JP2005043263A

JP2005043263A - 信号検出器

Info

Publication number: JP2005043263A
Application number: JP2003278680A
Authority: JP
Inventors: Katsuya Okumura; 奥村勝弥; Hiroyuki Ihi; 衣斐寛之; Yoshiaki Okada; 岡田義明
Original assignee: Horiba Ltd; Octec Inc
Current assignee: Horiba Ltd; Octec Inc
Priority date: 2003-07-23
Filing date: 2003-07-23
Publication date: 2005-02-17

Abstract

【課題】飛躍的な小型化が可能な信号検出器を提供することにより、電子顕微鏡全体の小型化に寄与し、ひいては電子顕微鏡の設置自由度や利用自由度を向上させる。
【解決手段】Ｎ型半導体３１及びＰ型半導体３２を備えてなり、それら半導体３１、３２に逆バイアスをかけてそれらの境界部分に空乏層ＤＲを形成するとともに、その空乏層ＤＲに入射した二次電子ＳＥを検出するようにしたものであって、前記各半導体３１、３２を表面３ａに交互に露出させるとともに、いずれか一方の半導体３２に挟まれた他方の半導体３１の表面露出部分に亘って空乏層ＤＲが形成されるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、二次電子、反射電子など一次電子に対応して放出された信号電子や、その他の粒子、光子等である信号を検出する信号検出器に関し、特に試料の顕微分析を行う電子顕微鏡等の電子線分析装置に好適に用いられるものに関するものである。

この種の電子線分析装置としては、電子顕微鏡（ＳＥＭ）や電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）、オージェ電子分析装置（ＡＥＳ）、反射型高エネルギー電子線回折装置（ＲＨＥＥＤ）、低エネルギー電子線回折装置（ＬＥＥＤ）などが知られている。これらは、電子銃から発生した電子線を数十V程度から数十kVの電圧で加速すると共に電磁レンズなどで細く絞って試料表面に照射し、このとき試料に含まれる元素に応じて発生した特性Ｘ線や反射電子、二次電子などを検出しデータ処理を施すことによって、試料に含まれる元素の種類や含まれる濃度、化合形態や結晶状態などさまざまな分析を行えるようにしている。

このうち試料から放出される電子にはエネルギの低い二次電子と、入射電子が試料内部でエネルギを失う前に再び真空中に飛び出したエネルギの高い反射電子がある。

一般にＳＥＭで形態観察を行う際には二次電子を検出して画像（二次電子像）を作成する。但し、この二次電子像では、試料表面のなだらかな凹凸を捉えにくく、凹凸の大きな試料表面には、反射電子を検出し画像を作成することが行われている。また、この反射電子は試料の組成に依存した信号でもあるので、二次電子とは異なり、組成に依存した画像を得ることができる。

一方、これら二次電子や反射電子を検出するための検出器として、従来は、特許文献１の段落００１９等に示されているように、MCP(Micro Channel Plate)やシンチレータが主に用いられている。

前記MCPやシンチレータは比較的大型のものであるが、従来のこの種の電子顕微鏡等は、それ自身が大型のものであり、また試料を収容するための専用のチャンバーに取り付けられるようにしてあるため、前記MCPやシンチレータを配置するための十分なスペースの確保が容易である。
特開２００２−３１０９５９公報特開２００２−９３８７３公報

ところで、他の分析装置や半導体製造プロセス装置等の既存の装置に後付で前記電子顕微鏡等の電子線分析装置を組み込むといった用途を考えると、電子線分析装置そのものを小型化して汎用的に取り付けられるようにしておくことが好ましい。

しかしながら、従来のものは、前述したように、二次電子や反射電子等の信号電子検出器として構造上小型化に限界のあるMCPやシンチレータを用いており、しかも前記特許文献１、２に示されているように、この種の信号電子検出器は試料の側方あるいは斜め側方に配置する必要があることから、これらの点が電子顕微鏡等を小型化しようとした際のボトルネックとなる。

そこで本発明は、上述した電子に限られずエネルギを有する粒子、光子をも含む信号を検出する信号検出器であって飛躍的な小型化が可能であり、なおかつ小型にも拘わらず検出感度に優れたものを提供することをその主たる所期課題としたものである。

