JP2007207758A - 所定の最終真空圧力を有する粒子光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は所定の最終真空圧力を有する粒子光学装置に関する。
【解決手段】 上記目的のため、当該装置の圧力チャンバが、第1絞り弁を介して、蒸気又は気体が既知の圧力で存在する容積と接続し、かつ第2絞り弁を介して真空ポンプと接続する。当該絞り弁に関連する2つのコンダクタンスの比を校正された比にすることによって、真空チャンバの最終圧力は所定の最終圧力となる。これにより、たとえば真空ゲージ及び制御系の必要がなくなることで、そのような装置を小型に設計することが可能となる。
【選択図】 図１

Description

本発明は粒子光学装置に関する。当該粒子光学装置は、
・検査される試料を含み、動作時において、接続する真空ポンプによって最終圧力まで減圧される真空チャンバ、
・既知圧力の容積からの気体又は蒸気を真空チャンバに収容する手段、
を有する。本明細書では、
・真空ポンプと真空チャンバとの接続が第1気体コンダクタンスを表し、かつ、
・気体を収容する手段が第2気体コンダクタンスを表す、
こととする。

「技術分野」で述べたような粒子光学装置は特許文献1から既知である。

そのような装置はたとえばSEM（走査型電子顕微鏡）として知られ、たとえば半導体産業においては、ウエハからとった試料を検査及び/又は分析するのに用いられる。SEMでは、励起電子ビームの状態であるビーム放射線が試料上で集束され、かつ走査される。その結果、たとえば2次電子、後方散乱電子及びX線のような2次放射線が、ビームが試料に衝突する地点から放出される。この2次放射線は適切な検出器によって検出可能で、それによって試料に関する（場所に依存する）情報が得られる。

そのような試料は導電性若しくは絶縁性であってよく、又試料は絶縁性の部分を有して良い。試料が高エネルギー電子のような粒子で照射されるので、絶縁性試料又は試料の絶縁部分は帯電してしまうだろう。この帯電によって試料に衝突するビームが偏向し、ビームの空間位置決定にエラーが生じることで、試料の分析及び/又は検査が妨害される。帯電はまた、試料中で発生する2次放射線にも影響を及ぼす。たとえば、放出される2次電子の量が影響されることによって検出される信号の振幅が変化してしまう。

気体が試料周辺に収容されるとき、衝突ビーム及び2次放射線は、この気体の電離を引き起こす。このような電離によって生じる電子及びイオンは、試料上の電荷を中性にする。これは特に、中性化気体の存在する容積全体に電場が印加されるときに効果がある。その理由は、このような電圧印加によって気体増幅が生じ、試料上の電荷を中性化に利用できる電子及びイオンの数が増大するためである。

上述の特許文献1は試料上に粒子ビームを集束させる粒子光学銃を有する粒子光学装置について開示している。気体導管は、ビームが衝突する試料上の領域に不活性ガスを供する。真空チャンバと銃とで真空レベルが異なる装置を動作させることができるように、差動排気絞りが銃と真空チャンバとの間に設けられている。これにより試料周辺に気体圧力及び圧力勾配が生じる。

特許文献1の実施例の1つにおける既知の応用はまた、試料と検出器との間に電場を発生させることで、前述の気体増幅及びその結果中性化の増大が生じる検出器について説明している。その既知の応用は、特許文献1の[0038]段落の最後で、真空の勾配が、試料チャンバへ流入する気体流とそのチャンバから排気される気体の量とのバランスをとることで維持されていることについて述べている。既知の応用はまた、特許文献1の[0037]段落の最後で、気体を供するのに利用される圧力を調節するのにバルブを用いることが可能であることについても述べている。しかし、既知の応用は、どのようにして正確な圧力及び/又は勾配が決定されるのかについては明らかにしていないし、気体流を調節するのにどの基準を用いるのかについても明らかにしていない。

