JP5460012B2 - 真空排気方法、及び真空装置 - Google Patents

Description

本発明は、荷電粒子線装置等に備えられる真空装置に係り、特に低真空領域から高真空領域まで真空排気を行う方法、及び装置に関する。

半導体製造装置や電子顕微鏡などでは、１０^-1［Ｐａ］以下の高真空領域を利用するため、試料室や予備排気室などの被排気室が大気圧から高真空領域まで真空排気される。その際、各種の半導体製造プロセスや装置動作条件においては真空度の管理が必要となるため、低真空領域（大気圧〜１０^-1［Ｐａ］）から高真空領域（１０^-1［Ｐａ］以下）までの広範囲にわたる真空度測定が必要となる。

真空度測定には各種真空計が用いられるが、測定可能範囲は真空計の種類によって異なるため、大気圧から高真空領域までの広範囲にわたる真空度を測定するためには、低真空領域測定用と高真空領域測定用の二種類の真空計を用いる必要がある。一般的に、高真空領域の真空度測定には冷陰極電離真空計や熱陰極電離真空計などの電離真空計が用いられる。

例えば特許文献１には低真空領域での真空度を測定する水晶摩擦真空計と、高真空領域での真空度を測定する電離真空計を併用する技術が開示されている。特許文献１には、更に低真空用の水晶摩擦真空計での測定値が所定値以下になったことを検出したときに、高真空用の電離真空計の動作を開始することで、真空排気時の低真空から高真空までの真空度測定を行う技術が開示されている。

特開昭６２−２１８８３４号公報

上記の低真空領域における雰囲気中には、高真空領域と比べると、大気成分や試料から放出されるガス成分等が多く含まれる。例えば、半導体製造に用いられる液浸露光プロセスでは、露光装置のレンズと試料表面のホトレジスト（感光性樹脂）間に液体を入れることによって屈折率を高め、解像度や焦点深度を改善することで微細化を可能としている。このとき、液体がホトレジスト内部に染み込んでしまうと、次工程の装置でこの試料を真空排気した際に、ホトレジストに染み込んだ液体がガスとなって真空中に放出される場合がある。また、このホトレジストが数〜数十［μｍ］と厚い場合、ホトレジスト中の有機溶剤がガスとなって真空中に放出される場合がある。

このようなガス等が含まれる雰囲気中で、電離真空計を動作させると、上記ガスによって、電離真空計の電極やフィラメントが汚れてしまう。

よって、十分に高真空になった時点で、電離真空計を動作させることが望ましいが、低真空を測定する水晶摩擦真空計等は、１０^-1［Ｐａ］程度までしか測定ができない。当該真空度で高真空用の真空計を動作させると、電極等が汚れてしまう。このように、低真空用の真空計での測定が可能な真空度と、高真空用の真空計にて電極等を汚すことなく測定が可能な真空度には乖離があるため、例えば低真空から高真空までの排気行程において、高真空用の真空計を如何なるタイミングで動作させるかを判断することが困難であった。特許文献１に開示のように、単に低真空用の真空計の測定値に依存して、切り替えを行おうとすると、高真空用の真空計に汚れを生じさせてしまう。

以下に、高真空用の真空計を適正なタイミングで動作させることによって、真空計に付着する汚れを抑制することを目的とする真空排気方法、及び真空装置について説明する。

上記目的を達成するために、以下に真空排気室，低真空用の真空計、及び高真空用の真空計を備えた真空排気装置において、低真空用の真空計によって計測される真空度の推移から、所定の真空度に到達する到達時間を予測し、当該予測時間に高真空用の真空計を動作させる真空排気装置、及び当該真空排気を実現するための方法について説明する。

上記構成によれば、高真空用の真空計を汚すことなく、適切なタイミングで高真空用の真空計を動作させることができる。

以下に、電離真空計等の高真空用の真空計を任意の高真空度にて動作を開始させることで、大気及び試料から放出されるガスによって引き起こされる真空計の汚れを防止する方法、及び装置について説明する。

特に、低真空領域（大気圧〜１０^-1［Ｐａ］）を測定可能である真空計と高真空領域（１０^-1［Ｐａ］以下）を測定可能である電離真空計を備えた真空装置の制御方法、及び当該制御が行われる装置について説明する。

具体的な構成の一例として、電離真空計を備えた真空装置において、低真空領域（大気圧〜１０^-1［Ｐａ］）を測定可能である真空計により測定した低真空領域の真空度を用いて、任意の高真空度までの到達時間を算出し、任意の高真空度に到達した時点で電離真空計の動作を開始させる装置について、以下に説明する。

以下に詳述する構成によれば、低真空領域で電離真空計の動作を開始させることがなくなり、大気及び試料から放出されるガスによって引き起こされる電極やフィラメントの汚れを防ぐことが可能となる。

