JPWO2014132758A1 - オービトロンポンプ、およびオービトロンポンプを用いた電子線装置 - Google Patents
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Abstract
オービトロンポンプの長寿命化を実現する。アノード（１）、カソード（２）及び電子放出用フィラメント（３）がポンプチャンバ（４）の内部に配置されたオービトロンポンプにおいて、カソード（２）の表面に非蒸発ゲッター材料があるようにする。そうすると、カソードの体積を増やすことにより、排気速度低下やガス放出量増加などのポンプ性能低下を起こすことなくポンプの長寿命化を実現できる。
Description
本発明は、荷電粒子線装置に用いる真空ポンプに関するものである。
従来の高輝度照射を目的とした走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）や電子線描画装置（ＥＢ）は、電界放出型、ショットキー放出型または熱電子放出型の電子源から放出される電子線を加速し、電子レンズで細い電子ビームとし、これを一次電子ビームとして走査偏向器を用いて試料上に走査し、走査型電子顕微鏡であれば得られる二次電子あるいは反射電子を検出して像を得るものであり、電子線描画装置であればレジスト膜上にあらかじめ登録されたパターンを描画するものである。電子源の材料としてはタングステン、ジルコニア塗布タングステン、もしくはジルコニア含有タングステン、または六ホウ化ランタンなどが用いられる。
上記電子源から良好な電子ビームを長時間にわたって得るには、電子源周辺を超高真空〜極高真空（10-7-10-10Pa）に保つ必要がある。B. Cho et al., Applied Physics Letters, Volume 91 (2007), 012105（非特許文献１）には、タングステン電界放出型の電子源を用いる場合、電子源周辺の圧力が下がるほどビーム電流の安定性が向上することが記載されている。このため、従来においては、特開2002-358920号公報（特許文献１）に記載されているように、電子源をスパッタイオンポンプで排気する方法が取られている。ここで、スパッタイオンポンプとは、ゲッターイオンポンプの一種で、化学吸着排気機能とイオン化排気機能を有する真空ポンプであり、化学吸着排気機能とは、活性金属から成るゲッター材の持つガス分子に対する化学吸着能を利用した排気機能のことであり、イオン化排気機能とは、真空槽内のガス分子をイオン化して加速し、活性金属から成るゲッター材に打込んで排気する機能のことである。
特開2000-149850号公報（特許文献２）には、電子光学系を小型化する手段として、鏡筒内にゲッターイオンポンプを内蔵した荷電粒子線装置が開示されている。また、米国特許第4833362号明細書（特許文献３）、特開平6-111745号公報（特許文献４）には、電子源室内に非蒸発ゲッターポンプを内蔵した荷電粒子線装置が開示されている。ここで、ゲッターポンプとは、活性金属から成るゲッター材料を加熱により昇華させてポンプ内壁に化学活性なゲッター膜を形成し、ゲッター膜にガス分子を吸着する形式の真空ポンプである。そのような性質を持つゲッター材料としてチタンやタンタルなどの遷移金属が用いられる。また、非蒸発ゲッターポンプとは、昇華させずに加熱するだけで化学活性化し、ガス分子を吸着する活性金属から成るゲッター材料を用いて構成された真空ポンプのことである。そのような性質を持つ材料としては、チタンやジルコニウム、タンタルなどの遷移金属、チタンーアルミニウム、ジルコニウムーアルミニウム、ジルコニウムーバナジウムー鉄など遷移金属を成分として含む合金が用いられる。
米国特許第3244969号明細書（特許文献５）には、スパッタイオンポンプと同様に２つの排気機能を持つ真空ポンプであるオービトロンポンプが開示されている。オービトロンポンプは、通常、カソード、チタン源、チタン源を保持するアノード、およびフィラメントから構成される。通常、アノードは、カソードの中心軸上に配置される。アノードは、カソードおよびフィラメントに対して正の電圧が印加される。フィラメントはカソードに対して正の電圧が通常印加される。本例においては、カソードはポンプチャンバーそのものであり、接地電位となっている。
