DE112020006990T5

DE112020006990T5 - Szintillator und gerät zur bestrahlung geladener teilchen

Info

Publication number: DE112020006990T5
Application number: DE112020006990.7T
Authority: DE
Inventors: Eri TAKAHASHI; Shin Imamura; Makoto Suzuki; Shunsuke Mizutani
Original assignee: Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2020-06-10
Filing date: 2020-06-10
Publication date: 2023-01-12
Also published as: WO2021250799A1; JP7326613B2; JPWO2021250799A1; US20230184704A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt zur Verfügung: einen Szintillator, der in der Intensität des Nachleuchtens reduziert ist, während er eine erhöhte Lichtstärke hat; und ein Gerät zur Bestrahlung geladener Teilchen. Ein Szintillator gemäß der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass: ein Basismaterial, eine Pufferschicht, ein lichtemittierendes Teil und eine erste leitende Schicht in dieser Reihenfolge aufeinander gestapelt sind; das lichtemittierende Teil ein oder mehrere Elemente enthält, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Ga, Zn, In, Al, Cd, Mg, Ca und Sr besteht; und eine zweite leitende Schicht zwischen dem Basismaterial und dem lichtemittierenden Teil vorgesehen ist.

Description

Technischer Bereich
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Szintillator und eine Vorrichtung mit einem Strahl geladener Teilchen.
Stand der Technik
Eine Vorrichtung mit einem Strahl geladener Teilchen, die geladene Teilchen erfasst, die durch Bestrahlung einer Probe mit einem Strahl geladener Teilchen wie einem Elektronenstrahl erhalten werden, ist mit einem Detektor zum Erfassen der geladenen Teilchen versehen. Wenn zum Beispiel von einer Probe emittierte Elektronen durch Abtasten der Probe mit einem Elektronenstrahl erfasst werden, werden die Elektronen zu einem Szintillator des Detektors geleitet, indem eine positive Spannung von etwa 8 bis 10 kV, Anlegespannung genannt, an einen Elektronendetektor angelegt wird. Alternativ ist auch ein Verfahren denkbar, bei dem ein Detektor auf der Flugbahn von Elektronen vorgesehen ist und die Elektronen ohne Anlegen einer Anlegespannung auf den Szintillator auftreffen. Das vom Szintillator durch den Zusammenstoß der Elektronen erzeugte Licht wird zu einem Lichtleiter geleitet, durch einen Photodetektor wie eine Photoelektrikröhre in ein elektrisches Signal umgewandelt und zu einem Bildsignal oder einem Wellenformsignal.
Die Patentliteratur 1 offenbart einen Szintillator mit einer Lumineszenzschicht, die aus mit Verunreinigungen dotiertem ZnO besteht und als Reaktion auf einfallende Strahlung Szintillationslicht erzeugt.
Zitierliste
Patentliteratur
PTL 1: JP 2017-120192 A
Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Der Szintillator wird benötigt, um die Detektionseffizienz zu verbessern, indem die Nachleuchtintensität verringert und die Lumineszenzintensität erhöht wird. Der Szintillator emittiert Licht aufgrund der Rekombination von Trägern, die im Szintillator angeregt werden, aber wenn die verbleibenden Träger Licht mit einer Verzögerung emittieren, wird Nachleuchten verursacht, und in einem Fall, in dem die Lumineszenzeinheit eine Struktur mit einer geringen Wahrscheinlichkeit von Trägerrekombination hat, ist die Lumineszenzintensität niedrig.
In dem oben beschriebenen PTL 1 wird ein Szintillator mit einer kurzen Fluoreszenzlebensdauer und einer hohen Lichtausbeute durch die Verwendung eines Materials mit einer schnellen Ansprechcharakteristik und einer weiteren Anpassung der Elektronenkonzentration der Lumineszenzschicht erreicht. Eine Verringerung des Nachleuchtens aufgrund von Restträgern und eine Erhöhung der Lumineszenzintensität aufgrund einer Verbesserung der Lumineszenzeinheitstruktur werden jedoch nicht berücksichtigt.
In Anbetracht der obigen Umstände besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen Szintillator und eine Vorrichtung mit einem Strahl geladener Teilchen bereitzustellen, die sowohl eine Verringerung der Nachleuchtintensität als auch eine Erhöhung der Lumineszenzintensität durch Verringerung der Nachleuchtintensität und Verbesserung der Struktur einer Lumineszenzeinheit erreichen.
Lösung des Problems
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zum Erreichen der obigen Aufgabe umfasst ein Szintillator ein Substrat, eine Pufferschicht, eine Lumineszenzeinheit und eine erste leitfähige Schicht, die in dieser Reihenfolge gestapelt sind, wobei die Lumineszenzeinheit ein oder mehrere Elemente enthält, die aus der Gruppe bestehend aus Ga, Zn, In, Al, Cd, Mg, Ca und Sr ausgewählt sind, und eine zweite leitfähige Schicht zwischen dem Substrat und der Lumineszenzeinheit vorgesehen ist.
Darüber hinaus gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zur Erreichung der oben genannten Aufgabe, eine Vorrichtung mit einem Strahl geladener Teilchen umfasst eine Elektronenquelle, die einen Analyt mit einem Elektronenstrahl bestrahlt; und einen Sekundärpartikeldetektor, der Sekundärpartikel detektiert, die emittiert werden, wenn der Analyt mit dem Elektronenstrahl bestrahlt wird, wobei der Sekundärpartikeldetektor den oben beschriebenen Szintillator der vorliegenden Erfindung umfasst.
Eine genauere Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist in den Ansprüchen beschrieben.
