JP2005229077A

JP2005229077A - ビーム位置モニタ及びビーム位置測定方法

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Publication number: JP2005229077A
Application number: JP2004039079A
Authority: JP
Inventors: Kazuyuki Hayashi; 和志林; Hiroyuki Takamatsu; 弘行高松; Kenichi Inoue; 憲一井上; Takeshi Tachibana; 武史橘; Yoshihiro Yokota; 嘉宏横田
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2004-02-16
Filing date: 2004-02-16
Publication date: 2005-08-25
Anticipated expiration: 2024-02-16
Also published as: JP4413031B2

Abstract

【課題】大出力の放射光、エキシマレーザ光及びＸ線等の高エネルギービームの中心位置を高精度で測定することができ、長期間安定して動作すると共に、従来品よりも低コストで製造することができるビーム位置モニタ及びビーム位置測定方法を提供する。
【解決手段】高抵抗ダイヤモンド層１の一方の面上に、低抵抗ダイヤモンド層４と、一方の端部が低抵抗ダイヤモンド層４に係合する複数の短冊状電極２ａからなる表面電極群２と、低抵抗ダイヤモンド層４の両端部に接続された信号取り出し電極５ａ及び５ｂとを形成する。また、高抵抗ダイヤモンド層１の他方の面には、表面電極群２が形成されている領域の反対側の領域に裏面電極３を形成する。そして、表面電極群２と裏面電極３との間にバイアス電圧を印加して検知部６で生成したキャリアを表面電極群２で補集し、低抵抗ダイヤモンド層４を経由して信号取り出し電極５ａ及び５ｂから出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は紫外線、Ｘ線及び加速粒子等のエネルギーが高いビームの位置を測定するビーム位置モニタ及びビーム位置測定方法に関し、特に、ダイヤモンド膜を使用したビーム位置モニタ及びビーム位置測定方法に関する。

近時、短波長の紫外線レーザビームを発生するエキシマレーザが、微細パターンを形成するため、半導体の微細加工に使用されており、そのビーム中心位置を短時間で、且つ容易に測定する方法が求められている。また、顕微鏡の高空間分解能化に伴い、顕微鏡の光源に紫外線が使用されるようになり、その光軸合わせ等のために、紫外線を短時間で、且つ容易に測定する方法が求められている。更に、医療分野及び材料分野の研究においても、ビーム状の紫外線及びＸ線を発生するシンクトロン放射光設備、及び素粒子研究のための加速器設備等の一般利用が検討されているが、このような設備では、ビーム位置を正確に測定することが重要であり、これらの分野においても、同様の要求が高まっている。しかしながら、紫外線、Ｘ線及び加速粒子等の高エネルギービームは、肉眼で確認することができないため、光学系及びビーム系を調整する時間が長くなり、人体に悪影響を及ぼす虞がある。

従来、レーザビームの位置の測定には、半導体等を使用した位置検出素子（ＰＳＤ：Position Sensitive Detector）が使用されている（例えば、特許文献１参照）。図９は従来のＰＳＤを模式的に示す斜視図であり、図１０は特許文献１に記載のＰＳＤを示す分解斜視図である。図９に示すように、従来のＰＳＤにおいては、ＣｄＴｅ又はＨｇＩ_２等からなる化合物半導体基板１１０の一方の面上に、複数の短冊状の第１の抵抗層１１１が相互に平行に形成されており、化合物半導体基板１１０の他方の面上には、第１の抵抗層１１１が延びる方向に対して垂直な方向に延びる複数の短冊状の第２の抵抗層１１２が相互に平行に形成されている。そして、各抵抗層の一端から取り出される電荷を抵抗回路網１１３及び１１４において分割し、ｘ方向及びｙ方向共に夫々２個のアンプに導き、その出力差から位置情報を得ている。

一方、図１０に示す特許文献１に記載のＰＳＤは、化合物半導体基板１１０の一方の面上に、共通のバイアス電極１１５が設けられ、他方の面上にマトリクス状に配置された複数個の信号取り出し用電極１１６が設けられている。そして、この信号取り出し用電極１１６は、ＦＥＴ（Field Effect Transistor：電界効果トランジスタ）が形成された基板１１８を介して、各行毎及び各列毎に１個ずつ設けられたアンプ１１７に接続されている。このＰＳＤは、放射線等のレーザ光が入射すると、化合物半導体基板１１０の表面に電荷が発生し、その信号を信号取り出し用電極１１６からアンプ１１７へと出力して、レーザ光の入射位置を算出する。

しかしながら、このような構成の従来のＰＳＤを、高エネルギービームの位置測定に適用した場合、以下に示すような問題点がある。第１の問題点は、従来のＰＳＤは、高エネルギービームを長時間監視すると、ビームダメージが増加して、検知部の感度が劣化したり、発熱による破壊を引き起こしたりするということである。このような問題点は、特に、紫外線領域からＸ線領域の極めて強い光を発生する放射光施設において深刻である。更に、第２の問題点は、前述の特許文献１に記載のＰＳＤは、出力を分割するための回路部分を測定領域の近傍に設けなければならないため、回路が高エネルギービームにより損傷する虞があるということである。

前述の問題点を解決するため、放射線及び紫外線に対して優れた耐久性を持つダイヤモンド膜を使用した位置モニタが提案されている（例えば、特許文献２及び非特許文献１参照）。非特許文献１に記載の紫外線位置モニタは、従来のダイヤモンド薄膜を使用した紫外線センサをベースにしており、高抵抗ダイヤモンド上に検知用の電極が複数個形成されている。この紫外線位置モニタは、各電極からの出力を測定して比較することにより、ビーム位置を検知している。

