特許 7463236 粒子検出器、粒子検出装置、及び粒子検出方法

(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】

(24)【登録日】2024-03-29

(45)【発行日】2024-04-08

(54)【発明の名称】粒子検出器、粒子検出装置、及び粒子検出方法

(51)【国際特許分類】

   H01J 37/244 20060101AFI20240401BHJP

   H01J 37/285 20060101ALI20240401BHJP

   H10N 60/10 20230101ALI20240401BHJP

【ＦＩ】

H01J37/244

H01J37/285

H10N60/10 Z

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2020147065

(22)【出願日】2020-09-01

(65)【公開番号】P2022041703

(43)【公開日】2022-03-11

【審査請求日】2023-03-10

(73)【特許権者】

【識別番号】318010018

【氏名又は名称】キオクシア株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】山根 武

【審査官】小林 幹

(56)【参考文献】

【文献】特開昭６１－２７１４８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０１－０１５６８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０８５７５５４４（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】特開２００９－１１５８１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－０１６５４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－０７１８２１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｊ ３７／００－３７／３６

Ｇ０１Ｔ １／００－１／１６

Ｇ０１Ｔ １／１６７－７／１２

Ｈ１０Ｎ ６０／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

超伝導材料を含み、第１の方向に延伸し、前記第１の方向と異なる第２の方向に並ぶ複数の超伝導体ラインと、
伝導材料を含み、前記第２の方向に延伸し、前記第１の方向に並ぶ複数の伝導体ラインと、
前記複数の超伝導体ラインと前記複数の伝導体ラインとの交差点に介在する絶縁膜と、
前記複数の超伝導体ラインにおける電圧変化を検出する第１の検出部と、
前記電圧変化が発生した時に、前記複数の伝導体ラインに生じる電気信号を検出する第２の検出部と
を備える、粒子検出器。

【請求項2】

前記伝導材料は、前記超伝導材料または常伝導材料を含む、請求項１に記載の粒子検出器。

【請求項3】

前記第１の方向と前記第２の方向は互いに直交する、請求項１に記載の粒子検出器。

【請求項4】

前記電気信号が、前記超伝導体ラインに任意の粒子が衝突又は吸収されることによって発生した電子が前記絶縁膜をトンネリングすることにより生じたトンネル電流である、請求項１に記載の粒子検出器。

【請求項5】

前記電気信号としての前記トンネル電流が発生した前記伝導体ラインの位置から、所定の位置座標における前記粒子が衝突した位置の第１の座標を求める、請求項４に記載の粒子検出器。

【請求項6】

前記電気信号が前記電圧変化に伴うパルス電圧である、請求項１に記載の粒子検出器。

【請求項7】

前記電気信号としての前記パルス電圧を前記複数の伝導体ラインについて測定し、
測定された当該パルス電圧の形状の変化に基づいて、所定の位置座標における粒子が衝突した位置の第２の座標を求める、請求項６に記載の粒子検出器。

【請求項8】

前記複数の伝導体ラインが並ぶ方向に沿って、当該複数の伝導体ラインで測定された前記パルス電圧の形状が上に凸から下に凸に変化した位置を前記第２の座標とする、請求項７に記載の粒子検出器。

【請求項9】

筐体と、
前記筐体内に設けられ、試料を保持可能な試料保持部と、
超伝導材料を含み、第１の方向に延伸し、前記第１の方向と異なる第２の方向に並ぶ複数の超伝導体ラインと、伝導材料を含み、前記第２の方向に延伸し、前記第１の方向に並ぶ複数の伝導体ラインと、前記複数の超伝導体ラインと前記複数の伝導体ラインとの交差点に介在する絶縁膜と、前記複数の超伝導体ラインにおける電圧変化を検出する第１の検出部と、前記電圧変化が発生した時に、前記複数の伝導体ラインに生じる電気信号を検出する第２の検出部と、を有し、粒子検出面が前記試料保持部と対向するように前記筐体内に配置される粒子検出器と、
を備える粒子検出装置。