Vorteilhafte Auswirkungen der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, einen Szintillator und eine Vorrichtung mit einem Strahl geladener Teilchen bereitzustellen, die sowohl eine Verringerung der Nachleuchtintensität als auch eine Erhöhung der Lumineszenzintensität durch Verringerung der Nachleuchtintensität und Verbesserung der Struktur einer Lumineszenzeinheit erreichen.
Andere als die oben beschriebenen Probleme, Konfigurationen und Auswirkungen werden durch die folgende Beschreibung von Ausführungsformen verdeutlicht.
Figurenliste

[1] 1 ist eine schematische Schnittdarstellung, die ein erstes Beispiel einer Vorrichtung mit einem Strahl geladener Teilchen der vorliegenden Erfindung zeigt.
[2] 2 ist eine schematische Schnittdarstellung, die ein zweites Beispiel für die Vorrichtung mit einem Strahl geladener Teilchen der vorliegenden Erfindung zeigt.
[3] 3 ist eine schematische Schnittansicht, die ein erstes Beispiel eines Szintillators für die Vorrichtung mit einem Strahl geladener Teilchen der vorliegenden Erfindung zeigt.
[4] 4 ist eine schematische Schnittansicht, die ein zweites Beispiel des Szintillators für die Vorrichtung mit einem Strahl geladener Teilchen der vorliegenden Erfindung zeigt.
[5] 5 ist eine schematische Schnittansicht, die ein drittes Beispiel des Szintillators für die Vorrichtung mit einem Strahl geladener Teilchen der vorliegenden Erfindung zeigt.
[6] 6 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen dem Vorhandensein oder Fehlen einer zweiten leitenden Schicht des Szintillators und dem Nachleuchten veranschaulicht.
[7] 7 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen der Struktur einer Lumineszenzeinheit und der Lumineszenzintensität.
[8] 8 ist eine schematische Schnittansicht, die ein drittes Beispiel der Vorrichtung mit einem Strahl geladener Teilchen der vorliegenden Erfindung zeigt.

Beschreibung der Ausführungsformen
[Vorrichtung mit einem Strahl geladener Teilchen]
Nachfolgend wird eine Vorrichtung mit einem Strahl geladener Teilchen beschrieben, die mit einem Detektor versehen ist und einen Szintillator als Erfassungselement verwendet. Nachfolgend wird ein Beispiel für ein Elektronenmikroskop, insbesondere ein Rasterelektronenmikroskop (SEM), als Vorrichtung mit einem Strahl geladener Teilchen beschrieben.
Zunächst wird eine Ausführungsform der Vorrichtung mit einem Strahl geladener Teilchen beschrieben, an der ein Detektor angebracht ist. 1 ist eine schematische Schnittdarstellung, die ein erstes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung mit einem Strahl geladener Teilchen der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 1 dargestellt, umfasst eine Vorrichtung mit einem Strahl geladener Teilchen (Elektronenmikroskop) 1a einen Analyt (Probe) 4, eine Elektronenquelle 2, die die Probe 4 mit einem Elektronenstrahl (Primärelektronenstrahl) 3 bestrahlt, und einen Detektor 6, der geladene Partikel (Sekundärpartikel) 5 erfasst, die von der mit dem Elektronenstrahl 3 bestrahlten Probe 4 emittiert werden. Die Elektronenquelle 2 ist in einem Elektrooptik-Linsenaufbau 7 untergebracht, und eine Probe 4 ist in der Probenkammer 8 untergebracht.
Der Detektor 6 umfasst einen Szintillator 50, einen Lichtleiter 51 und einen Photodetektor 52. Die Sekundärpartikel 5 werden durch Anlegen einer Anlegespannung in den Szintillator 50 des Detektors 6 eingezogen, und im Szintillator 50 entsteht Lumineszenz. Die Lumineszenz aus dem Szintillator 50 wird durch den Lichtleiter 51 geleitet und durch den Photodetektor 52 in ein elektrisches Signal umgewandelt.
2 ist eine schematische Schnittdarstellung, die ein zweites Beispiel für die Vorrichtung mit einem Strahl geladener Teilchen der vorliegenden Erfindung zeigt. Bei der in 2 dargestellten Vorrichtung mit einem Strahl geladener Teilchen (Elektronenmikroskop) 1b kann durch die Anordnung des Szintillators 50 des Sekundärpartikeldetektors 6 unmittelbar über der Probe 4 die von der Probe 4 emittierten Sekundärpartikel 5 ohne Anlegen einer Anlegespannung auf den Szintillator 50 auftreffen. Außerdem kann der Szintillator 50 die Sekundärpartikel 5, die in einem großen Winkelbereich emittiert werden, detektieren, indem die Oberfläche, auf die die Sekundärpartikel 5 auftreffen, vergrößert wird. Daher kann sogar ein rückgestreutes Elektron (BSE) mit einer geringeren Menge als das Sekundärelektron (SE) als Sekundärpartikel 5 mit hoher Effizienz erfasst werden, und die Bildbeobachtung und Messung mit hoher Genauigkeit kann durchgeführt werden.