また、特許文献２に記載の放射光位置モニタは、前述の半導体を使用した従来のＰＳＤと同様の原理で、放射光の位置を測定する位置モニタである。図１１（ａ）は特許文献２に記載の放射光位置モニタの構造を示す平面図であり、図１１（ｂ）はその断面図である。図１１（ａ）及び（ｂ）に示すように、この放射光位置モニタは、円盤状のダイヤモンド板１０１の中心部に孔１０２が設けられており、ダイヤモンド板１０１の両面には孔１０２から外周部に向かって、半導体ダイヤモンド膜からなる扇状のダイヤモンド電極１０４が、片面に４個ずつ形成されている。なお、このダイヤモンド電極１０４は、夫々ダイヤモンド板１０１を挟んで対向する位置に配置されており、各ダイヤモンド電極１０４の表面上には、夫々金属電極１０３が形成されている。即ち、ダイヤモンド板１０１上には、４対のダイヤモンド電極１０４と、４対の金属電極１０３とが形成されている。

上述の如く構成された特許文献２に記載の放射光モニタは、放射光の位置を測定する際は、ダイヤモンド板１０１の表面が放射光の出射方向に対して垂直で、且つ放射光が孔１０２を通過するように配置される。放射光は、その断面の中心部が最も強く、中心部から離れるに従い光強度が低下する。従って、強度が強い中心部の光は孔１０２を通過し強度が低い周辺部の光がダイヤモンド板１０１に照射される。これにより、ダイヤモンド板１０１の放射光が照射された領域に多数の電子及び正孔が発生し、これらの電子及び正孔はダイヤモンド電極１０４に集められる。そこで、各ダイヤモンド電極１０４に設けられた金属電極１０３に流れる電流を測定することにより、放射光の強度を測定することができる。また、放射光が、光強度が最も強い位置を中心にして点対称に広がった形状である場合、ダイヤモンド板１０１の表面側及び裏面側に設けられたダイヤモンド電極１０４に流れる電流の分布からその重心位置を算出することにより、放射光の中心位置を検出することができる。

特許第２６２１１５９号公報特開平８−２９７１６６号公報 S. P. Lansley、外６名，「Imaging deep UV with diamond-base systems」，"Diamond and Related Materials"，２００２年，第１１巻，ｐ．４３３−４３６

しかしながら、前述の従来の紫外光又は放射光用の位置モニタを使用し、紫外線又は軟Ｘ線等のビームの中心位置を検出する場合、以下に示す問題点がある。即ち、非特許文献１に記載の従来の紫外線位置モニタは、電極毎に配線が必要であるため、位置検出分解能を向上させるためには相当数の配線が必要となり、現実的ではない。また、この紫外線位置モニタは、各電極から得られた信号を基に位置を推定するため、ダイヤモンドが不均一等の理由から各検出部の感度に差が場合、出力値にばらつきが生じ、誤差の原因になる。

また、特許文献２に記載の従来の放射線位置モニタは、ビームの中心位置を検出するために、ダイヤモンド板１０１を挟んで対向するダイヤモンド電極１０４間に流れる光起電力を測定するが、この放射線位置モニタのビームに対する感度は、測定部のダイヤモンドの質に影響される。このため、電子及び正孔が発生するダイヤモンド板の膜質が不均一であると、空間的にばらつきが生じ、ビームが位置モニタに対称に照射されていても、各電極からの出力が等しくならないことがある。

更に、従来のビーム位置の測定方法は、放射光の一次側のように径が十分に大きい光源から照射されたビームは測定することができるが、加工用エキシマレーザ及び紫外線顕微鏡の光源等のように、集光された紫外線光源測定する場合、１つの電極にのみビームが照射され、１つの電極からしか信号が出力されないため、計算によりその位置を求めることができないという問題点がある。この問題点は、電極対の数を増やして位置分解能を向上させることにより解決することができるが、そのためには、電極対の数だけ信号取り出し線と信号増幅用のプリアンプが必要になるため、現実的ではない。

更にまた、従来の位置モニタにより放射光等の位置を特定する場合、一方向についてビームを軸にして線対称の位置に１対の電極を配置しなければならない。例えば、相互に垂直なＸ方向及びＹ方向の２方向について位置決めする場合には、ビームの周囲に相互に対向する電極対を２組配置しなければならず、ビームの周囲４方向が位置モニタにより遮られる。その結果、ビームの有効部分が減少すると共に、位置モニタにビームが照射される面積が増加して位置モニタが異常加熱を引き起こしやすくなる。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、大出力の放射光、エキシマレーザ光及びＸ線等の高エネルギービームの中心位置を高精度で測定することができ、長期間安定して動作すると共に、従来品よりも低コストで製造することができるビーム位置モニタ及びビーム位置測定方法を提供することを目的とする。

