JPH0364983B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 この発明は、例えば資料に粒子ビームを照射し
て資料の分析を行つたり、試料の加工、製作を行
う装置において、粒子ビームを発生する粒子源と
試料の内臓する試料室との間の差動排気を行うの
に好適な差動排気装置に関する。

〔発明の技術的背景〕

イオンビームや電子ビームといつた粒子ビーム
を使つて試料を分析したり、試料を加工、製作す
る装置においては、一般に、粒子ビームを発生す
る粒子源と試料を内臓する試料室とを差動排気装
置を介して結合するようになつている。

ここで、粒子ビームを照射して試料の分析を行
う装置としては、二次イオン質量分析装置、ラサ
ホードバツクスキヤツタリング装置、オージエ電
気分光装置、Ｘ線マイクロアナライザ等がある。
また、粒子ビームを照射して試料の加工、製作を
行う装置としては、イオン注入装置、イオンビー
ム蒸着装置、イオンビーム露光装置、電子ビーム
露光装置等がある。

これらの装置では、イオン源、電子源等の粒子
源および試料室は真空に排気されるが、粒子源と
試料室とでは動作圧が異なり、また、要求される
真空の質も異なる。一般に、試料室の方が低い圧
力および水分、ハイドロカーボン等の分圧が低い
等の高い真空の質を要求される。例えば、イオン
源の動作圧は10^-6〜10^-5Torrであるのに対し、
表面分析を行う二次イオン質量分析装置の試料室
には、10^-10Torr台あるいはそれ以下の真空度が
要求される。このような動作圧等の違いのため
に、粒子源と試料室を結合させる場合、上記の如
く、差動排気装置が必要となる。

第５図は、粒子源と試料室の間に差動排気装置
を介在させた上記試料分析装置（あるいは試料加
工装置、試料製作装置）の構成を示す図である。

差動排気装置を介在させた試料分析装置等にお
いては、粒子源１から出力される粒子ビーム２
は、差動排気装置を経て試料室７に入射される。

差動排気装置は、コンダクタンスを低下させる
オリフイス４と排気系３および５によつて構成さ
れる。６はこのような差動排気装置の外筒であ
る。

上記排気系３および５では、油拡散ポンプ、タ
ーボポンプ、イオンポンプ、クライオポンプ等の
真空排気ポンプの１種２台または２種各１台の組
合せで排気が行われる。

なお、第５図では、粒子ビーム２を収束、発散
させるための静電レンズ類、およびビーム２を偏
向させるための偏向電極類は図をわかりやすくす
るために、一切省略してある。

〔背景技術の問題点〕

ところで、上記従来の差動排気装置の場合、次
のような問題がある。すなわち、粒子源１、例え
ばイオン源１の圧力は高々１×10^-5Torrである
ので、差動排気装置における気体の流れは分子流
となつており、気体分子は互いに自由に真空中を
飛びまわつている。このような状態のもとでは、
排気系５によつて排気される気体分子は、８のよ
うに排気系５の開口部へ飛び込んだものだけであ
る。すなわち、９の分子はオリフイス４にて反射
され、このうちのあるものは反射を繰り返すうち
に８のように排気されるが、他のものは、１０の
ようにオリフイス４の開口部を通過して試料室７
へ流入する（排気系３においても全く同様に気体
分子の反射現象が起つている）。つまり、従来の
差動排気装置では、差動排気装置を通過して試料
室７に流入する気体分子は、ビーム２のように差
動排気装置の中心軸に沿つて飛ぶものばかりでな
く、オリフイス４にて反射された後、反射をくり
返し、１０のようにオリフイスを通過するものも
含まれる。さらに、従来の差動排気装置において
は、粒子ビーム２の一部がオリフイス４の開口部
の側面を照射することによつて、オリフイス４の
開口部側面に吸着していた気体分子が脱離して試
料室７に流入することもある。

このように、オリフイス４によるコンダクタン
スの低下を利用して、粒子源１と試料室７の動作
圧の差に伴う気体流の影響を阻止する従来の差動
排気装置では、排気系３，５の開口部に飛び込ん
でくる気体分子しか排気できない。したがつて、
試料室７にさほど真空度が要求されず、オリフイ
ス４を通過して試料室７に流入する気体分子やオ
リフイス４から離脱して試料室７に流入する気体
分子を無視できる場合はよいが、試料室に超高真
空が要求される場合には、試料の正確な分析、加
工、製作を行うことができなくなる。例えば、イ
オンビームを試料に照射して試料中の微量元素を
分析する二次イオン質量分析装置では、試料中に
微量に含まれる酸素、炭素等の軽元素を分析しよ
うとする場合、イオン源から差動排気装置を通過
してわずかに流入したり、オリフイス４からイオ
ン衝撃によつて脱離してくるH₂O、CO、ハイド
ロカーボンの分子が試料面へ付着するため、試料
中に含まれる酸素、炭素等の量を正確に評価する
ことができなくなる。

