JP5102580B2 - 荷電粒子線応用装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子線を用いて微細構造を観察する走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等を含む荷電粒子線応用装置に関する。

従来の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）では、顕微鏡像取得のための電子線検出器として、低速の二次電子用にはＥ−Ｔ（Everhart-Thornley）型検出器がもっぱら用いられている。これは、図２に示すように、試料から発生した電子（ｅ⁻）をシンチレータ２０に衝突させ、ここから発生する光（ｈν）をライトガイド２１により真空装置の隔壁２３の外に取り出し、光電子増倍管２２により検出し、信号電流（signal）を発生するものである。なお、図中、Ｖｐはフィードスルー２４を介してシンチレータ２０に印加する電源、Ｖｄは光電子増倍管２２の動作電圧を示す。

また、より空間的な制限の多い、対物レンズ下での反射電子検出等にはＳｉのｐｉｎホトダイオード構造のＳＳＤ（Solid State Detector）がもっぱら用いられている。これは、半導体検出器とも呼ばれ、構造としては、Ｓｉのｐｉｎホトダイオード、すなわち、ｐ−ｎ接合の間に低不純物濃度層を設け、広い領域を空乏層として、ここに入ってきた電子線が電子正孔対を作ることで発生した電流を検出していた。ここで発生する電子正孔対の数は入射エネルギーＥが高いとたくさん生まれ、これによるゲインはＥ/３.６と近似されている。たとえば、１０ｋＶ程度の加速の電子線を試料に照射して観察している場合、試料からの反射電子エネルギーは、最高でほぼ１０ｋＶであり、ＳＳＤ入射で２０００倍程度増幅された電流を検出できる。一方、電子ビームが低エネルギーである観察の場合、例えば、１ｋＶの入射エネルギーの場合、近似式から期待されるゲインは２００倍程度と、低くなる。さらに、実際には、Ｓｉ等の固体中での入射電子の平均自由行程が極めて短くなるために空乏層に到達する電子が減り、この結果、極めて小さな信号しか得られないので、低加速の反射電子検出には向かない。

アバランシェ増倍作用を持つアバランシェホトダイオード（ＡＰＤ）を電子顕微鏡の検出系に適用することは知られており、例えば、特開平９−６４３９８号公報に提案されている。

また、アバランシェホトダイオードを使って信号を増幅することは容易に考え付き、例えば、特開平９−６４３９８号公報、特開２００５−８５６８１号公報、等に提案されている。しかし、これらの場合、光入射用に最適化された場合、アバランシェ効果によるゲインは２００倍程度が期待されるが、実際には２０倍程度のゲインしか得られない。これは、電子線入射による結晶欠陥導入や、光とは異なる領域に電子正孔対を生じるためである。また、特開２００５−８５６８１号公報の場合は、基本的にＥ−Ｔ型のシンチレータと同様に、高電圧を印加するので、対物レンズの下に挿入して用いようとすると、高電圧のためにプローブの電子線に影響が出てしまい、電子顕微鏡の性能を著しく劣化させるという問題があった。

一方、低速の電子でも高い倍率で増幅する素子として、ＭＣＰ（Micro Channel Plate）があるが、このＭＣＰの段数を２段程度にして薄く形成した検出器が販売され、荷電粒子の計測分野で広く使われている。ＳＥＭの反射電子検出器に用いる場合、ＭＣＰ両端面に１ｋから２ｋＶ程度の高電圧を印加する必要がある。ＭＣＰ裏側に捕集電極を配し、全体をケースに入れると、厚みが５ｍｍ程度必要となる。また、表面には高電圧が印加されており、このままでは試料側に電界が漏れ出しプローブビームに影響を与えてしまうので、メッシュなどで電界をシールする必要がある。これらの結果として、対物レンズと試料面間の距離（ＷＤ、Working Distance）が１５ｍｍ以下の近接した観察はできない。低加速ＳＥＭにおいては、分解能は色収差と回折収差が支配的であり、色収差を小さくする最良の方法は、対物レンズ主面と試料の距離を近づけることである。したがって、これまでの厚みのある検出器では、低加速で高分解能の反射電子観察は不可能であった。

また、ダイヤモンドを用いてＸ線や紫外光等の格子の検出器とし、アバランシェ増倍して検出感度を高めるということは、知られており、例えば、特開２００５−２６０００８号公報に提案されている。

特開平９−６４３９８号公報 特開２００５−８５６８１号公報 特開２００５−２６０００８号公報

上述したように、従来の技術においては、低加速ＳＥＭにおいて低速の電子を高感度で検出するためには大型になってしまい、対物レンズの下や、スペースの無いところに設置することができないという問題があった。また、対物レンズと試料の距離を離して反射電子検出器を入れた場合には、分解能が劣化するという問題があった。また、検出器が光に敏感なために光プローブを用いた測定と同時にできないという問題があった。

そこで、本発明の目的は、低加速で高分解能なＳＥＭ像等を観察する場合に有用な高感度で薄型の電子検出器を提供し、それを用いた荷電粒子線装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明では、荷電粒子源と、前記荷電粒子源から放出される荷電粒子線を試料上に照射する荷電粒子光学系と、前記試料から二次的に発生する電子を検出する電子検出手段とを備えた荷電粒子線応用装置において、前記電子検出手段は、前記試料から二次的に発生する電子を光信号に変換する蛍光体層と、前記光信号をさらに電子に変換しアバランシェ増倍する素子との組合せになるダイオード素子を有し、前記蛍光体層は、ＺｎＯ、ＳｎＯ_２、ＺｎＳのうちいずれか一つを母材として、１ｋｅＶ以下の電子で発光する蛍光体のうち少なくとも１種を主な材料とし、前記光信号をさらに電子に変換しアバランシェ増倍する素子は、Ｓｉを主な構成材料とする。

あるいは、前記電子検出手段は、少なくとも２ｅＶを超えるバンドギャップを持つワイドギャップ半導体基板からなる電子吸収領域を有するダイオード素子を有し、前記電子吸収領域は、前記基板に２個の電極を対向配置してなり、前記試料から二次的に発生する電子の入射により電子正孔対を発生せしめる構成とする。