本願第１発明に係るビーム位置モニタは、第１のダイヤモンド層と、この第１のダイヤモンド層の一方の面上に形成され一方向に配列した複数の表面電極からなる表面電極群と、前記第１のダイヤモンド層の一方の面上に形成され前記各表面電極の一方の端部に接触して電気的に接続され前記第１のダイヤモンド層よりも低抵抗で且つ前記表面電極よりも高抵抗の第２のダイヤモンド層と、前記第２のダイヤモンド層の前記一方向における両端部に夫々接続された第１及び第２の信号取り出し用電極と、前記第１のダイヤモンド層の他方の面の少なくとも前記表面電極群が形成されている領域の反対側の領域に形成された裏面電極と、前記第２のダイヤモンド層を経由して前記表面電極群に電位を加えることにより前記表面電極群と前記裏面電極との間にバイアス電圧を印加するバイアス電源と、を有し、前記第１のダイヤモンド層に入射したビームにより生成したキャリアが前記表面電極に補集され、前記第２のダイヤモンド層を経由して前記第１及び第２の信号取り出し用電極に分かれて流れることを特徴とする。

本発明においては、表面電極で補集されたキャリアが、光電流として第２のダイヤモンド層に流れ、この光電流は第２のダイヤモンド層に到達した位置から第１及び第２の信号取り出し用電極までの距離に逆比例して分割され、夫々、第１及び第２の信号取り出し用電極に流れる。これにより、この第１及び第２の信号取り出し用電極から出力される電流値の差、又は、第１及び第２の信号取り出し用電極から出力された電流値の和（全出力電流値）に対する第１若しくは第２の信号取り出し用電極から出力された電流値の比から、ビームの入射位置を求めることができるため、従来のビーム位置モニタのように、多数の信号取り出し用電極を設ける必要がなく、構造を簡素化することができる。その結果、低コストで高精度のビーム位置モニタを製造することができる。また、本発明のビーム位置モニタは、検知部がダイヤモンドにより形成されているため、耐久性が優れており、高エネルギービームの測定にも適用することができる。

前記表面電極群は、長さ及び幅が等しく相互に平行な複数の短冊状電極により構成することができる。なお、この短冊状電極の長さ及び幅が等しいとは、実質的に等しいことであり、長さ及び幅の多少の変動も許容されるものである。また、各短冊状電極の長さ及び幅は、少なくとも検知領域において略等しくなっていればよい。又は、前記表面電極は、例えば、櫛形又はフィッシュボーン型でもよい。このように、検知部上に幅の狭い電極を多数形成することにより、検知部へのビーム入射量の減少を防止すると共に、ビーム位置の検出精度を向上させることができる。

また、前記第１のダイヤモンド層の他方の面上に、前記裏面電極に接続された第３の信号取り出し用電極を形成してもよい。又は、前記裏面電極が低抵抗シリコン基板であり、この低抵抗シリコン基板上に前記高抵抗ダイヤモンド層が形成されていてもよい。これにより、製造工程を低減することができるため、製造コストを低減することができる。

更に、前記第１のダイヤモンド層は、気相合成された多結晶ダイヤモンドにより形成することができる。その場合、前記第１のダイヤモンド層は、表面が（００１）面で覆われ、結晶粒子が基板面に垂直な一軸方向に配向していると共に、結晶面が面内でも配向している高配向性ダイヤモンド層であることが好ましい。この高配向性ダイヤモンド層は、表面近傍における結晶欠陥密度が一般的な多結晶膜に比べて小さいため、キャリア移動度が大きく、従来のビーム位置モニタに比べて検知性能が向上する。

更にまた、前記第２のダイヤモンド層は、気相合成された多結晶ダイヤモンドにより形成されていてもよい。その場合、前記第２のダイヤモンド層は、ホウ素が添加されたｐ型半導体ダイヤモンドにより形成されていることが好ましい。これにより、制御性が優れたダイヤモンド層を、安定して製造することができる。

本願第２発明に係るビーム位置測定方法は、第１のダイヤモンド層の一方の面上に一方向に配列するように形成された複数の表面電極からなる表面電極群と前記第１のダイヤモンド層の他方の面上の少なくとも前記表面電極群が形成されている領域の反対側の領域に形成された裏面電極との間にバイアス電圧を印加する工程と、前記第１のダイヤモンド層に入射したビームにより生成したキャリアを前記バイアス電圧によって前記表面電極群にて補集し、前記各表面電極の一方の端部に接触して電気的に接続され前記第１のダイヤモンド層よりも低抵抗で前記表面電極よりも高抵抗の第２のダイヤモンド層を経由して、前記第２のダイヤモンド層の前記一方向における両端に夫々接続された第１及び第２の信号取り出し用電極から出力する工程と、前記第１の信号取り出し用電極から出力された電流値Ｉ_１及び第２の信号取り出し用電極から出力された電流値Ｉ_２に基づいて前記ビームの入射位置を求める工程と、を有することを特徴とする。

本発明においては、第２のダイヤモンド層において分割された光電流、即ち、第１の信号取り出し用電極から出力された電流値Ｉ_１及び第２の信号取り出し用電極から出力された電流値Ｉ_２に基づいて前記ビームの入射位置を求めるため、多数の信号取り出し用電極を設けなくても、精度よくビームの入射位置を測定することができる。例えば、ビームの中心位置の特定等のように、信号の絶対値が問題にならない場合には、第１の信号取り出し用電極から出力された電流値Ｉ_１と第２の信号取り出し用電極から取り出された電流値Ｉ_２との差が０となるようにビーム又はモニタを移動されることにより、ビームの中心位置を測定することができる。

