JPH08138603A

JPH08138603A - 低真空雰囲気形走査電子顕微鏡

Info

Publication number: JPH08138603A
Application number: JP27519394A
Authority: JP
Inventors: Masuhiro Ito; 祐博伊東; Mitsuo Akatsu; 光男赤津; Susumu Ozasa; 進小笹
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Science Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Science Systems Ltd
Priority date: 1994-11-09
Filing date: 1994-11-09
Publication date: 1996-05-31

Abstract

(57)【要約】【目的】１台の油拡散ポンプと１台のロータリーポン
プのみからなる安価でシンプルな排気系を具備する低真
空雰囲気形走査電子顕微鏡を提供する。【構成】電子線を発生する電子銃部３の高真空と試料
８を配置する試料室１０の低真空とを流路抵抗のネット
ワークを組み合わせることにより、同時に維持するよう
に構成する。試料室１０は、流路抵抗Ｒ１の流路抵抗部
材３５を介して大気に連通し、また抵抗Ｒ２の流路抵抗
を有する排気管３１を介してロータリーポンプ２９で排
気される。抵抗Ｒ１とＲ２は、その比Ｒ２／Ｒ１が１／
１００〜１／１００００の範囲の所定値に設定されてい
る。【効果】従来試料室排気専用に必要だったロータリー
ポンプを省くことができ排気系全体の低コスト化が図れ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、走査電子顕微鏡及びそ
の類似装置に関し、特に低真空度に維持された試料室内
で試料表面を観察するのに最適な低真空雰囲気形走査電
子顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】観察試料周囲雰囲気の圧力を数Ｐａ〜数
百Ｐａの低真空状態とすることにより、絶縁物試料の観
察において帯電現象を防止し、あるいは比較的蒸気圧の
高い成分を含んだ試料の観察を容易にする、いわゆる低
真空観察を可能とした走査電子顕微鏡が一般に用いられ
ている。

【０００３】従来の低真空観察用走査電子顕微鏡の排気
系は、一般に図５に示すように電子銃部３及び中間室７
の高真空を維持するための１台の油拡散ポンプ５１とそ
の背圧用のロータリーポンプ５２、及びニードルバルブ
４０を開いたとき試料室１０を低真空に維持するための
ロータリーポンプ５３で構成されており、低真空観察と
高真空観察の両方が可能なように構成されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前記排気機構は、最低
１台の油拡散ポンプと２台のロータリーポンプを必要と
し、排気制御が複雑になるとともに排気制御に用いる真
空弁の数が多くなってしまい、結果的には高価な排気構
成になってしまう。また、低真空状態での観察には反射
電子を用いるため、高真空状態の観察に用いる二次電子
検出器の他に反射電子検出器が必要となり、２個の検出
器の制御回路も含めて高価な検出器構成になってしま
う。

【０００５】一方、高真空における高倍率観察ができな
くても、上記した低真空観察の利点を利用できる安価な
装置が望まれている。しかしながら従来の技術において
低真空専用の装置とする場合、装置中に高真空部分と低
真空部分が混在して排気系が高真空専用の装置より複雑
になることからコスト高となることは避けられなかっ
た。本発明は、低真空専用装置を高真空専用装置と同等
のコストで実現する手段を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明では、電子線を発
生する電子銃部の高真空と試料を配置する試料室の低真
空とを、固定の流路抵抗のネットワークにより同時に維
持することにより、前記目的を達成する。流路抵抗の組
み合わせにより、必要な真空ポンプを高真空ポンプ１
台、荒引きポンプ１台とし、また低真空の圧力を決める
ため用いられていたニードルバルブを固定の流路抵抗を
有する部材に置き換えた簡単な構成とし、排気構成の単
純化によりコストダウンを図ると共にシンプルな排気系
を実現する。