〔発明の目的〕

本発明は上記の事情に対処すべくなされたもの
で、粒子ビームを使つた試料測定装置等における
粒子源側から試料室側への気体分子の流入を阻止
する能力の高い差動排気装置を提供することを目
的とする。

〔発明の実施例〕

以下、図面を参照してこの発明の実施例を詳細
に説明する。

第１図は本発明の一実施例の構成を示す図であ
る。差動排気装置は真空排気ポンプ（ターボポン
プ、イオンポンプ、クライオポンプ等）を用いた
排気系３と、オリフイスとクライオポンプの両方
の機能を果す例えば円板状のクライオパネル１１
を備える。クライオパネル１１はヘリウム冷凍機
１２のコールドヘツド１３に接続され、極低温、
例えば２０Ｋに冷却される。そして、クライオパ
ネル１１の熱負荷を軽減するため、クライオパネ
ル１１は差動排気装置の外筒６の内壁には接触せ
ず、かつクライオパネル１１の温度と室温との中
間の温度、例えば77Kに冷却されたシールド板１
４で囲まれている。また、クライオパネル１１、
シールド板１４と外筒６の内壁との間を通り抜け
る気体分子の流れを阻止するため、気体流阻止板
１５が設けられている。なお、第１図中では、ビ
ーム２を収束、発散させるための静電レンズ類お
よびビーム２を偏向するための偏向電極類は、図
をわかりやすくするため、一切省略してある。

上記構成においては、クライオパネル１１が極
低温に冷却されているため、クライオパネル１１
の表面に入射した気体分子１６は、パネル面に擬
着される。そして、差動排気装置を通過して試料
室７へ流入する気体分子は、１７の気体分子のよ
うに、クライオパネル１１の開口部に直接入射す
るものに限られる。このため、オリフイスによる
コンダクタンスの低下のみを利用して差動排気を
行う第５図の従来装置より気体分子の捕集効率が
高い。さらに、粒子ビーム２の１部がクライオパ
ネル１１の開口部の側面を衝撃しても、気体分子
はパネル面に強く凝着しているため、室温のオリ
フイスの場合のような脱離は生じない。

なお、第１図の差動排気装置を用いると、粒子
源１の圧力が試料室７の圧力に及ぼす影響を、第
５図の従来装置の1/10に減少させることができる
ことが実験によつて確かめられている。

第２図は本発明の別の実施例の構成を示す図で
ある。クライオパネル１８は第１図の円板状のク
ライオパネル１１と同じような本体１８１の中央
部に中空の円筒部１８２を備えた構造をもつ。こ
こで、クライオパネル１８は本体１８１と円筒部
１８２を一体的に形成したものであつてもよく、
これらを別体とし、一体に組み合わせたものであ
つてもよい。クライオパネル１８の円筒部１８２
は、静電レンズ１９、偏向電極２０等の妨げにな
らない範囲で可能な限り長くしてある。また、円
筒部１８２の内径は粒子ビーム２の通過を妨げな
い範囲で可能な限り狭くしてある。

このように、差動排気装置の中心軸と同軸的な
円筒部１８２を有するクライオパネル１８を用い
ることにより、クライオパネル１８を通過して試
料室７へ流入する気体分子は、ビーム２のように
差動排気装置の中心軸に沿う狭い立体角内のもの
に限られる。他の気体分子はクライオパネル１８
やシールド板１４の表面に捕集されるか気体流阻
止板１５で反射され、排気系３で排気されてしま
い、試料室７へは到達しない。

なお、本実施例では、粒子源１の圧力が試料室
７の圧力に及ぼす影響を、第１図の実施例の場合
の1/10〜1/20、従来装置の場合の1/100〜1/200に
減少させることができることが実験により確かめ
られている。

第３図は本発明のさらに別の実施例の構成を示
す図である。第３図の実施例は先の第２図の実施
例と比較して、クライオパネル１８の円筒部１８
２の代りに、先の第１図に示すような２枚の円板
状のクライオパネル１１が平行に、熱伝達用の支
持体２１の両端に取りつけられている点を異にす
る。

本実施例の場合は２枚のクライオパネル１１に
よりクライオパネル１１を通過可能な気体分子の
立体角を狭めており、第２図の円筒部１８２を備
えたクライオパネル１８の場合と同等の効果を有
する。