前記ビームの入射位置を求める工程において、前記ビームの入射位置を求める工程において、前記第１及び第２の信号取り出し用電極から出力された総電流値Ｉ_０（＝Ｉ_１＋Ｉ_２）に対する前記第１の信号取り出し用電極から出力された電流値Ｉ_１の割合（Ｉ_１／Ｉ_０）、又は前記総電流値Ｉ_０に対する前記第２の信号取り出し用電極から出力された電流値Ｉ_２の割合（Ｉ_２／Ｉ_０）から前記ビームの入射位置を求めることが好ましい。これにより、第１のダイヤモンド層及び／又は第２のダイヤモンド層の膜質が不均一で、各信号取り出し用電極から出力される電流値の和、即ち、総電流値Ｉ_０が、測定光の入射位置によってばらつく場合でも、精度よくビームの入射位置を測定することができる。

本発明によれば、検知層をダイヤモンドにより形成しているため耐久性を向上させることができると共に、表面電極で補集されたキャリアを表面電極よりも抵抗が高いダイヤモンド層を経由してこのダイヤモンド層の両端部に接続された信号取り出し用電極から出力するため、構造を簡素化することができ、高精度なビーム位置モニタを、低コストで製造することができる。

以下、本発明の実施形態に係るビーム位置モニタについて添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は本発明の実施形態のビーム位置モニタを模式的に示す斜視図である。図１に示すように、本実施形態のビーム位置モニタにおいては、高抵抗ダイヤモンド層１の一方の面上に、表面電極群２として、幅及び長さが等しい複数の短冊状電極２ａが相互に平行で且つ略等間隔に形成されており、これら短冊状電極２ａの一方の端部の周囲には、その端部に係合する低抵抗ダイヤモンド層４が形成されている。これにより、低抵抗ダイヤモンド層４は、表面電極群２と電気的に接続されている。また、低抵抗ダイヤモンド層４は、高抵抗ダイヤモンド層１よりも抵抗が低く、且つ表面電極群２よりも抵抗が高くなっている。一方、高抵抗ダイヤモンド層１の他方の面上には、少なくとも表面電極群２が形成されている領域の反対側の領域に、裏面電極３が形成されている。そして、高抵抗ダイヤモンド層１における表面電極群２及び裏面電極３により挟まれた部分及びその周辺部がビームの検知部６となる。

また、高抵抗ダイヤモンド層１の一方の面上には、低抵抗ダイヤモンド層４における短冊状電極２ａの配列方向の両端部に接続され、低抵抗ダイヤモンド層４からの信号が出力される１対の信号取りだし用電極５ａ及び５ｂが形成されている。一方、高抵抗ダイヤモンド層１の他方の面上には、裏面電極３に接続された信号取りだし用電極が設けられている。なお、他方の面側の信号取りだし用電極は、裏面電極３が兼ねていてもよい。

本実施形態のビーム位置モニタにおける高抵抗ダイヤモンド層１及び低抵抗ダイヤモンド層４は、公知の方法により形成することができるが、特に、制御性が優れ、低コストで安定してダイヤモンド膜を製造可能であるプラズマを使用した気相化学蒸着（Chemical Vapor Deposition：ＣＶＤ）法により合成された多結晶ダイヤモンド膜であることが、工業的に好ましい。一般に、気相合成されたダイヤモンドは多結晶であるが、高抵抗ダイヤモンド層１は、表面がダイヤモンドの（００１）面により形成され、結晶粒子が基板面に垂直な一軸方向に配向していると共に、結晶面が面内でも配向している高配向性ダイヤモンド膜であることがより好ましい。この高配向性ダイヤモンド膜は、広義には多結晶膜に分類されるが、結晶粒子の成長方向及び面内方向が共に一定方向に配向し、表面は平坦な（００１）ファセットが並ぶ特徴的な表面形態をとっているため、通常の多結晶膜に比べて、表面近傍における結晶欠陥密度が小さい。このため、キャリア移動度が１桁程度大きく、良好な検知特性が得られる。

図２（ａ）は高配向性ダイヤモンド膜の結晶粒子を模式的に示す断面図であり、図２（ｂ）及び（ｃ）はその平面図である。図２（ａ）に示すように、高配向性ダイヤモンド膜は、ダイヤモンドの結晶粒子９が基板１０の表面に対して垂直な一軸方向（ｚ方向）に配向している。この場合、結晶粒子９の上面（ｘｙ面）は、（００１）面で覆われているが、あらゆる方向を向いている可能性がある。例えば、図２（ｂ）に示すように、結晶粒子９のｘｙ面の向きがばらばらであった場合、その境界、即ち、結晶粒界で、電気の流れが阻害される虞がある。そこで、本実施形態のビーム位置モニタにおいては、図２（ｃ）に示すように、結晶粒子９が面内配向し、ｘｙ面の向きが揃っている高配向性ダイヤモンド膜を使用している。

この高抵抗ダイヤモンド層１の比抵抗は、特に限定されるものではないが、１０^９Ωｃｍ以上であることが好ましく、リーク電流が通常のピコアンメータで測定可能なｐＡレベル以下になる１０^１１Ωｃｍ以上であることがより好ましい。

また、低抵抗ダイヤモンド層４は、イオン注入及びドーピング等の公知の方法で導電性を付与したダイヤモンドにより形成することができるが、特に、Ｂを含むガスを使用して気相合成されたｐ型半導体ダイヤモンドにより形成されていることが好ましい。その比抵抗は、前述の高抵抗ダイヤモンド層１よりも低く、表面電極群２よりも高いことが好ましい。この場合、Ｂのドーピング濃度の最適値は、バイアス電圧と光照射により得られる光電流によって異なるが、バイアス電圧を低抵抗ダイヤモンド層４の両端の抵抗値で除した値が、発生する光電流よりも十分に大きくなることが好ましく、具体的には、１×１０^１６ｃｍ^−３以上で、且つＢの活性化エネルギーが低下し始める１×１０^１９ｃｍ^−３以下であることが好ましい。なお、Ｂのドーピング濃度は、１×１０^１８乃至１×１０^１９ｃｍ^−３であることがより好ましい。一方、高抵抗ダイヤモンド層１上に、選択的に低抵抗ダイヤモンド層４を形成する方法としては、例えば、選択成長法又はエッチング法等の公知の方法を利用することができる。