Wie bei der Vorrichtung mit einem Strahl geladener Teilchen 1a von 1 und der Vorrichtung mit einem Strahl geladener Teilchen 1b von 2 können der Szintillator 50 und die Lichtleiter 51 verschiedene Formen haben, solange der Szintillator die Flugbahn des Primärelektronenstrahls 3 nicht blockiert. Denkbar ist zum Beispiel eine ringförmige Form, die auf den Primärelektronenstrahl 3 zentriert ist. Der Szintillator 50 kann eine Form haben, die die gesamte Oberfläche des Lichtleiters 51 abdeckt oder eine Form, die einen Teil davon abdeckt. Alternativ kann der Szintillator 50 an einer Position entlang einer Innenwand oder eines Teils der Vorrichtung mit einem Strahl geladener Teilchen angeordnet sein. Darüber hinaus kann die Anzahl der Photodetektoren 52 einer oder mehrere sein, und sie können an jeder beliebigen Position angeordnet werden, solange die Lumineszenz des Szintillators 50 eingegeben werden kann. In 1 ist der Photodetektor 52 außerhalb der Probenkammer 8 angeordnet, kann aber auch in der Probenkammer 8 angeordnet sein.
Als Photodetektor 52 kann eine Photovervielfacherröhre, ein Photodetektor, der einen Halbleiter verwendet, oder ähnliches verwendet werden. Außerdem wird in den 1 und 2 der Lichtleiter 51 für die Einspeisung von Licht aus dem Szintillator 50 in den Photodetektor 52 verwendet, aber das Licht kann auch durch ein anderes Verfahren oder eine andere Anordnung eingespeist werden.
Das vom Photodetektor 52 erhaltene Signal wird in ein Bild umgewandelt und in Verbindung mit der Elektronenstrahl-Bestrahlungsposition angezeigt. Ein elektronenoptisches System zur Fokussierung und Bestrahlung der Probe 4 mit dem Primärelektronenstrahl 3, d. h. ein Deflektor, eine Linse, eine Blende, eine Objektivlinse und dergleichen sind nicht dargestellt. Das elektronenoptische System ist im Elektrooptik-Linsenaufbau 7 installiert, wobei die Probe 4 auf einem Probentisch (nicht dargestellt) beweglich angeordnet ist und die Probe 4 und der Probentisch in der Probenkammer 8 angeordnet sind. Die Probenkammer 8 befindet sich im Allgemeinen in einem Vakuumzustand. Obwohl nicht dargestellt, ist das Elektronenmikroskop mit einer Steuereinheit verbunden, die den Betrieb des Ganzen und jeder Komponente steuert, einer Anzeigeeinheit, die ein Bild anzeigt, einer Eingabeeinheit, die ein Benutzer eine Betriebsanweisung des Elektronenmikroskops eingibt, und dergleichen.
Dieses Elektronenmikroskop ist ein Beispiel für die Konfiguration, und die Vorrichtung mit einem Strahl geladener Teilchen der vorliegenden Erfindung kann auf andere Konfigurationen angewendet werden, solange es sich um ein Elektronenmikroskop einschließlich der Szintillator der vorliegenden Erfindung später beschrieben. Die Sekundärpartikel 5 umfassen auch transmittierte Elektronen, abtastende transmittierte Elektronen, und dergleichen. Darüber hinaus, obwohl nur ein Sekundärpartikeldetektor 6 in 1 und 2 der Einfachheit halber dargestellt ist, kann ein Detektor für rückgestreute Elektronen (BSE) und ein Detektor für Sekundärelektronen (SE) oder dergleichen separat bereitgestellt werden, oder mehrere Detektoren können für die Unterscheidung und Erfassung eines Azimutwinkels oder eines Elevationswinkels bereitgestellt werden.
[Szintillator]
Als nächstes wird der Szintillator 50 der vorliegenden Erfindung beschrieben. 3 ist eine schematische Schnittdarstellung, die ein erstes Beispiel des Szintillators der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 3 dargestellt, hat ein Szintillator 50a eine Konfiguration, in der ein Substrat 10, eine Pufferschicht 11, eine Lumineszenzeinheit 9 und eine erste leitende Schicht 12 in dieser Reihenfolge gestapelt sind. Die erste leitfähige Schicht 12 ist auf einer Seite ausgebildet, auf der in der Vorrichtung mit einem Strahl geladener Teilchen zu detektierende geladene Partikel auftreffen. Darüber hinaus ist die zweite leitfähige Schicht 13 zwischen dem Substrat 10 und der Lumineszenzeinheit 9 vorgesehen. Mit anderen Worten, die zweite leitfähige Schicht 13 ist auf der Seite des Substrats 10 von der Lumineszenzeinheit 9 vorgesehen.
Als Material jeder Schicht, aus der der Szintillator 50a besteht, kann das Substrat 10 beispielsweise Saphir enthalten, die Pufferschicht 11 und die Szintillatorlumineszenzeinheit 9 können ein oder mehrere Elemente enthalten, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Ga (Gallium), Zn (Zink), In (Indium), Al (Aluminium), Cd (Cadmium), Mg (Magnesium), Ca (Calcium) und Sr (Strontium), die erste leitfähige Schicht 12 kann ein oder mehrere Elemente aus der Gruppe Al, Zn und Ag (Silber) enthalten, und die zweite leitfähige Schicht 13 kann Zn enthalten. Die Pufferschicht 11, die Lumineszenzeinheit 9, die erste leitende Schicht 12 und die zweite leitende Schicht 13 können durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) hergestellt werden.
Durch die Entfernung von in der Szintillatorlumineszenzeinheit 9 verbliebenen Trägern aus der zweiten leitfähigen Schicht 13 kann die langsame Lumineszenz (Nachleuchten) aufgrund der Restträger reduziert werden. Die zweite leitende Schicht 13 ist in 3 an der Schnittstelle zwischen der Pufferschicht 11 und der Lumineszenzeinheit 9 vorgesehen, kann aber auch an der Schnittstelle zwischen dem Substrat 10 und der Pufferschicht 11 oder dergleichen vorgesehen sein. Liegt sie näher am Substrat 10 als an der Lumineszenzeinheit 9, kann der restliche Träger entfernt werden.