【０００７】具体的には、主排気配管を通して高真空ポ
ンプで排気される電子銃部と、試料室と、電子銃部と試
料室を接続する中間室とを含み、試料の観察時に観察試
料周囲雰囲気の圧力を数Ｐａ〜数百Ｐａの低真空状態と
する低真空雰囲気走査電子顕微鏡において、中間室は差
動排気用オリフィスを備え、試料室は一端が大気に接続
された第１の流路抵抗部材と一端が荒引き用真空ポンプ
に接続された第２の流路抵抗部材との接続部に連通して
おり、第１の流路抵抗部材の流路抵抗Ｒ１と第２の流路
抵抗部材の流路抵抗Ｒ２はその比Ｒ２／Ｒ１が１／１０
０〜１／１００００の範囲の所定値に設定されているこ
とを特徴とする。

【０００８】荒引き用真空ポンプは、電子銃部と中間室
と試料室の荒引き、高真空ポンプの背圧排気、及び試料
室の排気を兼用するのが好ましい。コストの点からする
と、荒引き用ポンプをロータリーポンプとし、高真空ポ
ンプを油拡散ポンプとするのが有利であるが、他の真空
ポンプの組み合わせとすることもできる。第１の流路抵
抗部材の大気側にはフィルタを接続するのが好ましい。

【０００９】第１の流路抵抗部材とフィルタの間には、
高真空ポンプ用冷却水を利用した水流ポンプ等の補助ポ
ンプを接続することができる。第１の流路抵抗部材は孔
径０．５ｍｍ〜０．０１ｍｍの１個又は複数個のオリフ
ィス、あるいは内径１ｍｍ〜０．０１ｍｍのキャピラリ
管から構成することができる。また、第１の流路抵抗Ｒ
１又は第２の流路抵抗Ｒ２は、各々異なる固定の流路抵
抗を切り替えることによって可変とすることもできる。

【００１０】

【作用】流路抵抗のネットワーク中で流路抵抗の比Ｒ２
／Ｒ１を１／１００〜１／１００００の範囲に設定する
ことにより、試料室の圧力を数Ｐａから数百Ｐａの低真
空状態に維持することが可能となる。排気系を電子銃部
を排気する主配管と試料室を排気する試料室配管とで構
成し、電子銃部は主排気手段により所定の真空度に維持
し、試料室は主排気手段の背圧用排気（後段排気）とし
て使用される補助排気手段（後段ポンプ）を兼用して排
気するようにすると、低コストかつシンプルな排気系を
構成することができる。

【００１１】第１の流路抵抗部材の大気側にフィルタを
接続すると、オリフィス等で構成される流路抵抗部に大
気中のゴミ等が詰まって流路抵抗が変動することが避け
られる。第１の流路抵抗部材とフィルタの間に高真空ポ
ンプ用冷却水を利用した水流ポンプ等の補助ポンプを接
続すると、流路抵抗部材の両端の圧力が小さくなるた
め、流路抵抗値を小さくする、すなわちオリフィス径を
大きくすることができるため、抵抗値の安定度（信頼
性）を増すことができる。

【００１２】

【実施例】以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に
説明する。図１は、本発明の一例を示す低真空雰囲気形
走査電子顕微鏡の排気構成の概略図である。鏡体は、電
子線１を取り出すための電子銃２を有する電子銃室３
と、収束レンズ４、偏向コイル５、対物レンズ６などを
有する中間室７と、試料８、反射電子検出器９，１６な
どを有する試料室１０とから構成されている。

