特許 6576257 荷電粒子検出器、及び荷電粒子線装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6576257

(24)【登録日】2019年8月30日

(45)【発行日】2019年9月18日

(54)【発明の名称】荷電粒子検出器、及び荷電粒子線装置

(51)【国際特許分類】

   H01J 37/244 20060101AFI20190909BHJP

   H01J 37/28 20060101ALI20190909BHJP

   H01J 49/06 20060101ALI20190909BHJP

   C09K 11/00 20060101ALI20190909BHJP

   C09K 11/62 20060101ALI20190909BHJP

【ＦＩ】

   H01J37/244

   H01J37/28 B

   H01J49/06

   C09K11/00 E

   C09K11/62CQF

【請求項の数】7

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2016-15025(P2016-15025)

(22)【出願日】2016年1月29日

(65)【公開番号】特開2017-135039(P2017-135039A)

(43)【公開日】2017年8月3日

【審査請求日】2018年9月6日

(73)【特許権者】

【識別番号】501387839

【氏名又は名称】株式会社日立ハイテクノロジーズ

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】今村 伸

(72)【発明者】

【氏名】大嶋 卓

(72)【発明者】

【氏名】土屋 朋信

(72)【発明者】

【氏名】川野 源

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 誠

【審査官】 鳥居 祐樹

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１４−０３２０２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−２９８６０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０８０１２４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｊ ３７／２４４

Ｃ０９Ｋ １１／００

Ｃ０９Ｋ １１／６２

Ｈ０１Ｊ ３７／２８

Ｈ０１Ｊ ４９／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ＧａＩｎＮを含む層と、ＧａＮ層が積層された積層構造を含む発光部を備えた荷電粒子検出器であって、
前記積層構造の荷電粒子入射面側に、前記ＧａＩｎＮを含む層と接する導電層を備えたことを特徴とする荷電粒子検出器。

【請求項2】

請求項１において、
前記ＧａＩｎＮを含む層の厚さａと、ＧａＮ層の厚さｂの関係は、ｂ／ａ≧６であることを特徴とする荷電粒子検出器。

【請求項3】

請求項１において、
前記発光部は、厚さが荷電粒子線の侵入距離の５分の１から５分の３の範囲にあることを特徴とする荷電粒子検出器。

【請求項4】

請求項１において、
前記ＧａＩｎＮを含む層の層数は、５〜２５の範囲にあることを特徴とする荷電粒子線装置。

【請求項5】

請求項１において、
前記発光部は、基板上に形成されると共に、当該基板と前記発光部との間、或いは基板に、連続的に形成されたピッチ１０〜２０００ｎｍ、高さ１０〜２００００ｎｍの突起状の構造物が形成されていることを特徴とする荷電粒子検出器。

【請求項6】

荷電粒子源から放出された荷電粒子線の照射に基づいて得られる荷電粒子を検出する検出器を備えた荷電粒子線装置において、
前記検出器は、ＧａＩｎＮを含む層と、ＧａＮ層が積層された積層構造を含む発光部を備え、前記積層構造の荷電粒子入射面側に、前記ＧａＩｎＮを含む層と接する導電層を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。

【請求項7】

質量分離されたイオンを検出する検出器を備えた質量分析装置において、
前記検出器ＧａＩｎＮを含む層と、ＧａＮ層が積層された積層構造を含む発光部を備え、前記積層構造の荷電粒子入射面側に、前記ＧａＩｎＮを含む層と接する導電層を備えたことを特徴とする質量分析装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、荷電粒子検出器、及び荷電粒子線装置に係り、特に、量子井戸構造を備えた荷電粒子検出器、及び当該荷電粒子検出器を備えた荷電粒子線装置に関する。

【背景技術】

【0002】

試料に電子ビーム等の荷電粒子ビームを照射することによって得られる荷電粒子を検出する荷電粒子線装置には、荷電粒子を検出するための検出器が備えられている。例えば電子ビームを試料に走査することによって、試料から放出された電子を検出する場合、電子検出器に１０ｋＶ程度の正電圧を印加することによって、電子を検出器のシンチレータに導く。電子の衝突によってシンチレータにて発生した光はライトガイドに導かれ、光電管などの受光素子によって電気信号に変換され、画像信号や波形信号となる。