当業者にとって既知であるように、収容される気体は、2次放射線から得られるコントラストにとって重要である。この点については、たとえば非特許文献1、より詳細には90頁の図6を参照してほしい。

当業者にとって既知であるように、電子ビームが0.7[mbar](1[Torr])より高い圧力の気体中を数mm進行する結果、主ビームから外れるように電子が散乱される。その散乱の程度は、電子ビームが試料に衝突する地点でのビーム径を顕著に増大させるほどのもので、それによって装置の分解能が制限される。この点については、たとえば非特許文献2、より詳細には図6を参照のこと。

従って正しい気体圧力、つまりビーム径があまりにひどく変化することなく十分な脱電荷(decharging)が起こるような気体圧力で動作させることが重要である。

チャンバ内の気体圧力の制御方法はすでに知られていて、たとえばESEMs（環境制御型走査電子顕微鏡）で使用されている。その制御方法は、試料チャンバの圧力を真空ゲージで測定し、閉ループ回路においてリークバルブのコンダクタンスを調節することで、収容される気体の量を調節する。

上述の特許文献1で開示されている装置の欠点は、測定系及び制御系がかなり大きなものとなってしまい、そのため装置の小型が実現しないということである。
欧州特許出願公開第0969494号明細書 欧州特許公開第05076474号明細書 トス(M.Toth)他、Journal of Microscopy、第205巻、2002年、pp.86-pp.95 マシュー(C.Mathiu)他、Scanning Microscopy、第13巻、1999年、pp.23-pp.41

本発明の目的は、前述の問題のうちの少なくとも1つが除去されるような粒子光学装置の提供である。

この目的のため、本発明では、第2コンダクタンスで第1コンダクタンスを除した比が校正された比であって、当該比は真空チャンバが所定の最終圧力を有するような値に校正される。

第2コンダクタンスで第1コンダクタンスを除した比を校正することによって、気体圧力又は蒸気圧力は、気体又は蒸気が排気可能である容積の圧力に対して（線形に）変化する。本明細書では、“校正された”とは、“所定の値に事前調節された”という意味で用いられる。この容積の圧力が既知となる、たとえば大気圧と等しくなることで、真空チャンバ内の圧力も同様に既知となる。これにより、真空ゲージ、制御されたリークバルブ及び閉ループ回路の必要がなくなり、場所をとらないシステムが可能となる。

通常[l/s]で表される第1コンダクタンス（真空チャンバから真空ポンプまで）の絶対値は真空チャンバを減圧するのに必要な時間を決定する。また（比が校正されるため）第2コンダクタンスの絶対値も真空チャンバを減圧するのに必要な時間を決定する。

本発明に従った粒子光学装置の実施例では、真空ポンプの最終圧力は真空チャンバの最終圧力よりも少なくとも5倍は低い。

真空チャンバの最終圧力はまた、真空ポンプの最終圧力によっても決定される。真空ポンプの最終圧力が真空チャンバの最終圧力よりも少なくとも5倍低いときには、たとえばポンプ中で使用される流体の温度変化によって生じる、真空ポンプの最終圧力におけるわずかな変化による効果は無視できる。

本発明に従った粒子光学装置の別な実施例では、真空チャンバは真空封じ(vacuum seal)によって大気から密封される。当該真空封じは漏れを引き起こし、気体又は蒸気を収容する手段は、真空封じで漏れる量よりも多くの量の気体又は蒸気を収容する。

真空封じでの気体の漏れは真空チャンバでの圧力変化を引き起こす恐れがある。第1コンダクタンス（真空チャンバから真空ポンプへのコンダクタンス）を真空封じでの漏れのコンダクタンスよりもはるかに大きくなるように選択することによって、圧力は主として収容される気体の量によって決定され、真空封じでの漏れによる影響は小さくなる。