Das Substrat 10 hat zum Beispiel eine Scheibenform von 1/2 bis 4 Zollϕ, und ein Material, das durch Züchten der Pufferschicht 11, der zweiten leitfähigen Schicht 13 und der Lumineszenzeinheit 9, Bilden der ersten leitfähigen Schicht und anschließendes Schneiden der ersten leitfähigen Schicht 12 in eine vorbestimmte Größe erhalten wird, kann als Szintillator verwendet werden. Die Schnittstelle zwischen dem Substrat 10 und der Pufferschicht 11 oder der zweiten leitfähigen Schicht 13 kann eine ebene Oberfläche oder eine unebene Struktur aufweisen. Wenn beispielsweise eine Struktur verwendet wird, bei der im Querschnitt betrachtet durchgehend eine vorstehende Struktur mit einem Strukturabstand von 10 bis 10.000 nm und einer Strukturhöhe von 10 bis 10.000 nm gebildet wird, erhöht sich die Wahrscheinlichkeit, dass die Lumineszenz in der Szintillatorlumineszenzeinheit 9 zur Seite des Substrats 10 herausgenommen werden kann, und die Lumineszenzausgabe kann verbessert werden.
Die Dicke der Pufferschicht 11 beträgt vorzugsweise 1µ m oder mehr und 10µ m oder weniger. Wenn die Pufferschicht 11 dünner als 1µ m ist, besteht die Möglichkeit, dass Verzerrungen in der Szintillatorlumineszenzeinheit 9 auftreten und das Nachleuchten zunimmt. Wenn die Pufferschicht 11 dicker als 10µ m ist, wird das emittierte Licht in der Pufferschicht 11 absorbiert, und es besteht die Möglichkeit, dass die Lichtausbeute aus dem Szintillator abnimmt.
Die Dicke der Szintillatorlumineszenzeinheit 9 beträgt vorzugsweise 200 nm oder mehr und 10µ m oder weniger. Wenn die Szintillatorlumineszenzeinheit 9 dünner als 200 nm ist, ist die Anzahl der erzeugten Träger gering, so dass die Lumineszenzintensität abnimmt. Wenn die Szintillatorlumineszenzeinheit 9 dicker als 10µ m ist, wird das Licht, selbst wenn es emittiert wird, in der Szintillatorlumineszenzeinheit 9 absorbiert, bevor es die Pufferschicht 11 erreicht, und es besteht die Möglichkeit, dass die Lichtausbeute aus dem Szintillator abnimmt.
Die Dicke der ersten leitfähigen Schicht 12 beträgt vorzugsweise 40 nm oder mehr und 500 nm oder weniger. Wenn die erste leitfähige Schicht 12 dünner als 40 nm ist, besteht die Möglichkeit der Aufladung, wenn die Sekundärpartikel 5 auftreffen. Wenn die erste leitfähige Schicht 12 dicker als 500 nm ist, geht außerdem Energie verloren, wenn die Sekundärpartikel 5 durch die erste leitfähige Schicht 12 hindurchgehen, und es besteht die Möglichkeit, dass die Menge an Strahlen geladener Teilchen, die auf die Szintillatorlumineszenzeinheit 9 auftrifft, abnimmt. Als Material der ersten leitenden Schicht 12 können neben Al, Zn und Ag auch andere Materialien, Legierungen und dergleichen verwendet werden, solange es sich um ein leitendes Material handelt.
Die Dicke der zweiten leitfähigen Schicht 13 beträgt vorzugsweise 10 nm oder mehr. Wenn die zweite leitende Schicht 13 dünner als 10 nm ist, kann ein Bereich gebildet werden, in dem die zweite leitende Schicht 13 nicht ausgebildet ist, und der Bereich kann aufgeladen werden. Das Material der zweiten leitfähigen Schicht 13 enthält vorzugsweise Zn, aber andere Materialien, Legierungen und dergleichen können zusätzlich zu Zn verwendet werden, solange das Material leitfähig ist und erzeugtes Licht durchlassen kann.
4 ist eine schematische Schnittdarstellung, die ein zweites Beispiel des Szintillators der vorliegenden Erfindung zeigt. Der in 4 dargestellte Szintillator 50b unterscheidet sich von dem in 3 dargestellten Szintillator 50a dadurch, dass die Lumineszenzeinheit 9 ein Laminat aus einer Lumineszenzschicht 14 und einer Barriereschicht 15 aufweist. Obwohl nicht dargestellt, ist zwischen der Lumineszenzeinheit 9 und dem Substrat 10 wie in 3 eine zweite leitende Schicht vorgesehen.
Das Material jeder Schicht, aus der der Szintillator 50b besteht, kann beispielsweise ein Material sein, bei dem das Substrat 10 Saphir enthält, die Pufferschicht 11, die Lumineszenzschicht 14 und die Barriereschicht 15 ein oder mehrere Elemente enthalten, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Zn, Cd, Mg, Ca und Sr besteht, und die erste leitende Schicht 12 ein oder mehrere Elemente enthält, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Al, Zn und Ag besteht, ähnlich wie bei dem oben beschriebenen Szintillator 50a von 3. Die Pufferschicht 11, die Lumineszenzschicht 14 und die Barriereschicht 15 können durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) hergestellt werden. Die Szintillatorlumineszenzeinheit 9 aus einem Laminat aus dem oben beschriebenen Material hat Multi Quantum Wells (MQW) und kann eine hohe Lumineszenzintensität erreichen.
Die Formen und Dicken des Substrats 10, der Pufferschicht 11, der Szintillatorlumineszenzeinheit 9 und der ersten leitenden Schicht sind die gleichen wie in 3 oben beschrieben.
