WO2015115000A1

WO2015115000A1 - オービトロンポンプを備えた電子線装置、およびその電子線照射方法

Info

Publication number: WO2015115000A1
Application number: PCT/JP2014/084017
Authority: WO
Inventors: 実金田; 伊藤　博之; 村越　久弥
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2014-01-30
Filing date: 2014-12-24
Publication date: 2015-08-06
Anticipated expiration: 2016-07-30
Also published as: JP2017079092A

Abstract

本発明は、オービトロンポンプ（１２０）を備えた電子線装置において、一次電子ビーム（２０３）のビームぼけを防止し、ビーム不安定性を改善することなどを目的として、電子源（２００）を保持する真空容器をオービトロンポンプ（１２０）により真空排気するときに、電子源（２００）から電子線（２０３）を引き出す引出電極（２０１）の電位を、オービトロンポンプ（１２０）のフィラメント（１０１）などの電位より低くすることに関する。本発明によれば、フィラメント（１０１）などからの電子がオービトロンポンプ（１２０）から漏れ出し、引出電極（２０１）に到達することが無くなる。これにより、一次電子ビーム（２０３）のビームぼけを防止し、ビーム不安定性を改善する。

Description

オービトロンポンプを備えた電子線装置、およびその電子線照射方法

　本発明は、電子顕微鏡（ＳＥＭ）や電子線描画装置（ＥＢ）などの電子線装置に関する。

　従来の高輝度照射を目的とした走査型電子顕微鏡や電子線描画装置は、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または反射電子など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、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、電子源を搭載した電子銃をスパッタイオンポンプで真空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真空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ち込んで真空槽から除去する真空排気機能のことである。

　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、加熱により活性金属から成るゲッター材料を昇華させ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、活性金属から成るゲッター材料を昇華させずに加熱するだけでゲッター材が化学活性化し、ガス分子を吸着する金属、あるいは合金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つの真空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、ポンプチャンバー、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、ポンプチャンバーおよびフィラメントに対して正の電圧が印加される。フィラメントはポンプチャンバーに対して正の電圧が通常印加される。

　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ポンプチャンバー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、ポンプチャンバー内壁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排気機能を有しており、化学的に活性なガスは、ポンプチャンバー内壁に形成されたチタン膜の持つ化学吸着機能によりポンプチャンバー内部の空間から除去される。

　希ガスまたはメタンなどの化学的に不活性なガス分子は、次のような機構により真空排気される。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ポンプチャンバー内壁に向かって加速され、ポンプチャンバー内壁に形成されたチタン膜内部に打ち込まれ真空槽から除去される（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。本例においては、ポンプチャンバー、チタン源、アノード、フィラメント、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、ポンプチャンバーはグリッド電極の外側に配置される。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同電位とするのが好ましく、グリッド電極はポンプチャンバーに対して正の電圧が印加される。

　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ポンプチャンバー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、ポンプチャンバー内壁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、ポンプチャンバー内壁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排気機能を有しており、化学的に活性なガスは、ポンプチャンバー内壁に形成されたチタン膜の化学吸着排気機能により真空排気される。

　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真空排気される。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、ポンプチャンバー内の電界によりポンプチャンバー内壁に向かって加速され、ポンプチャンバー内壁に形成されたチタン膜内部に打ち込まれ真空排気される（イオン化排気機能）。本例ではグリッド電極とポンプチャンバーの作る電界によりイオンを加速することで真空排気効率を上げる工夫がなされている。

特開2002-358920公報特開2000-149850公報米国特許第4833362明細書特開平6-111745公報米国特許第3244969明細書米国特許第3407991明細書

B. Cho et al., Applied Physics Letters, Volume 91 (2007), 012105

　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、電子銃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、主真空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）につれて真空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真空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銃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。したがって、オービトロンポンプを電子銃の真空排気ポンプとして用いることで、電子銃の小型化と低圧力化が両立できる。

