DE112018007843T5

DE112018007843T5 - Mit einem strahl geladener teilchen arbeitende vorrichtung

Info

Publication number: DE112018007843T5
Application number: DE112018007843.4T
Authority: DE
Inventors: Yoshifumi Sekiguchi; Shin Imamura; Shunsuke Mizutani; Shahedul Hoque; Uki Ikeda
Original assignee: Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2018-09-21
Filing date: 2018-09-21
Publication date: 2021-04-01
Anticipated expiration: 2038-09-22
Also published as: US20230030651A1; JPWO2020059114A1; US20210183614A1; CZ309373B6; CZ20227A3; WO2020059114A1; US11694873B2; DE112018007843B4; CZ202187A3; JP6984035B2; IL281169A; US11515120B2; CZ309147B6

Abstract

Es ist eine mit einem Strahl geladener Teilchen arbeitende Vorrichtung vorgesehen, bei der ein Lichtleiter verwendet wird, wodurch der Lichtausnutzungsgrad verbessert werden kann. Die mit einem Strahl geladener Teilchen arbeitende Vorrichtung weist einen Detektor 16, der einen Szintillator 10 aufweist, der dafür ausgelegt ist, Licht zu emittieren, wenn geladene Teilchen darauf fallen, ein Lichtempfangselement 12 und einen Lichtleiter 11, der dafür ausgelegt ist, das vom Szintillator 10 erzeugte Licht zum Lichtempfangselement 12 zu leiten, auf. Der Lichtleiter 11 weist Folgendes auf: eine Einfallsfläche 11a, die einer Lichtemissionsfläche des Szintillators 10 gegenübersteht und auf die das vom Szintillator 10 emittierte Licht fällt, eine Emissionsfläche 11b, die dem Lichtempfangselement 12 gegenübersteht und dafür ausgelegt ist, Licht zu emittieren, und eine Reflexionsfläche 11c1, die der Einfallsfläche 11a gegenübersteht und in Bezug auf die Einfallsfläche 11a geneigt ist, so dass das von der Einfallsfläche 11a einfallende Licht in Richtung der Emissionsfläche 11b reflektiert wird. Die Emissionsfläche 11b ist kleiner als die Einfallsfläche 11a. Eine Neigungsfläche 11d ist zwischen der Einfallsfläche 11a und der Emissionsfläche 11b bereitgestellt, steht der Reflexionsfläche 11c1 gegenüber und ist in Bezug auf die Einfallsfläche 11a geneigt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine mit einem Strahl geladener Teilchen arbeitende Vorrichtung und insbesondere eine mit einem Strahl geladener Teilchen arbeitende Vorrichtung, die einen Lichtleiter aufweist, der Licht mit hoher Effizienz zu einem Lichtempfangselement leitet.
Technischer Hintergrund
Eine mit einem Strahl geladener Teilchen arbeitende Vorrichtung, die durch Bestrahlen einer Probe mit Strahlen geladener Teilchen in der Art von Elektronenstrahlen erhaltene geladene Teilchen detektiert, weist einen Detektor auf, der die geladenen Teilchen detektiert. Der Detektor weist beispielsweise ein Ladungsdetektionselement in der Art eines Szintillators, das durch Bestrahlen einer Probe mit einem Strahl geladener Teilchen erzeugte zweite geladene Teilchen erfasst und die zweiten geladenen Teilchen in Licht wandelt, ein Lichtempfangselement, das das vom Ladungsdetektionselement emittierte Licht in ein elektrisches Signal wandelt, und einen Lichtleiter, der das vom Leitungsdetektionselement emittierte Licht zum Lichtempfangselement überträgt, auf. Das vom Lichtempfangselement ausgegebene elektrische Signal ist ein Bildsignal oder ein Wellenformsignal.
In den letzten Jahren wurden verschiedene Detektoren abhängig vom Detektionsziel vorgeschlagen. Beispielsweise ist es bei einem zur Beurteilung und Messung einer Halbleitervorrichtung verwendeten Rasterelektronenmikroskop erforderlich, Bodenabmessungen von Löchern und Rillen auf einem Halbleitersubstrat mit hoher Genauigkeit zu messen, um die Ausbeute zu verbessern, weil die Strukturen von Halbleitervorrichtungen in der Art eines Speichers dreidimensional werden.
Bei einer Messung, bei der ein Rasterelektronenmikroskop verwendet wird, ist der Strahl geladener Teilchen, mit dem die Probe bestrahlt wird, ein Elektronenstrahl, der in der vorliegenden Patentschrift als Primärelektronenstrahl bezeichnet wird. Die durch Bestrahlung mit dem Primärelektronenstrahl erzeugten zweiten geladenen Teilchen sind Elektronen, die in der vorliegenden Patentschrift als Signalelektronen bezeichnet werden. Wenn die Probe mit dem Primärelektronenstrahl bestrahlt wird, werden Signalelektronen mit unterschiedlichen Energien durch die Wechselwirkung zwischen den Elektronen und der Probe in verschiedene Richtungen ausgesendet.
Im Allgemeinen werden die Signalelektronen grob in Abhängigkeit von ihrer Energie klassifiziert, wobei mit einer Energie von höchstens 50 eV emittierte Signalelektronen als Sekundärelektronen bezeichnet werden und mit einer Energie, die näher bei der Energie des Primärelektronenstrahls liegt und größer als 50 eV ist, emittierte Signalelektronen als reflektierte Elektronen bezeichnet werden. Beispielsweise offenbart NPL 1, dass die Sekundärelektronen für die Oberflächenform und das Potential einer Probe empfindlich sind und für die Messung von Abmessungen einer Oberflächenstruktur in der Art einer Musterbreite einer Halbleitervorrichtungsstruktur geeignet sind. Die Sekundärelektronen können jedoch nicht aus Löchern und Rillen entweichen, weil sie durch Seitenwände einer 3D-Struktur beispielsweise von Löchern und Rillen absorbiert werden und dann keine Detektion und Messung erfolgen können.
Andererseits offenbart PTL 1, dass die reflektierten Elektronen Informationen über die Zusammensetzung oder die Gesamtform der Probe aufweisen, so dass Informationen in der Art der 3D-Struktur oder unterschiedlicher Zusammensetzungen zwischen einer Oberfläche und einem Boden erhalten werden können. Weil die reflektierten Elektronen eine hohe Energie aufweisen, können sie aus einem Loch und einer Rille durch eine Seitenwand entweichen, so dass ein Signal vom Boden einer Struktur des Lochs und der Rille erfasst und gemessen werden kann.
Wie vorstehend beschrieben, sind, weil die Signalelektronen unterschiedliche Energien aufweisen und in verschiedene Richtungen emittiert werden, abhängig von der Energie der Signalelektronen verschiedene Detektoren und dergleichen erforderlich.
Beispielsweise beschreibt PTL 2 einen Ringdetektor und beschreibt PTL 3 einen Detektor mit einem Lichtleiter, der mit einem gebogenen Abschnitt versehen ist.
Zitatliste
Patentliteratur

PTL 1: JP-A-2015-106530
PTL 2: US 7928383
PTL 3: JP-A-2017-183126

Nicht-Patentliteratur
NPL 1: L. Reimer, Scanning Electron Microscopy (1998, Springer)
Kurzfassung der Erfindung
Technisches Problem
Zur Detektion von Signalelektronen mit hoher Effizienz durch einen Detektor müssen durch das Ladungsdetektionselement möglichst viele zweite geladene Teilchen empfangen werden und muss das vom Ladungsdetektionselement emittierte Licht möglichst effizient zum Lichtempfangselement übertragen werden. In Bezug auf das zuerst Genannte können durch Vergrößern der Fläche des Ladungsdetektionselements mehr zweite geladene Teilchen empfangen werden. Das zuletzt Genannte kann durch Verbessern des Lichtausnutzungsgrads eines optischen Lichtleitsystems verbessert werden. Wenn die Fläche des Ladungsdetektionselements vergrößert wird, wird auch die Lichtemissionsfläche des Ladungsdetektionselements vergrößert. Andererseits ist in Bezug auf die Fläche des Lichtempfangselements der Platz für die Anordnung des Detektors beschränkt, und es wurde bisher kein für praktische Anwendungen geeignetes großflächiges Lichtempfangselement eingesetzt, so dass es erforderlich sein kann, ein Lichtempfangselement mit einer kleinen Lichtempfangsfläche zu verwenden. In diesem Fall ist es erforderlich, das von einer großen Lichtemissionsfläche des Ladungsdetektionselements emittierte Licht auf einer kleinen Lichtempfangsfläche des Lichtempfangselements zu empfangen.
Weil Lichtleiter aus dem Stand der Technik dies nicht berücksichtigen, weisen sie keine Form auf, die dafür vorgesehen ist, Licht an einer großen Lichtemissionsfläche zu sammeln und zu einer kleinen Lichtempfangsfläche zu überführen. Deshalb ergibt sich das Problem, dass von der großen Lichtemissionsfläche auf den Lichtleiter fallendes Licht aus dem Lichtleiter streut, bevor es die kleine Lichtempfangsfläche erreicht, und dass der Lichtausnutzungsgrad (das Verhältnis zwischen dem das Lichtempfangselement erreichenden Licht und dem von dem Ladungsdetektionselement emittierten Licht) gering ist.
Die Erfindung sieht daher eine mit einem Strahl geladener Teilchen arbeitende Vorrichtung vor, bei der ein Lichtleiter verwendet wird, wodurch der Lichtausnutzungsgrad verbessert werden kann.
Lösung des Problems
Zur Lösung der vorstehend erwähnten Probleme weist eine mit einem Strahl geladener Teilchen arbeitende Vorrichtung gemäß der Erfindung Folgendes auf: einen Detektor, der dafür ausgelegt ist, geladene Teilchen, die von einer Probe emittiert werden, die mit einem von einer Quelle geladener Teilchen emittierten Strahl geladener Teilchen bestrahlt wird, und/oder geladene Teilchen, die bei einer Kollision der von der Probe emittierten geladenen Teilchen mit einem anderen Element erzeugt werden, zu detektieren. Der Detektor weist einen Szintillator, der dafür ausgelegt ist, Licht zu emittieren, wenn geladene Teilchen einfallen, ein Lichtempfangselement, das dafür ausgelegt ist, Licht in ein elektrisches Signal zu wandeln, und einen Lichtleiter, der dafür ausgelegt ist, das vom Szintillator erzeugte Licht zum Lichtempfangselement zu leiten, auf. Der Lichtleiter weist Folgendes auf: eine Einfallsfläche, die einer Lichtemissionsfläche des Szintillators gegenübersteht und auf die das vom Szintillator emittierte Licht fällt, eine Emissionsfläche, die dem Lichtempfangselement gegenübersteht und dafür ausgelegt ist, Licht zu emittieren, und eine Reflexionsfläche, die der Einfallsfläche gegenübersteht und in Bezug auf die Einfallsfläche geneigt ist, so dass das von der Einfallsfläche einfallende Licht in Richtung der Emissionsfläche reflektiert wird. Die Emissionsfläche ist kleiner als die Einfallsfläche. Eine Neigungsfläche ist zwischen der Einfallsfläche und der Emissionsfläche bereitgestellt, steht der Reflexionsfläche gegenüber und ist in Bezug auf die Einfallsfläche geneigt.
Eine mit einem Strahl geladener Teilchen arbeitende Vorrichtung gemäß der Erfindung weist Folgendes auf: einen Detektor, der dafür ausgelegt ist, geladene Teilchen, die von einer Probe emittiert werden, die mit einem von einer Quelle geladener Teilchen emittierten Strahl geladener Teilchen bestrahlt wird, und/oder geladene Teilchen, die bei einer Kollision der von der Probe emittierten geladenen Teilchen mit einem anderen Element erzeugt werden, zu detektieren. Der Detektor weist einen Szintillator, der dafür ausgelegt ist, Licht zu emittieren, wenn geladene Teilchen einfallen, ein Lichtempfangselement, das dafür ausgelegt ist, Licht in ein elektrisches Signal zu wandeln, und einen Lichtleiter, der dafür ausgelegt ist, das vom Szintillator erzeugte Licht zum Lichtempfangselement zu leiten, auf. Der Lichtleiter weist Folgendes auf: eine Einfallsfläche, die einer Lichtemissionsfläche des Szintillators gegenübersteht und auf die das vom Szintillator emittierte Licht fällt, eine Emissionsfläche, die dem Lichtempfangselement gegenübersteht und dafür ausgelegt ist, Licht zu emittieren, und eine Reflexionsfläche, die der Einfallsfläche gegenübersteht und in Bezug auf die Einfallsfläche geneigt ist, so dass das von der Einfallsfläche einfallende Licht in Richtung der Emissionsfläche reflektiert wird. Die Emissionsfläche ist kleiner als die Einfallsfläche. Die Reflexionsfläche besteht aus mehreren Flächen und bedeckt zumindest einen Teil der Lichtemissionsfläche des Szintillators.
Eine mit einem Strahl geladener Teilchen arbeitende Vorrichtung gemäß der Erfindung weist Folgendes auf: einen Detektor, der dafür ausgelegt ist, geladene Teilchen, die von einer Probe emittiert werden, die mit einem von einer Quelle geladener Teilchen emittierten Strahl geladener Teilchen bestrahlt wird, und/oder geladene Teilchen, die bei einer Kollision der von der Probe emittierten geladenen Teilchen mit einem anderen Element erzeugt werden, zu detektieren. Der Detektor weist einen Szintillator, der dafür ausgelegt ist, Licht zu emittieren, wenn geladene Teilchen einfallen, ein Lichtempfangselement, das dafür ausgelegt ist, Licht in ein elektrisches Signal zu wandeln, und einen Lichtleiter, der dafür ausgelegt ist, das vom Szintillator erzeugte Licht zum Lichtempfangselement zu leiten, auf. Der Lichtleiter weist Folgendes auf: eine Einfallsfläche, die einer Lichtemissionsfläche des Szintillators gegenübersteht und auf die das vom Szintillator emittierte Licht fällt, eine Emissionsfläche, die dem Lichtempfangselement gegenübersteht und dafür ausgelegt ist, Licht zu emittieren, eine Reflexionsfläche, die der Einfallsfläche gegenübersteht und in Bezug auf die Einfallsfläche geneigt ist, so dass das von der Einfallsfläche einfallende Licht in Richtung der Emissionsfläche reflektiert wird, und eine obere Fläche, die zwischen der Reflexionsfläche und der Emissionsfläche unter einem Einfallswinkel bereitgestellt ist, der von jenem der Reflexionsfläche verschieden ist. Die Emissionsfläche ist kleiner als die Einfallsfläche. In einem den Szintillator, den Lichtleiter und das Lichtempfangselement aufweisenden Querschnitt ist die Länge der Projektion der Reflexionsfläche auf eine zur Einfallsfläche parallele Fläche größer als die Länge der Projektion der oberen Fläche auf die zur Einfallsfläche parallele Fläche.