Die Bandspaltenenergie (E_g) der Lumineszenzschicht 14 ist vorzugsweise kleiner als die der Barriereschicht 15. Wenn die E_g der Lumineszenzschicht 14 kleiner ist als die der Barriereschicht, sammeln sich Träger leicht in der Lumineszenzschicht 14, und die Lumineszenzwahrsacheinlichkeit aufgrund von Trägerrekombination wird verbessert.
Insbesondere ist das Verhältnis zwischen der Dicke a einer Lumineszenzschicht 14 und einer Dicke b der Barriereschicht 15 vorzugsweise b/a = 5 oder mehr und 50 oder weniger. Wenn b/a kleiner als 5 ist, kann die in der Lumineszenzschicht 14 erzeugte Verschiebung der Gitterkonstante in der Barriereschicht 15 nicht unterdrückt werden, es kommt zu Verzerrungen, und Nachleuchten kann zunehmen. Wenn b/a größer als 50 ist, sinkt außerdem die Wahrscheinlichkeit, dass Träger, die sich in der Barriereschicht 15 bewegen, die Lumineszenzschicht 14 erreichen, und die Lumineszenzintensität kann abnehmen. Darüber hinaus beträgt b/a vorzugsweise 11 oder mehr und 25 oder weniger, um die Effekte der Verbesserung der Lumineszenzintensität und der Verringerung der Nachleuchtintensität weiter zu zeigen.
Die Dicke b der Barriereschicht 15 beträgt vorzugsweise 10 nm oder mehr und 100 nm oder weniger. Wenn die Dicke b kleiner als 10 nm ist, kann es zu Verzerrungen im Laminat der Szintillatorlumineszenzeinheit 9 kommen, was zu einer Abnahme der Lumineszenzintensität und einer Zunahme der Nachleuchtintensität führt. Wenn die Dicke b größer als 100 nm ist, sinkt außerdem die Wahrscheinlichkeit, dass Träger, die sich in der Barriereschicht 15 bewegen, die Lumineszenzschicht 14 erreichen, und die Lumineszenzintensität kann abnehmen.
Vorzugsweise werden mehrere Lumineszenzschichten 14 und mehrere Barriereschichten 15 abwechselnd gestapelt. Wenn die Barriereschicht 15 dick ist, steigt die Anzahl der erzeugten Träger, aber wenn die Barriereschicht zu dick ist, sinkt die Ankunftswahrscheinlichkeit von Trägern an der Lumineszenzschicht 14, und die Lumineszenzintensität kann abnehmen. Zu diesem Zeitpunkt kann durch abwechselndes Stapeln mehrerer Lumineszenzschichten 14 und Barriereschichten 15 die Gesamtdicke der Barriereschichten 15 im Laminat der Szintillatorlumineszenzeinheit 9 erhöht werden, während die Dicke jeder Barriereschicht 15 beibehalten wird, so dass es möglich ist, sowohl eine Erhöhung der Anzahl der Träger als auch eine Verbesserung der Wahrscheinlichkeit, dass Träger die Lumineszenzschicht 14 erreichen, zu erreichen.
Die Anzahl der Lumineszenzschichten 14 und der Barriereschichten 15 beträgt vorzugsweise 5 oder mehr und 25 oder weniger. Wenn die Anzahl der Schichten weniger als fünf beträgt, kann das Laminat der Szintillatorlumineszenzeinheit 9 nicht verdickt werden, und es besteht die Möglichkeit, dass die Lumineszenzintensität abnimmt. Außerdem kann es bei mehr als 25 Schichten zu Verzerrungen kommen, wenn eine große Anzahl von Schichten mit unterschiedlichen Gitterkonstanten gestapelt wird, was zu einer Abnahme der Lumineszenzintensität und einer Zunahme der Nachleuchtintensität führt. Da das Laminat dicker wird, besteht außerdem die Möglichkeit, dass das Licht im Laminat absorbiert wird und die Lichtausbeute abnimmt.
5 ist eine schematische Schnittdarstellung, die ein drittes Beispiel des Szintillators der vorliegenden Erfindung zeigt. Ein in 5 dargestellter Szintillator 50c hat eine Konfiguration, in der eine Kombination aus der Lumineszenzeinheit 9 und der Pufferschicht 11 der in 3 oder 4 dargestellten Szintillatoren 50a und 50b wiederholt gestapelt wird. In 5 ist die Lumineszenzeinheit 9 ein Laminat aus der Lumineszenzschicht 14 und der Barriereschicht 15, kann aber auch eine einschichtige Lumineszenzeinheit 9 sein, wie in 3 dargestellt. Obwohl nicht dargestellt, ist eine zweite leitende Schicht zwischen der Lumineszenzeinheit 9 und dem Substrat 10 wie in 3 vorgesehen.
Die Dicken der Lumineszenzeinheit 9 und der Pufferschicht 11 vom obersten zum untersten Teil betragen vorzugsweise 200 nm oder mehr und 10µ m oder weniger. Wenn die Lumineszenzeinheit 9 und die Pufferschicht 11 dünner als 200 nm sind, ist die Anzahl der erzeugten Träger gering, so dass die Lumineszenzintensität abnimmt. Wenn die Lumineszenzeinheit 9 und die Pufferschicht 11 dicker als 10µ m sind, wird das emittierte Licht in der Lumineszenzeinheit 9 oder der Pufferschicht 11 absorbiert, und es besteht die Möglichkeit, dass die Lichtausbeute aus dem Szintillator abnimmt.