　しかしながら、本願発明者は、オービトロンポンプを真空排気ポンプとして用いた電子銃には、フィラメントから供給される電子、またはグリッドとカソードにイオン化したガスが衝突することによってグリッドとカソードから放出される二次電子が、オービトロンポンプ内部から漏れ出し、電子源から電子線を引き出すための引出電極に到達する欠点があることを見出した。オービトロンポンプから漏れ出した電子が引出電極に到達すると、それらの一部は一次電子ビームに混入するが、オービトロンポンプから漏れ出す電子と電子源から放出される電子ではエネルギーの違いから集束条件が異なるために一次電子ビームにビームぼけが生じ、例えば、電子顕微鏡の場合には、分解能劣化の原因となる。また、引出電極に大量の電子が吸収されると電圧を供給する電源の負荷となり引出電圧が安定せず、一次電子ビームが不安定となる。

　本発明の目的は、オービトロンポンプを備えた電子線装置において、一次電子ビームのビームぼけを防止し、ビーム不安定性を改善することに関する。

　本発明は、電子源を保持する真空容器をオービトロンポンプにより真空排気するときに、電子源から電子線を引き出す引出電極の電位を、オービトロンポンプのフィラメントなどの電位より低くすることに関する。

　本発明によれば、フィラメントなどからの電子がオービトロンポンプから漏れ出し、引出電極に到達することが無くなる。これにより、一次電子ビームのビームぼけを防止し、ビーム不安定性を改善する。

実施例にかかるオービトロンポンプを用いた電子銃の基本構成を示す模式図オービトロンポンプにより真空排気される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模式図オービトロンポンプにより真空排気される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模式図オービトロンポンプにより真空排気される電子銃を搭載した走査型電子顕微鏡の第三の実施例を示す模式図オービトロンポンプにより真空排気される電子銃を搭載した走査型電子顕微鏡の第四の実施例を示す模式図オービトロンポンプにより真空排気される電子銃を搭載した走査型電子顕微鏡の第五の実施例を示す模式図オービトロンポンプにより真空排気される電子銃を搭載した走査型電子顕微鏡の第六の実施例を示す模式

　図１に、オービトロンポンプにより真空排気される電子銃の基本構成を示す。電子銃は、オービトロンポンプ１２０、電子源（エミッタ）２００、引出電極２０１、加速電極２０２、バルブ２１０～２１２、ポンプ２２０～２２１、エミッタ電源２３０、および引出電源２３１から構成される。オービトロンポンプ１２０は、アノード１００、フィラメント１０１、グリッド１０３、カソード１０４、ポンプチャンバー１０２、アノード電源１１０、フィラメントバイアス電源１１１、フィラメント加熱電源１１２、グリッド電源１１３、およびカソード電源１１４から構成される。なお、グリッド１０３とそれに電位を付与するグリッド電源１１３や、カソード１０４とそれに電位を付与するカソード電源１１４は無くても良い。電子源２００には、エミッタ電源２３０から負の電位Ｖ０が与えられ、引出電極２０１には、引出電源２３１から電子源２００に対して正の電位Ｖ１が与えられる。したがって、引出電極２０１の電位Ｖｅは、Ｖ０＋Ｖ１となる。また、オービトロンポンプのアノード１００の電位Ｖａは、アノード電源１１０から供給される電圧Ｖ３に等しくＶａ＝Ｖ３、フィラメント１０１の電位Ｖｆは、フィラメントバイアス電源１１１から供給される電圧Ｖ４に等しくＶｆ＝Ｖ４、グリッド１０３の電位Ｖｇは、グリッド電源１１３から供給される電圧Ｖ５に等しくＶｇ＝Ｖ５、カソード１０４の電位Ｖｃは、カソード電源から供給される電圧Ｖ６に等しくＶｃ＝Ｖ６となる。引出電極２０１の電位Ｖｅが、フィラメント１０１の電位Ｖｆ、グリッド１０３の電位Ｖｇ、カソード１０３の電位Ｖｃのいずれよりも低いことにより、フィラメントから供給される電子、またはグリッドとカソードにイオン化したガスが衝突することによってグリッドとカソードから放出される二次電子が、オービトロンポンプから漏れ出し、電子源から電子線を引き出すための引出電極に到達することが無くなる。これにより、一次電子ビームのビームぼけが防止され、また一次電子ビームの不安定性が改善される。