【0003】

特許文献１には、基板上に形成されたＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸層を含む発光体を有するシンチレータが開示されている。また、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸層上には、当該ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸層を含む窒化物半導体層の構成材料よりもバンドキャップエネルギが大きいキャップ層と、更にその上層にＡｌで構成されるメタルバック層を設けることが説明されている。

【0004】

特許文献２には、ＧａＩｎＮとＧａＮが交互に積層された多層構造上に、ＧａＮの層を成長させたキャップ層を設け、更にその上層に電子入射時の帯電防止のためのＡｌ薄膜を蒸着することが説明されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００５−２９８６０３号公報（対応米国特許ＵＳＰ７，９１０，８９５）

【特許文献2】特開２０１４−３２０２９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

シンチレータに入射する電子は負の電荷を持っている。このような電子がシンチレータ内に残っていると、その後に入射する電子と反発し、電子の入射量を低下させてしまう。また、残留電子には、シンチレータに入射した後、少し時間をおいて発光するものがあり、発光速度低下の原因となる。特許文献１、２に記載されているように、量子井戸層の上層に形成されたキャップ層が、残留電子を量子井戸層内に残留させる要因となることが、発明者らの検討で明らかになった。

【0007】

以下に、高い発光出力を獲得しつつ、シンチレータに入射する荷電粒子を速やかに排除することを目的とする荷電粒子検出器、及び荷電粒子線装置を提案する。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記目的を達成するための一態様として、以下に、ＧａＩｎＮを含む層と、ＧａＮ層が積層された積層構造を含む発光部を備えた荷電粒子検出器であって、前記積層構造の荷電粒子入射面側に、前記ＧａＩｎＮを含む層と接する導電層を備えた荷電粒子検出器を提案する。

【発明の効果】

【0009】

上記構成によれば、高い発光出力を獲得しつつ、シンチレータに入射する荷電粒子を速やかに排除することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】電子顕微鏡の基本構成を示す図。

【図2】シンチレータの構成を示す図。

【図3】シンチレータの発光スペクトルを示す図。

【図4】量子井戸層の時間変化に対する発光強度の変化を示す図。

【図5】シンチレータの構造毎の発光スペクトルを示す図。

【図6】シンチレータの発光強度の時間変化を示す図。

【図7】量子井戸層と隔壁層の比率と発光強度の関係を示す図。

【図8】質量分析装置の構成を示す図。

【図9】量子井戸構造３の厚さと発光強度との関係を示すグラフ。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、図面等を用いて、シンチレータを検出素子とする検出器を備えた荷電粒子線装置について説明する。以下、電子顕微鏡、特に走査電子顕微鏡の例について説明するが、これに限られることなく、以下に説明する実施例は、イオンビームを用いた走査イオン顕微鏡などの他の荷電粒子線装置への適用も可能である。また、走査電子顕微鏡を用いた半導体パターンの計測装置、検査装置、観察装置等にも適用可能である。

【0012】

本明細書でのシンチレータとは、荷電粒子線を入射して発光する素子を指すものとする。本明細書におけるシンチレータは、実施例に示されたものに限定されず、様々な形状や構造をとることができる。

【0013】

図１は、電子顕微鏡の基本構成を示す図である。電子源９から放出された一次電子線１２が試料８に照射され、二次電子や反射電子等の二次粒子１４が放出される。この二次粒子１４を引き込み、シンチレータＳに入射させる。シンチレータＳに二次粒子１４が入射するとシンチレータＳで発光が起こる。シンチレータＳの発光は、ライトガイド１１により導光され、受光素子７で電気信号に変換する。以下、シンチレータＳ、ライトガイド１１、受光素子７を合わせて検出系と呼ぶこともある。