フィラメントを加熱することによりフィラメントから電子が放出される。フィラメントから放出された電子は、アノードおよびフィラメントならびにカソードの作る電界により加速され、最終的にアノードまたはアノードに保持されたチタン源に衝突する。電子衝撃によりチタン源が加熱されてチタンが昇華し、カソード内面に清浄なチタン膜が形成される。清浄なチタン膜は、ガス分子に対する化学吸着機能を有しており、化学的に活性なガスは、カソード内面に形成されたチタン膜の化学吸着排気機能により排気される。
希ガスまたはメタンなどの化学的に安定なガス分子は、次のような機構により排気される。フィラメントから放出された電子の一部は、ガス分子に衝突してガス分子をイオン化する。イオン化されたガス分子は、ポンプ内の電界によりカソードに向かって加速され、カソード内面に形成されたチタン膜内部に打ち込まれ排気される（イオン化排気機能）。
米国特許第3407991号明細書（特許文献６）には、改良を加えたオービトロンポンプが開示されている。本例にかかるオービトロンポンプは、カソード、チタン源、アノード、フィラメント、およびグリッド電極から構成される。アノードとフィラメントはグリッド電極の内側に配置され、カソードはグリッド電極の外側に配置されている。アノードはグリッド電極およびフィラメントに対して正の電圧が印加される。フィラメントはグリッド電極に対して正の電圧が通常印加される。グリッド電極はカソードに対して正の電圧を印加される。本例においては、カソードはポンプチャンバーそのものであり、接地電位となっている。
フィラメントを加熱することによりフィラメントから電子が放出される。フィラメントから放出された電子は、アノード、フィラメントおよびカソードの作る電界により加速され、最終的にアノードに衝突する。アノードにチタン源が担持されている場合、電子衝撃によりチタン源が加熱されてチタンが昇華し、カソード内面に清浄なチタン膜が形成される。チタン源をアノードとは別に設けた場合には、チタン源を通電加熱してチタンを昇華し、カソード内面に清浄なチタン膜を形成する。清浄なチタン膜は、ガス分子に対する化学吸着機能を有しており、化学的に活性なガスは、カソード内面に形成されたチタン膜の化学吸着排気機能により排気される。
希ガスまたはメタンなどの化学的に安定なガス分子は、次のような機構により排気される。フィラメントから放出された電子の一部は、ガス分子に衝突してガス分子をイオン化する。イオン化されたガス分子は、ポンプ内の電界によりカソードに向かって加速され、カソード内面に形成されたチタン膜内部に打ち込まれ排気される（イオン化排気機能）。本例では、グリッド電極とカソードの作る電界によりイオンを加速することで排気効率を上げる工夫がなされている。
B. Cho et al., Applied Physics Letters, Volume 91 (2007), 01 2105
本願発明者が、電界放出型の電子源にかかる真空ポンプなどの小型化について鋭意検討した結果、次の知見を得るに至った。
電界放出型の電子源を用いる場合、超高真空〜極高真空（圧力10-7-10-10Pa）が要求されるので、電子源の真空排気にはスパッタイオンポンプが用いられている。しかし、スパッタイオンポンプは、可動部が無く、通電のみにより10-7Pa以下の圧力に維持できる長所があるものの、数十cm角以上の大きさを有する。更に、強磁場を発生するためのマグネットを有するため、電子源側に磁場シールドを設置する必要がある。
特開2002-358920号公報（特許文献１）に記載されている従来技術では、主排気ポンプであるスパッタイオンポンプが大きく、かつ磁場の漏れがあるために電子源から一定の距離を置いて設置する必要があり、小型化が困難であった。また、スパッタイオンポンプは、ペニング放電を利用したポンプであるため、真空度が良くなる（圧力が下がる）につれて排気効率が落ちるという欠点もあり、到達真空度（到達圧力；実現できる最も低い圧力）に制限があった。
非蒸発ゲッターポンプを用いれば小型化は可能となるが、非蒸発ゲッターポンプではヘリウムやアルゴンなどの希ガス類、メタン等の化学的に安定なガス分子の排気が困難であるという欠点がある。スパッタイオンポンプを併用すれば真空度は良くなる（圧力が下がる）が、先に述べたスパッタイオンポンプの持つ欠点を回避できない。