　実施例では、電子源と、電子源を保持する真空容器と、電子源から電子線を引き出す引出電極と、真空容器を真空排気するオービトロンポンプを備えた電子線装置であって、オービトロンポンプが、ポンプチャンバーと、電子を放出するフィラメントと、ポンプチャンバーおよびフィラメントに対して正の電圧が印加されるアノードを有し、引出電極の電位が、フィラメントの電位より低いものを開示する。

　また、実施例では、電子源と、電子源を保持する真空容器と、電子源から電子線を引き出す引出電極と、真空容器を真空排気するオービトロンポンプを備えた電子線装置の電子線照射方法であって、オービトロンポンプのアノードに、オービトロンポンプのポンプチャンバー、および電子を放出するフィラメントに対して正の電圧を印加し、引出電極の電位を、フィラメントの電位より低くするものを開示する。

　また、実施例では、引出電極の電位を、フィラメントから放出された電子との反応によってイオン化されたガス分子をポンプチャンバーの内壁に向かって加速させるグリッドの電位より低くすることを開示する。

　また、実施例では、引出電極の電位を、ポンプチャンバーの内部にあるガスを吸着排気するカソードの電位より低くすることを開示する。

　また、実施例では、引出電極の電位を、フィラメントから放出された電子との反応によってイオン化されたガス分子をポンプチャンバーの内壁に向かって加速させるグリッドの電子と、ポンプチャンバーの内部にあるガスを吸着排気するカソードの電位よりも低くすることを開示する。

　また、実施例では、真空容器と前記オービトロンポンプが配管により接続されている電子線装置を開示する。

　また、実施例では、真空容器とオービトロンポンプが一体であり、真空容器がポンプチャンバーを兼ねる電子線装置を開示する。

　また、実施例では、アノードを通電加熱することを開示する。

　なお、実施例では、走査型電子顕微鏡への適用例を説明するが、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などに用いることもできる。

　以下、上記およびその他の本発明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により真空排気される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。

　本実施例にかかる走査型電子顕微鏡は、オービトロンポンプ１２０、電子源（エミッタ）２００、引出電極２０１、加速電極２０２、絞り２０４、対物レンズ２０５、試料２０６と試料台２０７と検出器２０８を内部の空間に有する試料室２０９、バルブ２１０、２１１、２１２、試料室バルブ２１３、ポンプ２２０、２２１、２２２、エミッタ電源２３０および引出電源２３１を有する。また、本実施例にかかるオービトロンポンプ１２０は、アノード１００、フィラメント１０１、ポンプチャンバー１０２、アノード電源１１０、フィラメントバイアス電源１１１、およびフィラメント加熱電源１１２から構成される。

　電子源２００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である。電子源２００を含む空間はオービトロンポンプ１２０によって真空排気され、引出電極２０１と加速電極２０２の間の空間はポンプ２２０に真空排気され、加速電極２０２と試料室２０９の間の空間はポンプ２２１によって真空排気され、試料室２０９はポンプ２２２によって真空排気される。ポンプ２２０、２２１には、例えば、スパッタイオンポンプなどが用いられ、ポンプ２２２には、例えば、ターボ分子ポンプなどが用いられる。電子源２００には、エミッタ電源２３０から負の電位Ｖ０が印加され、引出電極２０１には、引出電源２３１により電子源２００に対して正の電位Ｖ１が印加される。加速電極２０２は通常接地して用いられるが、図示されていない加速電源を用いて電圧を印加しても良い。バルブ２１０～２１２は、電子源２００を含む空間、引出電極２０１と加速電極２０２の間の空間、および加速電極２０２と試料室２０９の間の空間と粗排気系を分離するために設けられている。試料室バルブ２１３は試料室と粗排気系を分離するために設けられている。

