JP2005298603A - 発光体と、これを用いた電子線検出器、走査型電子顕微鏡及び質量分析装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 応答速度が速く、且つ発光強度が高い発光体と、これを用いた電子線検出器、走査型電子顕微鏡及び質量分析装置を提供する。
【解決手段】 本発明に係る発光体１０においては、基板１２の一方の面１２ａに形成された窒化物半導体層１４が電子の入射により蛍光を発すると、少なくともこの蛍光の一部は基板１２を透過し、基板の他方の面１２ｂから蛍光を出射する。この蛍光の応答速度はμｓｅｃオーダー以下である。また、この蛍光の発光強度は、従来のＰ４７蛍光体と同程度の強度が得られている。すなわち、この発光体１０は、走査型電子顕微鏡や質量分析装置への適応に十分な応答速度及び発光強度を有している。その上、キャップ層１６が窒化物半導体層１４における発光の残存率の向上に寄与するため、この発光体１０においては、高速応答及び高発光強度だけでなく、優れた残存率も実現されている。
【選択図】 図１
【解決手段】 本発明に係る発光体１０においては、基板１２の一方の面１２ａに形成された窒化物半導体層１４が電子の入射により蛍光を発すると、少なくともこの蛍光の一部は基板１２を透過し、基板の他方の面１２ｂから蛍光を出射する。この蛍光の応答速度はμｓｅｃオーダー以下である。また、この蛍光の発光強度は、従来のＰ４７蛍光体と同程度の強度が得られている。すなわち、この発光体１０は、走査型電子顕微鏡や質量分析装置への適応に十分な応答速度及び発光強度を有している。その上、キャップ層１６が窒化物半導体層１４における発光の残存率の向上に寄与するため、この発光体１０においては、高速応答及び高発光強度だけでなく、優れた残存率も実現されている。
【選択図】 図１
Description
本発明は、電子の入射により発光する発光体と、これを用いた電子線検出器、走査型電子顕微鏡及び質量分析装置に関するものである。
従来の電子線検出器は、強度の高い電子線を計測する場合は、電子線による電流値を計測して電子線の検出をおこなっているが、比較的低い強度の電子線を計測する場合は、電子線による電荷量が少ないのでうまく電子線を検出することができない。そこで、例えば、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）に用いられる電子線検出器の場合、試料面に電子線を照射し、当該試料面で発生した二次電子を収集して蛍光体に照射し、この蛍光体で発生した蛍光を光電子増倍管（光検出器）で計測している。このような蛍光体としては、図９に示すような種々の蛍光体が知られている。
近年、走査型電子顕微鏡や質量分析装置の分野において、発光強度が強く、且つ応答速度の速い蛍光体が要求されている。なぜなら、例えば、走査型電子顕微鏡においては、蛍光体の応答速度が速いとそれによって走査速度を速くすることができ、装置の性能を著しく向上させることができるからである。
国際公開第０２／０６１４５８号パンフレット
しかしながら、図９に示す従来の蛍光体では、走査型電子顕微鏡や質量分析装置への適応に十分な応答速度（μｓｅｃオーダー）を得ることが困難であるという問題があった。なお、良好な応答速度が得られる数少ない蛍光体のうち、ＧａＡｓＰ発光体は、発光強度が低いため、走査型電子顕微鏡等への適応には不向きであった。
そこで、本発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、応答速度が速く、且つ発光強度が高い発光体と、これを用いた電子線検出器、走査型電子顕微鏡及び質量分析装置を提供することを目的とする。
本発明に係る発光体は、入射する電子を蛍光に変換する発光体であって、蛍光に対して透明な基板と、基板の一方の面に形成され、電子の入射により蛍光を発する量子井戸構造を有する窒化物半導体層と、窒化物半導体層上に積層され、窒化物半導体層の構成材料よりもバンドギャップエネルギの大きな材料で構成されたキャップ層とを備えることを特徴とする。