以下に、本発明の特徴的構成例を述べる。

（１）荷電粒子源と、前記荷電粒子源から放出される荷電粒子線を試料上に照射する荷電粒子光学系と、前記試料から二次的に発生する電子を検出する電子検出手段とを備えた荷電粒子線応用装置において、前記電子検出手段は、前記試料から二次的に発生する電子を光信号に変換する蛍光体層と、前記光信号をさらに電子に変換しアバランシェ増倍する素子との組合せになるダイオード素子を有し、前記蛍光体層は、ＺｎＯ、ＳｎＯ_２、ＺｎＳのうちいずれか一つを母材として、１ｋｅＶ以下の電子で発光する蛍光体のうち少なくとも１種を主な材料とし、前記光信号をさらに電子に変換しアバランシェ増倍する素子は、Ｓｉを主な構成材料とすることを特徴とする。

（２）荷電粒子源と、前記荷電粒子源から放出される荷電粒子線を試料上に照射する荷電粒子光学系と、前記試料から二次的に発生する電子を検出する電子検出手段とを備えた荷電粒子線応用装置において、前記電子検出手段は、少なくとも２ｅＶを超えるバンドギャップを持つワイドギャップ半導体基板からなる電子吸収領域を有するダイオード素子を有し、前記電子吸収領域は、前記基板に２個の電極を対向配置してなり、前記試料から二次的に発生する電子の入射により電子正孔対を発生せしめる構成とすることを特徴とする。

（３）前記（１）の構成の荷電粒子線応用装置において、前記蛍光体として、ＺｎＯ：ＺｎもしくはＳｎＯ_２：Ｅｕの蛍光体のうち少なくとも１種を主な材料としたことを特徴とする。

（４）前記（２）の構成の荷電粒子線応用装置において、前記ワイドギャップ半導体として、ＧａＰ、ＧａＮ、ＺｎＯ、Ｃの単結晶半導体のうちのいずれか１種を用いることを特徴とする。

（５）前記（１）又は（２）の構成の荷電粒子線応用装置において、前記電子検出手段の近傍、もしくは前記電子線応用装置の近傍に、前記電子検出手段の動作のための電流もしくは電圧の印加、および、前記電子検出手段からの電気信号を増幅もしくは伝達するための検出回路を設けたことを特徴とする。

（６）前記（１）又は（２）の構成の荷電粒子線応用装置において、前記電子検出手段が、前記試料に入射する電子線の経路近傍に配置されていることを特徴とする。

（７）前記（１）又は（２）の構成の荷電粒子線応用装置において、前記電子検出手段は、前記電子線が通過する開口部を有し、前記電子線の経路上に配置されていることを特徴とする。

（８）前記（１）又は（２）の構成の荷電粒子線応用装置において、前記電子検出手段は、複数の検出領域を有し、前記試料からの発生電子をエネルギーに応じて該複数の検出領域の各々に導く手段を有することを特徴とする。

（９）前記（４）の構成の荷電粒子線応用装置において、前記試料に光を照射する手段をさらに備え、前記照射光は、前記電子検出手段の、前記ワイドギャップ半導体の吸収端より長波長であることを特徴とする。

（１０）前記（９）の構成の荷電粒子線応用装置において、イオン源から放出されるイオンビームを前記試料上に収束して加工するイオンビームカラムをさらに備え、前記電子光学系と前記イオンビームカラムとを同一の真空室内に配したことを特徴とする。

本発明によれば、低加速で高分解能なＳＥＭ像等を観察する場合に有用な高感度で薄型の電子検出器を実現し、それを用いた荷電粒子線装置を提供できる。

以下、本発明の実施例について、図面を参照して詳述する。

（実施例１）
図１に、本発明による荷電粒子線応用装置の一実施例を示す。

本発明は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等だけでなく、イオンビームを用いたマイクロスコープ等を含めた荷電粒子線応用装置に対しても適用可能である。

本実施例では、薄型で低エネルギー電子に対する感度が高い電子検出器（電子検出手段）と、それを荷電粒子線応用装置の一例として走査型電子顕微鏡に適用した場合について説明する。

走査型電子顕微鏡は、電子源を含む電子線照射源７から発生したプローブ電子線５を偏向器１６でｘ−ｙ方向に走査し、試料３から二次的に発生する電子２を電子検出器１で検出し、検出回路１０にて適度な電圧の信号に変換調整し、コントローラ９に送る。コントローラ９では、発生した走査信号に合わせて電子検出信号を処理し、二次元のＳＥＭ像を構成する。なお、図中、４は試料３に電圧Ｖｓを印加するリターディング電源を示す。

ここで、電子検出器１は、対物レンズ６の下面付近あるいはそれよりも試料３に近い側に設置する。これにより、プローブ電子線５の入射で試料３から発生する電子のうち、エネルギーの高い電子線を検出するに適している。電子検出器１は、図１（ｂ）に示すように、ベース板１１に接着層１２を介して固定され、アノードとカソード電極からそれぞれの配線１４で引き出され、全体はケース１３に収められ、試料方向のみ開口があり、他からのノイズを防ぐ構造となっている。図１（ｃ）に示すように、電子検出器１は、低加速電子で発光する蛍光体層１７と、発光した光を検出する光検出器を具備し、図１（ｃ）は、その模式的な断面構造を示す。

ここでは、蛍光体として、１ｋＶ以下の低速の電子が入射しても良好な発光するもの（例えば、化成オプト社製P15）を用いている。材料としては、母材とする粒径数μｍ程度以下のＺｎＯ結晶体の内部に、Ｚｎがドープされたものである。このＺｎＯ：Ｚｎ粉末を水ガラスなどをバインダーとして塗布し、４００℃から５００℃で１分以内の加熱により固めたものである。結晶性の良好なＺｎＯ単結晶膜は、低速電子入射で発光が弱いのでこの用途には適していない。発光量を増加させるために、Ｚｎやその他の不純物や結晶欠陥を多く含み導電性を持った単結晶あるいは多結晶体のＺｎＯ膜を用いても良く、この場合は水ガラスなどのバインダー材料を使わずに形成でき、機械的強度が強いという利点がある。

