DE112018000236B4

DE112018000236B4 - Ladungsträgerdetektor, Ladungsträgerstrahlvorrichtung und Massenanalysevorrichtung

Info

Publication number: DE112018000236B4
Application number: DE112018000236.5T
Authority: DE
Inventors: Shin Imamura; Takashi Ohshima; Tomonobu Tsuchiya; Hajime Kawano; Shahedul Hoque; Shunsuke Mizutani; Makoto Suzuki
Original assignee: Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2017-01-31
Filing date: 2018-01-25
Publication date: 2022-12-08
Anticipated expiration: 2038-01-26
Also published as: JP6666626B2; US20190355549A1; JP2018124100A; IL267496B2; US10984979B2; DE112018000236T5; IL267496A; IL267496B1; WO2018143054A1

Abstract

Ladungsträgerdetektor, der einen Ladungsträger detektiert, der durch Bestrahlen einer Probe (8) mit einem Ladungsträgerstrahl erhalten wird, wobei der Ladungsträgerdetektor Folgendes umfasst:einen ersten lichtemittierenden Teil (21), der eine Schicht ist, in der eine Quantentopfschicht mit einer Zusammensetzung von Ga1-x-yAlxlnyN wobei 0 ≤ x < 1, 0 ≤ y < 1, und eine Sperrschicht mit einer Zusammensetzung von GaN abwechselnd für einen Zyklus oder mehr laminiert sind;einen zweiten lichtemittierenden Teil (23), der eine Schicht ist, in der eine Quantentopfschicht mit einer Zusammensetzung von Ga1-x-yAlxlnyN enthält, wobei 0 ≤ x < 1, 0 ≤ y < 1, und eine Sperrschicht mit einer Zusammensetzung von GaN abwechselnd für einen Zyklus oder mehr laminiert sind; undeinen nicht lichtemittierenden Teil (22), der eine Schicht ist, die zwischen dem ersten lichtemittierenden Teil (21) und dem zweiten lichtemittierenden Teil (23) angeordnet ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Ladungsträgerdetektor und eine Ladungsträgerstrahlvorrichtung und bezieht sich insbesondere auf einen Ladungsträgerdetektor mit einer Quantentopfstruktur und eine Ladungsträgerstrahlvorrichtung, die den Ladungsträgerdetektor enthält.
Stand der Technik
Eine Ladungsträgerstrahlvorrichtung, die Ladungsträger detektiert, die durch Bestrahlen einer Probe mit Ladungsträgerstrahlen wie etwa Elektronenstrahlen erhalten werden, umfasst einen Detektor, der die Ladungsträger detektiert. Beispielsweise werden in einem Fall, in dem aus der Probe emittierte Elektronen durch Abtasten der Probe mit den Elektronenstrahlen erfasst werden, die Elektronen in einen Szintillator des Detektors geleitet, indem eine positive Spannung von etwa 8 kV bis 10 kV, die als eine Nachspannung bezeichnet wird, an den Elektronendetektor angelegt wird. Licht, das von dem Szintillator aufgrund von Stößen der Elektronen erzeugt wird, wird in einen Lichtleiter geleitet, durch ein Lichtempfangselement wie eine Photoröhre in ein elektrisches Signal umgewandelt und wird zu einem Bildsignal oder einem Wellenformsignal.
PTL 1 offenbart einen Szintillator, der einen lichtemittierenden Körper umfasst, der eine InGaN/GaN-Quantentopfschicht enthält, die auf einem Substrat gebildet ist, und beschreibt, dass auf der InGaN/GaN-Quantentopfschicht eine Deckschicht, die eine Bandlückenenergie aufweist, die größer als die eines Teilmaterials einer Nitridhalbleiterschicht, die die InGaN/GaN-Quantentopfschicht enthält, ist, und eine Metallrückschicht aus Al auf der Deckschicht bereitgestellt sind.
PTL 2 beschreibt, dass eine Deckschicht, in der eine GaN-Schicht aufgewachsen ist, auf einer Mehrschichtstruktur bereitgestellt ist, in der GaInN und GaN abwechselnd laminiert sind, und ein AI-Dünnfilm zum Verhindern der Aufladung während des Einfalls von Elektronen auf die Deckschicht aufgedampft ist.
PTL 3 zeigt einen Szintillationsdetektor zum Nachweis ionisierender Strahlung, bestehend aus einem monokristallinen Substrat, einer Pufferschicht, einer auf das Substrat aufgebrachten Nitrid-Halbleiterschicht, die durch die allgemeine Formel Al_yIn_xGa_1-x-yN beschrieben wird, wobei 0≦x≦1, 0≦y≦1 und 0≦x+y≦1 gilt, wobei zwei Nitrid-Halbleiterschichten in einer geschichteten Heterostruktur angeordnet sind, deren Struktur einen Potentialtopf für strahlende Rekombinationen von Elektronen und Löchern enthält. In der Struktur ist ein aktives Paar von Nitrid-Halbleiterschichten mit prinzipiell gleicher Polarisation angeordnet, bestehend aus der Barriereschicht des Typs Al_ybIn_xbGa₁-_xb-ybN und der Schicht des AlywInxwGa_1-xw-ywN-Typ, die einen Potentialtopf darstellt, bei dem xb≦xw und yb≦yw gültig ist, oder es gibt eine trägeranziehende Schicht vom Typ Al_ydIn_xdGa_1-xd-ydN mit einer Dicke (t3) von weniger als 2 nm, in der yd yw und xd xw + 0,3 die in ein aktives Paar von Nitrid-Halbleiterschichten eingefügt ist.
PTL 4 zeigt einen Ladungsteilchendetektor, der mit einer lichtemittierenden Einheit versehen ist, die eine Struktur enthält, die durch Schichten einer Schicht die GaInN enthält, und einer GaN-Schicht erhalten wird und auf der Seite einer Einfallsfläche für geladene Teilchen besagter Struktur mit einer leitfähigen Schicht versehen ist, die sich mit der Schicht, die GaInN enthält, in Kontakt befindet.