【００１３】電子銃２から取り出された電子線１は、収
束レンズ４と対物レンズ６によって細い電子ビームに収
束され、走査電源１１に接続された偏向コイル５によっ
て試料８上で走査される。電子線の照射によって試料か
らは、二次電子、反射電子などの信号が発生する。試料
室の圧力が低真空（６〜５４０Ｐａ）の領域では電子の
平均自由行程が２５０μｍ〜２ｃｍときわめて短いた
め、試料を照射する電子の一部はガス分子と衝突し、こ
れを電離して電子とイオンを生じる。このイオンは電子
の照射により負に帯電した試料の電界に引き寄せられ、
試料表面の電荷を中和するため、帯電現象が生じない。
しかし、通常高真空の場合に二次電子検出器１８で検出
される二次電子は、低真空では後段加速の高電圧が印加
できないため検出する信号は反射電子となる。この反射
電子信号を検出するため、対物レンズ６と試料８との間
に、シンチレータ１２、ライトガイド１３、光電子増倍
管及びプリアンプ１４などからなる反射電子検出器９が
設けられている。もしくは、対物レンズの下方に半導体
反射電子検出器１６を設け、反射電子１７を検出する方
法もある。これらの反射電子信号は信号増幅回路１９を
通して陰極線管（ＣＲＴ）２０の輝度変調端子に入力さ
れ、反射電子信号による走査像が観察できるようになっ
ている。

【００１４】低真空度を維持するために電子銃室３と中
間室７との間、いわゆる収束レンズ内に収束レンズ絞り
を兼用している複数個のオリフィス絞りを有するライナ
ーチューブ２１、及び中間室下方（対物レンズ部）と試
料室の間にオリフィス絞り２２が設けられている。これ
らはできるだけ厚みを薄くすることで電子線の散乱を防
止し、電子線をできるだけ細く絞ることと、排気コンダ
クタンスを最適な値に設定するという両方の役割をもっ
ている。

【００１５】図２は、図１の排気経路構成を流路抵抗の
ネットワークで示したものである。図２に示した流路抵
抗により各室の真空度は、電子銃室３が５．６×１０^-3
Ｐａ（〜４×１０^-5Ｔｏｒｒ）に、中間室７は約０．２
Ｐａ（１．５×１０^-3Ｔｏｒｒ）に、試料室は約４０Ｐ
ａ（０．３Ｔｏｒｒ）に維持できるように排気系が構成
される。すなわち電子銃室３は主排気配管２３の上部２
３′に、中間室７は中間排気配管２４を通して主排気配
管下部２３″に連結されている。この主排気配管下部２
３″はメインバルブ２５と主排気手段である油拡散ポン
プ２６につながっている。

【００１６】試料室１０に接続されている固定リーク抵
抗Ｒ１及びＲ２は、Ｒ１の一端が大気（〜１×１０⁵Ｐ
ａ）に、Ｒ２の一端がロータリーポンプ２９に連結さ
れ、その抵抗の比（Ｒ２／Ｒ１）により試料室の圧力が
決定される。ここでＲ１の値は抵抗３５により設定し、
Ｒ２は試料室排気用配管３１自体の抵抗を利用すること
ができる。また、Ｒ１を通って流入するガス量Ｑは、油
拡散ポンプ２６の臨界背圧Ｐ、ロータリーポンプ２９の
排気速度ｖと以下の関係を満足するように、Ｒ１の抵抗
値を設定する。Ｑ＜Ｐｖ

【００１７】図２の例において、ロータリーポンプの実
効排気速度を３０ｌ／ｍｉｎ（０．５ｌ／ｓ）とする
と、油拡散ポンプの背圧は８．４Ｐａに保たれる。な
お、図１において配管２７は、主排気配管２３を通して
電子銃室３及び中間室７、試料室１０の荒引き排気用の
もので、主排気配管内の真空度をモニタするための真空
ゲージ３７が設けられている。また排気バルブ２８は荒
引き中は開で、メインバルブ２５が開と同時に閉とな
る。

【００１８】ロータリーポンプ２９は、前記主排気配管
２３につながる荒引き用配管２７以外に排気背圧用バル
ブ３２を通して油拡散ポンプ２６の背圧排気用配管３０
と試料室排気用配管３１がつながっている。試料室排気
用バルブ３３は試料室１０の荒引き時に開とし、試料交
換時の試料室リーク時には試料室リーク用バルブ３４を
開とする。