Wenn die Spannung der Sekundärpartikel 5 hoch ist, erhöht sich die Eindringdistanz in den Szintillator 50. Um die Anregungsmenge der Träger durch Sekundärpartikel 5 zu erhöhen, ist es daher notwendig, die Szintillatorlumineszenzeinheit 9 entsprechend der Eindringtiefe der Sekundärpartikel 5 dick zu machen. Wenn dann nur die Szintillatorlumineszenzeinheit 9 dick gestapelt ist, insbesondere im Fall eines Laminats aus der Lumineszenzschicht 14 und der Barriereschicht 15, die in 4 dargestellt sind, kann die Verzerrung der Struktur zunehmen, und es wird davon ausgegangen, dass das Nachleuchten zunimmt. Andererseits kann in einem Fall, in dem die Szintillatorlumineszenzeinheit 9 und die Pufferschicht 11 wiederholt gestapelt werden, die Lumineszenzintensität erhöht werden, ohne das Nachleuchten zu erhöhen, da die Verzerrung durch die Laminierung der Pufferschicht 11 verringert wird.
Die Schichtdicke und die Anzahl der Schichten der Pufferschicht 11, der Szintillatorlumineszenzeinheit 9, der Lumineszenzschicht 14, der Barriereschicht 15, der ersten leitenden Schicht 12 und der zweiten leitenden Schicht 13, die in den 3 bis 5 dargestellt sind, können mit Hilfe eines Transmissionsselektronenmikroskops (TEM), eines Röntgenstrahls oder dergleichen gemessen werden.
Insbesondere wird als Lumineszenzeinheit 9 vorzugsweise ein Zinkoxid (ZnO) enthaltendes Material verwendet. Wenn ZnO enthalten ist, ist die Dämpfung von Lumineszenz schnell, so dass sowohl eine Reduzierung des Nachleuchtens als auch eine Erhöhung der Lumineszenzintensität auf hohem Niveau erreicht werden kann. Wenn die Lumineszenzeinheit 9, die ZnO enthält, mehrere Quantentöpfe aufweist, kann außerdem E_g durch Zugabe von Cd erhöht und E_g durch Zugabe von Mg verringert werden.
Der Szintillator hat vorzugsweise eine Lumineszenzwellenlänge von 450 nm oder weniger. Insbesondere bei ZnO beträgt die Lumineszenzwellenlänge 380 nm, wenn kein Zusatzstoff vorhanden ist, während die Lumineszenzwellenlänge durch Zugabe von Mg oder ähnlichem verlängert wird. Wenn die Lumineszenzwellenlänge jedoch mehr als 450 nm beträgt, ändert sich die Struktur aufgrund einer Zunahme der Zugabemenge, es kann zu Verzerrungen kommen, und das Nachleuchten kann zunehmen.
Bei einer LED (Leuchtdiode) werden Träger an einem pnÜbergangsteil zwischen einem p-Typ-Halbleiter und einem n-Typ-Halbleiter durch Strominjektion rekombiniert, und es wird Licht emittiert. In dem in 3 bis 5 dargestellten Szintillator hingegen erfolgt die Anregung der Träger durch geladene Partikel, die in die n-Typ-Struktur einfallen, und die Lumineszenz durch Rekombination. Da das Licht also ohne pn-Übergang emittiert werden kann, ist es nicht notwendig, eine p-Typ-Struktur zu bilden. Der Szintillator und die LED der vorliegenden Erfindung sind in dieser Hinsicht unterschiedlich.
In dem oben beschriebenen Szintillator kann sich das Licht nicht nur in der Auf-Ab-Richtung (Richtung von der ersten leitenden Schicht 12 zum Substrat 10) im Szintillator ausbreiten, sondern auch in der Links-Rechts-Richtung. Daher breitet sich das Licht selbst in einem Fall, in dem Licht durch den Lichtleiter 51 zum Photodetektor 52 geleitet wird, der eine Oberfläche aufweist, die in einem Winkel von 90 Grad in Bezug auf die Einfallsoberfläche des Szintillators 50 mit einer großen Einfallsoberfläche der Sekundärpartikel 5 von der Probe 4 vorgesehen ist, wie in 2 dargestellt, innerhalb des Szintillators 50 aus, so dass die Erfassungseffizienz des Lichts im Photodetektor 52 verbessert werden kann.
6 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen dem Vorhandensein oder Fehlen einer zweiten leitenden Schicht 13 des Szintillators und dem Nachleuchten. Der Szintillator hatte die in 3 dargestellte Konfiguration, und ein Substrat 10 (2 Zollϕ Saphir-Substrat), eine Pufferschicht 11 (1 µm ZnO-Schicht), eine Lumineszenzeinheit 9 (1 µm ZnO: Ga) und eine erste leitfähige Schicht 12 (80 nm Al) waren übereinander angeordnet. Eine Probe mit der zweiten leitfähigen Schicht 13 (10 nm ZnO) und eine Probe ohne die zweite leitfähige Schicht 13 wurden hergestellt. Die Pufferschicht 11, die Lumineszenzeinheit 9 und die zweite leitfähige Schicht 13 wurden durch CVD hergestellt.
6 zeigt eine zeitliche Änderung der Lumineszenzintensität, die eine Wellenform darstellt, wenn der Szintillator an das Oszilloskop angeschlossen ist. Die angelegte Spannung betrug 10 kV. In einem Fall, in dem die zweite leitende Schicht 13 nicht vorhanden ist (durchgezogenes Liniendiagramm in 6), ist zu erkennen, dass die Neigung des Abfalls der Lumineszenz gering und das Nachleuchten groß ist. Andererseits ist in einem Fall, in dem die zweite leitende Schicht 13 vorgesehen ist (gestrichelte Linie in 6), zu sehen, dass die Neigung des Fallens der Lumineszenz groß und das Nachleuchten klein sind. Durch den Einbau der zweiten leitenden Schicht 13 kann die Zeit vom Anstieg der Lumineszenz bis zur Dämpfung der Lumineszenz auf 10% der maximalen Intensität kürzer als 5 ns gemacht werden.