一方、オービトロンポンプは、スパッタイオンポンプと異なり磁石を用いないため、磁場の遮蔽が必要無く、また構造も単純である。例えば、荷電粒子線装置の電子源の真空排気ポンプとして用いることで、装置の小型化が可能となる。また、スパッタイオンポンプのイオン化排気機能は、ペニング放電を利用したものであるため、真空槽内の圧力が下がると（真空度が上がると）イオン化排気機能は小さくなるが、一方、オービトロンポンプのイオン化排気機能は、フィラメントから供給する電子を利用したものであるため、真空槽内の圧力（真空度）とは無関係であり、真空槽内の圧力が下がっても（真空度が上がっても）イオン化排気機能は小さくならないという特長を持つ。
従来型のオービトロンポンプは、ゲッター膜の形成方法として、ゲッター膜の元となるゲッター材料源を電子衝撃加熱あるいは通電加熱によって昇華してカソードの表面に蒸着させており、蒸着することにより排気作用を発現する蒸発型ゲッターを用いている。この方法はポンプ機能の発現に必要となる機能部品が少なく構造も単純であり製作が容易であるが、以下に述べる３つの欠点がある。
１つ目は、ポンプの寿命がゲッター材料源の量で制限されてしまうことである。米国特許第3244969号明細書（特許文献５）に記載されたオービトロンポンプでは、アノードにゲッター材料源としてチタンが担持されているが、チタン源は実質的にアノードの直径を太くしている。寿命を長くするためにチタン源の量を増やしてアノードを太くすると、フィラメントから放出された電子がアノードに衝突しやすくなり、真空ポンプとしての排気速度が落ちてしまう。また、チタン源を昇華するために必要となる熱負荷が大きくなり、ガス放出量が大きくなる。したがって、ガス放出量を小さくして、排気速度を大きくするためには、チタン源の量を少なくする必要があり、ポンプ寿命を長くできない。米国特許第3244969号明細書（特許文献６）に記載されたオービトロンポンプでは、アノードとチタン源が分離されており、チタン源の量を増やしても排気速度は下がらないが、昇華に必要な熱負荷が大きいことは変わらず、ガス放出量を小さくするためにポンプの寿命が短くなってしまう欠点は解決していない。
２つ目は、ポンプ内部の意図しない領域にも蒸着膜が形成されることにより、ポンプ機能、あるいは荷電粒子線装置の機能が損なわれることである。オービトロンポンプにはアノード、フィラメントなどの電極、電子源とそれらに電圧、電流を導入する端子を設ける必要があり、それらを空間的に配置しかつ相互に絶縁を保つための絶縁用スペーサが用いられる。しかしながら、絶縁スペーサにゲッター膜が蒸着すると、絶縁不良が発生し故障の原因となる。フィラメントにゲッター膜が蒸着すると、排気作用の元となる電子放出が阻害されてしまう。真空ポンプとして機能するためには、真空ポンプの開口が荷電粒子線装置の開口部と接続されている必要があるが、その場合、荷電粒子線装置内部にゲッター膜が形成されてしまい、場合によっては荷電粒子線装置の機能を損なうことがある。以上のような問題を避けるために、絶縁スペーサ、フィラメント、真空槽を保護するための遮蔽板を設けることも可能であるが、ポンプ構造が複雑化し、ガス放出量の増加や排気速度の低減の原因となる。
３つ目は、装置寿命に達し使用不能となったポンプを再生する際に、ポンプ内部に形成された蒸着膜を除去する必要があり、メインテナンスに要する手間やコストが著しく増加することである。
本発明の目的は、オービトロンポンプの長寿命化、オービトロンポンプのポンプ機能低下および真空ポンプとしてオービトロンポンプを用いた荷電粒子線装置の機能低下の防止、またはオービートロンポンプのメインテナンス性の改善に関する。
本発明は、アノード、カソード、および電子放出用のフィラメントを含むオービトロンポンプにおいて、カソードの表面に非蒸発ゲッター材料があることを特徴とする。
本発明により、一つの観点として、その表面に非蒸発ゲッター材料があるカソードの体積を増やすことにより、排気速度低下やガス放出量増加などのポンプ性能低下を起こすことなくポンプの長寿命化が実現できる。また別の観点として、ポンプ内部の意図しない領域にゲッター膜が形成されることがないため、ポンプ機能の低下および当該ポンプを搭載した荷電粒子線装置機能の低下を防止できる。また別の観点として、排気能力を失ったカソードを交換することにより、ポンプの排気能力を再生することができ、メインテンス性を改善できる。