第2コンダクタンスを大きな値に選択することの付加的利点は、試料の気体放出が生じても真空チャンバの圧力に及ぼす影響は無視できるほど小さいことである。

本発明に従った粒子光学装置のさらに別な実施例では、気体又は蒸気を収容する手段は真空封じでの漏れの量の少なくとも5倍の量の気体又は蒸気を収容する。

本発明に従った粒子光学装置の他の実施例では、所定の圧力は、0.1[mbar]から50[mbar]の間の所定圧力である。

試料の脱電荷は、約0.1[mbar]よりも大きな圧力で生じる。

数[mbar]から最大50[mbar]までの分圧であれば、氷が解凍するする温度から室温までの温度範囲で、試料を脱水せずに真空中で試料を観察することができる。このことはたとえば、生物学的組織の分析において特に有用である。

本発明に従った粒子光学装置の別な実施例では、気体又は蒸気が排気可能である容積の圧力は大気圧である。

本発明に従った粒子光学装置の他の実施例では、気体又は蒸気が排気可能である容積は真空ポンプの吸気口と接続する。

気体又は蒸気が排気可能である容積を排気することによって、たとえば直径1mmの絞りを使用することが可能となる。これにより、はるかに小さな半径を有する絞りを使用するときよりも、気体が圧縮されても、たとえば詰まりにくくなる。このことは、大気圧の気体又は蒸気を収容するときに必要とされる。

たとえばメンブレンポンプのような多くのポンプは、たとえば2倍の圧力範囲内（そのポンプで到達される最小の最終圧力と最大の最終圧力との違いが2倍未満であることを意味する）で既知の明確な最終圧力を有し、それによって気体又は蒸気が排気可能である容積が既知圧力にまで減圧されることが分かっている。

粒子光学装置は大抵の場合、粒子放出体(particle emitter)近傍で、たとえば10^-5[mbar]の圧力を必要とすることもまた分かっている。多段階減圧法(multi-stage pumping scheme)は、この圧力を実現するのによく使用される。この方法では、多段階ターボ分子ポンプのような高真空ポンプの排気口が、所謂プレバキュームポンプ(pre-vacuum pump)の吸気口と接続している。たとえばメンブレンポンプを使用するとき、プレバキュームポンプの吸気口での圧力はたとえば10[mbar]である。

本発明に従った粒子光学装置の別な実施例では、気体又は蒸気が排気可能である容積はまた、別なポンプの排気口とも接続する。

たとえば真空チャンバを排気するのに使用されるようなポンプの排気口と、気体又は蒸気が排気可能である容積を排気する吸気口とを接続することによって、真空チャンバを排気するのに使用されるポンプは真空チャンバの最終圧力を大きく下回る最終圧力を有する型のポンプであることが可能である。

本発明に従った粒子光学装置のさらに別な実施例では、蒸気は水蒸気である。

水蒸気の利用は、水蒸気を利用しなければ真空中で脱水される試料を分析する上で有利である。

本発明に従った粒子光学装置のさらに別な実施例では、気体は空気である。

本発明に従った粒子光学装置のさらに他の実施例では、試料の分析は荷電粒子ビームで試料を照射する手順を有する。

本発明に従った粒子光学装置の別な実施例では、荷電粒子ビームは荷電粒子の集束ビームである。

本発明に従った粒子光学装置の他の実施例では、荷電粒子ビームは電子ビームである。

集束電子ビームによって試料上を走査することによって、光学顕微鏡で実現可能な分解能よりもはるかに高い分解能を有する試料像を生成することが可能となる。

本発明に従った粒子光学装置のさらに他の実施例では、荷電粒子ビームはイオンビームである。

当業者に知られているように、集束イオンビームは局所スパッタリングを引き起こし、それによってイオンによって照射された表面の局所的改質が可能となる。

本発明に従った粒子光学装置の別な実施例では、収容された気体は材料堆積用の先行物質を有する。

材料堆積用の先行物質を有する気体を収容することによって、材料の局所的な堆積が実現可能となる。たとえばTEOS（テトラエチルオルソシリケート、SiO₂の堆積に使用される）、C₁₀H₈（炭素の堆積に使用される）、W(CO)₆（タングステンの堆積に使用される）のような先行物質は、荷電粒子ビームによって分解されることによって試料上に局所的に堆積される。この方法は、たとえば導電性材料を局所的に堆積することによる半導体回路の変更に使用することが可能である。