Eine mit einem Strahl geladener Teilchen arbeitende Vorrichtung gemäß der Erfindung weist Folgendes auf: einen Detektor, der dafür ausgelegt ist, geladene Teilchen, die von einer Probe emittiert werden, die mit einem von einer Quelle geladener Teilchen emittierten Strahl geladener Teilchen bestrahlt wird, und/oder geladene Teilchen, die bei einer Kollision der von der Probe emittierten geladenen Teilchen mit einem anderen Element erzeugt werden, zu detektieren. Der Detektor weist einen Szintillator, der dafür ausgelegt ist, Licht zu emittieren, wenn geladene Teilchen einfallen, ein Lichtempfangselement, das dafür ausgelegt ist, Licht in ein elektrisches Signal zu wandeln, und einen Lichtleiter, der dafür ausgelegt ist, das vom Szintillator erzeugte Licht zum Lichtempfangselement zu leiten, auf. Der Lichtleiter weist Folgendes auf: eine Einfallsfläche, die einer Lichtemissionsfläche des Szintillators gegenübersteht und auf die das vom Szintillator emittierte Licht fällt, eine Emissionsfläche, die dem Lichtempfangselement gegenübersteht und dafür ausgelegt ist, Licht zu emittieren, und eine Reflexionsfläche, die der Einfallsfläche gegenübersteht und in Bezug auf die Einfallsfläche geneigt ist, so dass das von der Einfallsfläche einfallende Licht in Richtung der Emissionsfläche reflektiert wird. Die Emissionsfläche ist kleiner als die Einfallsfläche. Wenn der Lichtleiter parallel zur Emissionsfläche zerlegt ist, wird die Querschnittsfläche kleiner, wenn sich der Querschnitt der Emissionsfläche nähert.
Vorteilhafte Wirkung
Gemäß der Erfindung kann eine mit einem Strahl geladener Teilchen arbeitende Vorrichtung bereitgestellt werden, bei der ein Lichtleiter verwendet wird, wodurch der Lichtausnutzungsgrad verbessert werden kann.
Die zu lösenden Probleme und andere Konfigurationen und Wirkungen als die vorstehend beschriebenen werden durch die Beschreibung der folgenden Ausführungsformen klar werden.
Figurenliste
Es zeigen:

1 ein schematisches Konfigurationsdiagramm eines Rasterelektronenmikroskops gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
2 eine perspektivische Ansicht eines in 1 dargestellten Detektors,
3 eine Draufsicht des in 1 dargestellten Detektors bei Betrachtung von oben,
4 eine Bodenansicht des in 1 dargestellten Detektors bei Betrachtung von unten,
5 eine Seitenansicht des in 1 dargestellten Detektors,
6 eine Schnittansicht entlang einer Linie A-A' in einer oberen Ansicht von 2,
7 eine perspektivische Ansicht des Detektors von außen,
8 eine Schnittansicht entlang einer Linie B-B' in 7,
9 eine perspektivische Ansicht eines Detektors unter Verwendung eines Lichtleiters, dessen Reflexionsfläche aus einer ebenen Fläche besteht,
10 eine Draufsicht und eine Bodenansicht des in 9 dargestellten Detektors bei Betrachtung von oben und von unten,
11 eine Schnittansicht des in 9 dargestellten Detektors entlang einer x-Achse,
12 ein Diagramm eines Ergebnisses einer Berechnung der Abhängigkeit des Lichtausnutzungsgrads vom Winkel θc1,
13 eine andere Schnittansicht entlang einer Linie B-B' in 7,
14 eine perspektivische Ansicht und eine Vorderansicht des Lichtleiters bei Betrachtung von oben,
15 eine perspektivische Ansicht und eine Seitenansicht des in 14 dargestellten Lichtleiters bei Betrachtung von unten,
16 eine perspektivische Ansicht und eine Vorderansicht des Lichtleiters bei Betrachtung von oben, wenn der Winkel θc2 zwischen der Einfallsfläche 11a und der Reflexionsfläche 90 Grad beträgt,
17 eine perspektivische Ansicht und eine Vorderansicht des Lichtleiters bei Betrachtung von oben, wenn der Winkel θc2 verkleinert wird, bis die Reflexionsfläche 11c2 und die Reflexionsfläche 11c3 eine Emissionsfläche 11b erreichen,
18 ein Diagramm eines Ergebnisses einer Berechnung der Abhängigkeit des Lichtausnutzungsgrads vom Winkel θc2,
19 eine perspektivische Ansicht und eine Vorderansicht des Lichtleiters bei Betrachtung von oben,
20 eine perspektivische Ansicht und eine Seitenansicht des in 19 dargestellten Lichtleiters bei Betrachtung von unten,
21 eine Seitenansicht des Lichtleiters, wenn sich der Winkel θd ändert,
22 ein Diagramm eines Ergebnisses einer Berechnung der Abhängigkeit des Lichtausnutzungsgrads von der Winkeldifferenz (θd - θc1),
23 eine Seitenansicht des Lichtleiters,
24 ein Diagramm einer Modifikation der Reflexionsfläche des Lichtleiters,
25 ein schematisches Konfigurationsdiagramm eines Detektors gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung und
26 eine vergrößerte Ansicht eines Szintillators und eines Lichtleiters, wodurch ein Detektor gebildet ist, gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.

Beschreibung von Ausführungsformen
Nachstehend wird eine mit einem Strahl geladener Teilchen arbeitende Vorrichtung, die einen Detektor, der einen Szintillator als Ladungsdetektionselement verwendet, und einen Lichtleiter zwischen dem Szintillator und einem Lichtempfangselement aufweist, mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Nachstehend wird ein Elektronenmikroskop, insbesondere ein Rasterelektronenmikroskop, als Beispiel der mit einem Strahl geladener Teilchen arbeitenden Vorrichtung beschrieben, die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Beispielsweise wird als mit einem Strahl geladener Teilchen arbeitende Vorrichtung auch ein Rasterionenmikroskop, das einen Ionenstrahl verwendet, eingesetzt. Die Erfindung ist natürlich auch auf eine das Rasterelektronenmikroskop verwendende Vorrichtung zur Messung, Inspektion und Betrachtung einer Halbleiterstruktur anwendbar.
Der Szintillator in der vorliegenden Patentschrift bezieht sich auf ein Element, das beim Einfall geladener Teilchen Licht emittiert. Der Szintillator in der vorliegenden Patentschrift ist nicht auf den Szintillator beschränkt, der in den nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen dargestellt ist, und er kann verschiedene Formen und Anordnungen aufweisen.
Erste Ausführungsform
1 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm eines Rasterelektronenmikroskops gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Wie in 1 dargestellt ist, ist beim Rasterelektronenmikroskop, wobei es sich um einen Aspekt der mit einem Strahl geladener Teilchen arbeitenden Vorrichtung handelt, eine als Quelle geladener Teilchen dienende Elektronenquelle 2 innerhalb eines Elektronenmikroskoptubus 1, der sich in einer Vakuumumgebung befindet, angeordnet und bewegt sich ein von der Elektronenquelle 2 emittierter Primärelektronenstrahl (Strahl geladener Teilchen) entlang der optischen Achse 3 des Primärelektronenstrahls. Der Primärelektronenstrahl wird durch eine Objektivlinse, die eine Spule 5, einen äußeren Magnetpfad 6 und einen in Bezug auf die optische Achse 3 des Primärelektronenstrahls geneigten inneren Magnetpfad 7 aufweist, auf eine Probe 8 fokussiert. Eine negative Spannung ist an die Probe 8 angelegt, und der Primärelektronenstrahl kollidiert mit einer Energie, die kleiner ist als die von der Elektronenquelle 2 erzeugte Energie, mit der Probe 8. Ein durch die Bestrahlung mit dem Primärelektronenstrahl von der Probe 8 erzeugtes Signalelektron 9 bewegt sich entsprechend der Emissionsenergie und den Emissionswinkeln im Elektronenmikroskoptubus 1.
Ein als Ladungsdetektionselement dienender Szintillator 10 befindet sich innerhalb jeglicher die Objektivlinse bildender Elemente (gemäß der vorliegenden Ausführungsform innerhalb des äußeren Magnetpfads 6). Wenn das Signalelektron 9 mit dem Szintillator 10 kollidiert, emittiert der Szintillator 10 Licht, das durch einen Lichtleiter 11 zu einem Lichtempfangselement 12 geleitet wird. Der Szintillator 10 befindet sich oberhalb des inneren Magnetpfads 7 und unterhalb eines Ablenkers 4.
Der Szintillator 10 kann aus einer Substanz bestehen, die beim Einfall geladener Teilchen (Signalelektronen 9) Licht emittiert, und er kann beispielsweise aus einem Einkristall in der Art von YAP (YAlO₄: Ce) oder YAG (Y₃Al₅O₁₂. Ce) oder einem Pulver in der Art von Yttrium, Silikat, Cer (Y₂SiO₅: Ce), einem Halbleiter (GaN, Si, SiC) oder dergleichen bestehen. Ein Beispiel eines Halbleiterszintillators ist eine mehrschichtige Dünnfilmstruktur auf GaN-Basis in der Art eines Szintillators mit einer Quantentopfstruktur, wobei InGaN und GaN als Lichtemissionsabschnitt gestapelt sind. Die Erfindung ist jedoch nicht auf einen Szintillatortyp beschränkt.
Als Material für den Lichtleiter 11 kann Polymethylmethacrylatharz (PMMA-Harz), Cycloolefinpolymer(COP)-Harz, Silika, Quarz oder dergleichen verwendet werden. Die Erfindung ist jedoch nicht auf ein Material beschränkt.
Das Lichtempfangselement 12 besteht beispielsweise aus einer Photoelektronenvervielfacherröhre (PMT), einer Photodiode oder einem Silicium-Photoelektronenvervielfacher (Si-PM). Die Erfindung ist jedoch nicht auf einen Typ eines Lichtempfangselements beschränkt.
Das Licht wird innerhalb des Lichtleiters 11 geleitet und erreicht das Lichtempfangselement 12. Das Licht wird durch das Lichtempfangselement 12 in ein elektrisches Signal gewandelt, das durch ein Ausgangskabel 13 zu einer Signalverarbeitungsschaltung 14 außerhalb des Elektronenmikroskoptubus 1 übertragen wird. Das elektrische Signal wird durch eine Verstärkungsschaltung 14a an der Signalverarbeitungsschaltung 14 zu einem elektrischen Signal mit einer hohen Amplitude verstärkt, es wird durch eine Rechenschaltung 14b verarbeitet und entsprechend dem Betrag und der Frequenz des elektrischen Signals pro Zeiteinheit als Kontrast eines Bilds dargestellt und auf einem Bildschirm 15 in Form von Pixeln mit einem vorgegebenen Gradationswert angezeigt.
Die Signalelektronen 9 werden erfasst, während der Ablenker 4 die Probe 8 mit dem Primärelektronenstrahl abscannt, und es wird ein vergrößertes zweidimensionales Bild einer Probenoberfläche auf dem Bildschirm 15 angezeigt.
Die vorliegende Ausführungsform zeigt einen Fall, in dem von der Probe 8 emittierte Signalelektronen 9, die zweite geladene Teilchen bilden, den Szintillator 10 erreichen, ohne mit anderen Elementen zu kollidieren. Die Signalelektronen 9 können jedoch mit anderen Elementen, Plattenmaterialien oder dergleichen (nicht dargestellt) kollidieren und den Szintillator 10 erreichen. Geladene Teilchen können, nachdem sie mit anderen Elementen oder Plattenmaterialien kollidiert sind, als dritte geladene Teilchen bezeichnet werden. Zur Vereinfachung der Beschreibung werden die von der Probe 8 emittierten Teilchen, bevor sie auf den Szintillator 10 fallen, jedoch als zweite geladene Teilchen bezeichnet, und die Teilchen werden gemäß der vorliegenden Ausführungsform als Signalelektronen 9 bezeichnet.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird ein System, das den Szintillator 10, den Lichtleiter 11 und das Lichtempfangselement 12 aufweist, als Detektor 16 bezeichnet. Der Szintillator 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform befindet sich innerhalb eines der die Objektivlinse bildenden Elemente (gemäß der vorliegenden Ausführungsform innerhalb des äußeren Magnetpfads 6), unterhalb des Ablenkers und an einer Position, an der reflektierte Elektronen, d. h. von der Probe 8 emittierte Signalelektronen 9, deren Energie in der Nähe jener des Primärelektronenstrahls liegt, mit hoher Effizienz erfasst werden können.
Die reflektierten Elektronen weisen Informationen über die Zusammensetzung oder die Form der Probe auf, so dass Informationen in der Art der 3D-Struktur oder der Zusammensetzungsdifferenz zwischen einer Fläche und dem Boden erhalten werden können. Weil die reflektierten Elektronen eine hohe Energie aufweisen, können sie aus einem Loch und einer Rille durch eine Seitenwand entweichen, so dass ein Signal vom Boden einer Struktur des Lochs und der Rille erfasst und gemessen werden kann. Weil die reflektierten Elektronen im Allgemeinen weniger Elektronen erzeugen als Sekundärelektronen, müssen jedoch möglichst viele reflektierte Elektronen erfasst werden.
Hier wird der Elektronenemissionswinkel als 90 Grad entlang der optischen Achse 3 des Primärelektronenstrahls in Bezug auf die Probenoberfläche definiert. Entsprechend dem Emissionswinkel der reflektierten Elektronen werden bei einem Emissionswinkel von etwa 90 Grad reflektierte Elektronen als mit einem hohen Winkel reflektierte Elektronen definiert, werden bei einem Emissionswinkel in der Nähe von 45 Grad reflektierte Elektronen als mit einem mittleren Winkel reflektierte Elektronen definiert und werden mit einem Emissionswinkel in der Nähe von 0 Grad reflektierte Elektronen als mit einem kleinen Winkel reflektierte Elektronen definiert.
Von den reflektierten Elektronen werden mehr Elektronen mit einem mittleren Winkel als mit einem hohen Winkel und mit einem kleinen Winkel emittiert. Wie in 1 dargestellt ist, befindet sich der Szintillator 10 an der Position, an der die reflektierten Elektronen, die sich unter einem mittleren oder kleineren Neigungswinkel gegenüber der optischen Achse 3 des Primärelektronenstrahls bewegen, mit hoher Effizienz detektiert werden können.