【0014】

受光素子７で得られた信号を電子線照射位置と対応付けて画像に変換し表示する。一次電子線１２を試料に集束して照射するための電子光学系、すなわち偏向器やレンズ、絞り、対物レンズ等は図示を省略している。電子光学系は電子光学鏡筒１０に設置されている。また、試料８は試料ステージに載置されることで移動可能な状態となっており、試料８と試料ステージは試料室１３に配置される。試料室６は、一般的には電子線照射の時には真空状態に保たれている。また、電子顕微鏡には図示しないが全体および各部品の動作を制御する制御部や、画像を表示する表示部、ユーザが電子顕微鏡の動作指示を入力する入力部等が接続されている。

【0015】

この電子顕微鏡は構成の一つの例であり、シンチレータ、ライトガイド、受光素子を備えた電子顕微鏡であれば、他の構成でも適用が可能である。また、二次粒子７には、透過電子、走査透過電子等も含まれる。また、簡単のため、検出器は１つのみ示しているが、反射電子検出用検出器と二次電子検出用検出器を別々に設けてもよいし、方位角または仰角を弁別して検出するために複数の検出器を備えていてもよい。

【0016】

以下、シンチレータの具体的構成について説明する。図２は実施例１のシンチレータＳを示す模式図である。シンチレータ発光部１の材料はＧａＮを含む量子井戸構造による発光素子を用いる。

【0017】

実施例１のシンチレータ発光部１の構造及び作製方法として、サファイア基板６上にＧａＮバッファ層４を成長させ、その上にＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＮ(但し０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１)を含む層を、組成を変えて多数の層を成長させ、量子井戸構造３を形成した。その上に直接Ａｌ層２（導電層）を形成した。このＡｌ層２は、荷電粒子線装置内において、検出対象となる荷電粒子が入射する側に形成される。

【0018】

サファイア基板は２インチφの円盤状であり、バッファ層の厚さｃは３〜１０μｍの範囲の厚さに成長させた。量子井戸構造３はＧａ_１−ｙＩｎ_ｙＮの組成を持つ量子井戸層２１とＧａＮの組成を持つ隔壁層２２が交互に２周期〜３０周期の範囲で重なったものであり、その厚さは２０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲であり、この構造上に、Ａｌ層２を４０〜２００ｎｍの厚さの範囲で蒸着により形成し、電子入射時の帯電防止とした。これから所定のサイズに切り出したものをシンチレータとして用いた。上述のようなシンチレータの発光スペクトルの一例を図３に示す。

【0019】

これらの量子井戸層、及び障壁層は、厚さ及び組成はすべて同じでなくてもかまわない。また、発光部１と、サファイア基板６の界面５は、平面でもよいし、凹凸のある構造でもかまわない。例えば、構造ピッチ１０〜１０００ｎｍかつ構造高さ１０〜１００００ｎｍの突起状構造が連続的に形成されている構造が形成されていれば、発光の取り出しによる発光出力向上に効果的である。

【0020】

本実施例の構成では、Ａｌ層の直下の位置に量子井戸層２１がある。Ａｌ層に接する層は、Ｇａ_１−ｙＩｎ_ｙＮ(但し０＜ｙ＜１)の組成を持ち、ＧａＮよりバンドギャップエネルギが小さい量子井戸層２１である。この層はＩｎを含むことで、電導率がＧａＮ層より高くなっており、さらに、バンドギャップが小さいため、電子が流れ込みやすくなっている。このため、量子井戸構造３に入射された電子が、直ちにＡｌ層に移動することができる。Ａｌ層は導体で設置されており、電子はシンチレータ発光部１に留まることなく排除される。

【0021】

量子井戸構造３に入射した電子が直ちに排除されない場合、残留した電子はマイナスのチャージとなり、その後に入射する電子への斥力として働き、電子の入射量を減らし、発光出力の低下を招く。また、残留した電子には、入射後に少し時間をおいて発光する遅延発光を生じさせるものがあり、発光の高速性を損ねる原因となる。