この発光体においては、基板の一方の面に形成された窒化物半導体層が電子の入射により蛍光を発すると、少なくともこの蛍光の一部は基板を透過し、基板の他方の面から蛍光を出射する。この蛍光は、窒化物半導体層の量子井戸構造への電子の入射と、これにより生成された電子と正孔の対の再結合に起因するものであり、その応答速度はμｓｅｃオーダー以下である。また、この蛍光の発光強度は、従来のＰ４７蛍光体と同程度の強度が得られている。すなわち、この発光体は、走査型電子顕微鏡や質量分析装置への適応に十分な応答速度及び発光強度を有している。その上、キャップ層が窒化物半導体層における発光の残存率の向上に寄与するため、この発光体においては、高速応答及び高発光強度だけでなく、優れた残存率も実現されている。なお、残存率とは、所定時間経過後の発光強度の残存の程度を示す値であり、例えば、所定時間経過後の発光強度を元の発光強度で割った百分率で表される。
また、量子井戸構造の井戸幅が４ｎｍ以下であることが好ましい。この場合、所望の発光量以上の蛍光を発する発光体を得ることができる。
また、キャップ層の厚さが１０ｎｍ以下であることが好ましい。この場合、キャップ層発光の発光成分が減少し、発光体全体としての応答速度が向上する。
また、窒化物半導体層がＩｎＧａＮ及びＧａＮで構成されており、キャップ層がＡｌＧａＮで構成されていることが好ましい。この場合、キャップ層が、窒化物半導体層の構成材料よりもバンドギャップエネルギの大きな材料で構成される。
また、キャップ層上に積層された反射膜をさらに備えることが好ましい。この場合、この反射膜によって、さらなる残存率の向上が図られる。
また、反射膜の厚さが８００ｎｍ以上であることが好ましい。この場合、より優れた残存率を得ることができる。
本発明に係る電子線検出器は、上記発光体と、この発光体が発する蛍光に対して感度を有する光検出器とを備えることを特徴とする。
この電子線検出器においては、上述した発光体から発せられる蛍光が光検出器の光入射面に入射することで、電子線の計測がおこなわれる。すなわち、必要十分な応答速度及び発光強度の蛍光によって電子線の計測がおこなわれる。また、発光体が優れた残存率を有するため、この電子検出器においては寿命特性が有意に向上している。また、この電子線検出器を走査型電子顕微鏡や質量分析装置に用いることで、これら顕微鏡等の性能向上が図られる。
本発明に係る走査型電子顕微鏡は、上記発光体と、この発光体が発する蛍光に対して感度を有する光検出器とを備えた電子線検出器と、少なくとも発光体が内部に設置された真空チャンバとを備え、真空チャンバ内に配置された試料の表面上を電子線で走査することにより、試料から発生した二次電子を電子線検出器に導き、試料の走査位置と電子線検出器の出力とを対応づけることにより試料の像を撮影することを特徴とする。
本発明に係る質量分析装置は、上記発光体と、この発光体が発する蛍光に対して感度を有する光検出器とを備えた電子線検出器と、少なくとも発光体が内部に配置される真空チャンバと、真空チャンバ内の試料から発生したイオンをその質量に応じて空間的又は時間的に分離する分離部と、前期分離部で分離されたイオンが照射されるダイノードとを備え、ダイノードへのイオンの入射に応じてダイノードから発生する二次電子を電子線検出器に導き、電子線検出器の出力から試料の質量分析を行うことを特徴とする。
本発明によれば、応答速度が速く、且つ発光強度が高い発光体と、これを用いた電子線検出器、走査型電子顕微鏡及び質量分析装置が提供される。
以下、添付図面を参照して本発明に係る発光体と、これを用いた電子線検出器、走査型電子顕微鏡及び質量分析装置を実施するにあたり最良と思われる形態について詳細に説明する。なお、同一又は同等の要素については同一の符号を付し、説明が重複する場合にはその説明を省略する。
図１に示すように、発光体１０は、基板１２と、基板表面１２ａに形成された窒化物半導体層１４と、窒化物半導体層１４上に順次積層されたキャップ層１６及びメタルバック層（反射膜）１８と、で構成されている。