Der Detektor 16 wird mit Bezug auf die 2 bis 6 beschrieben. 2 ist eine perspektivische Ansicht des Detektors 16, und in der oberen Ansicht aus 2 ist der Lichtleiter 11 ähnlich einem tatsächlichen Lichtleiter transparent gemacht, so dass der Szintillator 10 unter dem Lichtleiter sichtbar ist. Die untere Ansicht von 2 zeigt den Detektor 16 perspektivisch von außen. Aus Gründen der Zweckmäßigkeit ist in 2 ein x, y, z aufweisendes orthogonales Koordinatensystem definiert.
Am Detektor 16 gemäß der vorliegenden Ausführungsform sind die Szintillatoren 10 (10a bis 10d) und die Lichtempfangselemente 12 (12a bis 12d) in vier Richtungen, nämlich den ±x-Richtungen und den ±y-Richtungen, angeordnet. Die Anzahl ist bei der Erfindung nicht auf 4 beschränkt, und sie kann 1, 2, 8 oder 16 sein. Im Allgemeinen wird, wenn die Anzahl zunimmt, die Gesamtfläche des Szintillators 10 groß und nimmt die Anzahl der Lichtempfangselemente 12 zu, so dass sich leichter eine große Anzahl von Signalelektronen 9 detektieren lässt.
Ein Loch 11s ist zwischen den benachbarten Szintillatoren 10 ausgebildet, um den Lichtleiter 11 am Elektronenmikroskop zu befestigen. Die Wahrscheinlichkeit, dass das vom Szintillator 10 emittierte Licht auf diese Position fällt, ist gering, und es kann durch Anordnen eines Bauteils an dieser Position sein Einfluss auf den Lichtausnutzungsgrad verringert werden.
Der nachstehend detailliert beschriebene Lichtleiter 11 gemäß der vorliegenden Ausführungsform hat eine Konfiguration, bei der das meiste von einem bestimmten Szintillator emittierte Licht das dem Szintillator entsprechende Lichtempfangselement erreicht. Beispielsweise erreicht das vom Szintillator 10a emittierte Licht das Lichtempfangselement 12a. Zwischen dem Satz von Szintillatoren 10a und dem Lichtempfangselement 12a ist der Lichtleiter 11 bereitgestellt, der das vom Szintillator 10a emittierte Licht zum Lichtempfangselement 12a weiterleitet. In 2 sind ferner drei weitere ähnliche Sätze bereitgestellt, die einen Satz des Szintillators 10b und des Lichtempfangselements 12b, einen Satz des Szintillators 10c und des Lichtempfangselements 12c und einen Satz des Szintillators 10d und des Lichtempfangselements 12d aufweisen.
Der Szintillator 10a, das Lichtempfangselement 12a und der entsprechende Lichtleiter 11 können als ein Detektor getrennt ausgebildet sein. Gemäß der vorliegenden Erfindung weist der Lichtleiter 11 jedoch in vier Richtungen die gleiche Form auf, und jede der vier Formen überträgt Licht individuell vom Szintillator 10 zum entsprechenden Lichtempfangselement 12. Die Lichtleiterformen sind durch Verbindungsabschnitte 11t verbunden. Die Dicke des Verbindungsabschnitts 11t beträgt mindestens 1 mm, um die Strukturstärke zu verbessern.
3 zeigt eine Draufsicht desselben Detektors 16 bei Betrachtung von oben (z-Richtung), 4 zeigt eine Bodenansicht desselben Detektors 16 von unten (-z-Richtung), und 5 ist eine Seitenansicht desselben Detektors 16 bei Betrachtung von einer Seite (y-Richtung). Bei allen Ansichten ist der Lichtleiter 11 ähnlich dem tatsächlichen Lichtleiter transparent und ist die untere Ansicht eine Außenansicht.
6 ist eine Schnittansicht entlang einer Linie A-A' in der oberen Ansicht von 2. Wie in 6 dargestellt ist, ist eine Fläche des Lichtleiters, die einer Lichtemissionsfläche 10em des Szintillators 10 gegenübersteht, eine Einfallsfläche 11a und fällt das vom Szintillator 10 emittierte Licht hauptsächlich über die Einfallsfläche 11a in den Lichtleiter 11. Die Einfallsfläche 11a bedeckt zumindest einen Teil des Szintillators 10. In Hinblick auf den Lichtausnutzungsgrad ist es wünschenswert, dass die Einfallsfläche 11a die gesamte Oberfläche des Szintillators 10 bedeckt. Eine Emissionsfläche 11b steht dem Lichtempfangselement 12 gegenüber und emittiert Licht. Die Emissionsfläche 11b ist kleiner als die Einfallsfläche 11a. Das heißt, dass die Emissionsfläche 11b kleiner ist als die Einfallsfläche 11a.
Der Lichtleiter 11 weist eine Reflexionsfläche 11c1 auf, die der Einfallsfläche 11a gegenübersteht und unter einem Winkel θc1 geneigt ist. Nachstehend kann der Winkel θc1 als Reflexionsflächenwinkel θc1 bezeichnet werden. Die Reflexionsfläche 11c1 ist so geneigt, dass das von der Einfallsfläche 11a einfallende Licht in Richtung der Emissionsfläche 11b reflektiert wird. Das von der Lichtemissionsfläche 10em des Szintillators 10 emittierte Licht fällt von der Einfallsfläche 11a in den Lichtleiter 11 und wird durch die Reflexionsfläche 11c1 reflektiert. Um eine große Lichtmenge zur Emissionsfläche 11b des Lichtleiters zu reflektieren, bedeckt die Reflexionsfläche 11c1 den größten Teil der Lichtemissionsfläche 10em des Szintillators 10. Durch Bereitstellen der Reflexionsfläche 11c1 wird der Lichtausnutzungsgrad (die das Lichtempfangselement 12 erreichende Lichtmenge/die vom Szintillator 10 emittierte Lichtmenge) verbessert.
Wie in der oberen Ansicht von 2 und der oberen Ansicht von 3 dargestellt ist, besteht die Reflexionsfläche aus mehreren Flächen. Insbesondere ist der Szintillator 10 ganz von drei Reflexionsflächen (11c1 bis 11c3) bedeckt und wird das vom Szintillator 10 emittierte Licht von diesen Reflexionsflächen (11c1 bis 11c3) zur Emissionsfläche 11b reflektiert, so dass das Licht effektiv verwendet wird. Durch die Verwendung der aus mehreren Flächen gebildeten Reflexionsflächen (11c1 bis 11c3) kann der Lichtausnutzungsgrad weiter verbessert werden.
Weil die Reflexionsfläche 11c1 Licht reflektiert, das sich von einem in der Nähe des Lichtempfangselements 12 liegenden Teil der Einfallsfläche 11a ausbreitet, ist die Reflexionsfläche 11c1 unter den drei Reflexionsflächen (11c1 bis 11c3) die wichtigste, durch welche das meiste reflektierte Licht das Lichtempfangselement 12 erreicht. Daher ist es zur Maximierung des Lichtausnutzungsgrads sehr wichtig, den Winkel θc1 der Reflexionsfläche 11c1 zu optimieren.
Die Optimierung des Winkels θc1 wird mit Bezug auf die 7 bis 13 beschrieben. Zur Vereinfachung des Problems wird eine nur die Reflexionsfläche 11c1 aufweisende Struktur untersucht. 7 ist eine perspektivische Ansicht des Detektors von außen. 8 ist eine Schnittansicht entlang einer Linie B-B' in 7. Die Optimierung geschieht durch Berechnen des Lichtausnutzungsgrads, wenn der Winkel θc1 allmählich von 45 Grad verringert wird, unter Verwendung einer Lichtstrahlverfolgungssimulation, während die Dicke t_c des Lichtleiters konstant gehalten wird.
Bei einer in 7 dargestellten Untersuchung besteht der Lichtleiter 11 aus PMMA-Harz und sind die Reflexionsfläche 11c1, eine Seitenfläche 11e1 und eine Seitenfläche 11e2 mit Aluminium beschichtet. Das auf die Reflexionsfläche 11c1, die Seitenfläche 11e1 und die Seitenfläche 11e2 aufgebrachte reflektierende Material ist nicht auf Aluminium beschränkt und kann Silber oder dergleichen sein. Das Verfahren zur Aufbringung des reflektierenden Materials in der Art von Aluminium auf die Oberfläche ist nicht auf Dampfabscheidung beschränkt, und es kann auch ein filmartiges reflektierendes Material angebracht werden. Das entsprechende Verfahren ist nicht besonders beschränkt.
Gemäß der Ausführungsform ist der Lichtleiter unter Verwendung der aus mehreren Flächen bestehenden Reflexionsfläche gebildet, die Reflexionsfläche kann jedoch auch eine einzige Fläche sein. 9 zeigt einen Detektor, bei dem ein Lichtleiter verwendet wird, dessen Reflexionsfläche aus einer ebenen Fläche besteht. In der oberen Ansicht aus 9 ist der Lichtleiter 11 ähnlich dem tatsächlichen Lichtleiter transparent gemacht, so dass der Szintillator 10 unter dem Lichtleiter sichtbar ist. Die untere Ansicht von 9 zeigt den Detektor 16 perspektivisch von außen. Aus Gründen der Zweckmäßigkeit ist in 9 ein x, y, z aufweisendes orthogonales Koordinatensystem mit dem Zentrum des Detektors 16 als Ursprung definiert. Lichtempfangselemente 12 (12a bis 12d) sind in x-Achsenrichtung und y-Achsenrichtung angeordnet. Die obere Ansicht aus 10 ist eine Draufsicht des Detektors 16 bei Betrachtung von oben (z-Richtung), und die untere Ansicht aus 10 ist eine Bodenansicht des Detektors 16 bei Betrachtung von unten (-z-Richtung). 11 ist eine Schnittansicht des in 9 dargestellten Detektors 16 entlang der x-Achse. Wie in der unteren Ansicht aus 9 und der oberen Ansicht aus 10 dargestellt ist, ist die Reflexionsfläche 11c1 eine ebene Fläche. Auch in diesem Fall kann die Reflexionsfläche gemäß der vorliegenden Ausführungsform mit mehreren Facetten oder einer gekrümmten Form versehen werden.
Weil vorab festgestellt wurde, dass bei der oberen Fläche 11f, die der Einfallsfläche 11a gegenübersteht und im Wesentlichen parallel zur in 7 dargestellten Einfallsfläche 11a ist, eine geringe Änderung der Effizienz selbst dann auftritt, wenn sie aus Aluminium besteht, wurde die obere Fläche 11f nicht aus Aluminium gebildet sondern aus PMMA-Harz. Selbst wenn die obere Fläche 11f aus Aluminium besteht, wird das Licht zur Einfallsfläche 11a reflektiert, weil die obere Fläche 11f parallel zur Einfallsfläche 11a ist. Daher wird der Lichtausnutzungsgrad selbst dann nicht erheblich verbessert, wenn die obere Fläche 11f aus Aluminium besteht.
Die Ansicht im oberen Teil von 8 ist eine Schnittansicht bei einem Winkel θc1 von 42 Grad, wobei die Reflexionsfläche 11c1 bei diesem Querschnitt den Szintillator 10 teilweise bedeckt. Weil die äußere Form des Szintillators 10 rechteckig ist und die Tiefenrichtung ganz von der Reflexionsfläche 11c1 bedeckt ist, wird das Abdeckungsverhältnis durch dc/Lsc ausgedrückt, wobei eine Szintillatorlänge Lsc und die Länge dc der Projektion auf die Fläche (oder Szintillator-Lichtemissionsfläche 10em) parallel zur Einfallsfläche der Reflexionsfläche 11c1 verwendet werden. Wenn der Winkel θc1 verkleinert wird, nähert sich dc/Lsc 1, und wenn die Reflexionsfläche 11c1 den Szintillator 10 in diesem Querschnitt vollständig bedeckt, wird dc/Lsc 1. Wenn der Winkel θc1 weiter verkleinert wird, überschreitet dc/Lsc 1. In der vorliegenden Patentschrift wird, wie im oberen Teil von 8 dargestellt, selbst dann, wenn die Reflexionsfläche 11c eine untere Neigungsfläche 11d nicht bedeckt, angenommen, dass die Reflexionsfläche und die untere Neigungsfläche einander gegenüberstehen, wenn die Reflexionsfläche 11c und die untere Neigungsfläche 11d im Wesentlichen parallel sind.
Die Ansicht im Mittelteil von 8 ist eine Schnittansicht bei einem Winkel θc1 von 25 Grad, wobei die Reflexionsfläche 11 c1 in diesem Querschnitt den Szintillator 10 vollständig bedeckt. Die Ansicht im unteren Teil von 8 ist eine Schnittansicht bei einem Winkel θc1 von 18 Grad, wobei die Reflexionsfläche 11 c1 in diesem Fall die Emissionsfläche 11b erreicht.
12 ist ein Diagramm, das ein Ergebnis einer Berechnung der Abhängigkeit des Lichtausnutzungsgrads vom Winkel θc1 zeigt. Die horizontale Achse gibt den Winkel θc1 an, und die vertikale Achse gibt den Lichtausnutzungsgrad an, der durch den optischen Ausnutzungsgrad bei einem Winkel θc1 von 45 Grad standardisiert ist. Auf der Grundlage dieses Ergebnisses ist ersichtlich, dass bei einer Verringerung des Winkels θc1 der Lichtausnutzungsgrad ansteigt. Der Grund für dieses Ergebnis wird mit Bezug auf die obere Ansicht von 13 und die untere Ansicht von 13 beschrieben. Wie in der oberen Ansicht von 13 dargestellt ist, läuft, wenn die obere Fläche 11f vorhanden ist, die im Wesentlichen parallel zur Einfallsfläche 11a verläuft, ein auf die obere Fläche 11f einfallender Lichtstrahl Strahl72 durch die obere Fläche 11f und wird vom Lichtleiter 11 emittiert, so dass er zu Verlustlicht wird, welches das Lichtempfangselement 12a nicht erreicht. Daher ist es wichtig, die Reflexionsfläche 11 c1 so anzuordnen, dass die Reflexionsfläche 11 c1 den Szintillator 10a bedeckt und das Licht durch die Reflexionsfläche zur Emissionsfläche 11b reflektiert. Ferner ist es, weil Licht, das sich in einer Richtung ausbreitet, die in der unteren Ansicht von 13 als geneigter Lichtstrahl Strahl75 dargestellt ist, aus der oberen Fläche 11f entweicht, die dem Szintillator 10a nicht gegenübersteht, wünschenswert, dass die Reflexionsfläche 11 c1 die Emissionsfläche 11b erreicht und die der Einfallsfläche 11a entgegengesetzte Fläche als Reflexionsfläche geneigt ist, um Licht zur Emissionsfläche 11b zu reflektieren. Durch die Verwendung der geneigten Reflexionsfläche reflektiert die Reflexionsfläche 11 c1 beispielsweise einen Lichtstrahl Strahl71, einen Lichtstrahl Strahl73 und einen Lichtstrahl Strahl74 zur Emissionsfläche 11b, wodurch der Lichtausnutzungsgrad verbessert wird.