図３（ａ）は、図１（ｂ）に示した電子検出器１を試料側から見た概略図で、図３（ｂ）はケース１３の内部にある検出器本体の概略図である。樹脂、あるいはセラミクス等の絶縁材からなるベース板１１の表面にメッキ、あるいは接着により配線パターン３１が形成されている。この配線パターン３１は、ホトダイオードのアノードとカソード用に２種設けられ、それぞれの電極から配線１４に電気的接触をするためにある。ホトダイオードをベース板１１に固定する際に、導電性接着剤あるいは低融点金属を用いることで、アノード電極１０１（図１（ｃ））と配線パターン３１が電気的に接続される。一方、カソード電極１０２と配線パターン３１との接続は、金もしくはアルミなどのボンディングワイア３０により行う。配線14と配線パターンは、ネジ留めあるいはハンダ等のろう付けにより接続される。

可視光の蛍光発光材料を用いる場合、Ｓｉ中でのもぐりこみ深さが小さいので、ＡＰＤの構造としては、リーチ・スルー型で、図１（ｃ）に示すように蛍光体を光吸収領域側に塗布して用いることが望ましい。なお、リーチ・スルー型とは、アバランシェ増幅領域と、光吸収領域を分離し、この光吸収領域が低不純物濃度であり電子のドリフト領域となってアバランシェ領域に電子を注入するものである。

ＢＳＥ像が得られる。ＷＤ１.５ｍｍでも機能するので、試料に入射する電子の加速電圧が８００から１００Ｖと、極めて低加速でも反射電子を検出でき、この結果、高分解能の反射電子像が得られる。また、このとき、試料に−３００Ｖから−２０００Ｖ程度のバイアス電圧を印加すると、試料と対物レンズ間の電界で反射電子が加速されるので、感度が高くなると言う利点がある。

この電子検出器の動作について、以下に説明する。

蛍光体膜で発生した光子のうち約半分はＡＰＤに入射し、図１（ｃ）に示すように、ｉ−Ｓｉと記載した低不純物濃度領域で電子と正孔を発生する。ＡＰＤには、カソード電極１０２に正（＋）の電圧、アノード電極１０１に負（−）の電圧を印加、即ちダイオードに逆バイアスを印加して用いる。光により励起された電子は、印加バイアスによってｐ−Ｓｉ層とｎ−Ｓｉ層の間にできた空乏層の高電界領域で加速され、電子正孔対を励起する過程が続けて起こり、アバランシェ増倍された電流信号が得られる。

本実施例では、低速電子を光に変換しているので、Ｓｉ中への潜り込み深さが十分長くなり、ｐ＋層を通り、十分厚いｉ−Ｓｉ層で光電変換されるため、量子効率が良いという利点がある。

ＳＳＤと比較すると、１ｋＶで、５ｐＡ程度の反射電子を計測する場合、ＳＳＤでは倍率３０程度で、動作帯域が１００ｋＨｚ以下であり、１秒あたり１枚程度の画像が取得される。これに対して、本発明による検出器では、蛍光体とＡＰＤトータルで１０００倍程度のゲインがあり、高速応答の帯域も１ＭＨｚ程度あるため、Ｓ/Ｎが良い画像で、１秒あたり最大で３０枚程度の画像が得られる。従って、本発明を適用すると、短時間でＳ/Ｎの良い画像が得られるという利点がある。さらに、画像のレスポンスがよいので、手動や自動での焦点合わせがし易く、短時間でできるという利点がある。

より低い加速領域、例えば、３００Ｖ程度の電子線による試料観察では、３００ｅＶの反射電子はもはやＳＳＤでは検出不可能である。これに対して、本発明による検出器では、ＺｎＯ蛍光体が機能するため、高感度で検出可能である。

ＳＥＭにおいて、低加速電子のプローブビームを小さなスポットに絞るためには、色収差をなるべく小さくする必要がある。この色収差係数は、ほぼレンズの焦点距離ｆと同じため、対物レンズと試料を近づけることが高分解能化の鍵となる。高分解能のＳＥＭにおいて低加速モードで高分解能を達成するには、３ｍｍ以下、より好適には２ｍｍ以下のワーキングディスタンスが重要となる。この条件で、対物レンズと試料の間に反射電子検出器を入れるには２ｍｍ未満の厚みが好適である。本発明では、Ｓｉ基板とそれを支えるベース板合わせて１ｍｍ未満に作ることも可能であり、低加速高分解能の反射電子検出可能なＳＥＭを提供するに好適である。

図５（ａ）〜（ｄ）には、本発明で用いる電子検出器のいくつかのバリエーションを示す。図５（ａ）、（ｂ）は、アンニュラー型と呼ばれる構造の一例であり、それぞれ試料側から見た場合と断面の模式図を示す。この場合はプローブ電流５通過用の穴（開口部）５０が設けられているので、図１（ａ）等において、対物レンズ下部で電子線の軸上に固定して用いる用途向きである。この図５（ａ）、（ｂ）の場合は、導電性基板５２の中心の穴５０に沿って円筒電極５１が設けられ、検出器１とプローブ電子線５が干渉しない様に遮蔽構造を形成している。このとき、検出器１も中央に穴を開けたものを用いる。また外側にカバー５５を設ける。

図５（ｃ）、（ｄ）は検出領域を分割したもので、これは、図１（ｃ）に示すような、試料側から見て順に、蛍光体層１７、カソード電極１０２、ｐ^＋−Ｓｉ領域、I−Ｓｉ領域、ｐ−Ｓｉ領域、ｎ−Ｓｉ領域の構造を複数分割して形成し、それ以外の領域は絶縁膜１９で覆ったものである。なお、アノード電極１０１は分割せず、全面に施し、共通のアノードとして用いる。図５（ｃ）ではアンニュラー型の分割方式の一例で分割検出領域５３と分割検出器用コンタクト電極５４が試料側に形成される。実装時には、分割検出器用コンタクト電極５４は試料側からの電子線が入射しないように、カバー５５により遮蔽される。