基板１２の材料はサファイアであり、およそ１７０ｎｍ以上の波長の光を透過する性質を有している。窒化物半導体層１４は３層構造を有しており、基板１２側から、ＩｎｘＧａ1-ｘＮ（０≦ｘ≦１）バッファ層１４Ａ、ＳｉをドープしたＧａＮ層１４Ｂ、ＩｎＧａＮ／ＧａＮの量子井戸構造層１４Ｃの順に積層されている。このＩｎＧａＮ／ＧａＮの量子井戸構造層１４Ｃとは、ＩｎＧａＮとＧａＮとで構成された量子井戸構造を有する層であり、電子線が照射されると４１５ｎｍ前後の波長の蛍光を発する。すなわち、電子線を量子井戸構造に届くように入射すると電子と正孔の対が形成され、これが量子井戸内で再結合する過程で蛍光が発せられる。
そして、１７０ｎｍより長波長であるこの蛍光の少なくとも一部は、基板１２を透過して、基板表面１２ａの裏面（基板裏面）１２ｂから出射される。なお、本明細書中において、「量子井戸構造」とは、一般的な量子井戸構造の他、量子細線構造、量子ドット構造をも含むものとする。また、本明細書中において、「窒化物半導体」とは、ＩＩＩ族元素としてＧａ、Ｉｎ、Ａｌのうちの少なくとも１つを含み、主たるＶ族元素としてＮを含む化合物である。
次に、窒化物半導体層１４の量子井戸構造層１４Ｃについて説明する。ここで図２は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮの量子井戸構造を有する発光体の応答特性を示したグラフであり、比較のために従来のバルク構造のＧａＮ発光体の応答特性も同グラフに示す。なお、図２のグラフの横軸は時間（μｓｅｃ）であり、縦軸は時間０付近でパルス状の電子線を入射した場合における応答出力の大きさ（任意定数）を示している。
ＩｎＧａＮ／ＧａＮの量子井戸構造層１４Ｃの応答特性は、このグラフから、ＩｎＧａＮ／ＧａＮの量子井戸構造を有する発光体の応答速度Ｓ１（グラフの傾きの幅）はｎｓｅｃオーダーであり、バルク構造のＧａＮ発光体の応答速度Ｓ２は１０μｓｅｃオーダーであることがわかる。このように、ＩｎＧａＮ／ＧａＮの量子井戸構造を有する発光体が、バルク構造のＧａＮ発光体よりも応答速度が速くなるのは、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸構造を有する発光体ではバンド間の発光が支配的であり、バルク構造のＧａＮ発光体ではディープレベルの発光が支配的であるためであると考えられる。
また、ＩｎＧａＮ／ＧａＮの量子井戸構造を有する発光体から出射される蛍光の発光量を測定し、従来の発光体の発光量（任意単位）と比較した（図３参照）。その結果、ＩｎＧａＮ／ＧａＮの量子井戸構造を有する発光体の発光量（平均で約７．２０×１０１２）は、バルク構造のＧａＮ発光体の発光量（平均で約４．８１×１０１２）に比べてかなり大きく、発光量の大きなＰ４７発光体の発光量と同程度であることがわかる。また、良好な応答特性が得られるＧａＡｓＰ発光体の発光量（９．８×１０１０）と比べると、１００倍近い発光強度であることがわかる。
図１に戻って、発光体１０のキャップ層１６は、厚さが１０ｎｍであり、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜Ｘ＜１）で構成されている。キャップ層１６を構成するこのＡｌＧａＮは、ＩｎＧａＮ／ＧａＮの量子井戸構造層１４Ｃを構成するＩｎＧａＮ及びＧａＮよりも大きなバンドギャップエネルギを有する。そのため、量子井戸構造層１４Ｃで生成された電子と正孔の対は、効率よく量子井戸へと導かれる。すなわち、このキャップ層１６の採用により、量子井戸構造層１４Ｃにおける電子と正孔との再結合が生じやすくなる。そのため、キャップ層１６がない従来の発光体に比べて、輝度（発光量）が有意に向上する。
また、量子井戸構造層１４Ｃで生成された電子と正孔の対が効率よく量子井戸へと導かれることに伴い、電子と正孔との再結合の持続時間が延長される。そのため、発光体１０は、キャップ層１６がない従来の発光体に比べて発光強度が持続する。すなわち、発光体１０では、所定時間経過後の発光強度の残存の程度を示す値である残存率が向上している。さらに、発明者らは、鋭意研究の末、このキャップ層１６を薄くすることで、キャップ層発光の発光成分（５５０ｎｍ付近の発光成分）を有意に減少させることができ、発光体全体として応答速度が向上することを見出した。そのため、キャップ層１６の厚さは１０ｎｍ以下にすることが好ましい。