Es ist zu beachten, dass separat bestätigt wurde, dass das Nachleuchten auch dann reduziert werden kann, wenn die Lumineszenzeinheit 9 die Multiquantentöpfe von 4 und der Szintillator, in dem die Lumineszenzeinheit 9 und die Pufferschicht 11 von 5 gestapelt sind, ähnlich wie in 6 oben beschrieben, ist.
7 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer Struktur der Lumineszenzeinheit und der Lumineszenzintensität veranschaulicht. In 7, Konfiguration 1: ein Fall, in dem die Szintillatorlumineszenzeinheit 9 eine einzelne Schicht mit einer Dicke von 1µm ist, Konfiguration 2: ein Fall, in dem ein Satz der Szintillatorlumineszenzeinheit 9 mit mehreren Quantentöpfen und der Pufferschicht 11 gestapelt ist, um die Lumineszenzeinheit 9 mit einer Dicke von 1µm zu bilden, und Konfiguration 3: ein Fall, in dem fünf Sätze der Szintillatorlumineszenzeinheit 9 mit Multiquantentöpfen und der Pufferschicht 11 gestapelt sind, um die Szintillatorlumineszenzeinheit 9 mit einer Dicke von 10µ m vom obersten Abschnitt zum untersten Abschnitt der Lumineszenzeinheit 9 zu bilden. Die Szintillatoren der Konfigurationen 1 bis 3 werden auf ein Elektronenmikroskop montiert, und die Bildhelligkeit (Lumineszenzintensität) bei 10 kV und 60 kV wird gezeigt. Aus dem Vergleich zwischen der Konfiguration 1 und der Konfiguration 2 geht hervor, dass die Lumineszenzintensität durch die Verwendung von Multi-Quantum-Wells im Vergleich zu dem Fall zunimmt, in dem die Szintillatorlumineszenzeinheit 9 eine einzelne Schicht ist. Darüber hinaus wird aus dem Vergleich zwischen den Konfigurationen 1 und 2 und der Konfiguration 3 festgestellt, dass die Lumineszenzintensität insbesondere bei einer Hochspannung von 60 kV durch Erhöhung der Dicke der Szintillatorlumineszenzeinheit 9 zunimmt.
In der obigen Beschreibung wurde ein Beispiel beschrieben, bei dem der Szintillator hauptsächlich für einen Detektor wie ein Rasterelektronenmikroskop (SEM) verwendet wird, aber der Szintillator für eine Vorrichtung mit einem Strahl geladener Teilchen der vorliegenden Erfindung kann auch als Detektor eines Massenspektrometers verwendet werden.
Das Massenspektrometer führt eine Massentrennung von Ionen durch elektromagnetische Einwirkung durch und misst ein Masse/Ladungs-Verhältnis der zu messenden Ionen. 8 ist eine schematische Schnittdarstellung, die ein drittes Beispiel für die Vorrichtung mit einem Strahl geladener Teilchen der vorliegenden Erfindung zeigt. 8 illustriert eine Konfiguration eines Massenspektrometers als Vorrichtung mit einem Strahl geladener Teilchen 1c. Ein in 8 dargestelltes Massenspektrometer 1c umfasst eine Ionisierungseinheit 60, die eine zu analysierende Probe ionisiert, eine Massentrennungseinheit 61, die in der Ionisierungseinheit 60 extrahierte Ionen massenselektiert, eine Umwandlungsdynode (Umwandlungselektrode) 62, die in der Massentrennungseinheit 61 massenselektierte Ionen in geladene Partikel umwandelt, indem sie die Ionen mit Elektroden kollidieren lässt, und einen Sekundärpartikeldetektor 6, der in der Umwandlungsdynode 62 erzeugte geladene Partikel erfasst.
Beispiele für Ionisierungsverfahren für die Ionisierungseinheit 60 sind ESI (Electrospray Ionization), APCI (Atmospheric Pressure Chemical Ionization), MALDI (Matrix-Assisited Laser Desorption Ionization) und APPI (Atmospheric Pressure Photo-Ionization). Beispiele für die Massentrennungseinheit 61 sind ein Quadrupol-Massenspektrometer (QMS), ein Ionenfallen-Typ, ein Flugzeit-Typ, ein FT-ICR-Typ (Fourier-Transform-Ionenzyklotronresonanz), ein Orbitrap-Typ oder ein zusammengesetzter Typ davon.
Der Sekundärpartikeldetektor 6 hat die gleiche Konfiguration wie der in den 1 und 2 dargestellte Sekundärpartikeldetektor 6 und umfasst den Szintillator 50 der vorliegenden Erfindung. Durch Verwendung des Szintillators 50 für eine Vorrichtung mit einem Strahl geladener Teilchen der vorliegenden Erfindung ist es möglich, das Massenspektrometer 1c bereitzustellen, das in der Lage ist, Hochgeschwindigkeits- und Hochempfindlichkeitsanalysen durchzuführen.
Wie oben beschrieben, hat sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung gezeigt, dass es möglich ist, einen Szintillator für eine Vorrichtung mit einem Strahl geladener Teilchen bereitzustellen, bei dem die Nachleuchtintensität verringert und die Lumineszenzintensität erhöht wird.