　引出電極２０１により電子源２００から引き出された電子（電界放出、ショットキー放出または熱電子放出された電子）は、加速電極２０２によって加速されて電子線２０３を形成する。電子線２０３は、絞り２０４および対物レンズ２０５によって細く集束され、一次電子ビームを形成し、試料台２０７に設置された試料２０６に照射される。一次電子ビーム照射によって試料２０６から放出される二次電子または反射電子は検出器２０８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。

　ポンプチャンバー１０２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１００およびフィラメント１０１が配置されている。アノード１００は、細い金属棒また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。フィラメント１０１は電子放出源であり、フィラメント加熱電源１１２により加熱されることで熱電子を発生させる。フィラメント１０１の材料としては、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１０２は、その内壁に化学吸着排気機能を持つ材料で構成される。化学吸着排気機能を持つ材料としては、例えば、チタン、タンタルも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-アルミニウムも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がある。ポンプチャンバー１０２内壁に化学吸着排気機能を持つ材料を形成する方法として、ポンプチャンバー１０２全体を化学吸着排気機能を持つ材料で構成しても良いし、ポンプチャンバー１０２内壁に化学吸着排気機能を持つ材料を塗布して形成しても良いし、昇華もしくはスパッタリングなどにより化学吸着排気機能を持つ材料をポンプチャンバー１０２内壁に膜形成してもよいし、またはポンプチャンバー１０２の内壁を化学吸着機能を持つ材料で構成された金属箔で覆うことで形成しても良い。

　アノード１００およびフィラメント１０１には、アノード電源１１０およびフィラメントバイアス電源１１１よりＶ３＞Ｖ４を満たす電位Ｖ３、Ｖ４がそれぞれ印加される。ポンプチャンバー１０２は通常接地して用いられる。

　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。水素や窒素、水、一酸化炭素など化学的に活性なガスは、ポンプチャンバー１０２の内壁に形成された化学吸着排気機能を持つ材料によりポンプチャンバー１０２内部の空間から除去される。一方、ヘリウムやアルゴンなどの希ガス類、メタンなど化学的に安定なガスは、次のような原理で真空排気される。フィラメント１０１から放出された電子は、アノード１００とポンプチャンバー１０２の間の電界によりアノード１００の周りを周回する。フィラメント１０１から放出され、アノード１００の周りを周回する電子の一部は、周回中にポンプチャンバー１０２内に残留するガスと衝突し、ガスを分解、またイオン化する。ガスの分解片の一部は、化学的に活性となり、ポンプチャンバー１０２内壁に形成された化学吸着排気機能を持つ材料によりポンプチャンバー１０２内部の空間から除去される。イオン化されたガスは、オービトロンポンプ１２０内部の電界によってポンプチャンバー１０２内壁に向かって加速され、ポンプチャンバー１０２内壁に形成された化学吸着排気機能を持つ材料に打ち込まれることにより、ポンプチャンバー１０２内部の空間から除去される。

　本実施例において、引出電極２０１の電位Ｖｅ＝Ｖ０＋Ｖ１は、フィラメント１０１の電位Ｖｆ＝Ｖ４より低くなるように設定される。このとき、フィラメント１０１から放出される電子がオービトロンポンプ１２０内部から漏れ出して加速電極２０１に到達することが無くなり、一次電子ビームのビームぼけが防止され、またビーム不安定性が改善される。

　図３に、オービトロンポンプにより真空排気される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、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１２０は、アノード１００、フィラメント１０１、ポンプチャンバー１０２、グリッド１０３、アノード電源１１０、フィラメントバイアス電源１１１、フィラメント加熱電源１１２、およびグリッド電源１１３から構成される。