【0022】

上記構成によれば、入射後の電子が直ちに排除されることにより、発光出力の増加と、発光の高速化を得ることができる。

【0023】

図４に、入射後の発光出力の変化を、ｎｓ単位の極めて高速に評価した結果を示す。図４（ａ）は、ＧａＩｎＮａ層にＡｌ層を直接接触させた場合の時間変化に対する発光強度の変化を示す図である。一方、図４（ｂ）は、ＧａＮなどのバンドギャップが大きい層上にＡｌ層を形成した場合の発光強度の変化を示す図である。図４（ｂ）では、発光が立ち上がった後、数十ｎｓに渡り発光が残る様子がわかる。これは、残留した電子が、数十ｎｓの遅延発光の要因となり、このような発光となる。このような発光は、高速性を損ない、装置の特性を低下させることになる。一方、図４（ａ）では、発光が立ち上がった後、１０ｎｓ以下で発光が消えることがわかる。これは、残留した電子が直ちに排除されていることが一つの要因である。

【0024】

図５は、ＧａＩｎＮａ層にＡｌ層を直接接触させたシンチレータの発光スペクトル（実施例）と、ＧａＮ層にＡｌ層を形成したシンチレータの発光スペクトル（比較例）を示す図である。比較例は、サファイア基板６上に成長させたＧａＮバッファ層４の厚さが２．５μｍ以下のものである。

【0025】

主な発光は３５０ｎｍ〜４５０ｎｍの間にピークがある。ここでは、波長４６０ｎｍ以上の発光に注目する。４６０ｎｍ以上の範囲では、発光を１００倍に拡大して図５に示している。比較例では、４６０ｎｍ〜７００ｎｍの範囲において、発光が見られる。実施例では、前記範囲での発光はほとんど見られていない。

【0026】

電子線は、例えば１０ｋＶで加速された場合、本実施例の材料には、およそ１μｍ程度の深さまで侵入すると考えられる。このとき、量子井戸構造３の厚さを突き抜けて、バッファ層４に侵入する。ここで、バッファ層のＧａＮに不純物や、結晶の欠陥が多く含まれていれば、電子線により発光が生じる。比較では、バッファ層が薄いため、電子線が到達する深さにおいて、ＧａＮ結晶に多くの不純物や欠陥が含まれており、４６０ｎｍ〜７００ｎｍの範囲での発光が生じると考えられる。

【0027】

実施例では、バッファ層の厚さを３μｍ以上とし、また、バッファ層の成長温度を１０００℃以上とした。これにより、電子線が侵入する深さのバッファ層は、結晶性が良好となり、不純物や欠陥が少なくなっている。これにより、４６０ｎｍ〜７００ｎｍの範囲の発光がほとんど見られない結果となっている。

【0028】

この４６０ｎｍ〜７００ｎｍの範囲の発光は、量子井戸層の再結合による発光ではないため、発光の応答時間が長い。このため、この範囲の発光があるものは、発光の減衰時間が長くなる。図６に、秒単位での発光の変化を示す。これは、電子線の入射の後に、発光が減衰していく様子を比較したものである。比較例では、５秒後で、１／１００程度までして減衰していないが、実施例では、２秒後で１／１０００００程度まで減衰している。

【0029】

発光の減衰時間が長いと、電子の入射間隔を短くすることができず、高速に測定を行うことができない。実施例では減衰時間が十分短く、高速な測定が可能である。

【0030】

このように、本実施例における光の応答特性は、比較例に比べ大幅に高速となっていることが示された。このシンチレータを有する検出器を用いた構成により、高速なスキャンが可能な、高性能な荷電粒子線検出器を得た。

【0031】

なお、図２に例示したシンチレータを以下に示すような条件で作成することがより望ましい。より好適な条件を見出すために障壁層２２の厚さｂと、量子井戸層２１の厚さａの比率ｂ／ａを変化させて作製した。作製範囲はｂ／ａが１．５〜１０の範囲であり、量子井戸層２１の厚さａが２〜４ｎｍの範囲である。

【0032】

量子井戸層２１は、一般的に４ｎｍ以下の厚さで量子効果が大きくなり、発光波長の短波長へのシフトや、発光効率の増加が見込める。しかし、このとき、障壁層２２の厚さが薄いと、結晶性が低下し発光強度が減少する場合がある。また、電子線の侵入距離に比べ、量子井戸構造３の厚さが薄すぎると、電子線が十分利用されず発光強度が減少する場合がある。これらの効果において、もっとも発光強度が強くなる範囲を新たに見出した。