Entgegenhaltungsliste
Patentdokument(e)

PTL 1: JP 2005 - 298 603 A (entspricht US-Patent US 7 910 895 B2 )
PTL 2: JP 2014 - 032 029 A
PTL 3: US 2018 / 0 059 268 A1
PTL 4: DE 11 2017 000 260 T5

Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Der Szintillator mit der Quantentopfschicht, die aus der laminierten Schicht aus InGaN und GaN gebildet ist, wie es in PTL 1 und PTL 2 beschrieben ist, weist die Eigenschaft auf, dass die Lichtemissionsintensität mit zunehmender Energie der einfallenden Elektronen steigt. Dies liegt daran, dass je höher die Energie der Elektronen ist, desto tiefer die Eindringtiefe in den Szintillator ist, und sich die Intensität der Lichtemission entsprechend der Eindringtiefe ändert. Abhängig von der Bestrahlung der Probe mit den Elektronenstrahlen umfassen die von der Probe emittierten Elektronen solche mit verschiedenen Energien (Beschleunigungsspannung). Es kann eine hohe Detektionsempfindlichkeit erreicht werden, indem solche Elektronen mit verschiedenen Energien hocheffizient detektiert werden, aber die Lichtemissionsintensität ändert sich gemäß der Charakteristik des Szintillators, Vorrichtungsbedingungen (beispielsweise einer Ankunftsenergie der Elektronenstrahlen, mit denen die Probe bestrahlt wird) und einem Grad der Aufladung der Probe. Insbesondere deshalb, weil in einer Vorrichtung, die eine Halbleitereinrichtung misst und prüft, eine hohe Reproduzierbarkeit der Messung erforderlich ist, ist ein Szintillator, der unabhängig von der Änderung der Energie der von der Probe emittierten Elektronen Licht mit stabiler Intensität emittiert, erwünscht.
Nachfolgend werden ein Ladungsträgerdetektor und eine Ladungsträgerstrahlvorrichtung geschaffen, die einen Szintillator umfassen, der dazu bestimmt ist, unabhängig von der Energie einfallender Elektronen Licht mit stabiler Intensität zu emittieren und eine hohe Lichtemissionsintensität zu erzielen.
Lösung für das Problem
Als ein Aspekt zur Lösung der obigen Aufgabe wird ein Ladungsträgerdetektor geschaffen, der einen Ladungsträger detektiert, das durch Bestrahlen einer Probe mit einem Ladungsträgerstrahl erhalten wird. Der Ladungsträgerdetektor umfasst: einen ersten lichtemittierenden Teil, in dem eine Schicht, die Ga_1-x-yAl_xIn_yN enthält (wobei 0 ≤ x < 1, 0 ≤ y < 1), und eine Schicht, die GaN enthält, abwechselnd laminiert sind; einen zweiten lichtemittierenden Teil, in dem die Schicht, die Ga_1-x-yAl_xIn_yN enthält (wobei 0 ≤ x <1, 0 ≤ y <1), und die Schicht, die GaN enthält, abwechselnd laminiert sind; und einen nicht lichtemittierenden Teil, der zwischen dem ersten lichtemittierenden Teil und dem zweiten lichtemittierenden Teil angeordnet ist.
Vorteilhafte Wirkung
Gemäß der obigen Konfiguration wird unabhängig von der Energie der einfallenden Elektronen die Lichtemission mit stabiler Intensität durchgeführt und kann eine hohe Lichtemissionsintensität erhalten werden.
Figurenliste

[1] 1 ist ein Diagramm, das eine Grundkonfiguration eines Elektronenmikroskops zeigt.
[2 2 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration eines Szintillators zeigt.
[3] 3 ist ein Diagramm, das ein Emissionsspektrum des Szintillators zeigt.
[4] 4 ist ein Diagramm, das eine Änderung der Lichtemissionsintensität einer Quantentopfschicht in Bezug auf eine zeitliche Änderung zeigt.
[5] 5 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer Einfallsenergie (angelegten Spannung) eines Elektrons und der Lichtemissionsintensität des Szintillators zeigt.
[6] 6 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einer Einfallsenergie (angelegten Spannung) eines Elektrons und der Lichtemissionsintensität des Szintillators zeigt.
[7] 7 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einer Einfallsenergie (angelegten Spannung) eines Elektrons und der Lichtemissionsintensität des Szintillators zeigt.
[8] 8 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration einer Massenanalysevorrichtung zeigt.

Beschreibung von Ausführungsformen
In den letzten Jahren sind die Anforderungen bezüglich einer hohen Auflösung, eines geringen Rauschens und einer Verbesserung des Durchsatzes bei der Messung und Prüfung von Halbleitereinrichtungen gestiegen. Um diese Anforderungen zu erfüllen, ist es wünschenswert, die Detektionszeit zu verringern und die Detektionsempfindlichkeit zu verbessern. Es ist notwendig, die Ansprechgeschwindigkeit eines Szintillators zu erhöhen.
Unterdessen kann bei einer Vorrichtung, die die Abmessungen eines Objekts mit hoher Genauigkeit misst, wie beispielsweise einem Längenmess-REM (CD-REM: Kritisches-Maß-Rasterelektronenmikroskop), ein Bild verzerrt werden und die Genauigkeit der Längenmessung verringert werden, wenn eine Probe aufgeladen ist. Um eine Messung und Prüfung mit hoher Genauigkeit durchzuführen, wird eine Abtastgeschwindigkeit der Elektronenstrahlen erhöht und die zum Anzeigen auf einem Bildschirm erforderliche Zeit verkürzt, so dass die Aufladung verringert werden kann. Das Abtasten wird mit einer hohen Geschwindigkeit durchgeführt, so dass die Bestrahlungsmenge der Strahlen pro Flächeneinheit verringert wird und die Anzahl der von der Probe emittierten Elektronen ebenfalls verringert wird. Daher ist ein Szintillator mit einer hohen Ansprechgeschwindigkeit und einer hohen Empfindlichkeit erforderlich.