Die obere Fläche 11f besteht aus PMMA-Harz. Selbst wenn die obere Fläche 11f aus Aluminium besteht, wird jedoch der größte Teil des einfallenden Lichts nicht zur Emissionsfläche 11b reflektiert und wird zu Streulicht, weil die obere Fläche 11f parallel zur Einfallsfläche 11a ist, was zu einem Lichtverlust führt. Daher wird der Lichtausnutzungsgrad selbst dann, wenn die obere Fläche 11f aus Aluminium besteht, durch Verringern des Winkels θc1 der Reflexionsfläche verbessert.
Die Optimierung des Winkels θc1 der Reflexionsfläche wurde vorstehend beschrieben. Die in den 7 und 8 dargestellte Konfiguration ist ein optisches System, bei dem das von der großen Lichtemissionsfläche 10em emittierte Licht eine kleine Lichtempfangsfläche des den Lichtleiter 11 verwendenden Lichtempfangselements 12 erreicht. Bei diesem optischen System wird die Optimierung der wichtigsten Reflexionsfläche 11c1, die das Licht reflektiert, das sich vom Teil der Einfallsfläche 11a in der Nähe des Lichtempfangselements 12 ausbreitet, beschrieben.
Die Reflexionsfläche 11c1 bedeckt den Szintillator 10 und ist in Bezug auf die Einfallsfläche 11a geneigt, um von der Einfallsfläche 11a einfallendes Licht in Richtung der Emissionsfläche 11b zu reflektieren, so dass eine Verbesserung des Lichtausnutzungsgrads erreicht wird. Die Reflexionsfläche 11c1 bedeckt zumindest einen Teil des Szintillators 10, wie im oberen Teil von 8 dargestellt, so dass diese Wirkung erreicht wird.
Ferner wird, wie im mittleren Teil von 8 in einem Querschnitt (beispielsweise einem B-B'-Querschnitt) gezeigt ist, der den Szintillator 10, den Lichtleiter 11 und das Lichtempfangselement 12 aufweist, die Wirkung ferner erreicht, wenn die Reflexionsfläche 11c1 den gesamten Szintillator 10 bedeckt.
Ferner erreicht, wie in der Ansicht im unteren Teil von 8 dargestellt ist, im Querschnitt, der den Szintillator 10, den Lichtleiter 11 und das Lichtempfangselement 12 aufweist, die Reflexionsfläche 11c1 die Emissionsfläche 11b, so dass der Lichtausnutzungsgrad maximiert wird. Beim tatsächlichen Lichtleiter reißt der Verbindungsabschnitt zwischen der Emissionsfläche 11b und der Reflexionsfläche 11c1 jedoch oder springt ab, wenn dadurch ein spitzer Winkel gebildet wird, wie im unteren Teil von 8 dargestellt ist. Um dies zu vermeiden, wird, wie in der unteren Ansicht von 2, der unteren Ansicht von 3 und 6 dargestellt ist, eine kleine obere Fläche 11f zwischen der Emissionsfläche 11b und der Reflexionsfläche 11c1 bereitgestellt. Daher maximiert in der Realität eine mit der kleinen oberen Fläche 11f versehene Struktur den Lichtausnutzungsgrad.
Mit anderen Worten kann in Bezug auf die Struktur aus 6 bezüglich des Querschnitts, der den Szintillator 10, den Lichtleiter 11 und das Lichtempfangselement 12 aufweist, ausgesagt werden, dass die Vorsprungslänge dc der Reflexionsfläche 11c1 zur Fläche parallel zu Einfallsfläche 11a (oder zur Lichtemissionsfläche 10em des Szintillators) größer ist als die Länge d_u der oberen Fläche 11f und dass durch diese Konfiguration der Lichtausnutzungsgrad verbessert wird. Weil die Länge d_u der oberen Fläche 11f in etwa 0,5 mm bis 3 mm beträgt, wobei es sich um eine Länge handelt, die erforderlich ist, um ein Reißen oder Abspringen der oberen Fläche 11f zu verhindern, kann tatsächlich ausgesagt werden, dass die Konfiguration, bei der die Länge d_u der oberen Fläche 11f 3 mm oder weniger beträgt, den Lichtausnutzungsgrad maximiert. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann die obere Fläche 11f parallel zur Einfallsfläche 11a gemacht werden. Die obere Fläche 11f kann jedoch auch zu einer geneigten Fläche gemacht werden. In diesem Fall kann die Länge d_u der oberen Fläche 11f die Länge der Projektion der oberen Fläche 11f auf eine zur Einfallsfläche 11a (oder zur Lichtemissionsfläche 10em des Szintillators) parallele Fläche sein und kann die Länge der Projektion etwa 0,5 mm bis 3 mm betragen.
Eine andere Struktur, die ein Reißen oder Abspringen des Lichtleiters 11 verhindert, ist die in der unteren Ansicht von 2, der unteren Ansicht von 3 und 6 dargestellte untere Fläche 11g. Ähnlich der oberen Fläche 11f ist die untere Fläche 11g auch angeordnet, um zu verhindern, dass die Reflexionsfläche 11c1 und die Einfallsfläche 11a direkt miteinander verbunden werden und einen Abschnitt mit einem spitzen Winkel bilden. Die untere Fläche 11g ist mit einem Endabschnitt der Reflexionsfläche 11c1 auf einer zur Emissionsfläche 11b entgegengesetzten Seite verbunden und unter einem von der Reflexionsfläche 11c1 verschiedenen Winkel (einem zur Einfallsfläche 11a in 6 parallelen Winkel) angeordnet. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform sind die untere Fläche 11g und die obere Fläche 11f ebene Flächen parallel zur Einfallsfläche 11a. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, und sie können daher beispielsweise gekrümmte Flächen sein.
Als nächstes werden die Reflexionsfläche 11c2 und die Reflexionsfläche 11c3 beschrieben. Die Reflexionsfläche 11c1 reflektiert das Licht, das sich vom dem Lichtempfangselement 12 nahe liegenden Teil der Einfallsfläche 11a ausbreitet, zur Emissionsfläche 11b. Dagegen reflektieren die Reflexionsfläche 11c2 und die Reflexionsfläche 11c3 das von einem Ende des Szintillators 10 emittierte Licht zur Emissionsfläche 11b. Daher unterscheiden sich die Neigungen der Reflexionsfläche 11c2 und der Reflexionsfläche 11c3 von jener der Reflexionsfläche 11c1.
In der oberen Ansicht von 2 werden die Reflexionsfläche 11c2 und die Reflexionsfläche 11c3, die dem Szintillator 10a und dem Lichtempfangselement 12a entsprechen, beispielhaft beschrieben. Die Reflexionsfläche 11c2 und die Reflexionsfläche 11c3 sind geneigt, um das vom Endabschnitt des Szintillators 10a emittierte Licht zum Lichtempfangselement 12a zu reflektieren. Ein Lichtstrahl Strahl21 und ein Lichtstrahl Strahl22 in der oberen Ansicht von 2 sind Beispiele von Lichtstrahlen, die vom Endabschnitt des Szintillators 10a emittiert werden und durch die Reflexionsflächen 11c2 und 11c3 zum Lichtempfangselement 12a reflektiert werden.
Es werden die Normalenrichtungen der Reflexionsfläche 11c2 und der Reflexionsfläche 11c3, die dem Szintillator 10a und dem Lichtempfangselement 12a entsprechen, beschrieben. Um das vom Endabschnitt des Szintillators emittierte Licht in ±y-Richtung zum Lichtempfangselement 12a zu reflektieren, muss das Licht so reflektiert werden, dass sich seine Ausbreitungsrichtung auch in y-Richtung ändert. Die Lichtstrahlen Strahl21 und Strahl22 werden so reflektiert, dass sich ihre Ausbreitungsrichtungen in +y- bzw. -y-Richtung ändern.
Wenn u ein Einheitsvektor von der Stelle, an der das Licht reflektiert wird, zur Stelle, wo das Licht einfällt, ist und v ein Einheitsvektor von der Stelle, an der das Licht reflektiert wird, zur Stelle, wo das Licht emittiert wird, ist, benötigt die Normale auch eine Komponente in y-Richtung, um Licht in y-Richtung zu reflektieren, weil die Normale der Reflexionsfläche ein Halbvektor (u + v)/|u + v| der Einheitsvektoren u und v ist. Das heißt, dass die Normale auch eine Komponente in y-Richtung aufweist, weil der Einheitsvektor v eine y-Komponente aufweist. Die Normale der Reflexionsfläche 11c1 weist keine Komponenten in y-Richtung auf, die Normalen der Reflexionsflächen 11c2 und 11c3 weisen jedoch eine Komponente in y-Richtung auf. Mit anderen Worten sind die Normalen der Reflexionsflächen 11c2 und 11c3 senkrecht zur Emissionsfläche 11b und zur Einfallsfläche 11a und haben eine Normalenkomponente in einer zur ebenen Fläche (x-z-Fläche in der oberen Ansicht von 2) verlaufenden Richtung, die das Zentrum der Emissionsfläche 11b aufweist.
Die Beziehung zwischen den Strukturen der Reflexionsflächen 11c2 und 11c3 und dem Lichtausnutzungsgrad wird mit Bezug auf die 14 bis 17 beschrieben. 7 zeigt vier Sätze des Szintillators 10, des Lichtempfangselements 12 und des Lichtleiters 11, die Licht zwischen sich übertragen, und der Lichtausnutzungsgrad wird bei dieser Untersuchung für einen dieser Sätze berechnet. Die 14 bis 17 zeigen ein Berechnungsmodell, das durch Entnehmen des Szintillators 10a, des Lichtempfangselements 12a und des entsprechenden Lichtleiters 11 aus den vier in 7 dargestellten Sätzen erhalten wurde. Dieses Modell weist eine Form für die Maximierung des Lichtausnutzungsgrads in Bezug auf den Winkel θc1 und eine Form, bei der sich die Reflexionsfläche 11c1 zur Emissionsfläche 11b erstreckt, auf.
Die 14 und 15 zeigen Lichtleiter 11 mit der gleichen Form, wobei die obere Ansicht von 14 eine perspektivische Ansicht bei Betrachtung von oben ist und die untere Ansicht von 14 eine Vorderansicht bei Betrachtung von vorne (x-Richtung) ist. Die obere Ansicht von 15 ist eine perspektivische Ansicht bei Betrachtung von unten, und die untere Ansicht von 15 zeigt eine Seitenansicht von einer Seite (y-Richtung). Für die Strukturen der Reflexionsflächen 11c2 und 11c3 wird der Einfluss auf die Effizienz untersucht, indem die Strukturen geändert werden, während der Winkel θc2 zwischen der Einfallsfläche 11a und der Reflexionsfläche bei Betrachtung von vorne geändert wird. Wenn der Winkel θc2 90 Grad beträgt, ist die Reflexionsfläche 11a lediglich die Reflexionsfläche 11c1, wie in einer perspektivischen Ansicht und einer Vorderansicht in einer oberen und einer unteren Ansicht von 16 dargestellt ist. Der Lichtausnutzungsgrad wird durch Verringern des Winkels θc2, bis die Reflexionsfläche 11c2 und die Reflexionsfläche 11c3 die Emissionsfläche 11b erreichen, berechnet, wie in einer perspektivischen Ansicht und einer Vorderansicht in einer oberen und einer unteren Ansicht von 17 dargestellt ist.
Bei den Untersuchungen in den 14 bis 17 besteht der Lichtleiter 11 aus PMMA-Harz und sind die Reflexionsflächen 11c1 bis 11c3, die Seitenfläche 11e1 und die Seitenfläche 11e2 mit Aluminium beschichtet.
18 zeigt ein Ergebnis einer Berechnung des Lichtausnutzungsgrads. Die horizontale Achse gibt den Winkel θc2 an, und die vertikale Achse gibt den Lichtausnutzungsgrad an, der durch den optischen Ausnutzungsgrad bei einem Winkel θc2 von 90 Grad standardisiert ist. Dieses Ergebnis zeigt, dass die Effizienz mit abnehmendem Winkel höher wird. Das heißt, dass der Lichtausnutzungsgrad maximiert wird, wenn die Reflexionsfläche 11c2 und die Reflexionsfläche 11c3 die Emissionsfläche 11b erreichen (wie bei der in 17 dargestellten Form). Es ist auch ersichtlich, dass sich der Lichtausnutzungsgrad bei einem Winkel von 40 Grad oder weniger stark verbessert.
Daher ist der Lichtleiter 11 nicht mit einer einzigen Reflexionsfläche versehen, sondern er weist mehrere Reflexionsflächen mit von der Position des Szintillators 10 abhängigen unterschiedlichen Neigungsrichtungen auf, so dass eine Verbesserung des Lichtausnutzungsgrads erreicht wird.
Dabei ist die Normale der Reflexionsfläche, die das vom Endabschnitt des Szintillators 10a emittierte Licht zum Lichtempfangselement 12a reflektiert, zur Emissionsfläche 11b und zur Einfallsfläche 11a senkrecht und weist eine Komponente in Richtung der ebenen Fläche, einschließlich des Zentrums der Emissionsfläche 11b, auf. Der Winkel θc2 zwischen der Einfallsfläche 11a und der Reflexionsfläche wird bei Betrachtung der Reflexionsflächen 11c2 und 11c3 von vorne kleiner, so dass eine Verbesserung des Lichtausnutzungsgrads und eine starke Verbesserung der Effizienz erreicht werden, wenn der Winkel θc2 kleiner als 40 Grad ist. Ferner wird die Effizienz maximiert, wenn der Winkel θc2 verringert wird, bis die Reflexionsflächen 11c2 und 11c3 die Emissionsfläche 11b erreichen.
Tatsächlich nimmt, wenn die Reflexionsflächen 11c2 und 11c3 mit der Emissionsfläche 11b verbunden werden, der Verbindungsabschnitt jedoch einen spitzen Winkel an, und es tritt ein Reißen und Abspringen auf. Daher wird, wie in den 2 und 3 dargestellt ist, die obere Fläche 11f zwischen den Reflexionsflächen 11c2 und 11c3 und der Emissionsfläche 11b bereitgestellt, um das Reißen oder Abspringen zu vermindern. Daher kann tatsächlich ausgesagt werden, dass bei der Struktur, bei der die Reflexionsflächen 11c2 und 11c3 die obere Fläche 11f erreichen, die Effizienz durch die Reflexionsflächen 11c2 und 11c3 maximiert wird.