【００１９】なお図１の実施例において、試料交換時は
バルブ２１，３２，３３を閉じてバルブ３４を開き、フ
ィルタ３６を通して試料室側へエアーリークし鏡体全体
を大気状態にした後、試料交換を行なう。試料交換後
は、バルブ３４を閉じバルブ２８，３３を開いて鏡体全
体を４０Ｐａ程度にまで荒引きする。次に、バルブ２８
を閉じ、バルブ３２を開いて、油拡散ポンプ２６の臨界
背圧（１５Ｐａ）に達した後、バルブ２５を開いて油拡
散ポンプ２６による主排気を行なう。また停止用バルブ
３７は、排気系停止時及び供給電源停止時に鏡体を含め
た試料室１０を真空に保つときに閉じる。

【００２０】以上のような排気システムと排気シーケン
スにより、鏡体の荒引きから試料観察までを容易に行な
うことができる。以上は試料室の圧力が一定の場合につ
いて述べたが、試料の観察条件例えば水分を多く含む試
料を観察するため圧力のより高い状態を必要とする場合
には上記固定抵抗Ｒ１を小とする。ただしこの場合にお
いても前記Ｑ＜Ｐｖの関係を守る必要がある。又は、Ｒ
２を大とすることで達成できる。これらの流路抵抗Ｒ１
又はＲ２を切り替え可能に構成することにより応用範囲
を広くすることができる。流路抵抗を可変にするには、
例えば図３に示すように、異なる流路抵抗４１，４２を
有する複数の流路を並列に設けておき、電磁バルブ４３
等で流路を切り替えて所望の抵抗を選択できるようにす
ればよい。

【００２１】以上は固定リーク抵抗３５（Ｒ１）の一端
が大気である構成について説明したが、この抵抗は図２
に示すように２．５×１０⁴ｓ／ｌと非常に大きいもの
であり、これをオリフィス１個で実現しようとした場
合、その孔径は約２０μｍと非常に小さく、直接大気を
吸引した場合ごみ等によるつまりが問題となるため、吸
引口にはフィルター３６を設けることが必要である。も
ちろんこの抵抗は、より大きい孔径、たとえば１００μ
ｍ（０．１ｍｍφ）のものを２３個直列に使用しても得
ることができる。またオリフィスではなく細管（キャピ
ラリ）を用いることもできる。この場合長さを選択する
ことにより抵抗値を自由に設定できる。

【００２２】また、固定リーク抵抗Ｒ１の大気連通側に
減圧ポンプ４５を接続することにより抵抗値を小さく、
すなわち抵抗Ｒ１のオリフィス径を大きくすることが可
能である。減圧ポンプとしては、図４に示すように、配
管４６の途中に油拡散ポンプの冷却に使用される冷却水
の配管４７を交差させて、冷却水の流れを利用する水流
ポンプが簡便であるが、水圧が変動するなどの理由によ
りこれが利用できない場合にはベローズポンプ、ダイヤ
フラムポンプ等機械的なポンプを用いて良い。減圧ポン
プ４５を用いて、例えば圧力を０．１気圧（≒１×１０
⁴Ｐａ）とした場合、上記と同じ条件とするためのＲ１
の流路抵抗値は２．５×１０³ｓ／ｌとなり直径１００
μｍのオリフィス２〜３個ですむ。

【００２３】

【発明の効果】本発明によれば、例えば油拡散ポンプ１
台、ロータリーポンプ１台のみの安価でシンプルな構成
を持った低真空雰囲気形走査電子顕微鏡を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す概略図。