Insbesondere bei einer Halbleiterstruktur steigt der Bedarf daran, eine dreidimensionale ungleichmäßige Struktur zu beobachten. Zu diesem Zweck ist es effektiv, Sekundärelektronen (SE) und Rückstreuelektronen (BSE) direkt über der Probe zu detektieren. Da sich eine Emissionsrichtung der BSE gemäß einer Musterform ändert, können Informationen über eine Ungleichmäßigkeit der Probe erhalten werden.
Unterdessen ist ein Detektor (Szintillator) auf einem Orbit der BSE oder dergleichen, die von der Probe emittiert werden, angeordnet so dass die BSE oder dergleichen direkt detektiert werden können. In einem Fall, in dem der Detektor, der die BSE oder dergleichen direkt detektiert, auf einem Elektronenmikroskop angeordnet ist, das eine Bestrahlung mit Elektronenstrahlen niedriger Beschleunigung durchführt, fallen die BSE mit 4 kV bis 5 kV auf den Szintillator ein. Jedoch ist die Lichtemission des Szintillators bei etwa 4 kV bis 5 kV oder weniger schwach und es kann kein gutes Bild erhalten werden. In einem Fall, in dem die BSE detektiert werden, die in der Nähe einer optischen Achse der Elektronenstrahlen durchlaufen, ist es schwierig, eine Nachspannung von 8 kV bis 10 kV anzulegen, die bewirkt, dass das Licht von dem Szintillator effizient emittiert wird.
Bei einer Ladungsträgerstrahlvorrichtung wie dem REM ist es notwendig, die Sekundärelektronen und die Rückstreuelektronen direkt über der Probe zu detektieren. Wenn die Rückstreuelektronen, deren Orbit sich gemäß der Form der Probe ändert, detektiert werden, können Informationen über die Ungleichmäßigkeit der Probe erhalten werden. Es besteht der Vorteil, dass es nicht erforderlich ist, einen Mechanismus zu installieren, der den Orbit der Elektronen anpasst, indem der Detektor auf dem Orbit der von der Probe emittierten Rückstreuelektronen angeordnet wird.
Wie es oben beschrieben ist, ist es jedoch für den Szintillator schwierig, eine ausreichende Lichtemissionsintensität bei einer Energie von 5 kV oder weniger zu erhalten. Insbesondere in einem Niederbeschleunigungsenergiebereich ändert sich die Lichtemissionsintensität abhängig von einer Änderung der Energie stark. Somit ändert sich die Helligkeit abhängig von der Beschleunigungsenergie und es kann schwierig sein, eine hohe Messgenauigkeit aufrechtzuerhalten.
Nachfolgend werden ein Detektor und eine Ladungsträgerstrahlvorrichtung genauer beschrieben, die einen Szintillator enthalten, der in der Lage ist, eine stabile und hohe Lichtemissionsintensität unabhängig von der Änderung der Energie basierend auf dem Eindringen von niederenergetischen Elektronen zu erzielen.
Nachfolgend werden eine Hochgeschwindigkeitsszintillatorstruktur, ein Detektor mit der Szintillatorstruktur und eine Ladungsträgerstrahlvorrichtung, die den Detektor enthält, beschrieben. Hinsichtlich der Hochgeschwindigkeitsszintillatorstruktur sind mehrere lichtemittierende Schichten angeordnet und eine nicht lichtemittierende Schicht ist zwischen den lichtemittierenden Schichten angeordnet, so dass niederenergetische Elektronen detektiert werden können, eine Änderung der Helligkeit aufgrund der Änderung der Energie der einfallenden Elektronen gering ist, eine stabile Messung möglich ist und Geschwindigkeit und Empfindlichkeit hoch sind. Es werden eine Ladungsträgerstrahlvorrichtung und ein Ladungsträgerdetektor mit einer Szintillatorstruktur beschrieben. Bei der Szintillatorstruktur ist eine nicht lichtemittierende Schicht, die beispielsweise nur aus einer Schicht aus GaN besteht, zwischen zwei oder mehr lichtemittierenden Schichten angeordnet, die hauptsächlich aus laminierten Schichten einer InGaN-Schicht und einer GaN-Schicht bestehen. Gemäß einer solchen Konfiguration kann die Änderung der Helligkeit aufgrund einer Energiedifferenz der einfallenden Elektronen verhindert werden und es kann eine hohe Lichtemissionsintensität erhalten werden.
Im Folgenden wird die Ladungsträgerstrahlvorrichtung, die den Detektor enthält, der den Szintillator als Detektionselement verwendet, unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Ein Elektronenmikroskop, insbesondere ein Rasterelektronenmikroskop, wird als Ladungsträgerstrahlvorrichtung beschrieben, aber die Erfindung ist nicht darauf beschränkt. Nachfolgend beschriebene Ausführungsformen können auch auf andere Ladungsträgerstrahlvorrichtungen angewendet werden, wie beispielsweise ein Rasterionenmikroskop, das lonenstrahlen verwendet. Die Erfindung ist auch auf eine Messvorrichtung, eine Prüfvorrichtung und eine Beobachtungsvorrichtung für ein Halbleitermuster anwendbar, die das Rasterelektronenmikroskop verwenden.
Der in dieser Beschreibung verwendete Begriff „Szintillator“ bezieht sich auf ein Element, das bei Einfall von Ladungsträgerstrahlen Licht emittiert. Der Szintillator in dieser Beschreibung ist nicht auf den in den Ausführungsformen gezeigten Szintillator beschränkt und kann verschiedene Formen und Strukturen aufweisen.