更に、表面電極群２、裏面電極３及び信号取り出し用電極等の各電極は、金、白金又はアルミニウム等の一般的な金属により形成することができる。又は、極めて高い濃度でＢ等の不純物がドーピングされた極めて低抵抗な導電性ダイヤモンドにより形成されていてもよい。特に、表面電極群２は、低抵抗ダイヤモンド層４に比べて十分に低抵抗であることが好ましく、金属又はＢのドーピング濃度が１×１０^１９ｃｍ^−３以上である導電性ダイヤモンドにより形成することが好ましい。なお、表面電極群２をＢがドーピングされた導電性ダイヤモンドにより形成する場合は、Ｂのドーピング濃度を３×１０^２０ｃｍ^−３以上とすることがより好ましい。その形成方法としては、例えば、真空蒸着法、スパッタ法、イオンプレーティング法及びＣＶＤ法等の公知の方法を利用することができる。

更にまた、高抵抗ダイヤモンド層１を形成する際の基板に低抵抗シリコン基板を使用し、この低抵抗シリコン基板を裏面３としてもよい。これにより、製造プロセスの数を低減することができ、コストを低減することができる。なお、低抵抗シリコン基板上に高抵抗ダイヤモンド層１として高配向性ダイヤモンド膜を形成する場合は、表面が（００１）面である低抵抗シリコン基板を使用することが好ましい。

本実施形態のビーム位置モニタは、表面電極群２として、幅及び長さが等しい複数の短冊状電極２を相互に平行で且つ略等間隔に形成しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、ドット型等の任意の形状を適用することができる。図３（ａ）は本実施形態の第１変形例のビーム位置モニタを示す平面図であり、図３（ｂ）はその電極形状を示す平面図である。また、図４（ａ）は本実施形態の第２変形例のビーム位置モニタを示す平面図であり、図４（ｂ）はその電極形状を示す平面図である。紫外線及び電極における吸収が無視できない粒子線を測定する場合には、表面電極群を構成する複数の表面電極は、入射するビームのエネルギーをできるだけ遮らない形状であることが好ましく、特に、図３（ｂ）に示す櫛形、図４（ｂ）に示す千鳥型（フィッシュボーン型）等のように、主電極とこの主電極よりも幅が狭い補助電極とにより構成された形状であることが好ましい。例えば、図３（ａ）に示す本実施形態の第１変形例のビーム位置モニタは、表面電極群７が、短冊状電極ではなく、複数の櫛形電極７ａにより構成されている。また、図４（ａ）に示す本実施形態の第２変形例のビーム位置モニタは、表面電極群８が、複数のフィッシュボーン型電極８ａにより構成されている。表面電極をこのような形状にすることにより、照射面積を低減させずに優れた電気伝導性が得られる。なお、この第１及び第２変形例のビーム位置モニタにおける表面電極群以外の構成は、図１に示すビーム位置モニタと同様である。

次に、上述の如く構成された本実施形態のビーム位置モニタの動作、即ち、本実施形態のビーム位置モニタを使用してビームの位置を測定する方法について説明する。先ず、表面電極群２が形成されている面を受光面とし、ビームが検知部６に入射するようにビーム位置モニタを配置する。そして、信号取り出し用電極５ａ及び５ｂに等しい電位を印加すると共に、裏面電極３の信号取り出し用電極に接地電位を印加することにより、表面電極群２と裏面電極３との間にバイアス電圧をかける。この状態で、受光面にビームが入射すると、検出部６にキャリア（電子及び正孔）が発生し、このキャリアはバイアス電圧によって光電流として表面電極群２の各短冊状電極２ａに到達する。各短冊状電極２ａに到達した電流は、低抵抗ダイヤモンド層４を経由して、信号取り出し用電極５ａ及び５ｂから出力される。このとき、ビームが入射した位置によって低抵抗ダイヤモンド層４の両端に接続された信号取り出し用電極５ａ及び５ｂまでの距離、即ち、信号取り出し用電極５ａ及び５ｂまでの抵抗値が異なるため、その抵抗比に応じて分割された電流が信号取り出し用電極５ａ及び５ｂから出力される。

例えば、信号取り出し用電極５ａから出力される電流値をＩ_１、信号取り出し用電極５ｂから出力される電流値をＩ_２とした場合、検出部６の中心部分で発生したキャリアは、低抵抗ダイヤモンド層４の両端部に１：１の割合で向かうため、電流値Ｉ_１：電流値Ｉ_２は１：１となる。一方、信号取り出し用電極５ａ側の端部までの距離と信号取り出し用電極５ｂ側の端部までの距離の比が１：９である位置で発生したキャリアは、低抵抗ダイヤモンド層４の両端部に９：１の割合で向かうため、電流値Ｉ_１：電流値Ｉ_２は９：１となる。従って、この電流値Ｉ_１と電流値Ｉ_２との差から、ビームの入射位置を推定することができる。