【請求項10】

超伝導材料を含み、第１の方向に延伸し、前記第１の方向と異なる第２の方向に並ぶ複数の超伝導体ラインのうちのいずれかに粒子が入射したことにより当該超伝導体ラインに生じた電圧変化を測定し、
伝導材料を含み、前記第２の方向に延伸し、前記第１の方向に並ぶ複数の伝導体ラインであって、絶縁体を介して前記複数の超伝導体ラインと接合する当該複数の伝導体ラインに、前記絶縁体を通して前記電圧変化に伴って生じた電気信号を検出し、
前記電圧変化に基づいて、所定の位置座標における前記粒子が衝突した位置の一の座標を求め、
前記電気信号に基づいて、所定の位置座標における前記粒子が衝突した位置の他の座標を求める、粒子検出方法。

【請求項11】

前記伝導材料は、前記超伝導材料または常伝導材料を含む、請求項１０に記載の粒子検出方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、粒子検出器、粒子検出装置、及び粒子検出方法に関する。

【背景技術】

【0002】

合金などの結晶粒界や、半導体などの薄膜積層膜の界面などを原子レベルの空間分解能と高い検出感度で分析することが可能な手法として、３次元アトムプローブが知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特許第５８４６５７４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明の一つの実施形態は、高精度に粒子を検出することが可能な粒子検出器、粒子検出装置、及び粒子検出方法を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

一つの実施形態によれば、粒子検出器が提供される。この粒子検出器は、複数の超伝導体ライン、複数の伝導体ライン、絶縁膜、第１の検出部、および第２の検出部を備える。複数の超伝導体ラインは、超伝導体で形成され、第１の方向に延伸し、前記第１の方向と異なる第２の方向に並ぶ。複数の伝導体ラインは、伝導体で形成され、前記第２の方向に延伸し、前記第１の方向に並ぶ。絶縁膜は、前記複数の超伝導体ラインと前記複数の伝導体ラインとの交差点に介在する。第１の検出部は、前記複数の超伝導体ラインにおける電圧変化を検出する。第２の検出部は、前記電圧変化が発生した時に、前記複数の伝導体ラインに生じる電気信号を検出する。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】図１は、実施形態による２次元粒子検出器が利用され得る３次元アトムプローブ装置を模式的に示す図である。

【図2】図２は、本実施形態による粒子検出器を模式的に示す一部斜視図である。

【図3】図３（Ａ）及び図３（Ｂ）は、超伝導ラインと常伝導ラインとの接合部における、その対角線に沿った断面図である。

【図4】図４は、冷却器を模式的に示す図である。

【図5】図５は、粒子検出器５と、これに接続される検出器駆動部６とを模式的に示す図である。

【図6】図６は、検出原理を説明する説明図である。

【図7】図７は、変形例１による粒子検出器の常伝導ラインの延伸方向に沿った断面図である。

【図8】図８は、変形例２で用いられる検出器駆動部を模式的に示す図である。

【図9】図９（Ａ）は、各常伝導ラインのパルス電圧の時間変化を示すグラフであり、図９（Ｂ）は、常伝導ラインの位置に対し各常伝導ラインのパルス電圧をプロットしたグラフである。

【図10】図１０は、変形例３による粒子検出器を模式的に示す一部斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0007】

以下、添付の図面を参照しながら、本発明の限定的でない例示の実施形態について説明する。添付の全図面中、同一または対応する部材または部品については、同一または対応する参照符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面は、部材もしくは部品間、または、種々の層の厚さの間の相対比を示すことを目的とせず、したがって、具体的な厚さや寸法は、以下の限定的でない実施形態に照らし、当業者により決定されてよい。

【0008】

図１は、実施形態による２次元粒子検出器が利用され得る３次元アトムプローブ装置を模式的に示す図である。図１に示すように、３次元アトムプローブ装置１は、筐体２、高電圧電源３、駆動パルス電圧電源４、２次元粒子検出器５、検出器駆動部６、時間差測定部７、及び制御部８を有している。