蛍光体膜は半導体素子の上に直接塗布してもよく、また、透明膜を介して塗布してもよい。この透明膜にＩＴＯ（Ｉｎ−Ｓｎ酸化物）のような導電性の膜を用いると、帯電が防がれるので、低速電子の検出や大電流検出に向いている。

本実施例では、低加速電子、特に１ｋｅＶ以下の電子から光を発生させるシンチレータ材料として、ＺｎＯを母材とするＺｎＯ:Ｚｎを用いたが、それ以外に、ＳｎＯ２を母材とするＳｎＯ２:Ｅｕ、ＺｎＳを母材とするもの、あるいは、他の材料でも、低加速電子で効率よく発光する蛍光体の中から少なくとも１種を選んで用いれば同様の効果がある。低加速電子としては、１ｋＶ以下が対象であるが、高い方として２ｋＶ程度まで使うことがある。また、低い方は１００ｅＶあるいはそれ以下で用いる場合もある。ＺｎＯ:Ｚｎの場合、１００ｅＶ程度でも検出するが、電子線を加速した方が感度が高いので、検出器に＋１００Ｖ〜＋１０００Ｖ程度のバイアスをかけても良い。ここで、可視光の蛍光発光材料を用いる場合、Ｓｉ中でのもぐりこみ深さが小さいので、ＡＰＤの構造としては、リーチ・スルー型で、蛍光体を光吸収領域側に塗布して用いることが望ましい。なお、リーチ・スルー型とは、アバランシェ増幅領域と、光吸収領域を分離し、この光吸収領域が低不純物濃度であり電子のドリフト領域となってアバランシェ領域に電子を注入するものである。

図４に、本発明による電子検出器と組み合わせて用いるいくつかの検出回路１０の例を示す。図４（ａ）の例は、可変バイアス電源４０によりＶ_２を印加し、検出器１と直列に配置した抵抗Ｒ_Ｌにより検出電流を電圧信号に変換し、コンデンサＣ_１により交流成分のみを検出回路１０の増幅器４２に入力し信号電圧を適正値に増幅してコントローラ９に送る。このとき、検出器１のバイアス電圧Ｖ_１により検出感度が決まるので、適正な値となるように、コントローラ９により可変バイアス電源４０の電圧Ｖ_２を設定する。配線の抵抗で信号のレスポンスが落ちないように、コンデンサＣ_２を入れて電源インピーダンスを下げている。

図４（ｂ）の例は、より少ない部品点数で構成したもので、この場合は、可変バイアス電源４０の出力が検出器のバイアスＶ_１となっており、信号電流を電圧に変換する回路を検出回路１０上に構成したものである。この場合、検出器の感度を決めるのは電源４０の電圧のみであり、検出電流によらず正確に感度を設定できるので、精度を要する測定に向いている。また、増幅器４２に取り付けた抵抗Ｒ_Ｌにより電流−電圧変換の係数が変えられるので、複数の値のＲ_Ｌをあらかじめ備えておき、リレーやセレクタなどにより適宜選んで用いても良い。この場合、高感度でゆっくりスキャンするモードから低感度で高速にスキャンするモードにおいて、Ｓ/Ｎ比の最適条件が設定可能である。

図４（ｃ）の例は、可変バイアス電流源４１により、定電流で検出器１をドライブし、検出器に発生するＶ_１の変化分をコンデンサＣ_１を介して増幅器４２で検出するものである。検出器に入る電子が少ない場合は、Ｖ_１が大きくなり、一方、検出電子が多い場合にはＶ_１が小さくなるので、電子信号と出力電圧強度は反転している。ここでは、入力電子数でＶ_１の値が変わり、すなわち、電子数が少ない場合は高感度で、電子数が多い場合には低感度になるという特徴があるので、電子数のきわめて少ない場合から多い場合までダイナミックレンジのきわめて広い検出が可能となるという利点がある。

（実施例２）
広いエネルギーギャップを有する基板を用いて検出器を構成した場合の実施例を、図６に示す。

本実施例では、広いエネルギーギャップを有する基板の一例として、ダイヤモンド基板を用いた場合について説明する。この場合、ダイヤモンド基板表面に櫛状の電極１０１と電極１０２を対向させて配置する。両電極間には１０から１００Ｖの電位差を与え、電子を入射すると、入射電子により電子正孔対が発生し、電子は＋電極へ、正孔は−電極に向かう。

ここで、ダイヤモンド中では正孔のイオン化率が高いのでアバランシェ増倍はもっぱら正孔の高電界中の走行により決定される。図８に、この様子の断面構造の模式図を示す。電子線計測時の利点の一つは、真空中を走行してきた電子線（ｅ⁻）を電極１０２の＋側により近いところに引き込むことができ、ここで発生した正孔８０を電極１０１の−側に走らせることができるので、アバランシェ増倍の効率を高Ｓ／Ｎを達成できる。このときの像倍率は、最高で１００万倍が得られるので、きわめて高感度の検出が可能となる。ダイヤモンドは機械的に丈夫なため、薄いカバーでも十分固い構造が得られるので、厚さ１ｍｍ以下のセンサーとして用いられる。なお、図中の８１は、電位の等高線を示す。

本例の構造と作製例を、図６に示す。ステンレス薄板の基板６１（図６（ｂ））上にダイヤモンドアバランシェダイオード（ＤＡＤ）６０による検出器１（図６（ｃ））を乗せ、その上からコンタクト枠６２（図６（ｄ））をかぶせ、カバー５５（図６（ｅ））をかぶせて基板６１に固定する。基板６１は、絶縁体でも金属でも良いが、この場合、電子線の通路が近いので、チャージアップしない程度の導電性があり、磁性のない材料から選ぶ。検出器の組立後の全体図が、図６（ａ）である。

コンタクト枠６２は絶縁体で作られ、中央に電子が通るように四角の穴があり、上辺と下辺にコンタクト電極６３を設け、組立後に検出器１のアノード電極１０１とカソード電極１０２と電気的に接触する。このコンタクト電極６３には各々配線１４がつながれ、外部の検出回路に配線される。コンタクト枠６２とカバー５５との間、もしくは検出器１と基板６１の間にばねを入れることにより、コンタクト電極６３とカソード電極１０２およびアノード電極１０１の接触が確かなものとすることができる。あるいは、基板６１をばね性のある金属の薄板として、組み立て後に接触圧を保持するように留めてもよい。