本発明に従った粒子光学装置の別な実施例では、収容された気体はエッチング気体である。

エッチング気体を収容することによって、試料表面を除去し、それまでは表面上に存在しなかった層の検査又は分析が可能となる。

多くのエッチング気体は、たとえば電子又はイオンで照射された表面上で増速エッチングを示すことが知られていることが分かっている。例としてはXeF₂、I₂又はH₂Oがあり、照射によってラジカルに分解する。生成されたラジカルはよって、局所エッチングを引き起こす。この方法は、たとえば導電性材料を局所的に除去することによる半導体回路の変更に使用することが可能である。

ここで本発明を図によって明らかにしてゆく。図中で対応する番号は対応する部品を示す。

図1は、本発明に従った粒子光学装置を概略的に図示している。当該装置では、気体は大気圧の容積から真空チャンバに収容される。

真空チャンバ104に設けられている粒子光学銃102は集束電子ビーム102の状態の荷電粒子ビームを生成する。粒子光学銃は、たとえば真空ポンプ（図示していない）によって排気される。制御装置106はその銃を制御する。電子は真空チャンバ内の試料位置近傍で集束される。真空チャンバ内には試料114が存在する。制御装置106はまた、集束ビームによる試料上の走査をも制御する。2次電子検出器108の形式である検出器は試料からの2次放射線を検出する。検出器108の信号は制御装置106へ送られる。制御装置106はこの信号を処理し、試料114の像を表示するモニタ110用の信号に変換する。当業者に知られた2次電子検出器は、たとえば後方散乱電子検出器、エバハルト-ソーンレイ検出器、及び気体型2次電子検出器である。

真空チャンバ104は、ホース132及びポンプ絞り弁134を介して真空ポンプ130と接続する。これらの排気手段のコンダクタンスの値はC₁[l/s]で表される。

真空チャンバ104はまた、気体又は蒸気を収容する手段120とも接続する。気体又は蒸気を収容する手段は、リークバルブ122、細管124及び絞り126を有する。これらの収容手段のコンダクタンスの値はC₂[l/s]で表される。気体又は蒸気は当該手段120によって、既知の圧力を有し、空気及び水蒸気の混合物が、大気圧P_atmで存在する状態である容積128から排気可能である。ポンプの最終圧力が、真空チャンバの最終圧力よりもはるかに低いと仮定すると、真空チャンバの最終圧力P_chamは、
P_cham=(C₂/C₁)P_atm
に等しくなる。
比C₂/C₁は、たとえばリークバルブのコンダクタンスを校正することによって、又は管124の長さを適切な長さに選択することによって校正することが可能である。校正は製造中に工場で行われても良いし、ユーザー側で行っても良い。

校正は、真空ゲージと真空チャンバ104とを一時的に接続することによって行われて良い。暫定的な真空ゲージの接続はたとえば、粒子光学銃102を真空チャンバから暫定的に除去し、通常時には粒子光学銃によって占められている孔を介して真空ゲージを接続することによって単純化することが可能である。代替方法として、校正は、コンダクタンスC₁及びコンダクタンスC₂を支配する部品を十分な精度で再現することによって行うことが可能である。再現方法はたとえば、既知の長さ及び内径を有する細管を管として使用する、及び/又は既知の絞りサイズを有する絞りを使用することによってである。

たとえ気体又は蒸気が排気可能である容積が大気圧での容積として表されるとしても、その容積を既知の圧力の蒸気又は気体を有する密閉容器として構築することもまた可能であることが分かっている。