このとき、高抵抗ダイヤモンド層１及び低抵抗ダイヤモンド層４の膜質が不均一であると、ビームの検出感度（キャリア発生量）及び抵抗比にばらつきが生じる。そこで、本実施形態においては、各取り出し用電極から出力された総電流値Ｉ_０（＝Ｉ_１＋Ｉ_２）に対する信号取り出し用電極５ａから出力された電流値Ｉ_１の割合（＝Ｉ_１／Ｉ_０）、又は総電流値Ｉ_０に対する信号取り出し用電極５ｂから出力された電流値Ｉ_２の割合（＝Ｉ_２／Ｉ_０）からビームの入射位置を求める。具体的には、低抵抗ダイヤモンド層４の長さをＬｘとし、信号取り出し用電極５ａ側の端部から入射位置までの距離をＸ_Ａとすると、総電流値Ｉ_０に対する電流値Ｉ_１及び電流値Ｉ_２の割合は下記数式１及び数式２により表される。

従って、上記数式１及び数式２より、距離Ｘ_Ａは下記数式３により表される。

このように、本実施形態のビーム位置測定方法においては、上記数式３を使用して距離Ｘ_Ａを求める。これにより、仮に、ダイヤモンド層の膜質が不均一であり、信号取り出し用電極５ａ及び５ｂから出力される電流値Ｉ_１及びＩ_２の和である総電流値Ｉ_０の絶対値が変動したとしても、ビームの入射位置が同じであれば、電流値Ｉ_１及び電流値Ｉ_２の総電流値Ｉ_０に対する割合は変化しないため、この測定方法を適用することにより、精度よくビームの中心位置を検出することができる。

また、本実施形態のビーム位置モニタは、低抵抗ダイヤモンド層４の両端部に接続された信号取り出し用電極５ａ及び５ｂから出力される電流値の差から、ビームの入射位置を求めることができるため、従来のビーム位置モニタのように、多数の信号取り出し用電極及び配線を設ける必要がないため、構造を簡素化することができる。その結果、低コストで高精度のビーム位置モニタを製造することができる。また、本実施形態のビーム位置モニタは、検知部がダイヤモンドにより形成されているため、耐久性が優れており、紫外線、Ｘ線及び加速粒子等のエネルギーが高いビームの測定にも適用することができる。

なお、本実施形態のビーム位置モニタは、放射光の他、エキシマレーザのような紫外線ビーム及びＸ線ビーム等についても同様の方法でその入射位置を測定することができる。これにより、コストが安価な高配向性ダイヤモンド膜及び多結晶ダイヤモンド膜を使用したビーム位置モニタの実用範囲が広がり、新たな応用分野を開拓できると共に、紫外光、真空紫外光及び深紫外光を利用する産業分野の発展に多大の貢献をなすことができる。

以下、本発明の実施例の効果について説明する。本発明の実施例１として、高配向性ダイヤモンド膜を使用した紫外線用のビーム位置モニタを作製した。図５（ａ）は本発明の実施例１に係るビーム位置モニタを示す平面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）に示すＡ−Ａ線による断面図である。先ず、縦が１５ｍｍ、横が３０ｍｍで、表面が（００１）面である低抵抗シリコン基板１１を、メタンと水素との混合プラズマに曝して表面を炭化した。引き続きバイアスを印加して基板１１とエピタキシャルな関係にあるダイヤモンド核を形成した。その後、バイアス印加を止め、メタンと水素との混合ガスを使用して（００１）面が優先的に成長される条件で２０時間ダイヤモンドを成膜した。これにより、低抵抗シリコン基板１１上に、高抵抗ダイヤモンド層として表面が（００１）面であり、結晶粒子が一定方向に配列した高配向性ダイヤモンド膜１２を約２０μｍ形成した。

次に、高配向性ダイヤモンド膜１２の表面全体にレジストを塗布した後、フォトリソグラフィにより低抵抗ダイヤモンド層を形成する領域以外の部分のフォトレジストを除去した。次に、スパッタ法により高配向性ダイヤモンド膜１２上にＳｉＯ_２を成膜した後、レジストを除去した。これにより、低抵抗ダイヤモンド層を形成する領域にのみ高配向性ダイヤモンド膜１２が露出し、それ以外の領域はＳｉＯ_２で覆われた状態にした。そして、この試料を反応容器に移し、原料ガスとしてメタンと水素との混合ガスを使用し、更に、ドーピングガスとしてジボランを添加し、プラズマＣＶＤ法により２時間合成した。これにより、低抵抗ダイヤモンド層である半導体ダイヤモンド膜１４は、ＳｉＯ_２上には形成されず、高配向性ダイヤモンド膜１２が露出している部分にのみ形成された。その後、試料をフッ酸に浸漬してＳｉＯ_２を除去することにより、選択的に低抵抗ダイヤモンド層（半導体ダイヤモンド膜１４）を形成した。

次に、重クロム酸で洗浄して表面に付着したダイヤモンド以外の炭素成分を除去した後、硫酸でリンスし、更に、純水で洗浄した。そして、フォトリソグラフィにより高配向性ダイヤモンド膜１２及び半導体ダイヤモンド膜１４上にパターニングした後、マグネトロンスパッタリング法により白金をスパッタし、更に、リフトオフすることにより、表面電極１３、信号取り出し用電極１５ａ及び１５ｂを形成した。