　ポンプチャンバー１０２は、取り付け口を有する円筒形チャンバであり、その内側に円筒形のグリッド１０３が配置され、グリッド１０３の内側にアノード１００およびフィラメント１０１が配置されている。グリッド１０３はグリッド１０３の内側で発生したイオンが透過できる形状であり、例えば金属メッシュが適している。

　アノード１００、フィラメント１０１およびグリッド１０３には、アノード電源１１０、フィラメントバイアス電源１１１およびグリッド電源１１３よりＶ３＞Ｖ４＞Ｖ５＞０を満たす電位Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５がそれぞれ印加される。ポンプチャンバー１０２は通常接地して用いられる。

　本実施例において、引出電極２０１の電位Ｖｅ＝Ｖ０＋Ｖ１は、フィラメント１０１の電位Ｖｆ＝Ｖ４、グリッド１０３の電位Ｖｇ＝Ｖ５のいずれよりも低くなるように設定される。このとき、フィラメント１０１から放出される電子、およびグリッド１０３からイオン衝撃などにより放出される二次電子が、オービトロンポンプ１２０内部から漏れ出して加速電極２０１に到達することが無くなり、一次電子ビームのビームぼけが防止され、またビーム不安定性が改善される。

　図４に、オービトロンポンプにより真空排気される電子銃を搭載した走査型電子顕微鏡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１２０は、アノード１００、フィラメント１０１、ポンプチャンバー１０２、グリッド１０３、カソード１０４、アノード電源１１０、フィラメントバイアス電源１１１、フィラメント加熱電源１１２、グリッド電源１１３、およびカソード電源１１４から構成される。なお、グリッド１０３と、グリッド１０３に電圧を供給するグリッド電源１１３は無くても良い。

　ポンプチャンバー１０２は、取り付け口を有する円筒形チャンバであり、その内側に円筒形のカソード１０４が配置され、カソード１０４の内側に円筒形のグリッド１０３が配置され、グリッド１０３の内側にアノード１００およびフィラメント１０１が配置される。グリッド１０３はグリッド１０３の内側で発生したイオンが透過できる形状であり、例えば金属メッシュが適している。カソード１０４は、その内面に化学吸着排気機能を持つ材料で構成される。化学吸着排気機能を持つ材料としては、例えば、チタン、タンタルも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-アルミニウムも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がある。カソード１０４内面に化学吸着排気機能を持つ材料を形成する方法として、カソード１０４全体を化学吸着排気機能を持つ材料で構成しても良いし、カソード１０４内面に化学吸着排気機能を持つ材料を塗布して形成しても良いし、昇華もしくはスパッタリングなどにより化学吸着排気機能を持つ材料をカソード１０４内面に膜形成してもよいし、またはカソード１０４の内面を化学吸着機能を持つ材料で構成された金属箔で覆うことで形成しても良い。

　アノード１００、フィラメント１０１、グリッド１０３、およびカソード１０４には、アノード電源１１０、フィラメントバイアス電源１１１、グリッド電源１１３、およびカソード電源１１４よりＶ３＞Ｖ４＞Ｖ５＞Ｖ６を満たす電位Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５、Ｖ６がそれぞれ印加される。ポンプチャンバー１０２は通常接地して用いられる。

　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。水素や窒素、水、一酸化炭素など化学的に活性なガスは、カソード１０４の内面に形成された化学吸着排気機能を持つ材料によりポンプチャンバー１０２内部の空間から除去される。一方、ヘリウムやアルゴンなどの希ガス類、メタンなど化学的に安定なガスは、次のような原理で真空排気される。フィラメント１０１から放出された電子は、アノード１００とポンプチャンバー１０２の間の電界によりアノード１００の周りを周回する。フィラメント１０１から放出され、アノード１００の周りを周回する電子の一部は、周回中にポンプチャンバー１０２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。ガスの分解片の一部は、化学的に活性となり、カソード１０４内面に形成された化学吸着排気機能を持つ材料によりポンプチャンバー１０２内部の空間から除去される。イオン化されたガスは、オービトロンポンプ１２０内部の電界によってカソード１０４内面に向かって加速され、カソード１０４内面に形成された化学吸着排気機能を持つ材料に打ち込まれることにより、ポンプチャンバー１０２内部の空間から除去される。