図１に、実施例にかかるオービトロンポンプの基本構成を示す。実施例にかかるオービトロンポンプは、アノード１、カソード２、フィラメント３、およびポンプチャンバー４から構成され、カソードが、非蒸発ゲッターを含む材料で構成されることを特徴とする。カソードを、非蒸発ゲッターを含む材料で構成することにより、アノードにゲッター材料源を担持させる必要が無くなり、アノードとは無関係にゲッター材料の体積を増加することができ、したがって、ポンプの排気速度やガス放出量に影響を与えずにポンプの長寿命化を実現できる。
また、実施例にかかるオービトロンポンプにおいては、ゲッター材料を昇華させることが無いため、従来型のオービトロンポンプにおけるゲッター膜の蒸着に伴う絶縁不良、フィラメントからの電子放出の阻害、および荷電粒子線装置の機能低下の問題は、根本的に解決される。
また、実施例にかかるオービトロンポンプにおいては、ゲッター材料を昇華させることが無いため、ポンプ構成部品にゲッター材料が蒸着することは無く、排気能力を失ったカソードを交換するだけで寿命となったポンプの再生が可能である。
実施例にかかるオービトロンポンプを用いることにより、電子源、電子源から電子線を引き出すための電極、および電子源近傍を真空排気する真空ポンプなどから構成される電子銃を小型化でき、小型化した電子銃を有する走査電子顕微鏡および電子線描画装置などの電子線装置を得ることができる。
実施例では、アノード、カソードおよび電子放出用フィラメントがポンプチャンバーの内部に配置されたオービトロンポンプにおいて、カソードの表面に非蒸発ゲッター材料があることを開示する。
また、実施例では、アノード、カソードおよび電子放出用フィラメントがポンプチャンバーの内部に配置されたオービトロンポンプならびに電子線を形成する手段を備えた電子線装置において、カソードの表面に非蒸発ゲッター材料があることを開示する。また、オービトロンポンプが、電子源をその内部に配置している電子源室に直結していることを開示する。また、電子源が、オービトロンポンプに組み込まれていることを開示する。
また、実施例では、カソードが、非蒸発ゲッター材料で構成されていることを開示する。また、カソードが、骨格部材上に非蒸発ゲッター膜を形成したものであることを開示する。
また、実施例では、オービトロンポンプが、カソードを通電加熱する手段を有していることを開示する。また、カソードを加熱するヒーターをポンプチャンバー内部に設置していることを開示する。また、ポンプチャンバーを介してカソードを加熱するヒーターが、ポンプチャンバー外側に設置されていることを開示する。
また、実施例では、アノードが通電加熱されることを開示する。また、アノードがチャンバの内部で折り返された形状であることを開示する。また、アノードを通電加熱する手段を有していることを開示する。また、アノードからの輻射熱によりカソードを加熱することを開示する。
また、実施例では、オービトロンポンプが、電子放出用フィラメントから放出される電子をチャンバ内に閉じ込めるリフレクター電極を有することを開示する。また、オービトロンポンプが、電子放出用フィラメントから放出される電子との反応によってイオン化されたガス分子をチャンバ内壁に向かって加速するグリッド電極を有することを開示する。
以下、上記およびその他の新規な特徴および効果について図面を参酌して説明する。なお、図面はもっぱら発明の理解のために用いるものであり、権利範囲を限定するものではない。
図２に、オービトロンポンプの第一の実施例を示す。