これにより、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、表面が（００１）面である低抵抗シリコン基板１１上に、高抵抗ダイヤモンド層である高配向性ダイヤモンド膜１２が形成され、この高配向性ダイヤモンド膜１２上には、櫛形の半導体ダイヤモンド膜１４と、一方の端部が半導体ダイヤモンド膜１４に係合し幅及び長さが略等しい複数の短冊状電極１３ａ（表面電極１３）と、半導体ダイヤモンド膜１４の長手方向における両端部に接続された１対の信号取り出し用電極１５ａ及び１５ｂとが形成されているビーム位置モニタを作製した。なお、本実施例のビーム位置モニタにおいては、低抵抗シリコン基板１１が裏面電極及びその信号取り出し用電極を兼ねている。

次に、実施例１のビーム位置モニタに紫外線を照射して、その中心位置と出力との関係を調べた。図６はその測定方法を示すブロック図である。図６に示すように、測定は、信号取り出し用電極１５ａ及び１５ｂに等しい電位を印加し、信号取り出し用電極を兼ねる低抵抗シリコン基板１１に接地電位を印加すると共に、信号取り出し用電極１５ａ及び１５ｂと増幅回路との間に抵抗Ｒ_１及びＲ_２を挿入し、信号取り出し用電極１５ａ及び１５ｂから出力される光電流を、抵抗の両端に発生する電圧として計測した。そして、得られた微小電圧を増幅回路１６により増幅し、その出力を演算回路１７に入力した。具体的には、ビーム位置モニタの受光部の前にピンホールを設置し、ビーム位置モニタの表面電極１３と低抵抗シリコン基板１１との間に４０Ｖのバイアス電圧を加えた状態で、照射用光源として浜松ホトニクス社製重水素（Ｌ２Ｄ２）ランプ（型式：Ｌ７２９３）を使用して、信号取り出し用電極１５ａ側から０、２、４、６、８、１０ｍｍの位置に紫外線を照射し、そのときの信号取り出し用電極１５ａ及び１５ｂからの出力を図４に示す方法で求めた。なお、本実施例のビーム位置モニタの検知部の幅、即ち、信号取り出し用電極１５ａ側の端部から信号取り出し用電極１５ｂ側の端部までの距離は、１０ｍｍである。

図７は横軸に紫外線照射位置をとり、縦軸に各信号取り出し用電極からの出力をとって、本実施例のビーム位置モニタの特性を示すグラフ図である。なお、図７に示す各信号取り出し用電極からの出力は相対値であり、信号取り出し用電極１５ａからの出力された電流値Ｉ_１及び信号取り出し用電極１５ｂから出力された電流値Ｉ_２の総電流値Ｉ_０に対する割合である。また、図７には、信号取り出し用電極１５ａからの出力の計算値も併せて示す。図７に示すように、前述の評価の結果、本実施例のビーム位置モニタにより求めた測定値は、計算値と略一致した。また、検出結果の再現性も良好であり、本実施例のビーム位置モニタにより、精度よくビーム位置の検出が可能であることが確認された。

次に、本発明の実施例２として、放射線用のビーム位置モニタを作製した。図８（ａ）は実施例２のビーム位置モニタを示す平面図であり、図８（ｂ）はその表面側の電極を示す平面図であり、図８（ｃ）は裏面側の電極を示す平面図である。放射光は強度が強いため、本実施例のビーム位置モニタは、放射光による損傷を防ぐために、多結晶ダイヤモンド板を使用して作製した。具体的には、前述の実施例１のビーム位置モニタと同様の方法でメタンと水素との混合プラズマにより、１００時間の連続合成を行い、シリコン基板上に膜厚が約０．４ｍｍの多結晶ダイヤモンド層を形成した。その後、シリコン基板をフッ硝酸により除去し、残った多結晶ダイヤモンド層（多結晶ダイヤモンド板）の両面を研磨した。次に、実施例１のビーム位置モニタと同様の方法で多結晶ダイヤモンド板２１の表面に表面電極群２２、低抵抗ダイヤモンド層２４、信号取り出し用電極２５ａ及び２５ｂを形成した。更に、多結晶ダイヤモンド板２１の裏面上には、表面電極群２２が形成されている領域の反対側の領域に、信号取り出し用電極を兼ねる裏面電極２３を形成した。

次に、前述の実施例１と同様の方法で、本実施例のビーム位置モニタに放射光を照射してその特性を評価したところ、精度よくビーム位置を検出することができた。また、同様に、エキシマレーザに対する評価を行ったところ、モニタが損傷することなく、安定的にビーム位置の検出が可能であった。本実施例のビーム位置モニタにおいては、表面側の信号取り出し用電極２５ａ及び２５ｂと、裏面側の信号取り出し用電極（裏面電極２３）とが、多結晶ダイヤモンド板２１を挟んで対向していないため、バイアス電圧を印加することによるノイズの発生を防止することができる。

本発明の実施形態のビーム位置モニタを模式的に示す斜視図である。（ａ）は高配向性ダイヤモンド膜の結晶粒子を模式的に示す断面図であり、（ｂ）及び（ｃ）はその平面図である。（ａ）は本発明の実施形態の第１変形例のビーム位置モニタを示す平面図であり、（ｂ）はその電極形状を示す平面図である。（ａ）は本発明の実施形態の第２変形例のビーム位置モニタを示す平面図であり、（ｂ）はその電極形状を示す平面図である。（ａ）は実施例１のビーム位置モニタを示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すＡ−Ａ線による断面図である。本発明の実施例１のビーム位置モニタにおける出力測定方法を示すブロック図である。横軸に紫外線照射位置をとり、縦軸に各信号取り出し用電極からの出力をとって、実施例１のビーム位置モニタの特性を示すグラフ図である。（ａ）は実施例２のビーム位置モニタを示す平面図であり、（ｂ）はその表面側の電極を示す平面図であり、（ｃ）は裏面側の電極を示す平面図である。従来のＰＳＤを模式的に示す斜視図である。特許文献１に記載のＰＳＤを示す分解斜視図である。（ａ）は特許文献２に記載の放射光位置モニタの構造を示す平面図であり、（ｂ）はその断面図である。