Bei einer Kombination mehrerer Szintillatoren 10 und Lichtempfangselemente 12, wie in den 2 und 7 dargestellt, entspricht eine Kombination der Emissionsfläche 11b und der Einfallsfläche 11a, wie in den 14 bis 17 beschrieben, einer nächstgelegenen mit Bezug auf die 2 oder 7 beschriebenen Kombination, oder sie bezieht sich darauf, dass die Emissionsfläche 11b und die Einfallsfläche 11a des Lichtleiters 11 einem Satz des Szintillators 10 und des Lichtempfangselements 12 entsprechen.
Als nächstes wird die in den 4 bis 6 dargestellte untere Neigungsfläche 11d beschrieben. Die untere Neigungsfläche 11d reflektiert das hauptsächlich von den Reflexionsflächen 11 c1 bis 11c3 reflektierte Licht zurück, befindet sich zwischen der Einfallsfläche 11a und der Emissionsfläche 11b und steht der Reflexionsfläche 11c1 gegenüber. In 6 sind Lichtstrahlen Strahl2 und Strahl3 Beispiele von Lichtstrahlen, die von der unteren Neigungsfläche 11d reflektiert werden und das Lichtempfangselement 12 erreichen. Jeder der Lichtstrahlen erreicht das Lichtempfangselement 12, während die Reflexion zwischen der Reflexionsfläche 11c1 und der unteren Neigungsfläche 11d wiederholt wird, so dass sich das Licht durch eine normale Lichtleiterplatte (flache PMMA-Platte) ausbreitet.
Ein Grund, aus dem sich ein solcher Lichtstrahl-Ausbreitungsweg ergibt, besteht darin, dass der Lichtleiter in 6 eine Konfiguration aufweist, bei der die Reflexionsfläche 11c1 in etwa die Emissionsfläche 11b erreicht, und es kann, indem die untere Neigungsfläche 11d auf einen geeigneten Neigungswinkel gesetzt wird, eine Lichtleiterplatte in Form eines rechteckigen Parallelepipeds mit zwei oberen und unteren ebenen Flächen simuliert werden, wobei Licht das Lichtempfangselement 12 unter wiederholter Reflexion erreichen kann.
Eine allgemeine Lichtleiterplatte ist ein rechteckiges Parallelepiped, bei dem das von einer bestimmten Seitenfläche einfallende Licht zu einer Seitenfläche geleitet wird, die der bestimmten Seitenfläche gegenübersteht, während sich Totalreflexionen an der oberen und der unteren Fläche wiederholen, und wobei das Licht von der der Einfallsfläche gegenüberstehenden Seitenfläche emittiert wird. Andererseits wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform, weil Licht nicht von der Seitenfläche des rechteckigen Parallelepipeds einfällt, dadurch, dass die Reflexionsfläche 11c1 als Aluminiumfläche ausgebildet ist, das Licht, das durch die Reflexionsfläche 11c1 hindurchtreten soll, ohne totalreflektiert zu werden, auch von der Metallfläche reflektiert. Das Gleiche gilt für die untere Neigungsfläche 11d. Wenn die untere Neigungsfläche 11d aus Aluminium statt aus Harz besteht, kann das nicht totalreflektierte Licht, das durch die Fläche hindurchtritt und verloren geht, verringert werden, so dass der Lichtausnutzungsgrad verbessert wird. Eine Berechnung ergibt, dass beim Lichtleiter 11 mit der in 6 dargestellten Struktur der Lichtausnutzungsgrad gegenüber einem Fall mit einer Harzfläche um 5 % bis 10 % verbessert wird, wenn die untere Neigungsfläche 11d aus Aluminium besteht. Daher kann der Lichtausnutzungsgrad verbessert werden, indem eine aus Aluminium bestehende untere Neigungsfläche 11d verwendet wird. In der folgenden Untersuchung der vorliegenden Ausführungsform besteht die untere Neigungsfläche 11d aus Aluminium.
Die Form der unteren Neigungsfläche 11d wird durch Ändern des Winkels θd in 6 und Berechnen der Effizienz optimiert. Die Optimierung wird mit Bezug auf die 19 bis 23 beschrieben. In der oberen Ansicht von 2 sind vier Sätze des Szintillators 10, des Lichtempfangselements 12 und des dazwischen Licht übertragenden Lichtleiters 11 dargestellt. Bei dieser Untersuchung wird der Lichtausnutzungsgrad jedoch für einen dieser Sätze berechnet. Die 19 bis 23 zeigen ein Berechnungsmodell, bei dem der Szintillator 10a, das Lichtempfangselement 12a und der entsprechende Lichtleiter aus den vier in der oberen Ansicht von 2 dargestellten Sätzen entnommen sind. Dieses Modell weist auch eine Form auf, bei der verhindert wird, dass der Lichtleiter einen spitzen Winkel annimmt und reißt oder abspringt, und wobei der Lichtausnutzungsgrad in Bezug auf die Winkel θc1 und θc2 maximiert wird, wobei sich die Reflexionsflächen 11 c1, 11c2 und 11c3 zur oberen Fläche 11f erstrecken.
Bei der vorliegenden Untersuchung besteht der Lichtleiter 11 aus PMMA-Harz, sind die drei Reflexionsflächen (11 c1 bis 11c3) und die Seitenflächen 11e1 und 11e2 mit Aluminium beschichtet und ist auch die Oberfläche 11f mit Aluminium beschichtet. Das heißt, dass andere Flächen als die Einfallsfläche 11a und die Emissionsfläche 11b aus Aluminium bestehen. Weil sich die obere Fläche 11f an einer mit der Emissionsfläche 11b verbundenen Position und einer der Einfallsfläche 11a nicht gegenüberstehenden Position befindet und das in die obere Fläche 11f einfallende Licht unter einem in Bezug auf die obere Fläche 11f geneigten Winkel auf die obere Fläche 11f trifft, breitet sich das Licht zur Emissionsfläche 11b aus, solange es reflektiert werden kann. Daher wird eine Aluminiumfläche verwendet, damit Licht, das unter einem Winkel unterhalb des Totalreflexionswinkels auf die obere Fläche 11f trifft, auch reflektiert werden kann.
Die 19 und 20 zeigen Lichtleiter 11 mit der gleichen Form, wobei die obere Ansicht von 19 eine perspektivische Ansicht bei Betrachtung von oben ist und die untere Ansicht von 19 eine Vorderansicht bei Betrachtung von vorne (x-Richtung) ist. Die obere Ansicht von 20 ist eine perspektivische Ansicht bei Betrachtung von unten, und die untere Ansicht von 20 zeigt eine Seitenansicht von einer Seite (y-Richtung). Der Lichtausnutzungsgrad wird durch Ändern des in der unteren Ansicht von 20 dargestellten Winkels θd berechnet. Die obere Ansicht von 21 ist eine Seitenansicht des Lichtleiters 11, wenn der Winkel θd in der Nähe des Winkels θc1 der Reflexionsfläche 11c1 liegt. Die untere Ansicht von 21 ist eine Seitenansicht des Lichtleiters 11, wenn der Winkel θd bei der vorliegenden Untersuchung vergrößert wird. Weil die Position der Emissionsfläche 11b fest ist, wird die Einfallsfläche 11a größer, wenn der Winkel θd vergrößert wird.
Ein Ergebnis der Untersuchung ist in 22 dargestellt. Die horizontale Achse gibt die Winkeldifferenz zwischen θd und θc1, d. h. (θd - θc1 ), an. Die vertikale Achse zeigt den durch den Lichtausnutzungsgrad bei einer Winkeldifferenz (θd - θc1 ) von 38 Grad standardisierten Lichtausnutzungsgrad. Wenn die Winkeldifferenz (θd - θc1 ) null ist, sind die Reflexionsfläche 11c1 und die untere Neigungsfläche 11d parallel. Wenn die Winkeldifferenz (θd - θc1 ) positiv ist, ist der Winkel θd größer als der Winkel θc1 und ist die Steigung der unteren Neigungsfläche 11d größer als jene der Reflexionsfläche 11c1.
Die Effizienz nimmt einen Spitzenwert an, wenn die Winkeldifferenz (θd - θc1 ) zwischen etwa 2 Grad und 8 Grad liegt. Wenn die Winkeldifferenz (θd - θc1 ) wenigstens etwa 20 Grad beträgt, erreicht fast kein Lichtstrahl in der Art der Lichtstrahlen Strahl2 und Strahl3 in 6 das Lichtempfangselement 12, während eine wiederholte Reflexion zwischen der Reflexionsfläche 11c1 und der unteren Neigungsfläche 11d auftritt, so dass der Lichtausnutzungsgrad nahezu 1 ist. Es wird davon ausgegangen, dass der Lichtausnutzungsgrad verbessert ist, weil die Anzahl der Lichtstrahlen, die das Lichtempfangselement 12 unter wiederholter Reflexion erreichen, zunimmt, wenn die Reflexionsfläche 11c1 und die untere Neigungsfläche 11d der Parallelen näher kommen, in 22 nimmt der Ausnutzungsgrad jedoch ab, wenn die Winkeldifferenz (θd - θc1 ) 2 Grad oder kleiner ist.
Ein Grund dafür, dass der Lichtausnutzungsgrad abnimmt, wenn die Winkeldifferenz (θd - θc1) höchstens 2 Grad beträgt, wird mit Bezug auf 23 beschrieben. Wie zuvor erwähnt, nimmt, wenn sich die Reflexionsfläche 11c1 und die untere Neigungsfläche 11d der Parallelen annähern, die Anzahl der Lichtstrahlen (Lichtstrahl Strahl91 in 23), die das Lichtempfangselement 12 erreichen, durch wiederholte Reflexionen zu. Andererseits emittiert der Szintillator 10, wenngleich dies von seinem Typ abhängt, im Allgemeinen Licht von allen Flächen, auf die kein Metall in der Art von Aluminium aufgedampft ist. Daher wird das Licht nicht nur von der der Einfallsfläche 11a gegenüberstehenden Lichtemissionsfläche 10em, sondern auch von einer Seitenfläche 10ems des Szintillators 10 emittiert. Das Verhältnis zwischen der von der Lichtemissionsfläche 10em emittierten Lichtmenge Ip und der von der Seitenfläche 10em emittierten Lichtmenge Is hängt vom Flächenverhältnis zwischen der Lichtemissionsfläche 10em und der Seitenfläche 10ems ab.
Weil der Szintillator 10 Licht nicht nur von der Lichtemissionsfläche 10em, sondern auch von der Seitenfläche 10ems emittiert, wird hier die Definition der Lichtemissionsfläche 10em gemäß der Erfindung beschrieben. Zur Erfassung der Signalelektronen 9 ist der Lichtleiter 11 gemäß der Erfindung so aufgebaut, dass das von der großen Fläche des Szintillators 10 emittierte Licht an der Emissionsfläche 11b gesammelt wird. Daher wird beim Szintillator 10 unter seinen einer Fläche des Lichtleiters 11 gegenüberstehenden Flächen eine Fläche, die Licht emittiert und am größten ist, oder eine Fläche, die Licht parallel zu einer Fläche emittiert, welche die fliegenden Signalelektronen 9 erfasst, als Lichtemissionsfläche bezeichnet. Die Eigenschaften dieser Lichtemissionsfläche sind die Eigenschaften der in den 2 bis 22 dargestellten Lichtemissionsfläche 10em.
Beim Szintillator 10 wird die Lichtemissionsfläche 10em als die Fläche definiert, die am größten ist und dem Lichtleiter 11 gegenübersteht, wobei dies nicht nur für den Fall eines einzigen Szintillators 10 gilt. Beispielsweise ist der in 2 dargestellte Szintillator 10a ein Szintillator in Form eines rechteckigen Parallelepipeds, der Szintillator 10a kann jedoch auch in einer x-y-Fläche unterteilt werden und aus mehreren Szintillatoren bestehen. Selbst in diesem Fall ist die zur x-y-Fläche (Einfallsfläche 11a) parallele Fläche jedes Szintillators größer als die anderen Flächen. Wenn die Anzahl der Unterteilungen jedoch ein bestimmtes Niveau überschreitet, kann die Seitenfläche größer werden als die zur x-y-Fläche parallele Fläche, wobei in diesem Fall die Fläche, die Licht parallel zur Fläche emittiert, welche die fliegenden Signalelektronen 9 erfasst, als Lichtemissionsfläche bezeichnet werden kann.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform weist der Szintillator 10 die Form eines rechteckigen Parallelepipeds auf. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Form des Szintillators beschränkt, und es können verschiedene Formen in der Art eines Würfels und eines Zylinders erwogen werden.
Die Erfindung weist die Einfallsfläche 11a auf, auf die das vom Szintillator 10 emittierte Licht fällt, und das auf sie fallende Licht wird durch die Reflexionsflächen (11c1 bis 11c3) oder dergleichen zur Emissionsfläche 11b geleitet. Daher bewirkt der Lichtleiter 11 ungeachtet der Form der Lichtemissionsfläche 10em in Bezug auf die Einfallsfläche 11a eine Konzentrierung des in den Lichtleiter 11 einfallenden Lichts von der Einfallsfläche 11a auf die Emissionsfläche 11b.
Beispielsweise ist bei einem Szintillator 10, der eine mehrschichtige Dünnfilmstruktur auf GaN-Basis aufweist, die äußere Form zylindrisch, beträgt die Höhe 0,5 mm und beträgt der Durchmesser des Kreises 9 mm und ist gemäß einer Simulation Ip : Is = 1 : 1. Es wird auch eine Technik eingeführt, bei der eine Struktur in der Art einer Pyramide oder eines Kegels innerhalb des Szintillators gebildet wird, um den Emissionsbetrag Ip des durch Beugung oder Streuung von der Lichtemissionsfläche 10em emittierten Lichts zu verbessern, wobei Ip : Is = 7 : 3 ist.
Daher ist es auch wichtig, das Licht von der Seitenfläche 10ems zu verwenden. Bei einem in 23 dargestellten Beispiel eines Lichtstrahls Strahl92 wird das Licht von der Seitenfläche 10ems emittiert, fällt von der Einfallsfläche 11a in der Lichtleiter 11, wird von der Reflexionsfläche 11c1 reflektiert und erreicht die Emissionsfläche 11b.