図１は、電子顕微鏡の概略構成図を説明する図である。なお、以下の説明は、半導体測定、或いは検査用の走査電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope：ＳＥＭ）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、真空排気が必要な他の荷電粒子線装置（例えばFocused Ion beam（ＦＩＢ）装置等）への適用も可能である。特に、以下に説明するような実施例は、大気→高真空、或いは高真空→大気に頻繁に排気とリークを繰り返す予備排気室における真空計の制御に特に有効である。また、昨今の半導体デバイスに散見される真空排気によってガスを生じさせる試料について、当該試料雰囲気の真空排気時の真空計制御に特に有効である。

電子線を放出する電子銃などを備えた鏡筒１は試料室２と接続されている。また、試料室２は、試料を入れ替える際に試料室の真空度を下げないために予備排気を行う予備排気室４を備えている。試料室２と予備排気室４は、粗引き用のドライポンプや本引き用のターボ分子ポンプなどで構成される真空ポンプ３により真空引きされる。また試料室２と予備排気室４の真空度は、低真空領域測定用のピラニ真空計５と高真空領域測定用のペニング真空計６で測定される。

また、記憶素子を備えた真空排気制御装置７は、ピラニ真空計５とペニング真空計６の動作制御、真空度の読取りと演算処理及び真空ポンプ３の動作制御を行う。

図７に冷陰極電離真空計の一種であるペニング真空計の構造概略を示す。ペニング真空計は、陰極９と垂直の向きにかけられた磁場１２の中において、陽極８と陰極９間に高電圧源１１から高電圧を印加し放電を発生させ、その放電電流が真空度に依存することを利用して、電流計１０により測定した電流によって真空度を測定する真空計である。

ペニング真空計を低真空領域で放電すると、大気及び試料から放出されるガスが放電により分解され電極に付着して被膜を形成する電極に汚れが発生し、測定感度の低下を引き起こす。重度の電極汚染が生じた場合、異常放電の発生、もしくは放電が起こらなくなるため真空度測定が行えなくなる。

図８に熱陰極電離真空計の一種であるＢ−Ａ真空計（Bayard-Alpert真空計）の構造概略を示す。Ｂ−Ａ真空計は、２０Ｖ程度の電圧を印加することにより流れる電流によって加熱されたフィラメント１３から熱電子が放出され、２００Ｖ程度の電圧を印加したグリッド１５に引き付けられた熱電子が気体分子と衝突しイオンを生成する。イオンがほぼ０Ｖの電圧１８を印加したコレクタ１６に流れたときのイオン電流が、真空度に依存することを利用して、電流計１９により測定した電流によって真空度を測定する真空計である。

低真空領域でＢ−Ａ真空計のフィラメントを加熱すると、大気及び試料から放出されるガスがフィラメントの高温で分解されて付着することにより、フィラメント汚染が生じて測定感度の低下を引き起こす。ガス成分によっては、フィラメントが大気やガスと反応して焼損してしまう。

以上のような構成を前提として、以下に真空計制御の具体的な手法について詳述する。

図２に予備排気室４の真空度変化の一例を示す。横軸が時間Ｔ［ｓ］、縦軸が対数軸での真空度Ｐ［Ｐａ］である。図４に図２のような真空度変化の場合の動作フローチャートを示す。始めに、試料を搬送された予備排気室４は、真空ポンプ３のドライポンプ（ＤＰ）により粗引きされる（ステップＳ１０２）。ピラニ真空計５により測定される予備排気室４の真空度を真空排気制御装置７により読取り、数百［Ｐａ］の真空度になったところで（ステップＳ１０３）、真空排気制御装置７により真空ポンプ３をドライポンプからターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）に切り替える（ステップＳ１０４，Ｓ１０５）。

真空排気制御装置７は、真空ポンプ３をターボ分子ポンプに切り替えた時点から、任意の時間間隔でピラニ真空計５の真空度を記憶する（ステップＳ１０６）。ピラニ真空計５で数〜０.１［Ｐａ］を検出（ステップＳ１０７）した時点から、到達時間Ｔｘ［ｓ］のカウントを開始する（ステップＳ１０８）。また、真空排気制御装置７は記憶した真空度から、真空度変化量（ΔＰ／ΔＴ）を算出し（ステップＳ１０９）、これから任意の高真空度Ｐｘ［Ｐａ］に至るまでの到達時間Ｔｘ［ｓ］を算出する（ステップＳ１１０）。

到達時間Ｔｘ［ｓ］のカウント開始から到達時間Ｔｘ［ｓ］が経過しているのであれば（ステップＳ１１１）、ペニング真空計に高電圧を印加し放電を開始する（ステップＳ１１２）。

本実施例では、図２のように真空度変化が直線的である場合において、到達時間Ｔｘ［ｓ］を簡易に求めることができる。

実施例１において、到達時間Ｔｘ［ｓ］は真空度変化量（ΔＰ／ΔＴ）を用いて算出したが、近似曲線Ｆ（ｔ）を用いても良い。この場合、真空排気制御装置７に記憶した真空度から真空度変化の近似曲線Ｆ（ｔ）を算出し、そこから到達時間Ｔｘ［ｓ］を求める。図５にこのときの動作フローチャートを示す。