【0033】

図７は、比率ｂ／ａと発光強度との関係を示す図である。この図より、比率ｂ／ａが５程度まで発光強度も増加していくが、比率ｂ／ａが６以上で発光強度はほぼ最大化することがわかった。即ち、比率ｂ／ａを６以上とすることで、強い発光強度と高速応答を両立するシンチレータとすることができる。

【0034】

高発光強度と高速応答の両立を実現するシンチレータによれば、高速なスキャンに対応することが可能となり、高速走査によっても十分なＳ／Ｎを獲得できる荷電粒子線装置の提供が可能となる。

【0035】

また、量子井戸層２１の層数と、量子井戸構造３の全体厚との関係において、新たな効果を見出した。図９に、本実施例における、量子井戸構造３の全体厚に対する発光強度の変化を示す。この図は、荷電粒子線として、１０ｋＶで加速された電子線を照射した例である。量子井戸構造３の全体厚が、２００ｎｍ〜６００ｎｍで発光強度が最大となることがわかる。さらに、この層厚と発光強度の関係は、１０ｋＶで加速された電子線を用いる場合には、量子井戸層２２の層数が、５層〜２５層と変化させても、ほぼ同様の特性となることがわかった。

【0036】

これは、量子井戸層２２の層数がある程度変化しても、発光強度は量子井戸構造３の全体厚による効果が大きいことを示している。また、量子井戸構造３の全体厚と発光強度の関係は、照射する荷電粒子線の加速電圧に依存して変化することがわかった。荷電粒子線が照射された物質内に進入する距離は、加速電圧によって変化する。前記したように、１０ｋＶで加速された電子線の侵入距離は、本実施例ではおよそ１μｍ程度である。このことから、発光強度はどの深さまでの電子線により発光が生じるかが重要な要素となっており、発光が生じる量子井戸構造３の深さは、電子線の侵入距離の５分の1から、５分の３程度の深さがあればよいということがわかる。

【0037】

また、量子井戸層２２の層数が少ないほうが、構成する結晶の乱れが少なくなり、不要な発光の要因となる結晶欠陥が減少し、発光特性に有利である。そのため、量子井戸構造３を荷電粒子線の侵入距離の２分の１以上に保っていれば、量子井戸層２２の層数はある程度自由度があり、特にある範囲で少なくしたほうが、発光特性がよいことが示されている。本実施例の検討により、その層数の範囲は、５〜２５層であることがわかった。

【0038】

上記説明は主に、シンチレータを走査電子顕微鏡等の検出器に適用した例を説明したものであるが、質量分析装置の検出器として、上述のようなシンチレータを採用するようにしても良い。図８は質量分析器の構成を説明する図である。質量分析装置はイオンを電磁気的作用により質量分離し、測定対象イオンの質量／電荷比を計測する。質量分離部には、ＱＭＳ型、ｉｏｎｔｒａｐ型、 時間飛行（ＴＯＦ）型、ＦＴ−ＩＣＲ型、Ｏｒｂｉｔｒａｐ型、或いはそれら複合型等があるが、図８に例示する質量分析装置は、質量分離部にて質量選択されたイオンを、コンバージョンダイノードと呼ばれる変換電極に衝突させ、荷電粒子に変換、発生した荷電粒子をシンチレータにて検出し、発光した光を検出することで信号出力を得る。図８に例示する質量分析装置のシンチレータとして、上述のシンチレータを適用することによって、高速且つ高感度分析が可能な質量分析装置の提供が可能となる。

【符号の説明】

【0039】

１ シンチレータ発光部
２ Ａｌ層
３ 量子井戸構造
４ バッファ層
５ 発光部-基板界面
６ 基板
７ 受光素子
８ 試料
９ 電子源
１０ 電子光学鏡筒
１１ ライトガイド
１２ 一次電子線
１３ 試料室
１４ 二次電子線
２１ 量子井戸層
２２ 隔壁層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】