1 ist ein Diagramm, das eine Grundkonfiguration des Elektronenmikroskops zeigt. Eine Probe 8 wird mit einem Primärelektronenstrahl 12 bestrahlt, der von einer Elektronenquelle 9 emittiert wird, und ein Sekundärteilchen 14 wie beispielsweise ein Sekundärelektron oder ein reflektiertes Elektron wird emittiert. Das Sekundärteilchen 14 wird herangezogen und trifft auf einen Szintillator S. Wenn das Sekundärteilchen 14 auf den Szintillator S trifft, tritt die Lichtemission im Szintillator S auf. Das von dem Szintillator S emittierte Licht wird von einem Lichtleiter 11 geführt und ein Lichtempfangselement 7 wandelt das Licht in ein elektrisches Signal um. Im Folgenden können der Szintillator S, der Lichtleiter 11 und das Lichtempfangselement 7 gemeinsam als Detektionssystem bezeichnet werden. Ein Lichtempfangselement, das eine Photovervielfacherröhre oder einen Halbleiter verwendet, kann als Lichtempfangselement 7 verwendet werden. Das Lichtempfangselement 7 kann an einer beliebigen Position angeordnet sein, solange Lichtemission des Szintillators S in dieses eingespeist werden kann. Das Lichtempfangselement 7 ist in 1 in einer Probenkammer 13 angeordnet aber das Lichtempfangselement 7 kann auch außerhalb der Probenkammer 13 angeordnet sein. Das Licht wird in 1 von dem Szintillator S unter Verwendung des Lichtleiters in das Lichtempfangselement 7 eingespeist, aber es kann durch andere Verfahren oder andere Anordnungen eingespeist werden.
Ein durch das Lichtempfangselement 7 erhaltenes Signal wird in ein Bild umgewandelt, das einer Elektronenstrahl-Bestrahlungsposition entspricht, und das Bild wird angezeigt. Ein elektronenoptisches System zum Fokussieren des Primärelektronenstrahls 12 und Bestrahlen der Probe mit dem Primärelektronenstrahl 12, d. h. ein Ablenker, eine Linse, eine Blende und eine Objektivlinse, sind nicht gezeigt. Ein elektronenoptischer Tubus 10 ist in dem elektronenoptischen System angeordnet. Die Probe 8 wird so auf einen Probentisch gelegt, dass sie sich in einem beweglichen Zustand befindet. Die Probe 8 und der Probentisch sind in der Probenkammer 13 angeordnet. Im Allgemeinen wird die Probenkammer 6 zur Zeit der Elektronenstrahlbestrahlung in einem Unterdruckzustand gehalten. Das Elektronenmikroskop ist mit einer Steuereinheit, die den Betrieb aller Komponenten und jeder Komponente steuert, einer Anzeigeeinheit, die ein Bild anzeigt, und einer Eingabeeinheit, über die ein Anwender eine Betriebsbefehl des Elektronenmikroskops eingibt, verbunden, jedoch sind die Steuereinheit, die Anzeigeeinheit und die Eingabeeinheit nicht gezeigt.
Das Elektronenmikroskop ist ein Beispiel für die Konfiguration, und andere Konfigurationen können angewendet werden, solange es sich um ein Elektronenmikroskop handelt, das den Szintillator enthält. Das Sekundärteilchen 7 umfasst auch ein Transmissionselektron und ein Abtasttransmissionselektron. Der Einfachheit halber ist nur ein Detektor gezeigt, jedoch können ein Detektor zur Detektion reflektierter Elektronen und ein Detektor zur Detektion von Sekundärelektronen separat bereitgestellt sein und es können mehrere Detektoren bereitgestellt sein, um einen Azimutwinkel oder einen Höhenwinkel zu unterscheiden und zu detektieren. 1 zeigt ein Beispiel, bei dem der Szintillator S als Öffnungsbildungselement angeordnet ist, das eine Öffnung bildet, durch die ein Strahl hindurchtreten kann. Der gleiche Effekt kann jedoch auch durch andere Anordnungen erzielt werden.
Im Folgenden wird eine spezifische Konfiguration des Szintillators beschrieben. 2 ist eine schematische Ansicht, die den Szintillator S gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt. Ein Material eines lichtemittierenden Teils 1 der Szintillators verwendet ein lichtemittierendes Element, das eine Quantentopfstruktur aufweist, die GaN enthält.
Als Struktur und Herstellungsverfahren des lichtemittierenden Teils 1 des Szintillators gemäß der ersten Ausführungsform wird eine GaN-Pufferschicht 4 auf einem Saphirsubstrat 6 aufgewachsen und eine große Anzahl von Schichten wird auf der GaN-Pufferschicht 4 aufgewachsen, um eine Quantentopfstruktur 3 auszubilden, indem die Zusammensetzung einer Schicht geändert wird, die Ga_1-x-yAl_xIn_yN enthält (wobei 0 ≤ x <1, 0 ≤ y < 1). Auf der Quantentopfstruktur 3 ist eine AI-Schicht als leitfähige Schicht 2 ausgebildet. Die AI-Schicht 2 ist auf einer Seite ausgebildet, auf die ein zu detektierender Ladungsträger in der Ladungsträgerstrahlvorrichtung einfällt. Als Material der leitfähigen Schicht 2 können andere Materialien als AI oder Legierungen verwendet werden, solange es sich um ein leitfähiges Material handelt. Eine Dicke der leitfähigen Schicht 2 muss gemäß einer Energie des Ladungsträgerstrahls eingestellt werden. Beispielsweise ist es in einem Fall, in dem das Material Al ist und der zu detektierende Ladungsträger ein Elektronenstrahl von 3 kV bis 12 kV ist, erwünscht, dass die Dicke der leitfähigen Schicht 2 in einem Bereich von 30 nm bis 1000 nm eingestellt wird.