本実施例にかかるオービトロンポンプは、アノード１、カソード２、フィラメント３、ポンプチャンバー４、リフレクター電極５、５′およびグリッド電極６から構成される。ポンプチャンバー４は、取り付け口を有する円筒形チャンバであり、その内側にアノード１、カソード２、フィラメント３、リフレクター電極５、５′およびグリッド電極６が配置されている。アノード１、グリッド電極６、カソード２、ポンプチャンバー４は同心円状に配置されている。アノード１は細い金属棒あるいは金属線で構成され、材料としては例えばタングステンなどを用いることができる。カソード２は非蒸発ゲッター材料で構成され、非蒸発ゲッター材料としてはチタン、タンタル、若しくはジルコニウムなどの遷移金属、またはチタン-アルミニウム、ジルコニウム-アルミニウム、若しくはジルコニウム-バナジウム-鉄などの遷移金属を含む合金を用いることができる。また、カソード２は円筒基板上に上記の非蒸発ゲッター膜を形成したものであってもよい。フィラメント３は電子放出源であり、タングステンフィラメント、イットリアコートタングステンフィラメント、イットリアコートレニウムフィラメントまたはイットリアコートイリジウムフィラメントなどを用いることができる。また、熱フィラメントの代わりに電界放出電子源やショットキー電子源、フィールドエミッタアレイなどを用いることもできる。ポンプチャンバー４、リフレクター電極５、５′、グリッド電極６の材料としてはステンレスなどの金属を用いることができる。なお、リフレクター電極５、５′、およびグリッド電極６は無くてもよい。
アノード１、カソード２、フィラメント３、ポンプチャンバー４、リフレクター電極５、５′、およびグリッド電極６には、それぞれ電位V1、V2、V3、V4、V5、V6が印加される。この内、ポンプチャンバー４の電位V4は通常接地電位であるが、接地電位でなくてよい。V4を除く5つの電位の大小関係はV1>V3≧V5，V6≧V2と設定するのがよい。
本実施例におけるオービトロンポンプの動作原理は以下の通りである。水素、窒素、水、または一酸化炭素など化学的に活性な分子構造を持つガスは、非蒸発ゲッター材料で構成されたカソード２に吸着されることで排気される。一方、ヘリウムやアルゴンなどの希ガス類、またはメタンなど化学的に安定な分子構造を持つガスは、次のような原理で排気される。フィラメント３から放出された電子は、アノード１とグリッド電極６の間の電界によりアノード１の周りを周回する。また、ポンプの中心軸と平行な方向にエネルギーを持った電子は、アノード１の両端近傍に配置されたリフレクター電極５、５′で反射される。したがって、フィラメント３から放出された電子は、アノード１、リフレクター電極５、５′およびグリッド電極６で囲まれた空間を周回する軌道を取る。フィラメント３から放出され、アノード１、リフレクター電極５、５′およびグリッド電極６で囲まれた空間を周回する電子の一部は、周回中に真空槽内に残留するガスと衝突し、ガスを分解、またはイオン化する。ガスの分解片は化学的に活性な分子構造を持つことが多く、非蒸発ゲッターで構成されたカソード２に吸着されることで排気される。イオン化されたガスはポンプ内部の電界によってカソード２に向かって加速され、カソード２に叩きこまれることで排気される。
具体的な立ち上げ手順は以下のようになる。図示されていない粗引きポンプにより、ポンプ内部の圧力を高真空まで真空排気する。この時点ではカソード２の表面は酸化膜などで覆われており、排気作用をほとんど有しない。またこの時点では各ポンプ構成部品に電圧は印加しない。高真空領域まで真空排気後、超高真空以上の真空が要求される真空槽とオービトロンポンプを加熱脱ガスするベーキングと呼ばれる作業を実施する。ベーキング終了直前にカソード２を通電加熱することにより表面を清浄化し、カソード２の排気作用を発現させる（活性化させる）。その後ベーキング作業を終了する。ベーキング終了後の真空槽およびオービトロンポンプの温度が下がる途中で各ポンプ構成部品に電圧を印加し、オービトロンポンプを動作させて粗引き系を閉じることにより、超高真空〜極高真空が実現される。
図３に、オービトロンポンプの第二の実施例を示す。以下、第一の実施例との相違点を中心に説明する。
本実施例にかかるオービトロンポンプは、アノード１、カソード２、２′、フィラメント３、ポンプチャンバー４、リフレクター電極５、５′、グリッド電極６、およびヒーター７から構成されている。ヒーター７は、カソード２の外側に密着、または極近傍に配置され、カソード２′は、ヒーター７の外側に密着、または極近傍に配置されている。ヒーター７にはセラミックヒーターなどを用いるのがよい。なお、ヒーター７の外側に配置されるカソード２′、リフレクター電極５、５′、およびグリッド電極６は無くてもよい。本実施例では、ヒーター７からの熱伝導および輻射熱でカソード２、２′を昇温し、活性化する。なお、カソード２、２′とヒーター７は一体化されていてもよい。即ち、ヒーター７の内面および外面に非蒸発ゲッター材料を事前に蒸着あるいは塗布したヒーター一体化型カソードであってもよい。