【0009】

筐体２は、外部に対して気密な容器であり、ここに拡散ポンプやターボ分子ポンプなどの高真空排気装置（不図示）が接続されている。これにより、筐体２の内部は、高真空に維持することができる。また、筐体２内には、測定対象の試料Ｓを保持可能な試料保持部２Ｈが設けられている。さらに、筐体２には、試料Ｓの搬入出のため、ロードロックチャンバ、ゲートバルブ、搬送アームなどが設けられても良い。

【0010】

高電圧電源３は、筐体２内の試料保持部２Ｈに保持される試料Ｓに対して高電圧を印加することができる。駆動パルス電圧電源４は、高電圧電源３により高電圧が印加される試料Ｓに対し、重畳して駆動パルス電圧を印加することができる。２次元粒子検出器５（以下、単に粒子検出器という）は、筐体２内において、粒子検出面が試料保持部２Ｈに対向するように配置されている。粒子検出器５は検出器駆動部６により制御される。粒子検出器５は、試料Ｓから離脱したイオン等を受け、それに応じた信号を生成し、出力する。時間差測定部７は、粒子検出器５から信号を受信し、駆動パルス電圧電源４から試料Ｓに対して駆動パルス電圧が印加された時点と、イオン等の粒子が粒子検出器５に到達して時点との時間差（すなわち、イオン等の粒子の飛行時間）を算出する。

【0011】

制御部８は、時間差測定部７により算出されたイオン等の粒子の飛行時間に基づいて、イオン等を同定するとともに、検出器駆動部６から入力した信号に対し所定の演算処理を行う。また、制御部８は、駆動パルス電圧電源４や粒子検出器５などを始めとする、３次元アトムプローブ装置１を包括的に制御することができる。また、制御部８には、図示しない入出力装置や表示装置が接続可能である。

【0012】

なお、制御部８は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラマブルゲートアレイ（ＰＧＡ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）を始めとするハードウェアにより実現され得る。また、制御部８は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを含むコンピュータとして実現されても良い。制御部８は、所定のプログラムや各種データに従って、３次元アトムプローブ装置１の全体を制御し、種々の演算処理を行うことができる。プログラムや各種データは、例えばハード・ディスク・ドライブ（ＨＤＤ）や半導体メモリ、サーバなどの非一時的なコンピュータ可読記憶媒体から有線又は無線でダウンロードされ得る。また、検出器駆動部６、時間差測定部７、及び制御部８は一つのユニットとして構成されてもよい。これらの組み合わせは、利便性の向上や省スペース化に資する。

【0013】

以上の構成を有する３次元アトムプローブ装置１においては、予め先端部が針状に加工された試料Ｓが筐体２内に保持され、筐体２内が高真空に排気される。このときの真空度は、試料Ｓにて電界蒸発が生じ得る程度である。また、筐体２内の試料Ｓに対して高電圧電源３により高電圧が印加される。この電圧により、試料Ｓと粒子検出器５の間には高電界が生じ、特に試料Ｓの針状の先端部に局所的に電界が集中する。この電圧は、試料Ｓの針状の先端部からイオンが離脱可能となる電圧よりも僅かに低い電圧であってよく、試料Ｓの種類に応じて例えば５００Ｖから１０，０００Ｖまでの範囲の電圧であってよい。次に、駆動パルス電圧電源４から駆動パルス電圧を印加すると、試料Ｓの先端部の原子がイオン化し、先端から離脱する（電界蒸発）。このとき駆動パルス電圧の代わりにパルスレーザーを用いたり、駆動パルス電圧に加えてパルスレーザーを用いた構成でもよい。離脱したイオンは、試料Ｓと粒子検出器５の間の電界により飛行し、粒子検出器５の粒子検出面に入射する。イオンが入射すると、粒子検出器５は信号を生成し、この信号を時間差測定部７へ出力する。時間差測定部７は、飛行時間を算出し、飛行時間を示す信号を制御部８へ出力する。制御部８は、飛行時間に基づいてイオン種を同定するとともに、位置情報に基づいて、元素の２次元配列を特定する。そして、駆動パルス電圧を駆動パルス電圧電源４から試料Ｓに対して繰り返し印加すると、試料Ｓの深さ方向に沿って連続的にイオンが検出され、制御部により、イオン種や配列のデータが再構築されて、当該試料Ｓの３次元的な原子分布マップが作成される。