符号の説明

１；高抵抗ダイヤモンド
２、７、８、１３、２２；表面電極群
２ａ、１３ａ；短冊状電極
３、２３；裏面電極
４、２４；低抵抗ダイヤモンド層
５ａ、５ｂ、１５ａ、１５ｂ、２５ａ、２５ｂ、１１６；信号取り出し用電極
６；検知部
７ａ；櫛形電極
８ａ；フィッシュボーン型電極
９、１１８；基板
１０；ダイヤモンド結晶粒子
１１；低抵抗シリコン基板
１２；高配向性ダイヤモンド膜
１４；半導体ダイヤモンド膜
１６；増幅回路
１７；演算回路
２１；多結晶ダイヤモンド板
１０１；ダイヤモンド板
１０２；孔
１０３；金属電極
１０４；ダイヤモンド電極（導電性ダイヤモンド）
１１０；化合物半導体基板
１１１、１１２；抵抗層
１１３、１１４；抵抗回路網
１１５；バイアス電極
１１７；アンプ

Claims

第１のダイヤモンド層と、この第１のダイヤモンド層の一方の面上に形成され一方向に配列した複数の表面電極からなる表面電極群と、前記第１のダイヤモンド層の一方の面上に形成され前記各表面電極の一方の端部に接触して電気的に接続され前記第１のダイヤモンド層よりも低抵抗で且つ前記表面電極よりも高抵抗の第２のダイヤモンド層と、前記第２のダイヤモンド層の前記一方向における両端部に夫々接続された第１及び第２の信号取り出し用電極と、前記第１のダイヤモンド層の他方の面の少なくとも前記表面電極群が形成されている領域の反対側の領域に形成された裏面電極と、前記第２のダイヤモンド層を経由して前記表面電極群に電位を加えることにより前記表面電極群と前記裏面電極との間にバイアス電圧を印加するバイアス電源と、を有し、前記第１のダイヤモンド層に入射したビームにより生成したキャリアが前記表面電極に補集され、前記第２のダイヤモンド層を経由して前記第１及び第２の信号取り出し用電極に分かれて流れることを特徴とするビーム位置モニタ。
前記表面電極群は、長さ及び幅が等しく相互に平行な複数の短冊状電極により構成されていることを特徴とする請求項１に記載のビーム位置モニタ。
前記表面電極は、櫛形又はフィッシュボーン型であることを特徴とする請求項１に記載のビーム位置モニタ。
前記第１のダイヤモンド層の他方の面上には、前記裏面電極に接続された第３の信号取り出し用電極が形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のビーム位置モニタ。
前記裏面電極は低抵抗シリコン基板であり、この低抵抗シリコン基板上に前記第１のダイヤモンド層が形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のビーム位置モニタ。
前記第１のダイヤモンド層は、気相合成された多結晶ダイヤモンドにより形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のビーム位置モニタ。
前記第１のダイヤモンド層は、表面が（００１）面で覆われ、結晶粒子が基板面に対して垂直な一軸方向に配向していると共に、結晶面が面内でも配向している高配向性ダイヤモンド層であることを特徴とする請求項６に記載のビーム位置モニタ。
前記第２のダイヤモンド層は、気相合成された多結晶ダイヤモンドにより形成されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のビーム位置モニタ。
前記第２のダイヤモンド層は、ホウ素が添加されたｐ型半導体ダイヤモンドにより形成されていることを特徴とする請求項８に記載のビーム位置モニタ。
第１のダイヤモンド層の一方の面上に一方向に配列するように形成された複数の表面電極からなる表面電極群と前記第１のダイヤモンド層の他方の面上の少なくとも前記表面電極群が形成されている領域の反対側の領域に形成された裏面電極との間にバイアス電圧を印加する工程と、前記第１のダイヤモンド層に入射したビームにより生成したキャリアを前記バイアス電圧によって前記表面電極群にて補集し、前記各表面電極の一方の端部に接触して電気的に接続され前記第１のダイヤモンド層よりも低抵抗で前記表面電極よりも高抵抗の第２のダイヤモンド層を経由して、前記第２のダイヤモンド層の前記一方向における両端に夫々接続された第１及び第２の信号取り出し用電極から出力する工程と、前記第１の信号取り出し用電極から出力された電流値Ｉ_１及び第２の信号取り出し用電極から出力された電流値Ｉ_２に基づいて前記ビームの入射位置を求める工程と、を有することを特徴とするビーム位置測定方法。
前記ビームの入射位置を求める工程において、前記第１及び第２の信号取り出し用電極から出力された総電流値Ｉ_０（＝Ｉ_１＋Ｉ_２）に対する前記第１の信号取り出し用電極から出力された電流値Ｉ_１の割合（Ｉ_１／Ｉ_０）、又は前記総電流値Ｉ_０に対する前記第２の信号取り出し用電極から出力された電流値Ｉ_２の割合（Ｉ_２／Ｉ_０）から前記ビームの入射位置を求めることを特徴とする請求項１０に記載のビーム位置測定方法。