポンプ（２０）を備えたこの択一的なポンプ装置により、超高真空領域（６）内の超高真空を維持した状態で粒子放射装置をプレパラート室の圧力が１００hPa以下でも使用可能である。プレパラート室（１）の室内圧力が１０^−２hPa以下の場合は、プレパラート室（１）も該プレパラート室（１）に隣接している中間圧力領域（８）も第１のターボ分子ポンプだけを介してポンピングされる。この場合、第２のフォアポンプ（２０）とプレパラート室（１）との間にある第１の弁（１７’）は閉じており、第１のターボ分子ポンプ（１４）とプレパラート室（１）との間にある第２の弁（１９）は開いている。これに対して圧力が１０^−２hPaないし１００hPaの場合には第１の弁（１７’）は開いており、その結果プレパラート室(１)は第２のフォアポンプ（２０）によって真空にされ、第２の弁(１９)は閉じられる。この実施形態の場合、プレパラート室（１）と該プレパラート室に隣接している中間圧力室（８）との間でより高い室圧によってより強いガス流を生じさせるため、第１のフォアポンプ(１６)は第１のターボ分子ポンプ（１４）を予めポンピングするためにのみ用いられ、これにより第１のターボ分子ポンプ(１４)の搬送パワーは対応的に高くなる。この場合も、１０^−１hPaないし１０^−４hPaの範囲の補助真空状態にある第１のターボ分子ポンプ（１４）のドラグ段（２４）によって予めポンピングされる第２のターボ分子ポンプ(１３)は、超高真空領域（６）に境を接している中間圧力領域（７）が１０^−５hPaないし１０^−６hPaの範囲の真空に維持されるのを保証する。
【００３４】
図２に図示した実施形態の場合、超高真空領域（６）とプレパラート室との間には、１０程度の圧力差、すなわち１０^１０hPaの圧力差が２つの中間圧力領域だけを介して維持される。
【００３５】
基本的には、引用した従来の技術の場合と同様に、超高真空領域に境を接している中間圧力領域（７）をも第２のゲッターイオンポンプを用いて真空にしてもよい。この場合には、プレパラート室（１）に境を接している中間圧力領域は、１つのターボ分子ポンプのドラグ段によって予めポンピングされるターボ分子ポンプにより真空にされる。しかしながら、この場合第２のゲッターイオンポンプは非常に高いポンプパワーを持つように設計されていなければならず、これによりゲッターイオンポンプのサイズが大きくなるので、電子光学的コラムの高さも大きくなってしまう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 プレパラート室の圧力が比較的低い場合に対して適している、本発明の第１実施形態の原理図である。
【図２】 プレパラート室の圧力が比較的高い場合に対して適している、本発明の第１実施形態の原理図である。

Claims (11)

1. 第１および第２のターボ分子ポンプ（１３，１４）を備えた粒子放射装置のためのカスケード状ポンプ装置であって、前記第２のターボ分子ポンプ（１３）の吐出し側（２６）が前記第１のターボ分子ポンプ（１４）のメインポンプポート（２１）と吐出し側（２５）との間にあるドラグ段（２４）により予めポンピングされているカスケード状ポンプ装置。
2. 前記第１のターボ分子ポンプ（１４）が、前記ドラグ段（２４）への接続部（２２）を備えたスプリットフローポンプであり、前記第２のターボ分子ポンプ（１３）の吐出し側（２６）が前記第１のターボ分子ポンプ（１４）の前記ドラグ段（２４）に接続されている、請求項１に記載のカスケード状ポンプ装置。
3. 前記第１のターボ分子ポンプ（１４）の吐出し側（２５）を予めポンピングするためのフォアポンプ（１６）が設けられている、請求項１または２に記載のカスケード状ポンプ装置。
4. 超高真空で作動する粒子源（３）と、少なくとも１hPa以下の高真空の圧力で作動可能なプレパラート室（１）とを有し、請求項１から３までのいずれか１項に記載のカスケード状ポンプ装置が設けられている粒子放射装置。
5. 粒子源の超高真空領域（６）と前記プレパラート室（１）との間に２つの他の中間圧力領域（７），（８）が設けられている請求項４に記載の粒子放射装置。
6. 超高真空領域（６）に隣接している圧力領域が前記第２のターボ分子ポンプ（１３）によりポンピングされている請求項４，５のいずれか１項に記載の粒子放射装置。
7. 前記第１のターボ分子ポンプ（１４）が前記メインポンプポート（２１）を介して、前記プレパラート室（１）に隣接している前記中間圧力領域（８）にも直接接続されている請求項４乃至６のいずれか１項に記載の粒子放射装置。
8. フォアポンプ（１６）が弁（１７）を介して前記プレパラート室（１）に直接接続されている請求項７に記載の粒子放射装置。
9. 前記第１のターボ分子ポンプ（１４）がさらに他の弁（１９）を介して前記プレパラート室（１）に直接接続されている請求項４から８までのいずれか１項に記載の粒子放射装置。
10. 第２のフォアポンプ（２０）が設けられ、前記プレパラート室（１）に接続されている請求項８乃至９のいずれか１項に記載の粒子放射装置。
11. 前記超高真空領域（６）を真空にするためのゲッターイオンポンプ（１２）が設けられている請求項４から１０までのいずれか１項に記載の粒子放射装置。

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