【0014】

次に、図２から図６までを参照しながら、実施形態による粒子検出器５について説明する。図２は本実施形態による粒子検出器５の構成を模式的に示す一部斜視図である。図２に示すように、粒子検出器５は、基板１２、常伝導ライン群１３、トンネル絶縁膜１４、超伝導ライン群１５を備えている。基板１２は、例えばシリコンウェハなどの半導体基板であってよい。

【0015】

常伝導ライン群１３は複数の常伝導ライン１３Ｌを有している。複数の常伝導ライン１３Ｌは、図中のＸ軸方向に延び、Ｙ軸方向に沿ってほぼ平行にほぼ等間隔に並んでいる。常伝導ライン１３Ｌは常伝導材料によって構成され得る。常伝導材料は例えば銀などの金属であってよい。超伝導ライン群１５は複数の超伝導ライン１５Ｌを有している。複数の超伝導ライン１５Ｌは、常伝導ライン１３Ｌの長手方向と交差する方向に延び、当該長手方向に沿ってほぼ平行にほぼ等間隔に並んでいる。超伝導ライン１５Ｌは、ニオブなどの超伝導材料によって構成され得る。超伝導ライン１５Ｌと常伝導ライン１３Ｌは、上面視で井桁形状に配置され、その交差点（接合部）にはトンネル絶縁膜１４が介在している。トンネル絶縁膜１４は、例えば酸化アルミニウムなどの絶縁体で形成され得る。また、トンネル絶縁膜１４は例えば数ナノメートル程度の厚さを有することができる。なお、図示の例では、超伝導ライン群１５側が粒子検出器５の粒子検出面となっている。

【0016】

図３（Ａ）及び図３（Ｂ）は、超伝導ライン１５Ｌと常伝導ライン１３Ｌとの接合部における、その対角線に沿った断面図である。図示のとおり、基板１２の上に、常伝導ライン１３Ｌ、トンネル絶縁膜１４、及び超伝導ライン１５Ｌが積層された積層体が形成されている。また、本実施形態の粒子検出器５においては、このような積層体の周囲、すなわち、超伝導ライン１５Ｌと常伝導ライン１３Ｌとの接合部間の領域は、絶縁体１６で埋め込まれている。絶縁体１６の上面は、図３（Ａ）に示すように、トンネル絶縁膜１４の上面とほぼ同一の面を構成してもよく、図３（Ｂ）に示すように、超伝導ライン１５Ｌの上面とほぼ同一の面を構成してもよい。絶縁体１６は、例えばトンネル絶縁膜１４と同じ材料で形成されてもよい。ただし、絶縁体１６を設けずに、積層体の周囲を空洞としてもよい。

【0017】

なお、超伝導ライン１５Ｌを構成する超伝導材料を臨界温度（転移温度）以下に冷却するため、粒子検出器５は、３次元アトムプローブ装置１の筐体２内において冷却器に収容される。図４は、冷却器を模式的に示す図である。図示のとおり、冷却器２１は、断熱容器２１Ｃに収められ、比較的大きい熱伝導率を有する導電材料から構成される冷却ステージ２１Ｓを有する。そのような導電材料としては、銅やアルミニウムなどの金属が例示される。断熱容器２１Ｃの一部には、導電材料で構成され、メッシュ部材でカバーされる窓部２１Ｗを有している。メッシュ部材は、導電材料で構成され、試料Ｓからのイオンの透過を許容して、放射熱を遮断する。粒子検出器５は、その粒子検出面が窓部２１Ｗに対向するように冷却ステージ２１Ｓ上に配置される。冷却ステージ２１Ｓは不図示の冷凍機と接続されており、熱伝導によってステージ全体が冷却されている。これにより、粒子検出器５は、超伝導材料の種類に応じた臨界温度以下の温度に維持される。