Das Saphirsubstrat 6 hat eine Scheibenform mit einem φ von 2 Zoll. Eine Dicke c der Pufferschicht wird bis zu einer Dicke in einem Bereich von 3 µm bis 10 µm aufgewachsen. Die Quantentopfstruktur 3 enthält mindestens drei oder mehr Schichten, die nachstehend gezeigt sind. Die Quantentopfstruktur 3 enthält: eine lichtemittierende Schicht 21, in der eine Quantentopfschicht mit einer Zusammensetzung von Ga_1-x-yAl_xIn_yN und eine Sperrschicht mit einer Zusammensetzung von GaN abwechselnd für einen Zyklus oder mehr überlappen; eine nicht lichtemittierende Schicht 22, die beispielsweise eine Zusammensetzung von GaN aufweist und direkt unter der lichtemittierenden Schicht 21 angeordnet ist; und eine lichtemittierende Schicht 23, die direkt unter der nicht lichtemittierenden Schicht 22 angeordnet ist und in der sich eine Quantentopfschicht mit einer Zusammensetzung aus Ga_1-x-yAl_xIn_yN und eine Sperrschicht mit einer Zusammensetzung von GaN abwechselnd für einen Zyklus oder mehr überlappen. Die Dicke der lichtemittierenden Schicht 21, der nicht lichtemittierenden Schicht 22 und der lichtemittierenden Schicht 23 liegt jeweils in einem Bereich von 10 nm bis 1000 nm und die Dicke jeder Schicht kann verschieden sein. In Bezug auf die Struktur wird die leitfähige Schicht 2 durch Aufdampfen mit einer Dicke in einem Bereich von 40 nm bis 200 nm gebildet, um eine Aufladung zum Zeitpunkt des Einfalls von Elektronen zu verhindern. Dann werden die Schichten auf eine vorbestimmte Größe herausgeschnitten und als Szintillator verwendet. 3 zeigt ein Beispiel eines Lichtemissionsspektrums des oben beschriebenen Szintillators.
Die Dicken und die Zusammensetzungen der Quantentopfschicht und der Sperrschicht können nach Bedarf geeignet ausgewählt werden. Eine Grenzfläche 5 zwischen dem lichtemittierenden Teil 1 und dem Saphirsubstrat 6 kann eine flache Oberfläche und eine unebene Struktur sein. Wenn beispielsweise eine vorstehende Struktur mit einer Strukturteilung von 10 nm bis 10000 nm und einer Strukturhöhe von 10 nm bis 10000 nm kontinuierlich ausgebildet wird, ist es effektiv, die Lichtemissionsleistung durch Lichtemissionsextraktion zu verbessern. Mehrere nicht lichtemittierende Schichten 22 können in der Quantentopfschicht 3 ausgebildet werden und die Dicke und die Anzahl der lichtemittierenden Schichten 21, 23 können ebenfalls erhöht werden.
Hierbei wird ein neuer Effekt zwischen den Schichtdicken der lichtemittierenden Schichten 21, 22 und der nicht lichtemittierenden Schicht 22 und der Spannungsabhängigkeit der Lichtemissionsintensität festgestellt. Durch eine Spannung, die angelegt wird und beschleunigt, ändert sich die Energie des Ladungsträgerstrahls und die Eindringtiefe des Ladungsträgerstrahls in den Szintillator. Im Allgemeinen erreicht der Ladungsträgerstrahl dann, wenn die angelegte Spannung hoch ist, einen Abschnitt mit einer großen Dicke; wenn die angelegte Spannung niedrig ist, erreicht der Ladungsträgerstrahl nur einen Abschnitt mit einer geringen Dicke.
5(a) zeigt als Vergleichsbeispiel eine Lichtemissionskennlinie eines Szintillators, bei dem nur ein Abschnitt, der der lichtemittierenden Schicht 21 entspricht und eine Dicke von 50 nm aufweist, direkt unter der leitfähigen Schicht 2 ausgebildet ist. 5(a) zeigt die Abhängigkeit der Lichtemissionsintensität in einem Fall, in dem eine Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl als Ladungsträgerstrahl durchgeführt wird und eine angelegte Spannung, die den Elektronenstrahl beschleunigt, von 2 kV bis 12 kV geändert wird. Wenn die angelegte Spannung ungefähr 8 kV beträgt, ist die Lichtemissionsintensität groß; Wenn die angelegte Spannung etwa 8 kV beträgt, ist eine Änderung der Lichtemissionsintensität aufgrund einer Änderung der angelegten Spannung gering. Wenn die angelegte Spannung jedoch 9 kV oder mehr beträgt, nimmt die Lichtemissionsintensität ab und es tritt eine starke Änderung auf. Dies liegt daran, dass dann, wenn die angelegte Spannung hoch ist, die Energie des Ladungsträgers zu hoch ist und es durch die relativ flache lichtemittierende Schicht hindurchgeht, da die Dicke der lichtemittierenden Schicht direkt unter der leitfähigen Schicht 2 50 nm beträgt, und die Energieübertragung auf den Szintillator nicht ausreichend ist, wodurch die Lichtemissionsintensität verringert wird.
Wenn die angelegte Spannung 6 kV oder weniger beträgt, nimmt auch die Lichtemissionsintensität stark ab. Dies liegt daran, dass die Energie des Ladungsträgerstrahls, der die lichtemittierende Schicht erreicht, abnimmt und die auf den Szintillator übertragene Energie abnimmt.