　本実施例において、引出電極２０１の電位Ｖｅ＝Ｖ０＋Ｖ１は、フィラメント１０１の電位Ｖｆ＝Ｖ４、グリッド１０３の電位Ｖｇ＝Ｖ５、カソード１０４の電位Ｖｃ＝Ｖ６のいずれよりも低くなるように設定される。このとき、フィラメント１０１から放出される電子、グリッド１０３およびカソード１０４からイオン衝撃などにより放出される二次電子が、オービトロンポンプ１２０内部から漏れ出して加速電極２０１に到達することが無くなり、一次電子ビームのビームぼけが防止され、またビーム不安定性が改善される。

　図５に、オービトロンポンプにより真空排気される電子銃を搭載した走査型電子顕微鏡の第四の実施例を示す。以下、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１２０は、通電加熱可能なアノード１００、フィラメント１０１、ポンプチャンバー１０２、グリッド１０３、カソード１０４、アノード電源１１０、フィラメントバイアス電源１１１、フィラメント加熱電源１１２、グリッド電源１１３、カソード電源１１４、およびアノード加熱電源１１５から構成される。なお、グリッド１０３と、グリッド１０３に電圧を供給するグリッド電源１１３は無くても良い。

　アノード１００は、アノード加熱電源１１５を用いて通電加熱することが可能であり、アノード１００を通電加熱することによりアノードから放出されるガス量を低減することができる。

　図６に、オービトロンポンプにより真空排気される電子銃を搭載した走査型電子顕微鏡の第五の実施例を示す。以下、第三の実施例との相違点を中心に説明する。

　本実施例にかかる走査型電子顕微鏡は、オービトロンポンプ１２０、電子源（エミッタ）２００、引出電極２０１、加速電極２０２、絞り２０４、対物レンズ２０５、試料２０６と試料台２０７と検出器２０８を内部の空間に有する試料室２０９、バルブ２１０、２１１、２１２、試料室バルブ２１３、ポンプ２２０、２２１、２２２、エミッタ電源２３０、および引出電源２３１を有する。また、本実施例にかかるオービトロンポンプ１２０は、アノード１００、フィラメント１０１、ポンプチャンバー１０２、グリッド１０３、カソード１０４、アノード電源１１０、フィラメントバイアス電源１１１、フィラメント加熱電源１１２、グリッド電源１１３、およびカソード電源１１４から構成される。第三の実施例では、電子源２００を含む空間とオービトロンポンプ１２０が配管を通して接続されていたが、本実施例では、電子源２００を含む空間にオービトロンポンプ１２０が直結されている。ポンプチャンバー１０２は電子源を含む真空槽の壁そのものとなっている。

　ポンプチャンバー１０２の内側に円筒形のカソード１０４が配置され、カソード１０４の内側に円筒形のグリッド１０３が配置され、グリッド１０３の内側にアノード１００およびフィラメント１０１が配置される。グリッド１０３はグリッド１０３の内側で発生したイオンが透過できる形状であり、例えば金属メッシュが適している。カソード１０４は、その内面に化学吸着排気機能を持つ材料で構成される。化学吸着排気機能を持つ材料としては、例えば、チタン、タンタルも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-アルミニウムも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がある。カソード１０４内面に化学吸着排気機能を持つ材料を形成する方法として、カソード１０４全体を化学吸着排気機能を持つ材料で構成しても良いし、カソード１０４内面に化学吸着排気機能を持つ材料を塗布して形成しても良いし、昇華もしくはスパッタリングなどにより化学吸着排気機能を持つ材料をカソード１０４内面に膜形成してもよいし、またはカソード１０４の内面を化学吸着機能を持つ材料で構成された金属箔で覆うことで形成しても良い。なお、グリッド１０３と、グリッド１０３に電圧を供給するグリッド電源１１３、ならびにカソード１０４と、カソード１０４に電圧を供給するカソード電源１１４は無くても良い。カソード１０４が無い場合、ポンプチャンバー１０２にカソード１０４の機能を持たせれば良い。即ち、ポンプチャンバー１０２をその内面に化学吸着排気機能を持つ材料で構成すればよい。ポンプチャンバー１０２内壁に化学吸着排気機能を持つ材料を形成する方法として、ポンプチャンバー１０２全体を化学吸着排気機能を持つ材料で構成しても良いし、ポンプチャンバー１０２内壁に化学吸着排気機能を持つ材料を塗布して形成しても良いし、昇華もしくはスパッタリングなどにより化学吸着排気機能を持つ材料をポンプチャンバー１０２内壁に膜形成してもよいし、またはポンプチャンバー１０２の内壁を化学吸着機能を持つ材料で構成された金属箔で覆うことで形成しても良い。