図４に、オービトロンポンプの第三の実施例を示す。以下、第一ないし第二の実施例との相違点を中心に説明する。
本実施例にかかるオービトロンポンプは、アノード１、カソード２、フィラメント３、ポンプチャンバー４、リフレクター電極５、５′、グリッド電極６、およびヒーター７から構成されている。カソード２は、ポンプチャンバー４の内壁に密着、または極近傍に配置され、ヒーター７は、ポンプチャンバー４の外壁に密着、または極近傍に配置されている。ヒーター７にはシースヒーター、リボンヒーター、プレートヒーター、または赤外線ヒーターなどを用いるのがよい。本実施例では、ポンプチャンバー４の外側に配置したヒーター７を用いてポンプチャンバー４を加熱し、ポンプチャンバー４の内側に配置したカソード２を昇温し、活性化する。ヒーター７はカソード２の活性化作業中のみ必要であるため、脱着可能な構造であってもよい。
図５に、オービトロンポンプの第四の実施例を示す。以下、第一ないし第三の実施例との相違点を中心に説明する。
本実施例にかかるオービトロンポンプは、アノード１、カソード２、フィラメント３、ポンプチャンバー４、リフレクター電極５、５′、グリッド電極６から構成されている。アノード１は、逆Ｕ字形状であり、ポンプチャンバ４内で折り返された形状となっており、通電加熱が可能である。ただし、アノード１は通電加熱可能な構造であれば、必ずしもＵ字型に折り返された形状で無くても良い。カソード２は、グリッド電極６とポンプチャンバー４の間に配置されている。カソード２は、温度制御の点では、ポンプチャンバー４と熱絶縁された構造であることが望ましい。なお、カソード２をポンプチャンバ４の内壁に形成していても良い。リフレクター電極５、５′、およびグリッド電極６は無くてもよい。本実施例では、アノード１を通電加熱し、アノード１からの輻射熱でカソード２を昇温し、活性化する。
図６に、主排気ポンプとしてオービトロンポンプを用いた電子銃を搭載した走査型電子顕微鏡の第一の実施例を示す。以下、オービトロンポンプにかかる第一ないし第四の実施例との相違点を中心に説明する。
本実施例にかかる走査型電子顕微鏡は、主に、オービトロンポンプユニット１０および電子源室などから構成される電子銃、鏡筒、試料室、ならびに粗排気系２０から構成される。電子源室には、電子源１１、引出電極１２および加速電極１３が配置されている。鏡筒は、絞り１４および対物レンズ１５を含む真空槽である。試料室は、試料１６を載置する試料ステージ１７、および二次電子検出器１８を含む真空槽である。バルブ１９ａは、鏡筒と粗排気系２０を接続するものである。バルブ１９ｂは、試料室と粗排気系２０を接続するものである。粗排気系２０は、バルブ２１を介して、電子源室とオービトロンポンプユニット１０を接続する配管と、接続されている。
本実施例では、オービトロンポンプユニット１０として、実施例１にかかるオービトロンポンプを用いたが、実施例２ないし実施例４にかかるものであってもよい。
電子源１１から電界放出、ショットキー放出または熱電子放出によって放出された電子は、引出電極１２および加速電極１３によって引き出し、加速されて、電子線２３を形成する。電子線２３は、電子源１１の下流に設けられたガンバルブ２２を通過して、鏡筒および試料室に導かれる。絞り１４および対物レンズ１５によって電子線２３は集束され、試料ステージ１７に設置された試料１６に照射される。電子線照射によって試料１６から放出される二次電子または反射電子は、二次電子検出器１８で検出される。電子線を走査することにより、二次電子または反射電子の収量に比例した二次元のコントラスト像が得られる。