【0018】

次に、図５を参照しながら、検出器駆動部６について説明する。図５は、粒子検出器５と、これに接続される検出器駆動部６とを模式的に示す図である。検出器駆動部６は、超伝導ライン群１５の各超伝導ライン１５Ｌに電流（バイアス電流）を供給する電源５１と、各超伝導ライン１５Ｌの電流変化を増幅するアンプ５２と、アンプ５２からの出力に基づき電圧変化を検出する電圧変化検出部５３と、常伝導ライン群１３の各常伝導ライン１３Ｌからの電流を増幅するアンプ５４と、アンプ５４からの出力に基づき電流を検出する電流検出部５５とを有している。一組のアンプ５２及び電圧変化検出部５３が、超伝導ライン１５Ｌに対して一つずつ設けられてよく、同様に、一組のアンプ５４及び電流検出部５５が、常伝導ライン１３Ｌに対して一つずつ設けられてよい。また、超伝導ライン１５Ｌから、電源５１とアンプ５２に接続する導線の分岐点にはバイアスティーＴが設けられている。バイアスティーＴによれば、超伝導ライン１５Ｌから発生する信号の高周波成分に影響を与えることなく超伝導ライン１５Ｌに電源５１から発生するＤＣ電圧を加えることができ、したがって、電圧変化検出部５３にて電圧変化を高精度に検出することが可能になる。

【0019】

次に、図６を参照しながら、粒子検出器５によるイオン等の粒子の検出原理を説明する。図６は、粒子の検出原理を説明する説明図である。超伝導ライン１５Ｌには、電源５１（図５）によって予め超伝導の臨界電流を超えない程度の電流が破線矢印６２のように流れている。ここで、イオンなどの任意の粒子６０が超伝導ライン群１５のうちの１本の超伝導ライン１５Ｌに衝突すると、衝突点を含む所定の領域６３において超伝導から常伝導に転移する。これにより、領域６３は電気抵抗を有することとなる。そうすると、電流は、破線矢印６４で示すように領域６３を迂回するように流れる。これにより、領域６３の両側の領域にて、迂回によって電流が密になり、超伝導の臨界電流を超えるため、領域６３よりも広い領域６５で超伝導から常伝導への転移が発生する。これにより、超伝導ライン１５Ｌにおける超伝導状態の部分が常伝導状態の部分に分断され、電気抵抗により一時的に電圧が上昇する。その後、冷却によって領域６５が再び超伝導状態に戻ると、電圧もまたほぼゼロへと低下する。すなわち、粒子６０の衝突（吸収）した超伝導ライン１５Ｌにはパルス状の電圧変化（パルス電圧）が生じる。このパルス電圧は、電圧変化検出部５３（図５）にて検出される。このパルス電圧は時間差測定部７へ送られ、時間差測定部７は、受信したパルス電圧から、粒子６０が超伝導ライン１５Ｌに衝突した時点を把握する。パルス電圧は時間差測定部７へほぼ光速で伝播するため、時間差測定部７へのパルス電圧の到達時点により、粒子６０が超伝導ライン１５Ｌに衝突した時点を高精度に取得することができる。

【0020】

また、粒子６０が超伝導ライン１５Ｌに衝突すると、粒子６０が有していた運動エネルギーにより超伝導ライン１５Ｌに存在するクーパー対が壊れて、電子６６が生成される。電子６６は、一点鎖線の矢印６７で示すように、トンネル絶縁膜１４をトンネリングして常伝導ライン１３Ｌに伝わり、常伝導ライン１３Ｌに接続された電流検出部５５（図５）により電流として検出される。電子６６の発生数は粒子の運動エネルギーに依存するため、電流検出部５５で検出された電流を積算して得られる電荷量から粒子の運動エネルギーを求めることができる。このとき超伝導ライン１５Ｌに発生したパルス電圧を、常伝導ライン１３Ｌに流れるトンネル電流を測定する際のトリガとして使用してもよい。パルス電圧が検出された超伝導ライン１５Ｌと、トンネリング電流が検出された常伝導ライン１３Ｌとから、粒子検出器５における、粒子６０が超伝導ライン１５Ｌに衝突した位置のＸＹ座標を特定することができる。具体的には、超伝導ライン１５Ｌに接続された各電圧変化検出部５３のうちのパルス電圧を出力した電圧変化検出部５３（図５）と、常伝導ライン１３Ｌに接続された各電流検出部５５のうちのトンネリング電流を検出した電流検出部５５とが、制御部８により把握され、ＸＹ座標点が特定される。