すなわち本発明に係る信号検出器は、Ｎ型半導体及びＰ型半導体を備えてなり、それら半導体に逆バイアスをかけて境界部分に空乏層を形成するとともに、その空乏層に入射した信号を検出するようにしたものであって、前記各半導体を表面に交互に露出させるとともに、いずれか一方の半導体に挟まれた他方の半導体の表面露出部分に亘って空乏層が形成されるようにしていることを特徴とする。

このようなものであれば、フォトリソグラフィ等の方法によって形成可能であるため、大幅な小型化が可能である。また本発明に係る電子検出のメカニズムは、空乏層に入射した信号が電子・正孔対を生成し、その電子及び正孔が電流信号として取り出されるというものであるが、本発明では、表面に空乏層を露出させておりその空乏層に直接電子が入射できるようにしているため、ロス無く信号を捕獲でき、小型であるにも拘わらず検出感度が非常に良好なものとなる。ここで「信号」とは電子、粒子、光子を含む。

また、前記一方の半導体が他方の半導体の表層部分に配置された線状をなすものであれば、この検出器の表面に対する空乏層の露出面積比をできるだけ大きくし、検出感度をさらに向上させることができる。

さらに、前記一方の半導体上に略亘って電導部材を配置し、これを電極としているものであれば、電流信号を大きな抵抗なく取り出すことができる。

一方、前記電導部材等を用いることなく、非常に簡単な構成でなおかつ製造も容易な実施態様としては、前記一方の半導体を不純物を高濃度に含むものとし、この一方の半導体に電極としての役割をも担わせるようにしたものを挙げることができる。

以下に本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
本実施形態にかかる信号検出器１は、電子顕微鏡（ＳＥＭ）や電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）の構成要素として用いられるものであって、図１に示すように、電子銃（図示しない）から射出された電子線ＥＢが試料Ｗに照射された際に放出される信号である二次電子ＳＥを、その量に応じた電流に変換し測定可能に出力するものである。

具体的にこのものは、図１、図２に模式的に示すように、中央に貫通させた電子線通過孔２を有するもので、直径が３０００〜１００００μｍ、厚みが２００〜５００μｍの平らな乃至薄い円盤状をなす検出器本体３と、前記検出器本体３に対しその側周面及び反検出面側の端面を略覆う位置に一体的に取り付けたパッケージ４とを備えている。

各部を詳述すると、電子線通過孔２は、照射電子線ＥＢ（図１に示す）を通過させるためのもので出口側と入口側とで形状が異なり、出口側のおおよそ半分が一定の直径（約１００μｍ）を有し、入口側のおおよそ半分が、入口に向かうにつれ断面積の大きくなる四角錐状をなすような形状を有する。

検出器本体３は、そのほぼ全体を占めるＮ型半導体であるＮ層３１と、そのＮ層３１の表層部に配置したＰ型半導体であるＰ層３２とを備えている。これら各半導体３１、３２は、当該検出器本体３の試料Ｗ側を向く表面である一端面３ａに、交互に露出させてある。より具体的には、所定幅を有し連続した線状をなすＰ層３２が、Ｎ層３１を複数に区成するように配置してあって、このＰ層３２を、同心円状に複数配置したリング部と、これらリング部間に跨るように放射状にかつ間欠的に設けた放射部とからなるものとしている。もちろんこの配置に限られたものではない。

Ｐ層３２の上面（試料Ｗ側の面）には、その全体に略亘って、若干これより小さい面積で金属製電導部材（例えばシート抵抗０．０２Ω／ｓｑ以上０．０５Ω／ｓｑ以下程度）５１を密着させており、この電導部材５１を一方の電極、すなわち本体側負電極としている。