5(b) zeigt als Vergleichsbeispiel eine Lichtemissionskennlinie eines Szintillators, bei dem eine nicht lichtemittierende GaN-Schicht direkt unter der leitfähigen Schicht 2 angeordnet ist, und nur ein Abschnitt, der der lichtemittierenden Schicht 23 entspricht und eine Dicke von 100 nm hat, von einer Tiefe von 100 nm an ausgebildet ist. 5(b) zeigt die Abhängigkeit der Lichtemissionsintensität in einem Fall, in dem eine Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl als Ladungsträgerstrahl durchgeführt wird und eine angelegte Spannung, die den Elektronenstrahl beschleunigt, von 2 kV bis 12 kV geändert wird. Wenn die angelegte Spannung in einem Bereich von 8 kV bis 12 kV liegt, ist die Lichtemissionsintensität groß und eine durch die angelegte Spannung verursachte Änderung der Lichtemissionsintensität ist relativ klein und liegt in einem flachen Bereich. Wenn jedoch die angelegte Spannung 7 kV oder weniger beträgt, nimmt die Lichtemissionsintensität ab und es tritt eine starke Änderung auf. Dies liegt daran, dass sich die lichtemittierende Schicht in einem relativ tiefen Bereich befindet, so dass die Energie des Ladungsträgerstrahls, der die lichtemittierende Schicht erreicht, abnimmt und die auf den Szintillator übertragene Energie abnimmt.
Dementsprechend ist in einem Fall, in dem die lichtemittierende Schicht eine durchgehende Schicht ist, gezeigt, dass der Bereich der angelegten Spannung, der ein flacher Abschnitt mit einer kleinen durch die Änderung der angelegten Spannung verursachten Änderung der Lichtemissionsintensität ist, ziemlich schmal ist. Die Erfinder stellen fest, dass durch Einfügen der nicht lichtemittierenden Schicht 22 zwischen den lichtemittierenden Schichten der Bereich der angelegten Spannung, der ein flacher Abschnitt mit geringer Änderung der Lichtemissionsintensität ist, stark vergrößert wird.
6 ist ein Diagramm, das eine Lichtemissionskennlinie einer Quantentopfstruktur zeigt, bei der eine nicht lichtemittierende Schicht zwischen lichtemittierenden Schichten angeordnet ist. Die vorliegende Ausführungsform zeigt eine Lichtemissionskennlinie eines Szintillators, bei dem die lichtemittierende Schicht 21 mit einer Dicke von 10 nm bis 50 nm direkt unter der leitfähigen Schicht 2 ausgebildet ist, die nicht lichtemittierende GaN-Schicht 22 mit einer Dicke von 20 nm bis 100 nm direkt unter der lichtemittierenden Schicht 21 ausgebildet ist und die lichtemittierende Schicht 23 mit einer Dicke von 100 nm bis 500 nm direkt unter der nicht lichtemittierenden GaN-Schicht 22 ausgebildet ist. 6 zeigt die Abhängigkeit der Lichtemissionsintensität in einem Fall, in dem eine Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl als Ladungsträgerstrahl durchgeführt wird und eine angelegte Spannung, die den Elektronenstrahl beschleunigt, von 2 kV bis 12 kV geändert wird. Es wird gezeigt, dass dann, wenn die angelegte Spannung in einem weiten Bereich von 4 kV bis 12 kV liegt, die Lichtemissionsintensität groß ist und eine Änderung der Lichtemissionsintensität, die durch die angelegte Spannung verursacht wird, relativ klein und in einem flachen Bereich ist. Die hier gezeigte Struktur ist ein Beispiel. Wenn mindestens eine nicht lichtemittierende GaN-Schicht 22 eingefügt wird, kann ein Effekt der Offenbarung auch im Fall einer anderen Schichtdicke oder einer anderen Struktur erzielt werden.
7 zeigt Lichtemissionskennlinien von einer Quantentopfstruktur, bei der die nicht lichtemittierende Schicht zwischen den lichtemittierenden Schichten angeordnet ist, bzw. anderen Vergleichsbeispielen. 7 zeigt die Abhängigkeit der Lichtemissionsintensität in einem Fall, in dem eine Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl als Ladungsträgerstrahl durchgeführt wird und eine angelegte Spannung, die den Elektronenstrahl beschleunigt, von 2 kV bis 12 kV geändert wird. Eine Kennlinie der vorliegenden Ausführungsform mit der gleichen Struktur wie oben wird mit der eines ersten Vergleichsbeispiels mit nur einer lichtemittierenden Schicht von 200 nm direkt unter der leitfähigen Schicht 2 und der eines zweiten Vergleichsbeispiels mit nur einer lichtemittierenden Schicht von 400 nm direkt unter der leitfähigen Schicht 2 verglichen. Wenn die angelegte Spannung in einem Bereich von 2 kV bis 8 kV liegt, zeigen die Vergleichsbeispiele 1, 2 eine starke Änderung der Lichtemissionsintensität und weisen einen schmalen flachen Abschnitt auf. Dementsprechend tritt auch dann, wenn die Dicke der lichtemittierenden Schicht geändert wird, eine starke Änderung auf, solange nur die lichtemittierende Schicht vorhanden ist. In der vorliegenden Ausführungsform wird indes der flache Abschnitt, der die Änderung der Lichtemissionsintensität anzeigt, erhalten, wenn die angelegte Spannung in einem weiten Bereich von 4 kV bis 12 kV liegt.