ここでは便宜上、ｐ−ｎ接合の整流性のあるダイオードと同じように、アバランシェ増幅する場合は相対的にカソードに正電圧、アノードに負電圧を印加する用に図に記載しているが、本質的にワイドバンドギャップ半導体に２個の金属電極を設けることでショットキー接合を２つ作っており、ショットキーダイオードを逆向きに接続したものと同等なため、どちらの電極が正か負かは本質的な違いはない。ｐ−ｎ接合のダイオードでは導通方向とは逆向きの電圧を印加するので、相対的にカソードに正電圧、アノードに負電圧を印加するとしている。

ゲインが６桁近くとれると言うことは、Ｅ−Ｔ型、即ち、１０ｋＶ程度のバイアスを印加したシンチレータと光電子増倍管の組合せと同等の感度があるので、二次電子検出器として用いることもできる。この場合、Ｅ−Ｔ型に比べてはるかに小さく作ることができ、設置場所の自由度が大きいという利点がある。

また、ダイヤモンドを電子検出器としているので、通常の可視紫外域の光に対しては感度がないという特徴があるので、例えば、遮光できない環境での電子検出に用いると効果がある。例えば、光学顕微鏡と電子顕微鏡を組み合わせた場合に光と電子を同時に観察可能である。これは例えば、光により相変化するタイプの記録装置において記録とＳＥＭ観察を同時に行える装置が実現される。また、光学顕微鏡で広い領域や色観察をしながら、電子による高倍率観察も可能である。

より高速で検出する場合には、ダイオード増幅器の近傍にアンプを置くとよい。例えば、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、高速低ＮＦトランジスタＴｒにより増幅してから信号を伝送すれば、１ＭＨｚ以上で１ＧＨｚ近くまで検出可能となる。ここではＴｒに高移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を用い、ゲートＧのバイアス電圧Ｖbとして−０.５Ｖ程度を抵抗Ｒｂを介して印加。ダイオードのアバランシェ増倍率および動作条件を決めるためにＶ_１を印加する。流れる電流のうちの信号成分は負荷抵抗ＲＬとカップリングコンデンサＣ_１によりＴｒのゲートに導かれる。このとき、信号源インピーダンスの最適値となるように、Ｒ_ｌとＣ_１を選ぶ。Ｒbはこれらと干渉にならない大きな値ＭΩオーダーとしておく。出力端子Ｖ_２には、カップリングコンデンサＣ２を介して信号が出力される。このとき、トランジスタ動作のための電源Ｖddには高周波成分をアイソレートするためにコイルＬを入れる。この回路が搭載された回路基板を検出器１と近接してフレームに載せて配線する。外部配線をある程度引き回しても高速特性は損なわれないので、１ＧＨｚ近くまでの広い帯域で動作可能であり、高速の検査装置などに有用となる。なお、ここでは検出器１は１個であるが、複数個組み合わせてもよく、その場合、アンプ回路は検出器各々に個別に配置するとよい。あるいは、スイッチを設けて検出器１と回路の配線を切り替えて用いてもよい。

本実施例においては、アバランシェ増倍するワイドギャップの媒体としてダイヤモンドを用いたが、他の材料を用いても同様の効果がある。例えば、ＺｎＯ単結晶体を用いる場合には、ｐ型やｎ型のドーピングがダイヤモンドに比べて容易なため、図６（ｃ）に示すような櫛状にせずとも、ｐｉｎの薄膜の積層構造で可能となる。この場合、電極の加工が容易であるだけでなく電子が照射しても感じない領域を最小限にできるために、電子の捕集率がよく、Ｓ/Ｎ比の高い像が得られる。また、材料が安価に入手できるというメリットがある。また、この場合、ｐ型もしくはｎ型のＺｎＯ層は金属薄膜で置き換えることができる。これは、ワイドギャップ材料であるために、金属とのショットキー接合の暗電流を低く保つことができるためである。また、図７（ｂ）は、ベース板１１上における、検出器１とプリアンプ７０と配線１４の配置関係を示す。

なお、ダイヤモンドでは低速電子検出に適した表面状態を作るためには、水素原子で終端した構造が望ましい。これは、表面付近のバンド構造を調整して、潜り込み深さの小さい低速電子の入射でも着実に電子と正孔を各電極に導入するためである。入射電子のエネルギーが数ｋＶから１０ｋＶ以上であれば、侵入深さも大きくなるので、水素終端が望ましいものの、特別な処理は無くともセンサーとして動作する。

（実施例３）
図９に、本発明の検出器の小型で高感度な特徴を利用した電子線装置の一例の概念図を示す。図９は、電子線装置の一例としての走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）であり、電子照射源７から発生したプローブ電子５を、３枚の電子レンズ、図９中のＬ１、Ｌ２、Ｌ３により試料３表面に微細な焦点を結ぶように調整され、これを偏向器によりｘ方向とｙ方向に掃引して、試料から発生する電子を検出器により電気信号に変換して試料表面の微小領域の様子を観察する。なお、偏光器は図中には示していないが、レンズＬ１とＬ２の間に置かれている。試料３には基板バイアス電源４により電圧Ｖsが印加されるようになっており、プローブ電子５を試料３直前で減速して、小さな入射エネルギーでも高分解能で観察する構造になっている。

ここで、３個の検出器Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３をそれぞれの場所に配置している。ここでの検出器は、図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、蛍光体とアバランシェホトダイオードの組合せで、中心に穴の開いているものを用いる。