電子源１１は、オービトロンポンプユニット１０によって排気され、超高真空〜極高真空の圧力に維持される。スパッタイオンポンプと異なり、オービトロンポンプユニット２０は、小型化や軽量化が可能であり、オービトロンポンプユニット１０および電子源室などから構成される電子銃の小型化や耐振動性能向上が可能となる。また、漏洩磁場の影響が無いため、スパッタイオンポンプに比べて電子源１１の近傍に配置することができ、したがってポンプ排気速度と配管コンダクタンスで決まる実効排気速度が向上し、スパッタイオンポンプの場合と比べて低い圧力が得られる。電子源１１としてタングステン電界放出の電子源を用いた場合には、高輝度かつ電流変動の少ない電子線を利用できる時間が従来より伸びる。したがって、色々な試料を観察や分析する汎用SEMにおいては、高分解能像が安定して得られるメリットがある。半導体パターンの寸法を測長する測長SEMにおいては、ショットキー型の電子源１１よりも高分解能の測長を実施できる。
本実施例における真空立ち上げ手順は、大別すると、最初に、電子源室およびオービトロンポンプユニット１０などから構成される電子銃の真空排気、次に、鏡筒および試料の真空排気の順となる。鏡筒および試料室の真空排気は、試料１６の交換の度に必要となる。しかし、試料交換の際にガンバルブ２２およびバルブ２１を閉じた状態とすることにより、電子銃の真空排気を試料交換の度に実施する必要は無い。
電子銃の真空排気は、次の手順による。バルブ１９ａ、１９ｂおよびガンバルブ２２を閉じた状態とし、バルブ２１を開いた状態とした上で、粗排気系２０を起動して、電子銃の粗排気を行う。電子銃の圧力を高真空（10-5〜10-6 Pa）まで排気した後、電子銃のベーキング作業を実施する。ベーキング終了直前にカソード２を通電加熱することにより表面を清浄化し、カソード２の排気作用を発現させる（活性化させる）。その後、ベーキング作業を終了する。ベーキング終了直後にバルブ２１を閉じ、オービトロンポンプユニット１０に所定の電圧を印加してオービトロンポンプを起動することにより、電子銃を超高真空〜極高真空まで排気できる。
鏡筒及び試料室の真空排気は、バルブ２１およびガンバルブ２２を閉じた状態とし、バルブ１９ａおよび１９ｂを開いた状態とした上で、粗排気系２０で排気すればよい。
図７に、主排気ポンプとしてオービトロンポンプを用いた電子銃を搭載した走査型電子顕微鏡の第二の実施例を示す。以下、オービトロンポンプを用いた走査電子顕微鏡にかかる第一の実施例との相違点を中心に説明する。
本実施例にかかる走査型電子顕微鏡は、主に、オービトロンポンプユニット１０と直結した電子源室、鏡筒、試料室および粗排気系２０から構成される。電子源１１は、オービトロンポンプユニット１０の取り付け口の近傍に配置されている。粗排気系２０は、バルブ２１を介して、電子源室と接続されている。つまり、本実施例では、図６で示した走査電子顕微鏡の第一の実施例と異なり、電子源室とオービトロンポンプユニット１０が配管を通すこと無く直結されている。なお、本実施例では、オービトロンポンプユニット１０として、実施例１にかかるオービトロンポンプを用いたが、実施例２ないし実施例４にかかるものであってもよい。
また、実施例５および６では、主排気ポンプとしてオービトロンポンプを用いた電子銃の適用例として走査型電子顕微鏡を説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、透過型電子顕微鏡や電子線描画装置に用いることもできる。
１：アノード、２、２′：カソード、３：フィラメント、
４：ポンプチャンバー、５、５′：リフレクター電極、
６：グリッド電極、７：ヒーター、
１０：オービトロンポンプユニット、１１：電子源、
１２：引出電極、１３：加速電極、１４：絞り、１５：対物レンズ、
１６：試料、１７：試料ステージ、１８：二次電子検出器、
１９：バルブ、２０：粗排気系、２１：バルブ、２２：ガンバルブ、
２３：電子線
４：ポンプチャンバー、５、５′：リフレクター電極、
６：グリッド電極、７：ヒーター、
１０：オービトロンポンプユニット、１１：電子源、
１２：引出電極、１３：加速電極、１４：絞り、１５：対物レンズ、
１６：試料、１７：試料ステージ、１８：二次電子検出器、
１９：バルブ、２０：粗排気系、２１：バルブ、２２：ガンバルブ、
２３：電子線
Claims (26)
- アノード、カソードおよび電子放出用フィラメントがポンプチャンバーの内部に配置されたオービトロンポンプにおいて、
前記カソードの表面に非蒸発ゲッター材料があることを特徴とするオービトロンポンプ。 - 請求項１記載のオービトロンポンプにおいて、