【0021】

以上説明したように、本実施形態による粒子検出器５によれば、超伝導ライン群１５に粒子が衝突した（又は吸収された）時に、超伝導ライン１５Ｌの超伝導状態から常伝導状態への転移に伴って生じるパルス電圧が検出されるため、粒子の衝突時点を高精度に検出することができる。したがって、試料Ｓから粒子検出器５に到達するまでの粒子の飛行時間をも高精度に検出することが可能となり、高精度で粒子を同定することも可能となる。

【0022】

また、トンネル絶縁膜１４を介して超伝導ライン群１５と交差するように常伝導ライン群１３を設けたため、超伝導ライン１５Ｌにてクーパー対が破壊することにより生じる電子をトンネル電流として検出することができる。このため、パルス電圧が検出された超伝導ライン１５Ｌと、トンネル電流が検出された常伝導ライン１３Ｌとから、粒子検出器５の検出面上の粒子が衝突した位置を把握することができる。したがって、試料Ｓから離脱した粒子の２次元的な情報を取得することが可能となる。

【0023】

また、常伝導ライン１３Ｌで検出されるトンネル電流から粒子の運動エネルギーを求めることができるため、衝突した粒子の構成種の同定までも可能となる。すなわち、飛行時間だけからでは、飛行時間が同一で運動エネルギーが異なる粒子を区別できないが、運動エネルギーまで求めることができるため、そのような粒子を区別し得る。

【0024】

（変形例１）
次に、図７を参照しながら、実施形態による粒子検出器５の変形例１について説明する。図７は、変形例１による粒子検出器における常伝導ラインの延伸方向に沿った断面図である。図７に示すように、変形例１による粒子検出器５０１もまた、基板１２、常伝導ライン群（図７では一つの常伝導ライン１３Ｌのみを図示）、トンネル絶縁膜１４、及び超伝導ライン群１５を有している。これらに加えて、粒子検出器５０１はコンタクト１７を有している。コンタクト１７は、複数の超伝導ライン１５Ｌの一つおきに、その下方において、トンネル絶縁膜１４と常伝導ライン１３Ｌとの間に設けられている。これにより、超伝導ライン１５Ｌの高さが交互に異なっている。この場合、粒子検出器５０１における超伝導ライン１５Ｌの隙間を上面視でほぼ消失させることが可能となる。その結果、超伝導ライン１５Ｌに粒子を確実に衝突させることが可能になる。なお、コンタクト１７は、常伝導ライン１３Ｌと同じ材料により構成されてよい。

【0025】

（変形例２）
続けて、図８を参照しながら、実施形態による粒子検出器５の変形例２について説明する。変形例２では、粒子検出器５を駆動する検出器駆動部が上述の検出器駆動部６と異なり、粒子検出器そのものは粒子検出器５と同一の構成を有している。図８は、変形例２で用いられる検出器駆動部６１を模式的に示す図である。検出器駆動部６１は、検出器駆動部６の構成に加えて、常伝導ライン１３Ｌとアンプ５４の入力とを繋ぐ配線と接地との間に抵抗器７０を有している。