　アノード１００、フィラメント１０１、グリッド１０３、およびカソード１０４にはアノード電源１１０、フィラメントバイアス電源１１１、グリッド電源１１３、およびカソード電源１１４よりＶ３＞Ｖ４＞Ｖ５＞Ｖ６を満たす電位Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５、Ｖ６がそれぞれ印加される。ポンプチャンバー１０２は通常接地して用いられる。

　図７に、オービトロンポンプにより真空排気される電子銃を搭載した走査型電子顕微鏡の第六の実施例を示す。以下、第五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１２０は、アノード１００、フィラメント１０１、ポンプチャンバー１０２、グリッド１０３、カソード１０４、アノード電源１１０、フィラメントバイアス電源１１１、フィラメント加熱電源１１２、グリッド電源１１３、およびカソード電源１１４から構成される。本実施例では、電子源２００を含む空間にオービトロンポンプ１２０が直結され、ポンプチャンバー１０２は電子源を含む真空槽の壁そのものとなっている。第五の実施例では、オービトロンポンプ１２０の部品に電圧を印加する電源が接地されていたが、本実施例では、電子源２００に電圧を供給するエミッタ電源２３０に接続されている。

　アノード１００、フィラメント１０１、グリッド１０３、およびカソード１０４にはアノード電源１１０、フィラメントバイアス電源１１１、グリッド電源１１３、およびカソード電源１１４より、電子源２００に対してＶ３＞Ｖ４＞Ｖ５＞Ｖ６を満たす電位差Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５、Ｖ６がそれぞれ印加される。ポンプチャンバー１０２は通常接地して用いられる。

　本実施例において、引出電極２０１の電位Ｖｅ＝Ｖ０＋Ｖ１は、フィラメント１０１の電位Ｖｆ＝Ｖ０＋Ｖ４、グリッド１０３の電位Ｖｇ＝Ｖ０＋Ｖ５、カソード１０４の電位Ｖｃ＝Ｖ０＋Ｖ６のいずれよりも低くなるように設定される。このとき、フィラメント１０１から放出される電子、グリッド１０３およびカソード１０４からイオン衝撃などにより放出される二次電子が、オービトロンポンプ１２０内部から漏れ出して加速電極２０１に到達することが無くなり、一次電子ビームのビームぼけが防止され、またビーム不安定性が改善される。

１００：アノード、１０１：フィラメント、１０２：ポンプチャンバー、
１０３：グリッド、１０４：カソード、１１０：アノード電源、
１１１：フィラメントバイアス電源、１１２：フィラメント加熱電源、
１１３：グリッド電源、１１４：カソード電源、
１１５：アノード加熱電源、１２０：オービトロンポンプ、
２００：電子源（エミッタ）、２０１：引出電極２０１：加速電極、
２０３：電子線（一次電子ビーム）、２０４：絞り、２０５：対物レンズ、
２０６：試料、２０７：試料台、２０８：検出器、２０９：試料室、
２１０～２１２：バルブ、２１３：試料室バルブ、
２２０～２２２：ポンプ、２３０：エミッタ電源、２３１：引出電源