【図２】図１の排気経路構成を流路抵抗のネットワーク
で示した説明図。

【図３】抵抗可変手段の説明図。

【図４】水流ポンプの説明図。

【図５】従来の排気系の例を示す概略図。

【符号の説明】

１…電子線、２…熱電子銃、３…電子銃室、４…収束レ
ンズ、５…偏向コイル、６…対物レンズ、７…中間室、
８…試料、９…反射電子検出器、１０…試料室、１１…
走査電源、１２…シンチレータ、１３…ライトガイド、
１４…光電子増倍管及びプリアンプ、１６…半導体反射
電子検出器、１７…反射電子、１８…二次電子検出器、
１９…信号増幅回路、２０…陰極線管（ＣＲＴ）、２１
…ライナーチューブ、２２…オリフィス絞り、２３…主
排気配管、２４…中間排気配管、２５…メインバルブ、
２６…油拡散ポンプ、２７…配管、２８…排気バルブ、
２９…ロータリーポンプ、３０…背圧排気用配管、３１
…試料室排気用配管、３２…背圧排気用バルブ、３３…
試料室排気用バルブ、３４…試料室リーク用バルブ、３
５…固定リーク抵抗、３６…フィルター、３７…停止用
バルブ、４１，４２…固定抵抗、４３…電磁バルブ、４
５…減圧ポンプ、４７…冷却水配管、５１…油拡散ポン
プ、５２，５３…ロータリーポンプ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者赤津光男茨城県ひたちなか市市毛1040番地株式会社日立サイエンスシステムズ内 (72)発明者小笹進茨城県ひたちなか市市毛1040番地株式会社日立サイエンスシステムズ内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】主排気配管を通して高真空ポンプで排気
される電子銃部と、試料室と、電子銃部と試料室を接続
する中間室とを含み、試料の観察時に観察試料周囲雰囲
気の圧力を数Ｐａ〜数百Ｐａの低真空状態とする低真空
雰囲気走査電子顕微鏡において、中間室は差動排気用オリフィスを備え、試料室は一端が
大気に接続された第１の流路抵抗部材と一端が荒引き用
真空ポンプに接続された第２の流路抵抗部材との接続部
に連通しており、第１の流路抵抗部材の流路抵抗Ｒ１と
第２の流路抵抗部材の流路抵抗Ｒ２はその比Ｒ２／Ｒ１
が１／１００〜１／１００００の範囲の所定値に設定さ
れていることを特徴とする低真空雰囲気形走査電子顕微
鏡。
【請求項２】荒引き用真空ポンプは、電子銃部と中間
室と試料室の荒引き、高真空ポンプの背圧排気、及び試
料室の排気を兼用していることを特徴とする請求項１記
載の低真空雰囲気形走査電子顕微鏡。
【請求項３】第１の流路抵抗部材の大気側にフィルタ
を接続したことを特徴とする請求項１又は２記載の低真
空雰囲気形走査電子顕微鏡。
【請求項４】第１の流路抵抗部材とフィルタの間に補
助ポンプを接続したことを特徴とする請求項３記載の低
真空雰囲気形走査電子顕微鏡。
【請求項５】前記補助ポンプは高真空ポンプ用冷却水
を利用した水流ポンプであることを特徴とする請求項４
記載の低真空雰囲気形走査電子顕微鏡。
【請求項６】第１の流路抵抗部材は孔径０．５ｍｍ〜
０．０１ｍｍの１個又は複数個のオリフィスからなるこ
とを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の低真
空雰囲気形走査電子顕微鏡。
【請求項７】第１の流路抵抗部材は内径１ｍｍ〜０．
０１ｍｍのキャピラリ管からなることを特徴とする請求
項１〜５のいずれか１項記載の低真空雰囲気形走査電子
顕微鏡。
【請求項８】流路抵抗Ｒ１又は流路抵抗Ｒ２の少なく
とも一方は、各々異なる固定の流路抵抗を有する複数個
の流路の切り替えによって可変に構成されていることを
特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の低真空雰
囲気形走査電子顕微鏡。
【請求項９】主排気配管に中間室を排気する中間配管
が接続されていることを特徴とする請求項１〜８のいず
れか１項記載の低真空雰囲気形走査電子顕微鏡。