Als Ergebnis einer Untersuchung der Erfinder kann die Dicke aller lichtemittierenden Schichten in Abhängigkeit von der Art des Ladungsträgerstrahls in einem Bereich von 30 nm bis 10000 nm liegen. In diesem Fall kann die Dicke der nicht lichtemittierenden Schicht 22 in einem Bereich von 10 nm bis 5000 nm liegen. Die Erfinder stellen fest, dass es besonders effektiv ist, wenn die Dicke aller lichtemittierenden Schichten 50 nm bis 1000 nm beträgt und die Dicke der nicht lichtemittierenden Schicht 22 in einem Bereich von 20 nm bis 500 nm liegt. Eine Kennlinie, bei der die Änderung der Lichtemissionsintensität flach ist, wenn die angelegte Spannung in dem Bereich von 4 kV bis 12 kV liegt, ist besonders effektiv für einen Detektor der Sekundärelektronen und der reflektierten Elektronen in dem Elektronenmikroskop oder dergleichen. Die Energie der reflektierten Elektronen ändert sich in Abhängigkeit von der Energie des Primärelektronenstrahls, eines Beobachtungsziels und einer Bestrahlungsposition. Insbesondere ist die Beobachtung der reflektierten Elektronen wichtig, wenn die angelegte Spannung in dem Bereich von 4 kV bis 12 kV liegt. Wenn sich jedoch die Lichtemissionsintensität aufgrund dessen, dass Elektronen verschiedene Energien aufweisen, stark ändert, ändert sich die Lichtemissionsintensität auch dann, wenn die Einfallsmengen der Elektronen gleich sind, und die Genauigkeit zum korrekten Messen der Einfallsmenge sinkt. Dies führt beispielsweise zu unnötigem Kontrast oder Bildschirmschatten in einem Bild, was die korrekte Beobachtung behindert. Dementsprechend ist die Offenbarung sehr wirksam darin, die Messgenauigkeit und die Bildqualität der Ladungsträgerstrahlvorrichtung zu verbessern. Daher kann die Ladungsträgervorrichtung, die den Detektor verwendet, der den Szintillator gemäß der Offenbarung enthält, gute Eigenschaften erzielen.
In der Konfiguration der vorliegenden Ausführungsform kann in der lichtemittierenden Schicht 21, die direkt unter der leitfähigen Schicht 2 angeordnet ist, eine Schicht in Kontakt mit der leitfähigen Schicht 2 eine Zusammensetzung von Ga_1-yIn_yN aufweisen (wobei 0 < y < 1). In diesem Fall ist eine Schicht, die In enthält, direkt unter der AI-Schicht angeordnet, so dass die Leitfähigkeit höher als die der GaN-Schicht ist und eine Bandlücke klein ist. Somit fließt das Elektron leicht in die Al-Schicht. Daher kann sich das auf die Quantentopfstruktur 3 einfallende Elektron sofort in die Al-Schicht bewegen. Die AI-Schicht ist als Leiter angeordnet und das Elektron wird entfernt, ohne in dem lichtemittierenden Teil 1 des Szintillators zu verbleiben.
In einem Fall, in dem das auf die Quantentopfstruktur 3 einfallende Elektron nicht sofort entfernt wird, wird das verbleibende Elektron eine negative Ladung, wirkt als eine abstoßende Kraft auf das danach einfallende Elektron, verringert den Einfallsbetrag des Elektrons und bewirkt eine Abnahme der Lichtemissionsausgabe. Zusätzlich verursacht das verbleibende Elektron eine verzögerte Lichtemission, bei der Licht nach dem Einfall ein wenig später emittiert wird, was eine Verringerung der Lichtemissionsgeschwindigkeit bewirkt.
Gemäß der obigen Konfiguration wird das Elektron nach dem Einfall sofort entfernt, so dass eine Erhöhung der Lichtemissionsausgabe und eine Erhöhung der Lichtemissionsgeschwindigkeit erzielt werden kann. 4 zeigt ein Ergebnis der Auswertung einer Änderung der Lichtemissionsausgabe nach dem Einfall in den Szintillator der vorliegenden Ausführungsform bei extrem hoher Geschwindigkeit in der Einheit von ns. Es ist aus 4 ersichtlich, dass die Lichtemission10 ns oder weniger nach dem Anstieg verschwindet. Dies ist ein Grund, warum das verbleibende Elektron sofort entfernt wird.
Wenn die Abklingzeit der Lichtemission lang ist, kann ein Einfallsintervall des Elektrons nicht verkürzt werden, und die Messung kann nicht mit hoher Geschwindigkeit durchgeführt werden. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Abklingzeit sehr kurz und die Messung kann mit hoher Geschwindigkeit durchgeführt werden. Dementsprechend ist gezeigt, dass eine Ansprechcharakteristik des Lichts in der vorliegenden Ausführungsform wesentlich schneller ist als jene der Vergleichsbeispiele. Bei der Konfiguration, die den Detektor verwendet, der den Szintillator enthält, kann ein Hochleistungs-Ladungsträgerstrahldetektor erhalten werden, der in der Lage ist, das Abtasten mit hoher Geschwindigkeit durchzuführen.
In der vorliegenden Ausführungsform kann die Position direkt unter der leitfähigen Schicht 2 alternativ mit einer GaN-Schicht oder einer Schicht, die eine andere Zusammensetzung enthält, versehen sein. Auch in einem solchen Fall können die oben beschriebenen Wirkungen erzielt werden.
Die obige Beschreibung gibt hauptsächlich ein Beispiel an, bei dem der Szintillator auf den Detektor des Rasterelektronenmikroskops oder dergleichen angewendet wird. Der oben beschriebene Szintillator kann jedoch als Detektor einer Massenanalysevorrichtung verwendet werden. 8 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration des Massenanalysators beschreibt. Die Massenanalysevorrichtung führt eine Massentrennung an Ionen durch die elektromagnetische Wirkung durch und misst ein Masse/Ladungs-Verhältnis der zu messenden Ionen. Eine Massentrennungseinheit kann ein QMS-Typ, ein Ionenfallen-Typ, ein Flugzeit-Typ (TOF-Typ), ein FT-ICR-Typ, ein Orbitrap-Typ oder ein Typ, der diese Typen kombiniert, sein. Die Massenanalysevorrichtung, die in 8 gezeigt ist, bewirkt, dass die in der Massentrennungseinheit nach Masse ausgewählten Ionen mit einer als Umwandlungsdynode bezeichneten Umwandlungselektrode zusammenstoßen, wandelt das Ion in ein geladenes Teilchen um, detektiert das erzeugte geladene Teilchen in einem Szintillator und detektiert das emittierte Licht, wodurch eine Signalausgabe erhalten wird. Der oben beschriebene Szintillator wird als Szintillator der in 8 gezeigten Massenanalysevorrichtung angewendet, so dass eine Massenanalysevorrichtung geschaffen werden kann, die in der Lage ist, eine Analyse mit hoher Geschwindigkeit und hoher Empfindlichkeit durchzuführen.