Bei der vorliegenden Untersuchung nähert sich, weil die Positionen der Emissionsfläche 11b und des Szintillators 10 fest sind, wenn der Winkel θd verringert wird, ein Endabschnitt der mit der unteren Neigungsfläche 11d verbundenen Einfallsfläche 11a der Seitenfläche 10ems des Szintillators. Wenn sich der Endabschnitt der Einfallsfläche 11a der Seitenfläche 10ems nähert, nimmt die Einfallsfläche für das von der Seitenfläche 10ems emittierte Licht für den Einfall in der Lichtleiter 11 ab, so dass das von der Seitenfläche 10ems emittierte Licht nicht verwendet werden kann und der Lichtausnutzungsgrad abnimmt. Daher nimmt, wenn der Winkel θd verkleinert wird, die Anzahl der Lichtstrahlen (Strahl91), die wiederholt reflektiert werden, zu. Andererseits gibt es einen Nachteil, der darin besteht, dass das von der Seitenfläche 10ems emittierte Licht, das in den Lichtleiter 11 eintritt, verringert wird. Es wird davon ausgegangen, dass ein Grund dafür, dass der Lichtausnutzungsgrad stark abnimmt, wenn die Winkeldifferenz beim in 23 dargestellten Ergebnis höchstens 2 Grad beträgt, darin besteht, dass das von der Seitenfläche 10ems emittierte Licht, das in der Lichtleiter 11 eintritt, erheblich abzunehmen beginnt.
Die untere Neigungsfläche 11d wurde vorstehend beschrieben. Die in den 19 bis 21 dargestellte Konfiguration ist ein optisches System, bei dem das von der großen Lichtemissionsfläche 10em emittierte Licht und das von der Seitenfläche 10ems emittierte Licht die kleine Lichtempfangsfläche des Lichtempfangselements 12, bei dem der Lichtleiter 11 verwendet wird, erreichen. Es wird die Optimierung der unteren Neigungsfläche 11d in diesem optischen System beschrieben.
Wenn die Winkeldifferenz zwischen der Reflexionsfläche 11 c1 und der unteren Neigungsfläche 11d etwa 20 Grad oder weniger beträgt, wird eine Verbesserung des Lichtausnutzungsgrads erreicht. Daher wird in der vorliegenden Patentschrift der Fall, in dem die Winkeldifferenz zwischen der Reflexionsfläche 11 c1 und der unteren Neigungsfläche 11d höchstens 20 Grad beträgt, als Fall bezeichnet, in dem die Reflexionsfläche 11 c1 und die untere Neigungsfläche 11d im Wesentlichen parallel sind. Die untere Neigungsfläche 11d ist vorzugsweise im Wesentlichen parallel zu zumindest einem Teil der Reflexionsfläche 11 c1. Wenn die Reflexionsfläche aus mehreren Flächen besteht, ist es bevorzugt, wenn die untere Neigungsfläche 11d im Wesentlichen parallel zu einer der mehreren Flächen ist.
Ferner wird der Lichtausnutzungsgrad maximiert, wenn die Winkeldifferenz zwischen der Reflexionsfläche 11 c1 und der unteren Neigungsfläche 11d zwischen 2 Grad und 8 Grad gelegt wird. Daher ist es bevorzugt, wenn die Winkeldifferenz zwischen der Reflexionsfläche 11 c1 und der unteren Neigungsfläche 11d zwischen 2 Grad und 8 Grad liegt.
Zwischen der Seitenfläche 10ems des Szintillators 10 und dem Endabschnitt der Einfallsfläche 11a wird ein bestimmter Abstand festgelegt, und in einem anderen Hinblick ist der Winkel θd der unteren Neigungsfläche 11d in Bezug auf die Einfallsfläche größer als der Winkel θc1 der Reflexionsfläche 11 c1 in Bezug auf die Einfallsfläche 11a, so dass das von der Seitenfläche 10ems emittierte Licht in den Lichtleiter 11 fallen kann und eine Verbesserung des Lichtausnutzungsgrads erreicht wird.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird Aluminium auf die Oberfläche des Lichtleiters 11 aufgebracht, um die Reflexionsfläche (Aluminiumfläche) zu bilden, das reflektierende Material ist jedoch nicht auf Aluminium beschränkt. Die Reflexionsfläche weist vorzugsweise ein metallisches reflektierendes Material auf. Zusätzlich zu Aluminium können beispielsweise Silber, ein mehrschichtiger reflektierender Film und dergleichen als reflektierendes Material verwendet werden. Das Verfahren zur Aufbringung des reflektierenden Materials auf den Lichtleiter 11 ist nicht auf Dampfabscheidung beschränkt, und es können dafür verschiedene Verfahren in der Art einer Befestigung verwendet werden. Die Erfindung ist nicht auf diese Verfahren beschränkt.
Bei der in der vorliegenden Ausführungsform dargestellten Konfiguration des optischen Systems, d. h. einem optischen System, das eine große Lichtemissionsfläche aufweist, haben die Lichtempfangsfläche, die zur Lichtemissionsfläche nicht parallel ist oder dieser gegenübersteht (gemäß der vorliegenden Ausführungsform beträgt der Winkel zwischen der Lichtemissionsfläche und der Lichtempfangsfläche etwa 90 Grad), und der Lichtleiter verglichen mit der Größe der Lichtemissionsfläche eine geringe Dicke und wird das Licht nicht notwendigerweise durch die Reflexionsfläche des Lichtleiters totalreflektiert, weil es vom Szintillator in alle Richtungen emittiert wird. Daher ist es besser, ein reflektierendes Material in der Art von Aluminium möglichst weitgehend auf die Oberfläche des Lichtleiters aufzubringen, um die Menge des zur Emissionsfläche reflektierten Lichts zu erhöhen.
Beim Lichtleiter gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird der Lichtausnutzungsgrad am stärksten verbessert, wenn das reflektierende Material an den drei Reflexionsflächen (11c1 bis 11c3) angebracht wird, und wird der Lichtausnutzungsgrad sekundär verbessert, wenn das reflektierende Material auf die Seitenfläche 11e1 und die Seitenfläche 11e2 aufgebracht wird. Ferner wird der Lichtausnutzungsgrad um 5 % bis 10 % verbessert, wenn das reflektierende Material auf die untere Neigungsfläche 11d aufgebracht wird. Beim Lichtleiter gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird eine Verbesserung des Lichtausnutzungsgrads durch geeignetes Aufbringen des reflektierenden Materials auf die Oberfläche erreicht.
Ferner wird beim Szintillator 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform, wie in 6 dargestellt ist, eine metallische Reflexionsfläche an einer Fläche 10bs (Oberfläche des Szintillators 10 auf der der Lichtemissionsfläche 10em entgegengesetzten Seite) entgegengesetzt zur Fläche, die der Einfallsfläche 11a des Lichtleiters 11 gegenübersteht, angebracht. Insbesondere wird Aluminium durch Dampfabscheidung auf die Fläche 10bs aufgebracht. Nachdem der Lichtstrahl Strahl3 vom Szintillator 10 emittiert wurde, wird er von der Fläche 10bs reflektiert und erreicht das Lichtempfangselement 12. Auf diese Weise wird eine Verbesserung des Lichtausnutzungsgrads durch Aufbringen des reflektierenden Materials auf die Fläche 10bs erreicht, weil es einen Lichtstrahlweg gibt, über den das Licht von der Fläche 10bs reflektiert wird und das Lichtempfangselement 12 erreicht.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird das reflektierende Material auf die drei Reflexionsflächen (11c1 bis 11c3), die Seitenfläche 11e1 und die Seitenfläche 11e2, die untere Neigungsfläche 11d und die Szintillatorfläche 10bs sowie den Abschnitt, an dem das vom Szintillator 10 emittierte Licht zum Lichtempfangselement 12 läuft, aufgebracht. Das reflektierende Material wird nicht auf die Einfallsfläche 11a aufgebracht, sondern es wird Aluminium als reflektierendes Material auf die zur Einfallsfläche 11a parallele Fläche 10bs aufgebracht. Zusätzlich zur mit der Emissionsfläche 11b und dem Verbindungsabschnitt 11t verbundenen Fläche gibt es eine Fläche, die herausgestreutes Licht wieder zum Lichtleiter 11 reflektiert. Dementsprechend wird die Verbesserung des Lichtausnutzungsgrads erreicht.
Dieses Rasterelektronenmikroskop ist lediglich ein Konfigurationsbeispiel, und es können andere Konfigurationen verwendet werden, solange das Elektronenmikroskop den Szintillator 10, den Lichtleiter 11 und das Lichtempfangselement 12 aufweist. Im Interesse der Einfachheit ist nur ein Detektor dargestellt, es können jedoch auch mehrere Detektoren bereitgestellt werden. Es können ein Detektor für die Detektion reflektierter Elektronen und ein Detektor für die Detektion von Sekundärelektronen getrennt bereitgestellt werden, und es können mehrere Detektoren bereitgestellt werden, die einen Azimutwinkel oder einen Höhenwinkel unterscheiden und detektieren. Durch getrennte Verwendung dieser Detektoren können Informationen über die Oberflächenform, die Zusammensetzung, die 3D-Struktur und dergleichen der Probe 8 anhand eines Bilds erhalten werden, indem die Signalelektronen 9 abhängig von der Energie und vom Winkel unterschieden und detektiert werden. Bei einem Verfahren zur Energieunterscheidung wird die emittierte Lichtmenge oder die Lichtemissionswellenlänge des Szintillators 10 abhängig von der Energie der reflektierten Elektronen geändert und werden die Signalelektronen detektiert. Bei diesem Verfahren kann die Energieauflösung durch Anwenden der Erfindung als Lichtleiter 11 mit einem hohen Lichtausnutzungsgrad erhöht werden.
<Modifikation>
Eine Modifikation wird mit Bezug auf 24 beschrieben. Gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist die Reflexionsfläche eine Kombination ebener Flächen. Die Form der Reflexionsfläche ist jedoch nicht darauf beschränkt, und es können verschiedene Formen angewendet werden. Eine Ansicht in 24, wobei die Reflexionsfläche eben ist, zeigt den in der oberen Ansicht von 19 dargestellten Lichtleiter. Wenn die reflektierende Fläche gekrümmt ist, lassen sich die Reflexionsflächen 11c1 bis 11c3 nur schwer geeignet definieren, die Reflexionsflächen können jedoch grob wie in der perspektivischen Ansicht in 24 dargestellt abhängig von der Richtung, in der die Normale der Fläche gerichtet ist, definiert werden. Es kann ausgesagt werden, dass die gekrümmte Fläche eine Form aufweist, bei der mehrere Reflexionsflächen mit unterschiedlichen Neigungsrichtungen kontinuierlich verbunden sind. Unabhängig davon, ob die Reflexionsfläche eben oder gekrümmt ist, ist sie in Bezug auf die Einfallsfläche geneigt.
Beim optischen System, bei dem das von der großen Lichtemissionsfläche 10em emittierte Licht die kleine Lichtempfangsfläche des den Lichtleiter 11 verwendenden Lichtempfangselements 12 erreicht, wird unabhängig davon, ob die Reflexionsfläche eben oder gekrümmt ist, die Querschnittsfläche bei der Zerlegung des Lichtleiters parallel zur Emissionsfläche 11b kleiner, wenn sich der Querschnitt der Emissionsfläche nähert. 24 zeigt Schnittansichten des an Positionen von 0,5 mm, 1,0 mm und 2,0 mm von der Emissionsfläche zerlegten Lichtleiters. Der Querschnitt ist schraffiert, und es ist ersichtlich, dass die Querschnittsfläche kleiner wird, wenn sich der Querschnitt der Emissionsfläche 11b nähert. Indem der Lichtleiter 11 eine solche Form aufweist, kann das von der großen Lichtemissionsfläche 10em emittierte Licht wirksam die kleine Lichtempfangsfläche des Lichtempfangselements 12 erreichen.
Wie vorstehend beschrieben, kann gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine einen Lichtleiter verwendende mit einem Strahl geladener Teilchen arbeitende Vorrichtung bereitgestellt werden, bei der der Lichtausnutzungsgrad verbessert ist.
Zweite Ausführungsform
25 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm eines Detektors gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Die vorliegende Ausführungsform unterscheidet sich in der Hinsicht von der ersten Ausführungsform, dass die Signalverarbeitungsschaltung 14, die für jedes Lichtempfangselement die von den vier Lichtempfangselementen 12 des Detektionssystems 16 ausgegebenen elektrischen Signale mit hoher Geschwindigkeit verarbeitet, bereitgestellt ist. Andere Konfigurationen gleichen jenen gemäß der ersten Ausführungsform. Die gleichen Komponenten wie jene gemäß der ersten Ausführungsform sind mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet, und es wird auf eine Beschreibung verzichtet, die sich mit jener der ersten Ausführungsform überlappt.
Wie in 25 dargestellt ist, sind die Lichtempfangselemente 12 (12a bis 12d) und die Verstärkungsschaltungen 14a (14a-1 bis 14a-4) einzeln mit dem Ausgangskabel 13 verbunden. Das elektrische Signal wird individuell verstärkt und durch Rechenschaltungen 14b (14b-1 bis 14b-4) bearbeitet und als Pixel mit einem vorgegebenen Gradationswert auf dem Bildschirm 15 angezeigt. Diese Konfiguration ist ein Beispiel, bei der die Rechenschaltung 14b parallelisiert ist und die Signalverarbeitung für jedes Lichtempfangselement 12 ausgeführt wird, um die Geschwindigkeit zu erhöhen. Indem die Verstärkungsschaltungen 14a individuell bereitgestellt werden, kann der Verstärkungsfaktor für jede Schaltung eingestellt werden und kann das elektrische Signal geeignet verstärkt werden. Daher werden durch individuelles Bereitstellen der Verstärkungsschaltung 14a und der Rechenschaltung 14b entsprechend dem Lichtempfangselement 12 eine geeignete individuelle Verstärkung des elektrischen Signals und eine schnelle Verarbeitung erreicht.
Die Konfiguration ist jedoch nicht darauf beschränkt, und es können ein Schalter (Wähler), der Signale aus den Lichtempfangselementen (12a bis 12d) auswählt, eine oder zwei Verstärkungsschaltungen 14a und die Rechenschaltung 14b zur Verarbeitung des elektrischen Signals durch Zeitdivision bereitgestellt werden. Eine minimale Funktion, welche die Signalverarbeitungsschaltung 14 gemäß der vorliegenden Ausführungsform erfüllen muss, ist die individuelle Verarbeitung der elektrischen Signale von den Lichtempfangselementen 12 (12a bis 12d).