Darüber hinaus ist die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt und umfasst verschiedene Modifikationen. Zum Beispiel wurden die oben beschriebenen Ausführungsformen im Detail beschrieben, um die vorliegende Erfindung in einer leicht verständlichen Weise zu beschreiben, und sind nicht notwendigerweise auf diejenigen mit allen beschriebenen Konfigurationen beschränkt. Ferner kann ein Teil der Konfiguration einer Ausführungsform durch die Konfiguration einer anderen Ausführungsform ersetzt werden, und die Konfiguration einer anderen Ausführungsform kann zu der Konfiguration einer Ausführungsform hinzugefügt werden. Darüber hinaus ist es möglich, für einen Teil der Konfiguration jeder Ausführungsform andere Konfigurationen hinzuzufügen, zu löschen und zu ersetzen.
In der oben beschriebenen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wurden das SEM und das Massenspektrometer als Beispiele für die Vorrichtung mit einem Strahl geladener Teilchen der vorliegenden Erfindung beschrieben, aber die Vorrichtung mit einem Strahl geladener Teilchen der vorliegenden Erfindung ist nicht darauf beschränkt. Die Anwendung auf andere Vorrichtungen, die einen Ionenstrahl verwenden, ist ebenfalls möglich.
Darüber hinaus kann die vorliegende Erfindung nicht nur für die Beobachtung, sondern auch für ein Halbleitermuster-Messgerät, ein Inspektionsgerät und dergleichen als Anwendung im Falle der Verwendung von SEM angewendet werden.
Ferner umfasst der Szintillator der vorliegenden Erfindung: Die vorliegende Erfindung ist nicht nur auf die Vorrichtung mit einem Strahl geladener Teilchen anwendbar, sondern auch auf einen Strahlungsdetektor, der Strahlung detektiert.
Bezugszeichenliste

1a, 1b: Vorrichtung mit einem Strahl geladener Teilchen (Elektronenmikroskop)
1c: Vorrichtung mit einem Strahl geladener Teilchen (Massenspektrometer)
2: Elektronenquelle
3: Primärelektronenstrahl
4: Analyt (Probe)
5: Sekundärpartikel
6: Sekundärpartikeldetektor
7: Elektrooptik-Linsenaufbau
8: Probenkammer
9: Szintillatorlumineszenzeinheit
10: Substrat
11: Pufferschicht
12: erste leitfähige Schicht
13: zweite leitfähige Schicht
14: Lumineszenzschicht
15: Barriereschicht
50, 50a, 50b, 50c: Szintillator
51: Lichtleiter
52: Fotodetektor
60: Ionisierungseinheit
61: Massentrennungseinheit
62: Umwandlungselektrode

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2017120192 A [0004]

Claims

Szintillator mit: einem Substrat; einer Pufferschicht; einer Lumineszenzeinheit; und einer ersten leitenden Schicht, die in dieser Reihenfolge gestapelt sind, wobei die Lumineszenzeinheit ein oder mehrere Elemente enthält, die aus der Gruppe bestehend aus Ga, Zn, In, Al, Cd, Mg, Ca und Sr ausgewählt sind, und eine zweite leitende Schicht zwischen dem Substrat und der Lumineszenzeinheit vorgesehen ist.
Szintillator nach Anspruch 1, wobei die Lumineszenzeinheit ein Laminat aus einer Lumineszenzschicht und einer Barriereschicht umfasst und die Lumineszenzschicht und die Barriereschicht ein oder mehrere Elemente enthalten, die aus der Gruppe bestehend aus Zn, Cd, Mg, Ca und Sr ausgewählt sind.
Szintillator nach Anspruch 1, wobei die zweite leitende Schicht zwischen der Pufferschicht und der Lumineszenzeinheit vorgesehen ist.
Szintillator nach Anspruch 1, wobei die zweite leitende Schicht zwischen dem Substrat und der Pufferschicht vorgesehen ist.
Szintillator nach Anspruch 1, wobei eine Beschichtungsdicke der zweiten leitenden Schicht 10 nm oder mehr beträgt.
Szintillator nach Anspruch 1, wobei mehrere Lumineszenzeinheiten und mehrere Pufferschichten gestapelt sind.
Szintillator nach Anspruch 2, wobei eine Bandspaltenenergie der Lumineszenzschicht kleiner ist als die der Barriereschicht.
Szintillator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei ein Peak einer Lumineszenzwellenlänge der Lumineszenzeinheit 450 nm oder weniger beträgt.
Szintillator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine Oberfläche des Substrats eine unebene Struktur aufweist.
Szintillator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die erste leitfähige Schicht ein oder mehrere Elemente enthält, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Al, Zn und Ag besteht.
Szintillator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die zweite leitfähige Schicht Zn enthält.
Szintillator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Lumineszenzeinheit ZnO enthält.
Vorrichtung mit einem Strahl geladener Teilchen, mit: einer Elektronenquelle, die ein Analyt mit einem Elektronenstrahl bestrahlt; und einem Sekundärpartikeldetektor, der Sekundärpartikel erfasst, die bei der Bestrahlung des Analyt mit dem Elektronenstrahl emittiert werden, wobei der Sekundärpartikeldetektor den Szintillator nach einem der Ansprüche 1 bis 7 umfasst.
Vorrichtung mit einem Strahl geladener Teilchen nach Anspruch 13, wobei der Szintillator unmittelbar über dem Analyt vorgesehen ist, aus dem die Sekundärpartikel ausgestoßen werden.
Vorrichtung mit einem Strahl geladener Teilchen nach Anspruch 14, wobei die Vorrichtung mit einem Strahl geladener Teilchen eine Elektronenmikroskopvorrichtung oder ein Massenspektrometer ist.