Claims

　電子源と、前記電子源を保持する真空容器と、前記電子源から電子線を引き出す引出電極と、前記真空容器を真空排気するオービトロンポンプを備えた電子線装置であって、
　前記オービトロンポンプが、ポンプチャンバーと、電子を放出するフィラメントと、前記ポンプチャンバーおよび前記フィラメントに対して正の電圧が印加されるアノードを有し、
　前記引出電極の電位が、前記フィラメントの電位より低いことを特徴とする電子線装置。
　請求項１記載の電子線装置において、
　前記オービトロンポンプが、前記フィラメントから放出された電子との反応によってイオン化されたガス分子を前記ポンプチャンバーの内壁に向かって加速させるグリッドを有し、
　前記引出電極の電位が、前記グリッドの電位より低いことを特徴とする電子線装置。
　請求項１記載の電子線装置において、
　前記オービトロンポンプが、前記ポンプチャンバーの内部にあるガスを吸着排気するカソードを有し、
　前記引出電極の電位が、前記カソードの電位より低いことを特徴とする電子線装置。
　請求項１記載の電子線装置において、
　前記オービトロンポンプが、前記フィラメントから放出された電子との反応によってイオン化されたガス分子を前記ポンプチャンバーの内壁に向かって加速させるグリッドと、前記ポンプチャンバーの内部にあるガスを吸着排気するカソードを有し、
　前記引出電極の電位が、前記前記グリッドの電位と前記カソードの電位よりも低いことを特徴とする電子線装置。
　請求項１記載の電子線装置であって、
　前記真空容器と前記オービトロンポンプが配管により接続されていることを特徴とする電子線装置。
　請求項１記載の電子線装置であって、
　前記真空容器と前記オービトロンポンプが一体であり、前記真空容器が前記ポンプチャンバーを兼ねることを特徴とする電子線装置。
　請求項１記載の電子線装置において、
　前記アノードを通電加熱できることを特徴とする電子線装置。
　電子源と、前記電子源を保持する真空容器と、前記電子源から電子線を引き出す引出電極と、前記真空容器を真空排気するオービトロンポンプを備えた電子線装置の電子線照射方法であって、
　前記オービトロンポンプのアノードに、オービトロンポンプのポンプチャンバー、および電子を放出するフィラメントに対して正の電圧を印加し、
　前記引出電極の電位を、前記フィラメントの電位より低くすることを特徴とする電子線照射方法。
　請求項８記載の電子線照射方法において、
　前記引出電極の電位を、前記フィラメントから放出された電子との反応によってイオン化されたガス分子を前記ポンプチャンバーの内壁に向かって加速させるグリッドの電位より低くすることを特徴とする電子線照射方法。
　請求項８記載の電子線照射方法において、
　前記引出電極の電位を、前記ポンプチャンバーの内部にあるガスを吸着排気するカソードの電位より低くすることを特徴とする電子線照射方法。
　請求項８記載の電子線照射方法において、
　前記引出電極の電位を、前記フィラメントから放出された電子との反応によってイオン化されたガス分子を前記ポンプチャンバーの内壁に向かって加速させるグリッドの電子と、前記ポンプチャンバーの内部にあるガスを吸着排気するカソードの電位よりも低くすることを特徴とする電子線照射方法。
　請求項８記載の電子線照射方法であって、
　前記電子線装置が、前記真空容器と前記オービトロンポンプが配管により接続されている電子線装置であることを特徴とする電子線照射方法。
　請求項８記載の電子線照射方法であって、
　前記電子線装置が、前記真空容器と前記オービトロンポンプが一体であり、前記真空容器が前記ポンプチャンバーを兼ねる電子線装置であることを特徴とする電子線照射方法。
　請求項８記載の電子線照射方法において、
　前記アノードを通電加熱することを特徴とする電子線照射方法。