Beim Detektor 16 gemäß der ersten vorstehend beschriebenen Ausführungsform sind die Szintillatoren 10 (10a bis 10d) und die Lichtempfangselemente 12 (12a bis 12d) in vier Richtungen angeordnet. Durch individuelle Verarbeitung der durch das Lichtempfangselement 12 in dieser Konfiguration erhaltenen elektrischen Signale können die elektrischen Signale in vier Richtungen unterschieden werden. Das heißt, dass es klar wird, dass die von der Probe 8 emittierten Signalelektronen 9 sich entlang der z-Achse bewegen und den Szintillator 10 erreichen. Wenn beispielsweise ein Zylinder beobachtet wird, wird, wenn ein Bild auf der Grundlage der von den Szintillatoren 10 (10a bis 10d) der vier Richtungen erfassten elektrischen Signale erzeugt wird, ein aus jeder Richtung betrachtetes zylindrisches Bild erhalten und erscheint ein der Richtung entsprechender Schatten des Zylinders im Bild. Die Höhe des Zylinders kann auf der Grundlage der Länge des Schattens geschätzt werden. Dabei ist der Lichtleiter 11 nicht nur mit mehreren Sätzen des Szintillators 10 und des Lichtempfangselements 12 versehen, sondern muss auch bewirken, dass das von einem bestimmten Szintillator emittierte Licht ein dem Szintillator entsprechendes Lichtempfangselement erreicht.
Der Lichtleiter 11 weist eine Konfiguration auf, bei der sich der größte Teil des vom Szintillator emittierten Lichts zum entsprechenden Lichtempfangselement ausbreitet. Die Konfiguration ist ein optisches System, bei dem sich das von den jeweiligen Szintillatoren 10a, 10b, 10c, 10d emittierte Licht zu den jeweiligen Lichtempfangselementen 12a, 12b, 12c, 12d ausbreitet.
Die Reflexionsflächen 11c2 und 11c3 spielen eine wichtige Rolle beim Verhindern eines Phänomens (Lichtübersprechen), bei dem das vom Szintillator emittierte Licht ein nicht entsprechendes Lichtempfangselement erreicht. Beispielsweise wird das vom Szintillator 10a auf das Lichtempfangselement 12b oder 12d gerichtete Licht hauptsächlich von den Reflexionsflächen 11c2, 11c3 reflektiert und erreicht weder das Lichtempfangselement 12b noch das Lichtempfangselement 12d. Mit anderen Worten wird das Lichtübersprechen bei einer Konfiguration verhindert, bei der die Querschnittsfläche, wenn der Lichtleiter parallel zur Emissionsfläche 11b zerlegt ist, kleiner wird, wenn sich der Querschnitt der Emissionsfläche nähert. Daher kann das Übersprechen selbst dann, wenn der Szintillator 10 nicht unterteilt ist und der Detektor aus einem einzigen Szintillator mit einer Form in der Art eines Kreisrings gebildet ist, durch die Form des Lichtleiters verringert werden.
Bei der in der ersten Ausführungsform beschriebenen Konfiguration des Detektors 16 kann durch individuelle Verarbeitung des vom Lichtempfangselement 12 erhaltenen elektrischen Signals eine 3D-Messung in der Art einer Schätzung der Höhe des Zylinders ausgeführt werden. Daher weist die Konfiguration einen oder mehrere Szintillatoren und mehrere Lichtempfangselemente sowie einen Lichtleiter, der den größten Teil des vom Szintillator emittierten Lichts zu den Lichtempfangselementen überträgt, die den Richtungen oben, unten, links und rechts an der Probe entsprechen, auf und wird das elektrische Signal jedes Lichtempfangselements individuell verarbeitet, so dass die 3D-Messung ausgeführt werden kann.
Die Anzahl der Sätze des Szintillators und des Lichtempfangselements ist nicht auf 4 beschränkt und kann 2, 3, 8 oder 16 sein. Wenn die Anzahl der Sätze erhöht wird, nimmt jedoch die Gesamtzahl der Signalelektronen, die erfasst werden können, zu. Weil jedoch die Anzahl der Signalelektronen pro Satz abnimmt und benachbarte Lichtempfangselemente einander näher liegen, ist es wahrscheinlich, dass das Lichtübersprechen auftritt. Wenn ein Signal für jeden Satz erzeugt wird, nimmt das Bildrauschen zu, wenn die Anzahl der Signalelektronen pro Satz abnimmt. Daher kann eine optimale Anzahl von Sätzen auf der Grundlage der Beziehung zwischen der erreichten Gesamtzahl von Signalelektronen, dem Lichtübersprechen und der Anzahl der Signalelektronen pro Satz ausgewählt werden.
Wie vorstehend beschrieben, kann gemäß der vorliegenden Ausführungsform zusätzlich zu den Wirkungen gemäß der ersten Ausführungsform das elektrische Signal individuell geeignet verstärkt werden und mit hoher Geschwindigkeit verarbeitet werden.
Dritte Ausführungsform
26 ist eine vergrößerte Ansicht eines Szintillators und eines Lichtleiters, die einen Detektor gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung bilden. Die vorliegende Ausführungsform unterscheidet sich in der Hinsicht von der ersten Ausführungsform, dass der Szintillator 10 und der Lichtleiter 11 durch ein Brechungsindex-Anpassungselement 17 verbunden sind. Andere Konfigurationen gleichen jenen gemäß der ersten Ausführungsform, wobei die gleichen Komponenten wie jene gemäß der ersten Ausführungsform mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet sind, und es wird nachstehend auf eine sich mit der ersten Ausführungsform überlappende Beschreibung verzichtet.
Um die Erklärung leichter verständlich zu machen, zeigt die obere Ansicht von 26 eine vergrößerte Ansicht des Szintillators und des Lichtleiters gemäß der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform und zeigt die untere Ansicht von 26 eine vergrößerte Ansicht des Szintillators und des Lichtleiters gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Zuerst werden, wie in der oberen Ansicht von 26 dargestellt ist, bei der Konfiguration des Detektors gemäß der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform der Szintillator 10 und die Einfallsfläche 11a des Lichtleiters nahe zueinander angeordnet, jedoch nicht verbunden (zusammengefügt). Daher erreicht das vom Szintillator 10 emittierte Licht die Einfallsfläche 11a des Lichtleiters über die Luft. Ein Lichtstrahl Strahl111 ist ein Beispiel in den Lichtleiter 11 einfallender Lichtstrahlen, der aus dem Inneren des Szintillators 10 emittiert wird, von der Szintillator-Lichtemissionsfläche 10em emittiert wird und über die Luft in der Lichtleiter 11 eintritt. Das Signalelektron 9 tritt in den Szintillator 10 ein, und Licht wird aus dem Inneren des Szintillators emittiert. Ein Teil des im Szintillator 10 emittierten Lichts kann nicht vom Szintillator 10 abgestrahlt werden und geht im Szintillator verloren. Eine Hauptursache für diesen Verlust ist die an einer Grenzfläche zwischen dem Szintillator 10 und Luft auftretende Totalreflexion. Wenn ein aus einem Halbleiter oder einem Keramikphosphormaterial bestehender Szintillator verwendet wird oder wenn als Szintillator 10 ein Substrat verwendet wird, auf dem ein Phosphorpulver angeordnet ist, und Licht aus dem Substrat extrahiert und verwendet wird, ist der allgemeine Brechungsindex der Szintillator-Lichtemissionsfläche 10em häufig größer als 1,5. Der Totalreflexionswinkel an der Szintillatoroberfläche bei einem Brechungsindex von 1,5 beträgt etwa 40 Grad. Daher beträgt der Anteil des an der Oberfläche totalreflektierten innerhalb des Szintillators emittierten Lichts wenigstens etwa 75 % des auf die Oberfläche auftreffenden Lichts. Wenn sich innerhalb des Szintillators eine Streustruktur befindet, kann sich der Ausbreitungswinkel des totalreflektierten Lichts ändern, so dass es wieder auf die Oberfläche trifft und vom Szintillator 10 emittiert wird, wobei jedoch ein Teil des totalreflektierten Lichts wieder totalreflektiert wird und ins Innere des Szintillators zurückkehrt und absorbiert wird. Ein Lichtstrahl Strahl112 ist ein Beispiel eines im Szintillator absorbierten Lichtstrahls. Weil ein Metall in der Art von Aluminium als reflektierendes Material auf die Fläche 10bs des Szintillators aufgebracht ist, wird bei jeder Lichtreflexion Lichtenergie absorbiert. Der Lichtstrahl Strahl112 wird aus dem Inneren des Szintillators emittiert, durch die Lichtemissionsfläche 10em totalreflektiert und reflektiert, während er von der Fläche 10bs absorbiert wird. Der Lichtstrahl Strahl112 ist ein Beispiel des Lichts, das bei einer Wiederholung dieses Prozesses verloren geht, und die Energie des Lichts wird fast null.
Infolge des Verlustmechanismus dieser Totalreflexion wird davon ausgegangen, dass das Verhältnis zwischen dem vom Szintillator 10 emittierten Licht und dem innerhalb des Szintillators emittierten Licht etwa kleiner als 60 % ist, wobei das Verhältnis nach einer Simulation abhängig von der Struktur 5 % bis 30 % beträgt.
Der Totalreflexionswinkel wird durch die Differenz zwischen dem Brechungsindex des Materials der Szintillator-Lichtemissionsfläche 10em und dem Brechungsindex von Luft bestimmt. Dementsprechend wird, wie in der unteren Ansicht von 26 dargestellt ist, bei der Konfiguration des Detektors gemäß der vorliegenden Ausführungsform ein Brechungsindex-Anpassungselement 17 mit einem höheren Brechungsindex als Luft zwischen der Szintillator-Lichtemissionsfläche 10em und der Einfallsfläche 11a des Lichtleiters 11 angeordnet. Das Brechungsindex-Anpassungselement 17 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist eine Acrylharz-Haftschicht, welche die Szintillator-Lichtemissionsfläche 10em und die Einfallsfläche 11a verbindet. Die Szintillator-Lichtemissionsfläche 10em und die Einfallsfläche 11a werden derart durch die Acrylharz-Haftschicht verbunden, dass verhindert wird, dass Luft in einen Raum zwischen der Szintillator-Lichtemissionsfläche 10em und der Einfallsfläche 11a eintritt. Das Brechungsindex-Anpassungselement 17 ist nicht auf Acrylharz beschränkt und kann ein transparentes Element in der Art eines Epoxidharzes sein. Ein elastischer Körper beispielsweise aus Gummi kann sandwichförmig zwischen dem Szintillator 10 und dem Lichtleiter 11 angeordnet werden, oder der Szintillator 10 kann durch doppelseitiges Klebeband am Lichtleiter 11 angebracht werden.
Wenn der Brechungsindex des Brechungsindex-Anpassungselements 17 höher ist als jener von Luft, ist es weniger wahrscheinlich, dass eine Totalreflexion zwischen der Szintillator-Lichtemissionsfläche 10em und dem Brechungsindex-Anpassungselement 17 auftritt, so dass es wahrscheinlich ist, dass das innerhalb des Szintillators emittierte Licht von der Lichtemissionsfläche 10em auf das Brechungsindex-Anpassungselement 17 fällt. Wenn der Brechungsindex des Brechungsindex-Anpassungselements 17 dem Brechungsindex des Lichtleiters 11 gleicht oder größer als dieser ist, tritt keine Totalreflexion auf, und selbst dann, wenn der Brechungsindex des Lichtleiters 11 im Wesentlichen jenem des Brechungsindex-Anpassungselements 17 gleicht, ist es weniger wahrscheinlich, dass innere Totalreflexion auftritt. Daher wird eine Verbesserung des Lichtausnutzungsgrads erreicht, indem das Brechungsindex-Anpassungselement 17 mit einem Brechungsindex versehen ist, der gleich jenem des Lichtleiters 11 oder größer als dieser ist, weil es wahrscheinlich ist, dass das Licht von der Szintillator-Lichtemissionsfläche 10em auf das Brechungsindex-Anpassungselement 17 trifft und vom Brechungsindex-Anpassungselement 17 in den Lichtleiter 11 fällt. Das Maß, bis zu dem der Brechungsindex jenem des Lichtleiters 11 ähnelt, bezieht sich auf einen Wert innerhalb von etwa ±0,2 des Brechungsindex des Lichtleiters 11. Insbesondere beträgt der Brechungsindex des Brechungsindex-Anpassungselements 17 in etwa 1,31 bis 1,71, wenn der Lichtleiter aus PMMA mit einem Brechungsindex von 1,51 besteht.
Weil der Brechungsindex eines jeden Materials höher als jener von Luft ist, wird das aus Harz oder dergleichen bestehende Brechungsindex-Anpassungselement 17 jedoch so angeordnet, dass es keine Luftschicht zwischen der Szintillator-Lichtemissionsfläche 10em und der Einfallsfläche 11a gibt, wodurch der Lichtausnutzungsgrad verbessert wird. Gleichzeitig kann das vom Szintillator 10 emittierte Licht durch das Brechungsindex-Anpassungselement 17 laufen. Dabei ergibt sich beispielsweise selbst dann, wenn der Absorptionskoeffizient [m^-1] des Materials hoch ist, kein Problem, weil Licht durch das Brechungsindex-Anpassungselement 17 hindurchtritt, wenn es dünn genug ist. Wichtig ist nur, dass das Licht durch das Brechungsindex-Anpassungselement 17 hindurchtritt. Die Lichtdurchlässigkeit des Brechungsindex-Anpassungselements 17 ist möglichst hoch. Es genügt jedoch, dass das Licht durch das Brechungsindex-Anpassungselement 17 hindurchtreten kann, und jedes Harz in der Art von Acrylharz oder Epoxidharz kann das Licht problemlos durchlassen. Beispielsweise kann ein Element, dass das Licht gar nicht durchlässt, wie eine dicke Metallplatte, nicht für das Brechungsindex-Anpassungselement 17 verwendet werden.
Wenn der Brechungsindex des Brechungsindex-Anpassungselements 17 zwischen dem Brechungsindex der Szintillator-Lichtemissionsfläche 10em und dem Brechungsindex des Lichtleiters 11 liegt, ist die Summe der Brechungsindexdifferenz zwischen der Lichtemissionsfläche 10em des Szintillators 10 und dem Brechungsindex-Anpassungselement 17 und der Brechungsindexdifferenz zwischen dem Brechungsindex-Anpassungselement 17 und dem Lichtleiter 11 minimal (Brechungsindexdifferenz zwischen der Szintillator-Lichtemissionsfläche 10em und dem Lichtleiter 11) und wird eine von der Brechungsindexdifferenz abhängende Fresnel-Reflexion minimiert, so dass eine Verbesserung des Lichtausnutzungsgrads erreicht wird.
Bei einem solchen Beispiel beträgt der Brechungsindex des Szintillators aus einer mehrschichtigen Dünnfilmstruktur auf GaN-Basis bei einer Wellenlänge von 400 nm etwa 1,78, weil das Material der Szintillator-Lichtemissionsfläche 10em ein Saphirsubstrat ist. Andererseits beträgt der Brechungsindex von PMMA etwa 1,51. Daher ist es wünschenswert, dass der Brechungsindex des Brechungsindex-Anpassungselements 17 zwischen diesen beiden Brechungsindizes liegt, und es kann beispielsweise ein Acrylharz-Klebstoff oder ein Epoxidharz-Klebstoff mit einem Brechungsindex von etwa 1,6 als Brechungsindex-Anpassungselement 17 verwendet werden.