図2は、本発明に従った粒子光学装置を概略的に図示している。当該装置では、気体は減圧された容積から真空チャンバに収容される。図2は図1から派生したものと考えて良い。粒子光学銃は、真空ホース222を介して、次々とつながっている、ポンプ206、ポンプ204及びポンプ202によって排気される。これらのポンプは独立したポンプであって良いが、2つ以上のポンプを、1つのメカニカルポンプユニットの一部に合体させても良いことが分かる。たとえば、ポンプ202を独立したプレバキュームポンプに、ポンプ204及びポンプ206を多段階ターボ分子ポンプにおける2つの部位にそれぞれ合体させて良い。

ポンプ202は、容積Bから、大気圧である環境Aへ気体を排気する。容積Bの圧力はほぼ一定である。その理由は、容積Bの圧力は主として、所謂ポンプ202の圧縮率、すなわち逆流がたとえば100倍の状態で決定されることで、容積Bが10[mbar]でほぼ一定の圧力となるためである。同様に、ポンプ204は、たとえば100倍の圧縮率で、容積Cから容積Bへ気体を排気することで、容積Cの圧力は0.1[mbar]となる。最終的に、ポンプ206は、粒子光学銃を、動作圧力であるたとえば10^-5[mbar]にまで排気する。

容積Bからの気体は、狭窄部（絞り弁）210で漏れ、ホース220を介して真空チャンバへ入り込むと同時に、真空チャンバはホース220及び狭窄部（絞り弁）212を介し、ポンプ204によって排気される。これらの狭窄部のコンダクタンス比は、真空チャンバ104の最終真空圧力が、たとえば0.5[mbar]のような所望の圧力になるような値に校正される。

容積Bの圧力は主としてポンプ202の最終圧力によって決定されるため、容積Cから容積Bへ排気される量は容積Bの圧力にほとんど影響しないことが分かる。収容された気体は、ポンプ202の最終圧力を決める主要因である。

たとえば容積Bのような減圧された容積からの気体又は蒸気を収容することで、大気圧からの空気を収容するときよりもたとえば詰まりにくい絞り弁の利用が可能となる。これは、[bar・l/s]で表される若干の漏れが、大気圧からの気体又は蒸気を収容するときよりもはるかに高いコンダクタンス、[l/s]で表される、によって実現されるという事実による。そのような高いコンダクタンスは、たとえば大きな開口、及び/又は細管の直径によって実現される。大きな開口及び細管直径は、たとえば詰まりにくい。

たとえ上記からコンダクタンスの絶対値が重要ではないように思えても、このように考えるのは正しくないことが分かる。排気時間を早くするには、ポンプへのコンダクタンスが高コンダクタンスであることが重要である。また、コンダクタンスは、真空チャンバへの漏れを解決できるくらい十分に高くなくてはならない。後者は、真空封じとしてスライダ式ベアリングを使用するときに特に重要となる。その理由は、この型の密封は、たとえば弾性高分子を使用した密封よりも大きな漏れを示すためである。

たとえとして、2つの抵抗器を有する分圧器を用いることができる。それは、たとえ分圧比が抵抗器の比のみによって決定されるとしても、時定数（排気時間にたとえられる）及び漏れ電流（真空の漏れにたとえられる）の効果は、両抵抗器を並列にしたときの抵抗によって決定されるということである。

図3は、本発明に従った粒子光学装置の好適実施例を概略的に図示している。

図3は図2から派生したものと考えて良い。真空チャンバは、下部105上でスライド可能な上部107で構成され、部位107及び部位105は共に、真空封じを形成する。スライダ式ベアリングの形式であるそのような真空封じは、たとえば特許文献2から既知である。真空チャンバはポンプ204によって排気され、狭窄部（絞り）212を介し、その狭窄部を介して、集束電子ビームの形式である荷電粒子ビームが真空チャンバに入り込む。気体は容積Bから細管213を介して収容される。細管213は、たとえば最終圧力がたとえば10[mbar]のメンブレンポンプの形式であるポンプ202と接続する。