【0026】

粒子検出器５は、上述のとおり、超伝導ライン１５Ｌと常伝導ライン１３Ｌという２つの伝導体でトンネル絶縁膜１４を挟む構造を有しており、この構造はコンデンサとみなすことができる。このため、粒子の衝突（吸収）により超伝導ライン１５Ｌに発生したパルス電圧は常伝導ライン１３Ｌに伝わる。詳しくは、電源５１（図８）から超伝導ライン１５Ｌに供給される電流の流れの方向Ａに沿って、粒子が衝突した位置よりも上流側に位置する常伝導ライン１３Ｌには上に凸のパルス電圧が伝わり、下流側に位置する常伝導ライン１３Ｌには下に凸のパルス電圧が伝わる。

【0027】

ここで、図９（Ａ）および図９（Ｂ）を参照しながら、各常伝導ライン１３Ｌに伝わるパルス電圧について説明する。図９（Ａ）は、各常伝導ライン１３Ｌのパルス電圧の時間変化を示すグラフである。横軸は時間を示し、縦軸は電圧値を示している。また、横軸及び縦軸と直交する軸は、常伝導ライン１３Ｌの位置を示している。具体的には、この軸は、図８における、超伝導ライン１５Ｌを流れる電流の方向Ａに対応している。

【0028】

図９（Ａ）のグラフを参照すると、超伝導ライン１５Ｌを流れる電流の方向Ａに沿って、上に凸のパルス電圧の電圧値が大きくなるものの、急激に下に凸のパルス電圧に変化し、やがてその電圧値が小さくなっていることが分かる。図９（Ｂ）は、常伝導ライン１３Ｌの位置（横軸）に対して、各常伝導ライン１３Ｌでのパルス電圧をプロットしたグラフである。このグラフに示すように、パルス電圧の電圧値はプラスからマイナスに変化する位置から、粒子の衝突点のＹ座標を特定することが可能となる。すなわち、変形例２では、粒子の衝突（吸収）により超伝導ライン１５Ｌに発生したパルス電圧に基づいてＹ座標点を特定する点で、クーパー対の破壊に由来するトンネリング電流を測定してＹ座標点を特定する上記の実施形態（変形例１を含む）と異なっている。

【0029】

なお、常伝導ライン１３Ｌと接地との間の抵抗器７０により、常伝導ライン１３Ｌにおける電位が超伝導ライン１５Ｌにおける電位とほぼ等しくなる。このため、超伝導ライン１５Ｌと常伝導ライン１３Ｌと間の電位差により生じ得るトンネル電流の影響を排して、クーパー対の破壊に由来するトンネリング電流を高精度に測定することが可能になる。

【0030】

なお、変形例２において、粒子検出器５における、粒子が衝突した位置のＸ座標は、上述の実施形態における検出器駆動部６と同様に、超伝導ライン１５Ｌに生じるパルス電圧を検出することにより求めることができる。また、上記の上に凸又は下に凸のパルス電圧は、そのような電圧変化に基づく電流の変化を通して電流検出部５５により把握され得る。また、上に凸のパルス電圧から下に凸のパルス電圧への変化は、検出器駆動部６からのパルス電圧を示す情報を受信した制御部８によって特定され得る。

【0031】

（変形例３）
次に、実施形態による粒子検出器５の変形例３について説明する。図１０に示すように、変形例３による粒子検出器５０３においては、基板１１２上に、第１の超伝導ライン群１１３、トンネル絶縁膜１１４、第２の超伝導ライン群１１５がこの順に形成されている。すなわち、粒子検出器５０３は、上述の粒子検出器５（５０１）における常伝導ライン群１３を有しておらず、代わりに第１の超伝導ライン群１１３を有している。第１の超伝導ライン群１１３と第２の超伝導ライン群１１５は、同一の超伝導体で形成されてもよいし、異なってもよい。なお、粒子検出器５０３のその他の構成は粒子検出器５（５０１）と同一である。また、第２の超伝導ライン群１１５側が粒子検出器５０３の粒子検出面である。

【0032】

第２の超伝導ライン群１１５を第１の超伝導ライン群１１３より高電位に設定し、その電位差が、第１の超伝導ライン群１１３または第２の超伝導ライン群１１５のエネルギーギャップより小さくすることによって、第１の超伝導ライン群１１３から第２の超伝導ライン群１１５に電荷が流入することを防いでもよい。また、第１の超伝導ライン１１３Ｌと第２の超伝導ライン１１５Ｌによるジョセフソン電流を抑制するため、基板１１２の表面に平行な方向に磁場をかけてもよい。