前記カソードが、非蒸発ゲッター材料で構成されていることを特徴とするオービトロンポンプ。 - 請求項１記載のオービトロンポンプにおいて、
前記カソードが、骨格部材上に非蒸発ゲッター膜を形成したものであることを特徴とするオービトロンポンプ。 - 請求項１記載のオービトロンポンプにおいて、
前記カソードを通電加熱する手段を有していることを特徴とするオービトロンポンプ。 - 請求項１記載のオービトロンポンプにおいて、
前記カソードを加熱するヒーターをポンプチャンバー内部に設置していることを特徴とするオービトロンポンプ。 - 請求項１記載のオービトロンポンプにおいて、
前記ポンプチャンバーを介して前記カソードを加熱するヒーターが、ポンプチャンバー外側に設置されていることを特徴とするオービトロンポンプ。 - 請求項１記載のオービトロンポンプにおいて、
前記アノードが通電加熱されることを特徴とするオービトロンポンプ。 - 請求項１記載のオービトロンポンプにおいて、
前記アノードが前記チャンバの内部で折り返された形状であることを特徴とするオービトロンポンプ。 - 請求項１記載のオービトロンポンプにおいて、
前記アノードを通電加熱する手段を有していることを特徴とするオービトロンポンプ。 - 請求項１記載のオービトロンポンプにおいて、
前記アノードからの輻射熱により前記カソードを加熱することを特徴とするオービトロンポンプ。 - 請求項１記載のオービトロンポンプにおいて、
前記電子放出用フィラメントから放出される電子を前記チャンバ内に閉じ込めるリフレクター電極を有することを特徴とするオービトロンポンプ。 - 請求項１記載のオービトロンポンプにおいて、
前記電子放出用フィラメントから放出される電子との反応によってイオン化されたガス分子を前記チャンバ内壁に向かって加速するグリッド電極を有することを特徴とするオービトロンポンプ。 - アノード、カソードおよび電子放出用フィラメントがポンプチャンバーの内部に配置されたオービトロンポンプならびに電子線を形成する手段を備えた電子線装置において、
前記カソードの表面に非蒸発ゲッター材料があることを特徴とする電子線装置。 - 請求項１３記載の電子線装置において、
前記カソードが、非蒸発ゲッター材料で構成されていることを特徴とする電子線装置。 - 請求項１３記載の電子線装置において、
前記カソードが、骨格部材上に非蒸発ゲッター膜を形成したものであることを特徴とする電子線装置。 - 請求項１３記載の電子線装置において、
前記カソードを通電加熱する手段を有していることを特徴とする電子線装置。 - 請求項１３記載の電子線装置において、
前記カソードを加熱するヒーターをポンプチャンバー内部に設置していることを特徴とする電子線装置。 - 請求項１３記載の電子線装置において、
前記ポンプチャンバーを介して前記カソードを加熱するヒーターが、ポンプチャンバー外側に設置されていることを特徴とする電子線装置。 - 請求項１３記載の電子線装置において、
前記アノードが通電加熱されることを特徴とする電子線装置。 - 請求項１３記載の電子線装置において、
前記アノードが前記チャンバの内部で折り返された形状であることを特徴とする電子線装置。 - 請求項１３記載の電子線装置において、
前記アノードを通電加熱する手段を有していることを特徴とする電子線装置。 - 請求項１３記載の電子線装置において、
前記アノードからの輻射熱により前記カソードを加熱することを特徴とする電子線装置。 - 請求項１３記載の電子線装置において、
前記電子放出用フィラメントから放出される電子を前記チャンバ内に閉じ込めるリフレクター電極を有することを特徴とする電子線装置。 - 請求項１３記載の電子線装置において、
前記電子放出用フィラメントから放出される電子との反応によってイオン化されたガス分子を前記チャンバ内壁に向かって加速するグリッド電極を有することを特徴とする電子線装置。 - 請求項１３記載の電子線装置において、
前記オービトロンポンプが、前記電子源をその内部に配置している電子源室に直結していることを特徴とする電子線装置。 - 請求項１３記載の電子線装置において、
前記電子源が、前記オービトロンポンプに組み込まれていることを特徴とする電子線装置。
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