Bezugszeichenliste

1: Lichtemittierender Teil des Szintillators
2: Leitfähige Schicht
3: Quantentopfstruktur
4: Pufferschicht
5: Grenzfläche zwischen lichtemittierendem Teil und Substrat
6: Substrat
7: Lichtempfangselement
8: Probe
9: Elektronenquelle
10: Elektronenoptischer Tubus
11: Lichtleiter
12: Primärelektronenstrahl
13: Probenkammer
14: Sekundärelektronenstrahl
21: Lichtemittierende Schicht
22: Nicht lichtemittierende Schicht
23: Lichtemittierende Schicht

Claims

Ladungsträgerdetektor, der einen Ladungsträger detektiert, der durch Bestrahlen einer Probe (8) mit einem Ladungsträgerstrahl erhalten wird, wobei der Ladungsträgerdetektor Folgendes umfasst: einen ersten lichtemittierenden Teil (21), der eine Schicht ist, in der eine Quantentopfschicht mit einer Zusammensetzung von Ga_1-x-yAl_xln_yN wobei 0 ≤ x < 1, 0 ≤ y < 1, und eine Sperrschicht mit einer Zusammensetzung von GaN abwechselnd für einen Zyklus oder mehr laminiert sind; einen zweiten lichtemittierenden Teil (23), der eine Schicht ist, in der eine Quantentopfschicht mit einer Zusammensetzung von Ga_1-x-yAl_xln_yN enthält, wobei 0 ≤ x < 1, 0 ≤ y < 1, und eine Sperrschicht mit einer Zusammensetzung von GaN abwechselnd für einen Zyklus oder mehr laminiert sind; und einen nicht lichtemittierenden Teil (22), der eine Schicht ist, die zwischen dem ersten lichtemittierenden Teil (21) und dem zweiten lichtemittierenden Teil (23) angeordnet ist.
Ladungsträgerdetektor nach Anspruch 1, wobei der nicht lichtemittierende Teil (22) eine Schicht ist, die GaN enthält und dicker ist als eine GaN-Schicht, die in dem lichtemittierenden Teil (21, 22) enthalten ist.
Ladungsträgerdetektor nach Anspruch 1, wobei eine Gesamtdicke eines Abschnitts, der den ersten lichtemittierenden Teil (21), den zweiten lichtemittierenden Teil (23) und den nicht lichtemittierenden Teil (22) enthält, 30 nm bis 10000 nm beträgt, und eine Dicke des nicht lichtemittierenden Teils (22) 10 nm bis 5000 nm beträgt.
Ladungsträgerdetektor nach Anspruch 1, wobei eine Gesamtdicke eines Abschnitts, der den ersten lichtemittierenden Teil (21), den zweiten lichtemittierenden Teil (23) und den nicht lichtemittierenden Teil (22) enthält, 50 nm bis 1000 nm beträgt, und eine Dicke des nicht lichtemittierenden Teils (22) 20 nm bis 500 nm beträgt.
Ladungsträgerstrahlvorrichtung, die Folgendes umfasst: einen Ladungsträgerdetektor, der Ladungsträger detektiert, die durch Bestrahlen einer Probe (8) mit einem Ladungsträgerstrahl erhalten werden, wobei der Ladungsträgerdetektor Folgendes umfasst: einen ersten lichtemittierenden Teil (21), der eine Schicht ist, in der eine Quantentopfschicht mit einer Zusammensetzung von Ga_1-x-yAl_xln_yN wobei 0 ≤ x < 1, 0 ≤ y < 1, und eine Sperrschicht mit einer Zusammensetzung von GaN abwechselnd für einen Zyklus oder mehr laminiert sind; einen zweiten lichtemittierenden Teil (23), der eine Schicht ist, in der eine Quantentopfschicht mit einer Zusammensetzung von Ga_1-x-yAl_xln_yN, wobei 0 ≤ x < 1, 0 ≤ y < 1, und eine Sperrschicht mit einer Zusammensetzung von GaN abwechselnd für einen Zyklus oder mehr laminiert sind; und einen nicht lichtemittierenden Teil (22), der eine Schicht ist, die zwischen dem ersten lichtemittierenden Teil (21) und dem zweiten lichtemittierenden Teil (23) angeordnet ist.
Massenanalysevorrichtung, die Folgendes umfasst: eine Massentrennungseinheit, die eine Massentrennung an Ionen durchführt; und einen Detektor, der die von der Massentrennungseinheit getrennten Ionen detektiert, wobei der Detektor Folgendes umfasst: einen ersten lichtemittierenden Teil (21), der eine Schicht ist, in der eine Quantentopfschicht mit einer Zusammensetzung von Ga_1-x-yAl_xln_yN, wobei 0 ≤ x < 1, 0 ≤ y < 1, und eine Sperrschicht mit einer Zusammensetzung von GaN abwechselnd für einen Zyklus oder mehr laminiert sind; einen zweiten lichtemittierenden Teil (23), der eine Schicht ist, in der eine Quantentopfschicht mit einer Zusammensetzung von Ga_1-x-yAl_xln_yN, wobei 0 ≤ x < 1, 0 ≤ y < 1, und eine Sperrschicht mit einer Zusammensetzung von GaN abwechselnd für einen Zyklus oder mehr laminiert sind; und einen nicht lichtemittierenden Teil (22), der eine Schicht ist, die zwischen dem ersten lichtemittierenden Teil (21) und dem zweiten lichtemittierenden Teil (23) angeordnet ist.