試料３から発生する電子には、約５ｅＶ以下の低エネルギーで試料から放射した二次電子９２と、入射電子のエネルギーをあまり失わずにある程度のエネルギーを持って放出する反射電子のうち、試料基板の法線からおよそ３０度程度以内の高角度反射電子９３と、３０度を超え試料表面に水平に近い角度まで分布した低角度反射電子９１があり、それぞれの電子の代表的な軌道を、図９に示してある。二次電子９２と高角度反射電子９３は、試料にかけた電圧ＶsとレンズＬ１による磁界で中心軸付近を上方に移動する。一方、低角度反射電子９１は横方向の運動エネルギーが大きいので、レンズＬ２の下で広がるので、検出器Ｓ１で主に検出される。レンズＬ２中を上方に通過する電子は、レンズＬ２のレンズ作用により収束軌道になり上方で焦点を結ぶが、運動エネルギーが異なるため、低エネルギーの二次電子はより近いところで焦点を結んでから発散軌道になるので、検出器Ｓ２で主に検出される。エネルギーの大きい高角度反射電子９３はより遠くに焦点を結ぶので、検出器Ｓ２中の穴を通過し、上方の検出器Ｓ３で主に検出される。ここで、二次電子９２は表面の凹凸情報をもたらし、反射電子は表面形状と内部の組成や結晶情報をもたらすが、高角度反射電子９３は組成と結晶情報が主で、低角度反射電子９１は組成と結晶と、凹凸情報をもたらす。このため、３つの検出器から試料の凹凸や組成、結晶情報が弁別して得られるという特徴がある。

ここで、検出器に本発明を適用することで、例えば、Ｅ−Ｔ型や、ＭＣＰ等に比べて、きわめてコンパクトにできるという利点がある。この場合検出器Ｓ３からＳ１までの距離は３０ｃｍ以下にすることが可能となる。また、印加電圧もアバランシェホトダイオードの動作電圧、１００Ｖ程度以下ですむので、配線や碍子なども安価な物が使えるという利点がある。

なお、検出器Ｓ１、Ｓ３を、図５（ｃ）のように、複数の分割検出領域５３（本例では、３個）で示される分割型とすることで、電子放出時の方位毎に分けて検出できるので、例えば、左右から見たステレオ像や、３次元像の構築などにより立体的な試料表面の観察が可能となる。通常、レンズＬ１中の磁界で発生電子が回転し、エネルギーにより回転角が異なるために、レンズＬ１中を通過した後では、元の放出時の方位角を予想することは困難だが、本実施例では、先述のような反射電子と二次電子の弁別構造を形成しており、これは即ち、検出電子のエネルギー範囲を選ぶことができるため、特にエネルギーの高い反射電子ではレンズＬ１での回転角のばらつきを小さくして選ぶことができるので、検出器Ｓ１、Ｓ３の分割は有効となる。また、径方向に分割している場合も放出角毎に分類できるので、深さ分布の情報や、結晶による散乱のコントラストの違いなどから結晶の向きなどの情報が得られる。

ここでは、検出器Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３として、蛍光体とアバランシェホトダイオードの組合せを用いたが、中心軸にプローブ電子５が通るスペースがあれば同様の効果が得られるので、図３に示す穴のない検出器でも、あるいは、ダイヤモンドアバランシェダイオード６０のようなエネルギーギャップの広い材料を用いた検出器を配しても同様の効果がある。この場合、中心に穴の開いたドーナツ形状のダイヤモンド基板上に電極を配しても、あるいは小さいアバランシェダイオードを複数配しても良い。例えば、図５（ｃ）の検出器の分割検出領域５３にＤＡＤ６０を設ける場合、表面にアノード電極１０１とカソード電極１０２が設けられるので、分割検出器用コンタクト電極５５は一個の分割検出領域５３毎に2個設けても、あるいは、アノード電極１０１もしくはカソード電極１０２のうち一方を他の分割検出領域５３と共通にしても良い。

同様にして、図５（ｄ）のような分割型でもＤＡＤ６０が適用できることは言うまでもない。

図１０に、別の変形例の概念図を示す。半導体基板の測定に向いたＳＥＭであり、対物レンズ６近傍に、光学測定装置１０３を持ち、電子線５による試料３上の観察領域に光プローブ１０４を照射している。また、試料６に入射する電子線５のエネルギーを２ｋＶ以下で１００Ｖ程度の低加速として用いているので、色収差などの分解能低下要素を低減する目的で、基板バイアス電源４と、ブースターチューブ９６とブースター電源９７により、対物レンズ６中を走行するプローブ電子線５の運動エネルギーを増加させ、試料６直前で所望のエネルギーに減速する構成となっている。

試料から発生する電子は、このプローブ電子線５に対する減速電界により加速されて上方に進み、偏光器９５上でＥｘＢ偏向器９８に入る。このＥｘＢ偏向器９８は紙面の垂直方向に磁界、水平方向でプローブ電子線５の中心軸に対して垂直に電界を発生し、電界磁界両者がプローブ電子線５に及ぼす力が打ち消し合う、即ちWien条件と呼ばれる状態に設定されている。このＥｘＢ偏向器９８に試料発生電子が下面から入射すると、一方向に偏向され、かつ、エネルギーに応じて偏向角が異なるために、偏向された試料発生電子９９はエネルギー毎に広がる。この先に、本発明による検出器のうち、図５（ｄ）に示すような異なる位置に複数の独立した検出領域を持つ分割多極検出器１００を配置し、偏向された試料発生電子９９の広がり位置に応じてそれぞれの強度を検出することができる。分割多極検出器１００の各々の検出領域からの信号は、ＥｘＢの偏向強度から、各々運動エネルギーが求まるので、試料発生電子のエネルギー分布を知ることができる。ここで、ＥｘＢ偏向器９８では、Wien条件を保ちつつ、電界と磁界の強度を変えることができるので、必要なエネルギーに応じて電界磁界を変えて所望のエネルギー領域の電子を検出できるようになっている。

以上のようにして分割多極検出器１００を用いることで、例えば、低エネルギー側の二次電子のエネルギーのピーク位置を知ることで、表面の帯電電位がわかる。また、特定の材料から発生する特徴あるエネルギーの電子を選ぶことで、特定材料の分布のみを高速で抽出できるという利点がある。また、反射電子のうち、高エネルギー側のみを選ぶことで、表面の凹凸上方を減じて、組成や結晶情報のみ抽出できる。あるいは、反射電子のうち、低エネルギー側を抜き出すことで、試料３の表面より内部の結晶や物質の情報を抽出することができる。