なお、クライオパネルの材質としては、通常の
ヘリウムクライオポンプのクライオパネルと同質
のもの、例えば、無酸素銅にニッケル硬質光沢メ
ツキを施したものを用いることができる。

第４図に本発明の第２図の実施例に係る差動排
気装置を整備した真空装置の断面図を示す。本実
施例は、本件特許出願に係る発明の発明者らによ
り、特願昭59−140241号において提案された二次
イオン質量分析装置のイオン源と試料室との間の
差動排気装置に適用したものである。第４図にお
いて、２２はイオン源、２３は一次イオンビー
ム、２４は差動排気用ターボポンプ、２５はメタ
ルゲートバルブ、２６は試料室、２７は試料室排
気用ヘリウム冷凍機、２８は試料室排気用クライ
オパネル、２９は試料室主排気用イオンポンプ、
３０は試料ホルダ、３１は試料である。なお、一
次イオン光学系の詳細および二次イオンの検出
器、試料移送機構については、よく知られている
ので省略してある。

この二次イオン質量分析装置は、イオン源２２
で発生した一次イオンビーム２３を試料室２６中
の試料ホルダ３０に保持されている試料３１に照
射し、これによつて試料３１から発生する二次イ
オンを質量分析し、試料中に含まれる元素を分析
するものであり、特に、試料３１中に微量に含ま
れる酸素、炭素等の軽元素の分析を目的としたも
のである。このような軽元素の微量分析では、試
料室２６の真空中に含まれる残留気体やイオン源
２２からの流入気体が試料３１の表面に吸着する
と、吸着したガス成分中の軽元素がバツクグラウ
ンドとなり、試料３１中に含まれる微量の軽元素
を分析することができない。

そこで、本実施例の二次イオン質量分析装置で
は、試料室２６内の残留気体圧力を低減するた
め、試料室主排気用イオンポンプ２９と試料室排
気用クライオパネル２８を組み合せた構造をと
り、試料３１の周囲の真空排気速度を増大させて
いる。さらに、イオン源２２から試料室２６に流
入する気体分子の量を低減するため、本発明の差
動排気装置をイオン源２２と試料室２６のメタル
ゲートバルブ２５との間に設置している。差動排
気装置の排気系はターボポンプ２４とクライオパ
ネル１８から構成されている。

本実施例の二次イオン質量分析装置では、試料
室排気用クライオパネル２８の利用に加え、本発
明の差動排気装置の利用により、イオン源２２の
作動時においてもイオン源２２からの気体分子の
流入およびオリフイスからの気体の脱離は無視し
うる量に低減され、実験の結果、従来は困難であ
つた10¹⁴／cm³台の極微量軽元素の分析が可能であ
ることが確かめられている。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の作動排気装置
は、粒子源から試料室に流入する気体分子の量を
無視しうる程度に低減するとともに、ビームの衝
撃によるオリフイスからの気体分子の脱離を妨ぐ
ことができる。このため試料室の真空度が大幅に
向上し、試料中の軽元素不純物の分析における軽
元素バツクグラウンドの低減、あるいは、試料製
作中に試料中に取り込まれる軽元素の量を低減す
ることができ、高純度が要求される半導体の製造
やその中の不純物の評価に寄与するところが大き
い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例の構成を示す断
面図、第２図乃至第４図はそれぞれ本発明の第２
〜第４の実施例の構成を示す断面図、第５図は従
来の差動排気装置の構成を示す断面図である。 １……粒子源、２……粒子ビーム、３……排気
系、４……オリフイス、５……排気系、６……差
動排気装置の外筒、７……試料室、８，９，１０
……気体分子の軌跡、１１，１８……クライオパ
ネル、１２……ヘリウム冷凍機、１３……コール
ドヘツド、１４……シールド板、１５……気体流
阻止板、１６，１７……気体分子の軌跡、１９…
…静電レンズ、２０……偏向電極、２１……支持
体。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 差動排気装置の外筒内に内壁に接触しないよ
   うに冷却手段のコールドヘツドに接続されて設け
   られた冷却状態で気体分子を捕集可能なクライオ
   パネルと、このクライオパネルを冷却する冷却手
   段と、前記クライオパネルを囲むように設けられ
   た冷却されたシールド板と、このシールド板、前
   記クライオパネルと前記差動排気装置の外筒内壁
   との間に設けられた気体流阻止板とを備え、上記
   冷却手段によつて冷却された上記クライオパネル
   により、高圧部からこれに結合される低圧部への
   気体流を阻止するように構成されていることを特
   徴とする差動排気装置。