Die Wirkung des Brechungsindex-Anpassungselements 17 wird durch Simulation geprüft. Für den Szintillator 10 wird eine mehrschichtige Dünnfilmstruktur auf GaN-Basis verwendet, und der Lichtausnutzungsgrad wird berechnet, wenn das Brechungsindex-Anpassungselement 17 bereitgestellt ist und wenn es nicht bereitgestellt ist. Daher beträgt der Lichtausnutzungsgrad bei bereitgestelltem Brechungsindex-Anpassungselement 17 das 1,8Fache des Lichtausnutzungsgrads bei nicht bereitgestelltem Brechungsindex-Anpassungselement 17.
Falls der Lichtleiter ein typisches rechteckiges Parallelepiped ist, wird Licht, wenn es auf den Lichtleiter fällt, gebeugt und beträgt die Aufweitung des Lichts im Lichtleiter weniger als etwa 40 Grad. Dementsprechend wird das sich im Lichtleiter ausbreitende Licht an einer zur Einfallsfläche orthogonalen Fläche wiederholt totalreflektiert, so dass es geleitet wird. Wenn die Lichtquelle und der Lichtleiter jedoch durch das Brechungsindex-Anpassungselement verbunden sind, breitet sich das Licht jedoch nicht im Lichtleiter aus und streut in der Nähe der Einfallsfläche aus dem Lichtleiter, weil das von der Lichtquelle emittierte Licht fast ohne Beugung auf den Lichtleiter trifft. Das heißt, dass der Lichtausnutzungsgrad bei einem Lichtleiter in Form eines typischen rechteckigen Parallelepipeds abnimmt, wenn das Licht in das Brechungsindex-Anpassungselement 17 geleitet wird.
Bei der Struktur, bei der die drei Reflexionsflächen (11c1 bis 11c3) aus Aluminium bestehen, wie beim vorstehend anhand der ersten Ausführungsform beschriebenen Lichtleiter, wird die Querschnittsfläche bei einem parallel zur Emissionsfläche 11b zerlegten Lichtleiter 11 kleiner, wenn sich der Querschnitt der Emissionsfläche 11b nähert. In diesem Fall wird das im Szintillator 10 verloren gegangene Licht durch die Einbringung des Brechungsindex-Anpassungselements 17 verlustfrei entnommen, so dass eine Verbesserung des Lichtausnutzungsgrads erreicht wird, weil das Licht selbst dann durch Reflexion auf das Lichtempfangselement 12 fokussiert wird, wenn sich das vom Szintillator 10 emittierte Licht weiter ausbreitet und auf den Lichtleiter 11 trifft.
Das heißt, dass durch die Anordnung des Brechungsindex-Anpassungselements 17 zwischen dem Lichtleiter 11 und dem Szintillator 10, welche die in der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform beschriebenen Eigenschaften aufweisen, der Lichtausnutzungsgrad verbessert wird.
Dabei kann der Brechungsindex des Brechungsindex-Anpassungselements 17 gleich dem Brechungsindex des Lichtleiters oder größer als dieser gesetzt werden, und es ist sogar besser, wenn der Brechungsindex zwischen dem Brechungsindex der Szintillator-Lichtemissionsfläche 10em und dem Brechungsindex des Lichtleiters 11 liegt.
Wie vorstehend beschrieben, kann gemäß der vorliegenden Ausführungsform zusätzlich zur gemäß der ersten Ausführungsform erreichten Wirkung der Lichtausnutzungsgrad weiter verbessert werden.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend erwähnten Ausführungsformen beschränkt und schließt verschiedene Modifikationen ein. Die vorstehenden Ausführungsformen wurden zum einfachen Verständnis der Erfindung beispielhaft detailliert beschrieben, und die Erfindung ist nicht notwendigerweise darauf beschränkt, dass sie alle beschriebenen Konfigurationen aufweist. Ein Teil einer Konfiguration gemäß einer Ausführungsform kann durch eine Konfiguration gemäß einer anderen Ausführungsform ersetzt werden, und eine Konfiguration gemäß einer anderen Ausführungsform kann zu einer Konfiguration gemäß einer Ausführungsform hinzugefügt werden.
Bezugszeichenliste

1: Elektronenmikroskoptubus,
2...: Elektronenquelle,
3...: optische Achse des Primärelektronenstrahls,
4...: Ablenker,
5...: Spule,
6...: äußerer Magnetpfad,
7...: innerer Magnetpfad,
8...: Probe,
9...: Signalelektron,
10...: Szintillator,
11...: Lichtleiter,
12: Lichtempfangselement,
13...: Ausgangskabel,
14...: Signalverarbeitungsschaltung,
14a...: Verstärkungsschaltung,
14b: Rechenschaltung,
15...: Überwachungseinrichtung,
16: Detektor,
17: Brechungsindex-Anpassungselement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2015106530 A [0008]
US 7928383 [0008]
JP 2017183126 A [0008]

Claims

Mit einem Strahl geladener Teilchen arbeitende Vorrichtung, welche Folgendes aufweist: einen Detektor, der dafür ausgelegt ist, geladene Teilchen, die von einer Probe emittiert werden, die mit einem von einer Quelle geladener Teilchen emittierten Strahl geladener Teilchen bestrahlt wird, und/oder geladene Teilchen, die bei einer Kollision der von der Probe emittierten geladenen Teilchen mit einem anderen Element erzeugt werden, zu detektieren, wobei der Detektor einen Szintillator, der dafür ausgelegt ist, Licht zu emittieren, wenn geladene Teilchen einfallen, ein Lichtempfangselement, das dafür ausgelegt ist, Licht in ein elektrisches Signal zu wandeln, und einen Lichtleiter, der dafür ausgelegt ist, das vom Szintillator erzeugte Licht zum Lichtempfangselement zu leiten, aufweist, wobei der Lichtleiter Folgendes aufweist: eine Einfallsfläche, die einer Lichtemissionsfläche des Szintillators gegenübersteht und auf die das vom Szintillator emittierte Licht fällt, eine Emissionsfläche, die dem Lichtempfangselement gegenübersteht und dafür ausgelegt ist, Licht zu emittieren, und eine Reflexionsfläche, die der Einfallsfläche gegenübersteht und in Bezug auf die Einfallsfläche geneigt ist, so dass das von der Einfallsfläche einfallende Licht in Richtung der Emissionsfläche reflektiert wird, wobei die Emissionsfläche kleiner als die Einfallsfläche ist und eine Neigungsfläche zwischen der Einfallsfläche und der Emissionsfläche bereitgestellt ist, der Reflexionsfläche gegenübersteht und in Bezug auf die Einfallsfläche geneigt ist.
Mit einem Strahl geladener Teilchen arbeitende Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Neigungsfläche im Wesentlichen parallel zu zumindest einem Teil der Reflexionsfläche ist.
Mit einem Strahl geladener Teilchen arbeitende Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Reflexionsfläche aus mehreren Flächen besteht und zumindest einen Teil der Lichtemissionsfläche des Szintillators bedeckt.
Mit einem Strahl geladener Teilchen arbeitende Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Reflexionsfläche aus mehreren Flächen besteht und zumindest einen Teil der Lichtemissionsfläche des Szintillators bedeckt und die Neigungsfläche im Wesentlichen parallel zu einer der mehreren Flächen der Reflexionsfläche ist.
Mit einem Strahl geladener Teilchen arbeitende Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei sich die Reflexionsfläche von der Einfallsfläche zur Emissionsfläche erstreckt.
Mit einem Strahl geladener Teilchen arbeitende Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, welche ferner Folgendes aufweist: eine obere Fläche, die zwischen der Reflexionsfläche und der Emissionsfläche unter einem Neigungswinkel bereitgestellt ist, der von jenem der Reflexionsfläche verschieden ist, wobei in einem den Szintillator, den Lichtleiter und das Lichtempfangselement aufweisenden Querschnitt die Länge der Projektion der Reflexionsfläche auf eine zur Einfallsfläche parallele Fläche größer ist als die Länge der Projektion der oberen Fläche auf die zur Einfallsfläche parallele Fläche.
Mit einem Strahl geladener Teilchen arbeitende Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Querschnittsfläche, wenn der Lichtleiter parallel zur Emissionsfläche zerlegt ist, kleiner wird, wenn sich der Querschnitt der Emissionsfläche nähert.
Mit einem Strahl geladener Teilchen arbeitende Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Szintillator und der Lichtleiter durch ein Brechungsindex-Anpassungselement verbunden sind, welches das vom Szintillator emittierte Licht durchlässt.
Mit einem Strahl geladener Teilchen arbeitende Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Reflexionsfläche ein metallisches reflektierendes Material enthält.
Mit einem Strahl geladener Teilchen arbeitende Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Lichtleiter innerhalb eines eine Objektivlinse eines elektrooptischen Systems bildenden Elements angeordnet ist.
Mit einem Strahl geladener Teilchen arbeitende Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Lichtleiter die gesamte Lichtemissionsfläche des Szintillators bedeckt.
Mit einem Strahl geladener Teilchen arbeitende Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Einfallsfläche die gesamte Lichtemissionsfläche des Szintillators bedeckt.
Mit einem Strahl geladener Teilchen arbeitende Vorrichtung, welche Folgendes aufweist: einen Detektor, der dafür ausgelegt ist, geladene Teilchen, die von einer Probe emittiert werden, die mit einem von einer Quelle geladener Teilchen emittierten Strahl geladener Teilchen bestrahlt wird, und/oder geladene Teilchen, die bei einer Kollision der von der Probe emittierten geladenen Teilchen mit einem anderen Element erzeugt werden, zu detektieren, wobei der Detektor einen Szintillator, der dafür ausgelegt ist, Licht zu emittieren, wenn geladene Teilchen einfallen, ein Lichtempfangselement, das dafür ausgelegt ist, Licht in ein elektrisches Signal zu wandeln, und einen Lichtleiter, der dafür ausgelegt ist, das vom Szintillator erzeugte Licht zum Lichtempfangselement zu leiten, aufweist, wobei der Lichtleiter Folgendes aufweist: eine Einfallsfläche, die einer Lichtemissionsfläche des Szintillators gegenübersteht und auf die das vom Szintillator emittierte Licht fällt, eine Emissionsfläche, die dem Lichtempfangselement gegenübersteht und dafür ausgelegt ist, Licht zu emittieren, und eine Reflexionsfläche, die der Einfallsfläche gegenübersteht und in Bezug auf die Einfallsfläche geneigt ist, so dass das von der Einfallsfläche einfallende Licht in Richtung der Emissionsfläche reflektiert wird, wobei die Emissionsfläche kleiner als die Einfallsfläche ist und die Reflexionsfläche aus mehreren Flächen besteht und zumindest einen Teil der Lichtemissionsfläche des Szintillators bedeckt.
Mit einem Strahl geladener Teilchen arbeitende Vorrichtung, welche Folgendes aufweist: einen Detektor, der dafür ausgelegt ist, geladene Teilchen, die von einer Probe emittiert werden, die mit einem von einer Quelle geladener Teilchen emittierten Strahl geladener Teilchen bestrahlt wird, und/oder geladene Teilchen, die bei einer Kollision der von der Probe emittierten geladenen Teilchen mit einem anderen Element erzeugt werden, zu detektieren, wobei der Detektor einen Szintillator, der dafür ausgelegt ist, Licht zu emittieren, wenn geladene Teilchen einfallen, ein Lichtempfangselement, das dafür ausgelegt ist, Licht in ein elektrisches Signal zu wandeln, und einen Lichtleiter, der dafür ausgelegt ist, das vom Szintillator erzeugte Licht zum Lichtempfangselement zu leiten, aufweist, wobei der Lichtleiter Folgendes aufweist: eine Einfallsfläche, die der Lichtemissionsfläche des Szintillators gegenübersteht und auf die das vom Szintillator emittierte Licht fällt, eine Emissionsfläche, die dem Lichtempfangselement gegenübersteht und dafür ausgelegt ist, Licht zu emittieren, eine Reflexionsfläche, die der Einfallsfläche gegenübersteht und in Bezug auf die Einfallsfläche geneigt ist, so dass das von der Einfallsfläche einfallende Licht in Richtung der Emissionsfläche reflektiert wird, und eine obere Fläche, die zwischen der Reflexionsfläche und der Emissionsfläche unter einem Neigungswinkel angeordnet ist, der von jenem der Reflexionsfläche verschieden ist, wobei die Emissionsfläche kleiner als die Einfallsfläche ist und in einem den Szintillator, den Lichtleiter und das Lichtempfangselement aufweisenden Querschnitt die Länge der Projektion der Reflexionsfläche auf eine zur Einfallsfläche parallele Fläche größer ist als die Länge der Projektion der oberen Fläche auf die zur Einfallsfläche parallele Fläche.
Mit einem Strahl geladener Teilchen arbeitende Vorrichtung, welche Folgendes aufweist: einen Detektor, der dafür ausgelegt ist, geladene Teilchen, die von einer Probe emittiert werden, die mit einem von einer Quelle geladener Teilchen emittierten Strahl geladener Teilchen bestrahlt wird, und/oder geladene Teilchen, die bei einer Kollision der von der Probe emittierten geladenen Teilchen mit einem anderen Element erzeugt werden, zu detektieren, wobei der Detektor einen Szintillator, der dafür ausgelegt ist, Licht zu emittieren, wenn geladene Teilchen einfallen, ein Lichtempfangselement, das dafür ausgelegt ist, Licht in ein elektrisches Signal zu wandeln, und einen Lichtleiter, der dafür ausgelegt ist, das vom Szintillator erzeugte Licht zum Lichtempfangselement zu leiten, aufweist, wobei der Lichtleiter Folgendes aufweist: eine Einfallsfläche, die der Lichtemissionsfläche des Szintillators gegenübersteht und auf die das vom Szintillator emittierte Licht fällt, eine Emissionsfläche, die dem Lichtempfangselement gegenübersteht und dafür ausgelegt ist, Licht zu emittieren, und eine Reflexionsfläche, die der Einfallsfläche gegenübersteht und in Bezug auf die Einfallsfläche geneigt ist, so dass das von der Einfallsfläche einfallende Licht in Richtung der Emissionsfläche reflektiert wird, wobei die Emissionsfläche kleiner als die Einfallsfläche ist und die Querschnittsfläche, wenn der Lichtleiter parallel zur Emissionsfläche zerlegt ist, kleiner wird, wenn sich der Querschnitt der Emissionsfläche nähert.