ステップＳ２０２〜Ｓ２０８までは実施例１のステップＳ１０２〜Ｓ１０８と同様の動作である。ステップＳ２０９において真空排気制御装置７は記憶した真空度から、真空度変化の近似曲線Ｆ（ｔ）を算出する。ステップＳ２１０〜Ｓ２１２も実施例１のステップＳ１１０〜Ｓ１１２と同様である。この実施例では、図３のように真空度変化が直線的ではない場合においても、到達時間Ｔｘ［ｓ］の算出を行うことができる。

以上のような実施例により、低真空領域でペニング真空計６を放電することがなくなり、大気および測定試料から放出されるガスによる電極汚染を防ぐことが可能となる。また、上述のように本実施例は、測定試料を搬送するために真空排気と大気開放を頻繁に行う予備排気室において効果が大きい。

また、前記実施例において、真空排気制御装置７は、算出した任意の高真空度までの到達時間Ｔｘ［ｓ］が設定値よりも大きい場合に、エラー信号を出力するものであっても良い。この場合のフローチャートを図６に示す。ステップＳ３０１からＳ３１０までは前記実施例と同様である。ステップＳ３１１において、算出した任意の高真空度までの到達時間Ｔｘ［ｓ］が予め設定しておいた値と比べ、大きければエラー信号を出力し（ステップＳ３１２）、小さければ前記実施例と同様の電離真空計の動作を開始させるフローに進む（ステップＳ３１４，Ｓ３１５）。この実施例において、出力されたエラー信号を警報器や操作卓のディスプレイなどに入力することで、装置のオペレータに異常を知らせる、もしくは装置を停止することが可能となる。

本実施例において真空排気室は予備排気室としたが、試料室など被排気室であれば良い。

本実施例において、低真空領域を測定する真空計はピラニ真空計としたが、隔膜真空計などの低真空領域（大気圧〜１０^-1［Ｐａ］）を測定可能である真空計であれば良い。

本実施例において、高真空領域を測定する真空計はペニング真空計としたが、冷陰極電離真空計であるマグネトロンゲージ，逆マグネトロンゲージなどでもよい。また、熱陰極電離真空計を用いた場合でも同様の効果を得ることができる。

走査電子顕微鏡の概略構成図。 低真空時の真空度変化の測定に基づいて、高真空用真空計の開始タイミングを予測する例を説明する図。 低真空時の真空度変化の測定に基づいて、高真空用真空計の開始タイミングを予測する他の一例を説明する図。 傾き（ΔＰ／ΔＴ）から所定真空度への到達時間Ｔｘを求めるフローチャート。 近似曲線Ｆ（ｔ）から所定真空度への到達時間Ｔｘを求めるフローチャート。 エラー信号出力を加えたフローチャート。 ペニング真空計の構造概略図。 Ｂ−Ａ真空計の構造概略図。

符号の説明

１ 鏡筒
２ 試料室
３ 真空ポンプ
４ 予備排気室
５ ピラニ真空計
６ ペニング真空計
７ 真空排気制御装置
８ 陽極
９ 陰極
１０，１９ 電流計
１１ 高電圧源
１２ 磁場
１３ フィラメント
１４ フィラメント電圧源
１５ グリッド
１６ コレクタ
１７ グリッド電圧源
１８ コレクタ電圧源

Claims (5)

1. 真空室内の雰囲気を低真空用の真空計と高真空用の真空計による真空度計測を行いつつ、真空排気する真空排気方法において、
   真空排気を行いつつ、前記低真空用の真空計による真空度の計測を行い、当該低真空用の真空計の時間経過に対する真空度の変位から、所定の真空度に到達する到達時間を計算し、当該到達時間に達したときに、前記高真空用の真空計の動作を開始することを特徴とする真空排気方法。
2. 真空室と、当該真空室を排気する真空ポンプと、当該真空室に設けられ、真空室内の真空度を測定する真空計を備えた真空装置において、
   第１の真空計と、当該第１の真空計より高い真空度の真空測定を行う第２の真空計と、前記真空計を制御する制御装置を備え、当該制御装置は、前記第１の真空計の時間経過に対する真空度の変位から、所定の真空度に到達する到達時間を計算し、当該到達時間に達したときに、前記第２の真空計の動作を開始させることを特徴とする真空装置。
3. 請求項２において、
   前記所定の真空度は、前記第１の真空計で計測可能な真空度より高いことを特徴とする真空装置。
4. 請求項２において、
   前記第１の真空計は、ピラニ真空計、或いは隔膜真空計であることを特徴とする真空装置。
5. 請求項２において、
   前記第２の真空計は、電離真空計であることを特徴とする真空装置。

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