Ｎ層３１の裏面（試料Ｗ側と反対の面）は、薄い金属層５２（例えばＡｕやＡｌ）で被覆してあり、この金属層５２を他方の電極、すなわち本体側正電極としている。

パッケージ４は、パッケージ本体４１と、そのパッケージ本体４１の表面の一部を覆うように密着させて設けた導電層４２とを備えている。パッケージ本体４１は、円形状の底板４１１とこの底板４１１の周縁部から起立する側周板４１２とからなる一端面を開口させたカップ状のもので、セラミックや樹脂等の絶縁体で形成してある。前記導電層４２は、互いに離間させることにより絶縁した２つ４２（ａ）、４２（ｂ）からなり、一方の導電層４２（ａ）は、前記パッケージ本体４１における一端面（側周板４１２の開口側先端面）の略全部、側周面の略全部、及び他端面の外周縁部を覆うように連続させて設けてある。また他方の導電層４２（ｂ）は、前記パッケージ本体４１における他端面の内周縁部、底板４１１に設けた電子線通過孔２の内周面、及び前記底板４１１の上面を覆うように電気的に連続させて設けてある。なお図中、符号Ｘ１は、絶縁層である。

そして、このパッケージ４の開口から検出器本体３を挿入し、前記Ｎ層３１の裏面を被覆する金属層（本体側正電極）５２を、底板４１１の上面を覆う前記他方の導電層４２（ｂ）に密着させて、この導電層４２（ｂ）がパッケージ側正電極としての役割を担うようにしている。一方、前記電導部材（本体側負電極）５１は前記一方の導電層４２（ａ）にＡｕワイヤＴを介して接続し、この導電層４２（ａ）がパッケージ側負電極としての役割を担うようにしている。

しかして本実施形態では、隣り合うＰ層３２間の離間距離を、印加される逆バイアス電圧に応じて適宣設定することにより、図３に示すように、それらＮ層３１の表面露出部分全てに亘って空乏層ＤＲが形成されるように構成している。例えば不純物濃度１０^１３／ｃｍ^３の基板で１Ｖのバイアスをかければ空乏層は６〜８μｍ広がる。このとき、同図に示すように、Ｐ層３２の端部表層部分にも空乏層ＤＲが形成される。この結果、検出器本体３の一端面３ａにおける、電導部材５１が配設されている部位を除くほとんど全ての表層領域に空乏層ＤＲが形成されることとなる。

このように構成した信号検出器１は、図１に示すように、検出器本体３の一端面３ａを試料Ｗに向けた姿勢で、なおかつ、その軸を電子銃から射出される電子線ＥＢの中心軸線に一致させて配設される。このとき同図に示すように、検出器本体３の電位を試料Ｗの電位に比べて高く設定しておく。

一方、前記電子線通過孔２を通過して照射された電子線ＥＢにより、試料Ｗから二次電子ＳＥや反射電子が放出されるが、このうち二次電子ＳＥが、検出器本体３と試料Ｗとの間の電位差で検出器本体３に引き寄せられる。

検出器本体３に引き寄せられた二次電子ＳＥは、前記空乏層ＤＲに直接入射し、そのエネルギで電子・正孔対を形成する。空乏層ＤＲ内の電界により前記電子、正孔はそれぞれ両側のＰ層３２、Ｎ層３１に分離し、再結合による損失なくパッケージ側電極４２（ａ）、４２（ｂ）から信号電流として取り出される。

このように取り出した信号電流は、図示しないが周知のごとく、その値と電子線ＥＢの試料Ｗへの照射位置とを関係付けることにより試料Ｗの表面形状として映像化される。

一方、前記反射電子は大きなエネルギを有するため、前記電位差の影響をほとんど受けず、発散しながら直進する。本実施形態では、検出部３ａと試料Ｗとの離間距離を一定以上にして、試料Ｗから見込まれる前記検出部３ａの立体角を小さなものとし、反射電子が前記検出部３ａにほとんど入射しないように構成し、二次電子ＳＥのみの取り込みを可能としている。

したがってこのように構成した信号検出器１によれば、フォトリソグラフィ等の方法によって製造可能であるため、大幅な小型化が可能である。

また、二次電子ＳＥが入射する面である前記一端面３ａに空乏層ＤＲが露出しているため、その空乏層ＤＲに直接二次電子ＳＥが飛び込むこととなる。このため、ロス無く二次電子ＳＥを捕獲でき、小型であるにも拘わらず検出感度が優れたものにすることができる。そしてこのように効率よく信号電流を取り出せることから、特に二次電子のようにエネルギの低い信号に適用してその効果が顕著なものとなる。