【0033】

以上のように構成された粒子検出器５０３によっても、超伝導ライン群に粒子が衝突した（吸収された）時点を高精度に検出することができ、さらに粒子が衝突した（吸収された）位置のＸＹ座標、運動エネルギーまたは粒子のエネルギーを検出することが可能になる。なお、変形例１及び変形例２の双方又はいずれかを変形例３に適用してもよい。

【0034】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【0035】

例えば、上記の粒子検出器５では、基板１２の上に常伝導ライン群１３、トンネル絶縁膜１４、及び超伝導ライン群１５がこの順に形成されたが、例えばＸ線フォトンのように常伝導ライン群１３を透過可能な粒子を検出するには、基板１２上に超伝導ライン群１５、トンネル絶縁膜１４、及び常伝導ライン群１３の順に形成されてもよい。この場合、常伝導ライン群１３側が粒子検出面となる。また、上記の実施形態では、イオンなどの粒子が超伝導ライン群１５（第２の超伝導ライン群１１５）に衝突する場合について説明したが、超伝導ライン群に吸収されるならば、他の粒子を検出することもできる。そのような粒子には例えばフォトンも含まれる。この場合、フォトンが超伝導ライン群に吸収された際にクーパー対が破壊されて発生する電子数は、フォトンのエネルギーに依存する。したがって、電子数（すなわち電流）を測定することにより、フォトンのエネルギーを推定することができる。

【0036】

また、上記の変形例１による粒子検出器５０１においても、基板１２上に超伝導ライン群１５、トンネル絶縁膜１４、及び常伝導ライン群１３の順に形成されてもよい。この場合、コンタクト１７は、一つおきの超伝導ライン１５Ｌの上方で、トンネル絶縁膜１４と常伝導ライン１３Ｌとの間に設けられてよい。

【0037】

また、上記の変形例３による粒子検出器５０３において、第１の超伝導ライン群１１３と第２の超伝導ライン群１１５が異なる超伝導体で形成される場合には、粒子検出器５０３は、両者の臨界温度以下の温度に維持されてよい。また、第２の超伝導ライン群１１５は、第１の超伝導ライン群１１３を構成する超伝導体よりも高い臨界温度を有する超伝導体で形成されてもよい。この場合、第２の超伝導ライン群１１５が臨界温度以下となり、第１の超伝導ライン群１１３が臨界温度より高くなるように粒子検出器５０３の温度を設定することも可能である。言い換えると、第２の超伝導ライン群１１５が超伝導体として動作する一方で、第１の超伝導ライン群１１３が実質的に常伝導体として動作するようにしてもよい。

【0038】

また、実施形態による粒子検出器５等を３次元アトムプローブ装置に適用する例を説明したが、実施形態による粒子検出器は、これに限らず、他の測定装置で利用することも可能である。

【符号の説明】

【0039】

１…３次元アトムプローブ装置、２…筐体、３…高電圧電源、４…駆動パルス電圧電源、５，５０１，５０３…粒子検出器、６…検出器駆動部、７…時間差測定部、８…制御部、１２，１１２…基板、１３…常伝導ライン群、１３Ｌ…常伝導ライン、１４，１１４…トンネル絶縁膜、１５…超伝導ライン群、１５Ｌ…超伝導ライン、１６…絶縁体、１７…コンタクト、２１…冷却器、２１Ｃ…断熱容器、２１Ｓ…冷却ステージ、２１Ｗ…窓部、５１…電源、５２，５４…アンプ、５３…電圧変化検出部、５５…電流検出部、６０…粒子、６３，６５…領域、６６…電子、７０…抵抗器、１１３…第１の超伝導ライン群、１１３Ｌ…第１の超伝導ライン、１１５…第２の超伝導ライン群、１１５Ｌ…第２の超伝導ライン。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】