本発明の技術的範囲から逸脱することなく、様々な修正及び変化を前述の実施例に適用することが可能であることは明らかである。

本発明に従った粒子光学装置を概略的に図示している。当該装置では、気体は大気圧の容積から真空チャンバに収容される。 本発明に従った粒子光学装置を概略的に図示している。当該装置では、気体は減圧された容積から真空チャンバに収容される。 本発明に従った粒子光学装置の好適実施例を概略的に図示している。

符号の説明

102 粒子光学銃
104 真空チャンバ
105 下部
106 制御装置
107 上部
108 検出器
110 モニタ
112 集束電子ビーム
114 試料
120 気体収容手段
122 リークバルブ
124 細管
126 絞り弁
128 容積
130 真空ポンプ
132 ホース
134 ポンプ絞り弁
202 真空ポンプ
204 真空ポンプ
206 真空ポンプ
210 絞り弁
212 絞り弁
213 細管
220 ホース
222 真空ホース
A 容積
B 容積
C 容積
D 容積

Claims (16)

1. 検査される試料を含み、動作時には接続する真空ポンプによって最終圧力にまで減圧される真空チャンバ、
   既知圧力を有する容積から排気可能である気体又は蒸気を前記真空チャンバに収容する手段、
   を有し、
   前記真空ポンプと前記真空チャンバとの接続が第1気体コンダクタンスを表し、
   気体を収容する手段が第2気体コンダクタンスを表すとき、
   前記第1コンダクタンスを前記第2コンダクタンスで除した比が校正された比であって、当該比は前記真空チャンバが所定の最終圧力を有するような値に校正される、
   ことを特徴とする粒子光学装置。
2. 前記真空ポンプの最終圧力が前記真空チャンバの最終圧力よりも少なくとも5倍低い、請求項1に記載の粒子光学装置。
3. 前記真空チャンバが真空封じによって大気圧から密封され、
   前記真空封じは漏れを生じ、かつ、
   気体又は蒸気を収容する前記手段は、前記の真空封じで漏れる量よりも多くの量の気体又は蒸気を収容する、
   上記請求項のうちのいずれかに記載の粒子光学装置。
4. 気体又は蒸気を収容する前記手段が、前記の真空封じで漏れる量の少なくとも5倍の量の気体又は蒸気を収容する、請求項3に記載の粒子光学装置。
5. 前記所定圧力が0.1[mbar]から50[mbar]までの所定の圧力である、上記請求項のうちのいずれかに記載の粒子光学装置。
6. 前記気体又は蒸気が排気可能である前記容積の圧力が大気圧である、上記請求項のうちのいずれかに記載の粒子光学装置。
7. 前記の気体又は蒸気が排気可能である容積が真空ポンプの吸気口に接続する、請求項1から5のうちのいずれかに記載の粒子光学装置。
8. 前記の気体又は蒸気が排気可能である容積が別なポンプの排気口に接続する、請求項7に記載の粒子光学装置。
9. 前記蒸気が水蒸気である、上記請求項のうちのいずれかに記載の粒子光学装置。
10. 前記気体が空気である、請求項1から8のうちのいずれかに記載の粒子光学装置。
11. 前記試料の分析が、前記試料へ荷電粒子ビームを照射する工程を有する、請求項1から8のうちのいずれかに記載の粒子光学装置。
12. 前記荷電粒子ビームが集束荷電粒子ビームである、請求項11に記載の粒子光学装置。
13. 前記荷電粒子ビームが電子ビームである、請求項11又は12に記載の粒子光学装置。
14. 前記荷電粒子ビームがイオンビームである、請求項11又は12に記載の粒子光学装置。
15. 前記の収容された気体が、材料堆積用の先行物質を有する、請求項11から14のうちのいずれかに記載の粒子光学装置。
16. 前記の収容された気体が、エッチング気体を有する、請求項11から14のうちのいずれかに記載の粒子光学装置。

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