さらにこの検出感度という点でいえば、Ｐ層３２を線状のものとし、前記一端面３ａの電極５１を除くほとんどの領域に空乏層ＤＲが形成されるようにしているので、空乏層ＤＲの露出面積比が極めて大きく、検出感度が特に良好となる。

加えて、前記Ｐ層３２上に略亘って電極５１を配置してあるため、電流信号を大きな抵抗なく取り出すことができる。

なお、本発明は上記実施形態に限られるものではない。

例えば、一方の半導体を不純物を高濃度に含むものとし、この一方の半導体に電極としての役割をも担わせるようにしたものでも構わない。不純物濃度が高くなれば抵抗値が下がるからである。

具体的には図４、図５に示すように、不純物濃度がより高い不純物高濃度半導体であるＰ^＋＋層３２’をＮ層３１の表層部に配置している。この場合の高濃度とは、不純物が１ｘ１０^１９／ｃｍ^３以上３ｘ１０^２０／ｃｍ^３程度のものをいい、なかでも１ｘ１０^２０／ｃｍ^３程度のものがより好ましい。

このＰ^＋＋層３２’は、Ｎ層３１の表層部に櫛歯状に配設した線状をなすもので、前記Ｐ層３１よりも厚みを大きくしてその電気抵抗がより小さくなるように構成している。そしてこのＰ^＋＋層３２’の上面に直接ボンディングしたワイヤＴをパッケージ側負電極４２（ａ）に接続してある。

このようなものであれば、前記実施形態のように電導部材５１を配設する必要がなく、非常に簡単な構成にすることができる。

その他にも種々変形が可能である。
例えば、Ｐ層とＮ層との露出態様としては、前述したような網目状のものの他、図５に示すように櫛歯状のもの等も考えられる。

また、この信号検出器を、二次電子の検出のみならず、反射電子等その他の信号電子、或いは粒子や光子等を検出する目的に用いることも可能である。特に反射電子の場合は、前記図５に示したように、一方の半導体（例えばＮ層３１）上に、互いに絶縁された他方の半導体（例えばＰ^＋＋層３２’）を複数の領域（この図では４領域）に区切って配置し、各Ｐ^＋＋層３２’から電流信号を得るようにしても構わない。このようなものであれば、各電流信号の強度の違いにより、試料表面の組成だけでなく、凹凸情報等のさらに詳細な試料情報を得ることができる。

もちろんＰＮの関係が逆でも構わないし、図６に示すように、電子線通過孔のない態様のものも考えられる。

さらに、上述の例では全て信号として電子を検出する場合について詳述したが、光子や粒子を同様の構成で検出する応用も可能である。ただし、検出器の深いところまで透過しない電子が検出対象として最も適している。
その他、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

本発明の第１実施形態における信号検出器の内部構造を示す模式的縦断面図。同実施形態における信号検出器の模式的平面図。図１の部分拡大図。本発明の他の実施形態における信号検出器の内部構造を示す模式的部分縦端面図。同実施形態における信号検出器の模式的平面図。本発明のさらに他の実施形態における信号検出器の内部構造を示す模式的部分縦端面図。

符号の説明

１…信号検出器
２…電子線通過孔
３…検出器本体
３１…他方の半導体（Ｎ層）
３２…一方の半導体（Ｐ層）
３２’…不純物高濃度半導体（Ｐ^＋＋層）
３ａ…表面（一端面）
４２…電極
５１…電極（電導部材）
ＳＥ…信号（二次電子）

Claims

Ｎ型半導体及びＰ型半導体を備えてなり、それら半導体に逆バイアスをかけてそれらの境界部分に空乏層を形成するとともに、その空乏層に入射した信号を検出するようにしたものであって、前記各半導体を表面に交互に露出させるとともに、いずれか一方の半導体に挟まれた他方の半導体の表面露出部分に亘って空乏層が形成されるようにしていることを特徴とする信号検出器。
前記一方の半導体が他方の半導体の表層部に配置された線状をなすものである請求項１記載の信号検出器。
前記一方の半導体上に略亘って電導部材を配置し、これを電極としている請求項２記載の信号検出器。
前記一方の半導体が、不純物を高濃度に含み、電極としての役割をも担うものである請求項２記載の信号検出器。