なお、光学測定装置１０３は、試料の高さを計測する、観察領域の低倍の光学顕微鏡像を観察する、近紫外光や可視光を照射して表面の帯電状況を変化させるために用いられる。さらに、光学測定装置１０３は、光を半導体回路に照射し、ｐ−ｎ接合やショットキー接合などに電位変化をもたらし、それを電子ビームで検出することで、簡便な回路のテスターとして用いられる。ここで、検出器として、ダイヤモンド検出器６０のように、エネルギーギャップが広く、可視、近紫外光を検出しないもので分割多極検出器１００を構成すれば、光プローブ１０４の照射と同時に高感度な電子線検出が行えるので高速検査や、回路のテスターに有効である。

（実施例４）
ダイヤモンドの如きバンドギャップの広い材料からなる電子検出器はバンドギャップエネルギーよりも低いエネルギーの光照射をしても検出しないために、電子ビームやイオンビームを走査して二次電子や反射電子で画像観察中でも光照射が可能である。

例えば、図１１は、イオンビームにより試料を加工する装置において、微細な加工部分の観察を同じ真空装置に配したＳＥＭで行い、同時により広い視野を光学顕微鏡で観察する実施例を示す。試料を観察する部屋を主に描いており、真空容器８には、収束したイオンビーム１１４を発生して、試料３表面付近を加工するためのイオンビームカラム１１１と、微細に加工した領域の様子を観察する電子の細いプローブビーム５を照射する電子ビームカラム１１０と、試料３から発生した電子を主に検出するダイヤモンド検出器６０と、光のビームで試料表面を観察するための照明光源１１３と光学顕微鏡用の窓１１５を備え、外側に光学顕微鏡１１５を設ける。

図１１の構成により、ウエハ上の必要な切り出し箇所を光学顕微鏡で探してすぐにステージ移動し、必要部分の切り出しとＳＥＭ観察が可能で、処理時間が短くなる。このため、決められた時間でより多くの試料観察を行うことができる。なお、光学顕微鏡の対物レンズを真空中に入れてもよく、この場合、レンズが試料に近づけるので、高分解能で光学顕微鏡像の観察が行える。照明光源１１３に関しては、真空外におき、窓や光学ファイバーなどを介して光照射しても同様の効果がある。

ダイヤモンド検出器６０全体の電位を変える事で得られる情報を弁別することができる。図１１中には、検出回路１０にポスト電圧Ｖpを印加して、検出器をＶpの電位で動作させる構造となっている。Ｖpを正の高電圧＋１ｋＶ〜＋１０ｋＶとすると、低速の二次電子を積極的に検出器に取込み、検出効率が大きくなるので、イオンビーム照射時や電子線照射時の二次電子像観察に有効となる。一方、Ｖpを負の高電圧−１ｋＶから−１０ｋＶ程度にすると、電子線の検出はしなくなるが、正に帯電した粒子の検出効率が良くなるので、試料で反射したイオンビームの観察に有効となる。

図１２は、別の応用例を示し、試料３表面に、探針１２１により局部的に電気的コンタクトを取り、外部に設けた電気的な試験装置により、試料の電気特性を検査する装置のうち、真空内に設けてある一部の模式図である。探針１２１は、必要に応じて複数用いられる。この探針の大まかな位置を光学顕微鏡１１２により観察し、探針アクチュエータ１２０により探針１２１の水平位置を決め、最後は高さを制御し、試料に接触させる。探針１２１を接触させる領域が光学顕微鏡１１２で観察困難な寸法、おおむね数ミクロン以下で数ｎｍ程度までは、電子ビーム５により観察する。ダイヤモンド検出器６０を電子線観察に用いるため、光学顕微鏡と走査電子顕微鏡観察が同時に行えるので、探針１２１の移動時間を短くすることができ、迅速な観察が可能となる。半導体のｐ−ｎ接合の如き、光により特性が変わるものの場合は、光を停止する。

ここでは、電子ビームによる観察と同時に光を導入する例として、光学顕微鏡を用いているが、他にも、半導体表面電位を変調させるための光、表面の帯電を制御するための光、表面の帯電や汚れを防ぐための光などを用いても、同様に、電子の検出には影響を及ぼさないので、それぞれの光導入の効果が得られることはこれまでの記述から明らかである。

なお、本実施例においては、可視、近紫外光を検出しない電子検出器としてバンドギャップが広い材料として、ダイヤモンドを用いているが、使用する光を検出しないようにバンドギャップをこの光のエネルギーよりも十分大きく、バンドギャップエネルギーにして、当該光のエネルギー＋０.１ｅＶ以上から選んでも良い。さらに、バンド構造が間接遷移の場合は、バンドギャップエネルギーは光吸収とは直接結びつかないため、このような場合は、材料の光の吸収端、すなわち、半導体として吸収する最低エネルギーが、使用する光のエネルギーよりも少なくとも０.１ｅＶ以上大きい物を選べばよい。実際の材料としては、例えば、可視領域の光を用いる場合には、電子吸収領域として２ｅＶを超えるバンドギャップを持つワイドギャップ半導体基板から選べばよく、具体的には、単結晶のＧａＮ、ＧａＰ、ＺｎＯ等を主とする材料から選んでも良い。この場合、材料の原価が安価という利点がある。ＧａＰの場合はバンドギャップが２.２６ｅＶであり、吸収端は５４９ｎｍなので、吸収端よりも長波長の赤色光もしくは近赤外光を使うと良い。ＧａＮはバンドギャップ３.３６ｅＶ、吸収端は３３６ｎｍでありほぼ可視光全域が使える。ＺｎＯも可視光全域で透明であり、同様に使える。

また、ダイヤモンドの場合は、ｐ型、ｎ型共に良好なオーミック接合が取れる適当な不純物がないために、ショットキー接合の逆接続を用いたが、適切な不純物があれば、少なくともｐ型あるいはｎ型領域のオーミックコンタクトを形成できれば、接合に余分な電位を必要としないので、印加電圧が低くてすむという利点がある。また、ダイヤモンド検出器の場合は２つのくし型電極とその近くに入射する電子は検出されない不感領域ができるが、不純物制御でオーミックコンタクトができる材料では、膜の下地に一方の型の不純物領域を設ければ、膜の厚み方向にｐ−ｎ接合を設けることができ、Ｓｉのアバランシェホトダイオードの場合のように、前面のすべてが検出可能となるので、効率の良い検出器が得られる。

以上、実施例を挙げて説明したように、本発明を用いれば、高感度で小型の電子線検出器を備えた荷電粒子線応用装置が得られるので、小型で高分解能のＳＥＭや、エネルギーによる情報弁別可能なＳＥＭ、測長ＳＥＭ、イオンビームを用いたマイクロスコープ、あるいは、光プローブと同時測定可能な荷電粒子線計測、加工装置を提供することが可能となる。

本発明の実施例１になる荷電粒子線応用装置の構成例（ａ）、それに用いられる電子検出器（ｂ）、およびその検出器の断面構造（ｃ）を説明する図。 従来の検出器を説明する図。 本発明による検出器の試料側から見た図（ａ）、およびケース内部の検出器本体を示す概略図。 本発明による検出器に用いられる検出回路の例を説明する図。 本発明による検出器のいくつかのバリエーションを説明する図。 本発明の実施例２による検出器を示し、広いエネルギーギャップを有する基板を用いて構成した場合の検出器の構造と作製例を説明する図。 実施例２に示す検出器に用いる増幅回路の一例を説明する図。 実施例２に示す検出器の断面構造における様子を説明する図。 本発明の実施例３になる電子線応用装置の構成例を説明する図。 実施例３の変形例を説明する図。 本発明の実施例４になる電子線応用装置の構成例を説明する図。 実施例４の変形例を説明する図。

符号の説明

１…電子検出器、２…試料からの電子、３…試料、４…リターディング電源、５…プローブ電子線、６…対物レンズ、７…電子線照射源、８…真空室を含む筐体、９…コントローラ、１０…検出回路、１１…ベース板、１２…接着層、１３…ケース、１４…配線、１５…支持具、１６…偏向器、１７蛍光体層、１８半導体結晶基板、１９絶縁膜、１０１…アノード電極，１０２…カソード電極，２０…シンチレータ、２１…ライトガイド、２２…光電子増倍管、２３…真空容器の隔壁、２４…フィードスルー、３０…ボンディングワイア、３１…配線パターン、４０…可変バイアス電源、４１…可変バイアス電流源、４２…増幅器、５０…穴、５１…円筒電極、５２…導電性基板、５３…分割検出領域、５４…分割検出器用コンタクト電極、５５…カバー、６０…ダイヤモンドアバランシェダイオード、６１…基板、６２…コンタクト枠、６３…コンタクト電極、７０…プリアンプ、７１…内部配線、８０…正孔、８１…電位の等高線、９０…試料ステージ、９１…低角度反射電子、９２…二次電子、９３…高角度反射電子、９４…電子レンズ、９５…偏向器、９６…ブースターチューブ、９７…ブースタ電源、９８…ＥｘＢ偏向器、９９…偏向された試料発生電子、１００…分割多極検出器、１０３…光学測定装置、１０４…光プローブ、１０５…、１１０…電子ビームカラム、１１１…イオンビームカラム、１１２…光学顕微鏡、１１３…照明光源、１１４…収束したイオンビーム、１１５…光学顕微鏡用の窓、１１６…プローブ光、１２０…探針アクチュエータ、１２１…探針。

Claims (7)

1. 荷電粒子源と、前記荷電粒子源から放出される荷電粒子線を試料上に照射する荷電粒子
   光学系と、前記試料を設置する真空試料室と、前記試料から二次的に発生する電子を検出
   する電子検出手段と、前記試料に対し光を照射する照射光源と、前記試料と前記真空試料室の外部との間に設けられた光学窓を備えた荷電粒子線応用装置において、
   前記電子検出手段は、
   少なくとも２ｅＶを超えるバンドギャップを持つワイドギャップ半導体基板からなる電
   子吸収領域を有するダイオード素子を有し、
   前記電子吸収領域は、前記基板に２個の電極を対向配置してなり、前記試料から二次的
   に発生する電子の入射により電子正孔対を発生せしめる構成とし、
   前記照射光源は、前記ワイドギャップ半導体の吸収端より長波長である光の照射が可能な光源であり、
   前記荷電粒子光学系が前記荷電粒子線を前記試料に照射する際に、前記光学窓は前記照
   射による照射光又は前記照射による前記試料からの反射光を通過せしめる構成とすること
   を特徴とする荷電粒子線応用装置。
2. 請求項１に記載の荷電粒子線応用装置において、前記ワイドギャップ半導体として、
   ＧａＰ、ＧａＮ、ＺｎＯ、Ｃの単結晶半導体のうちのいずれか１種を用いることを特徴と
   する荷電粒子線応用装置。
3. 請求項１に記載の荷電粒子線応用装置において、前記電子検出手段の近傍、もしくは前記荷電粒子線応用装置の近傍に、前記電子検出手段の動作のための電流もしくは電圧の印加、および、前記電子検出手段からの電気信号を増幅もしくは伝達するための検出回路を設けたことを特徴とする荷電粒子線応用装置。
4. 請求項１に記載の荷電粒子線応用装置において、前記電子検出手段が、前記試料に入射する荷電粒子線の経路近傍に配置されていることを特徴とする荷電粒子線応用装置。
5. 請求項１に記載の荷電粒子線応用装置において、前記電子検出手段は、前記荷電粒子線が通過する開口部を有し、前記荷電粒子線の経路上に配置されていることを特徴とする荷電粒子線応用装置。
6. 請求項１に記載の荷電粒子線応用装置において、前記電子検出手段は、複数の検出領域を有し、前記試料からの発生電子をエネルギーに応じて該複数の検出領域の各々に導く手段を有することを特徴とする荷電粒子線応用装置。
7. 請求項１に記載の荷電粒子線応用装置において、イオン源から放出されるイオンビームを前記試料上に収束して加工するイオンビームカラムをさらに備え、前記荷電粒子光学系と前記イオンビームカラムとを同一の真空室内に配したことを特徴とする荷電粒子線応用装置。

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