メタルバック層１８は、厚さが８００ｎｍであり、Ａｌで構成されている。このメタルバック層１８によって、発光体１０のさらなる残存率の向上が図られている。
ここで、キャップ層厚とメタルバック層厚との関係について、図４を参照しつつ説明する。図４は、種々のキャップ層厚における、メタルバック層厚と残存率（８時間経過後の発光強度を元の発光強度で割った百分率）との関係を示したグラフである。このグラフから、メタルバック層厚が厚いほど、残存率が向上する傾向にあることがわかる。そして、メタルバック層厚が８００ｎｍ以上である場合に、顕著に残存率が上昇していることがわかる。すなわち、メタルバック層１８の厚さは８００ｎｍ以上であることが好ましい。特に、キャップ層１６が１０ｎｍで、メタルバック層１８が８００ｎｍである場合には、高速応答と高残存率（約９０％）とを両立することができる。
以上で説明したように、発明者らは、ＩｎＧａＮ／ＧａＮの量子井戸構造を有する発光体においては、従来のバルク構造のＧａＮ基板よりも応答速度が速くなることを見出した。また、ＩｎＧａＮ／ＧａＮの量子井戸構造を有する発光体の発光量（発光強度）は、従来のバルク構造のＧａＮ発光体やＰ４７蛍光体の発光量に比べて大きい（もしくは同等である）ことを見出した。そして、ＩｎＧａＮ／ＧａＮの量子井戸構造を有する発光体の応答速度及び発光強度はいずれも、走査型電子顕微鏡や質量分析装置に用いるのに十分な値である。すなわち、ＩｎＧａＮ／ＧａＮの量子井戸構造層１４Ｃを有する窒化物半導体層１４を備えた発光体１０は、走査型電子顕微鏡や質量分析装置に用いる発光体として、従来の蛍光体よりも好適な発光体であるといえる。また、キャップ層１６及びメタルバック層１８の採用により、発光体１０は、優れた残存率が実現されている。
なお、窒化物半導体層１４のＩｎＧａＮ／ＧａＮの量子井戸構造において、量子井戸の井戸幅は４ｎｍ以下であることが好ましい。ここで、窒化物半導体層１４のＩｎＧａＮ／ＧａＮの量子井戸構造の井戸幅と発光強度との関係を示すグラフを図５に示す。図５のグラフの横軸は井戸幅（ｎｍ）であり、縦軸は所定量の電子線を照射した場合における発光量（任意単位）である。この図から、井戸幅が６ｎｍの場合は発光量が１×１０１２より小さいのに対し、井戸幅が４ｎｍ以下の場合は発光量がいずれも１×１０１２以上となっていることがわかる。すなわち、量子井戸構造の井戸幅を４ｎｍ以下にすることで発光量が１×１０１２以上となり、発光体１０からより実用に好適な蛍光を得ることができる。
また、基板１２と量子井戸構造層１４Ｃの材料の組み合わせは、サファイアとＩｎＧａＮ／ＧａＮの量子井戸構造以外にも種々の組み合わせが可能であり、以下その組み合わせについて説明する。表１に、基板１２の材料に適した基板を示す。
表１に示した材料は、比較的透過波長が短い材料であり、可視光領域の全ての光を透過する材料（例えば、ＡｌＮ）もある。
また、量子井戸構造層１４Ｃの材料は、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（ｘ≦１、ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）とＩｎａＡｌｂＧａ１−ａ−ｂＮ（ａ≦１、ｂ≦１、ａ＋ｂ≦１）とから構成される、量子井戸構造を有する窒化物半導体から適宜選択可能である。そのため、上述した量子井戸構造層１４Ｃ（ＩｎＧａＮ／ＧａＮの組み合わせ）以外にも、例えば、ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮや、ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ等の組み合わせが可能である。
以上で説明した基板材料と量子井戸構造層の材料との組み合わせにおいては、量子井戸構造層１４Ｃが発する蛍光の波長が、基板１２の透過波長よりも長くなければならない。すなわち、量子井戸構造層１４Ｃが発する蛍光の波長より短い透過波長の基板材料を選択するか、基板１２の透過波長より長い波長の蛍光を発する量子井戸構造層１４Ｃの材料を選択することで、蛍光を基板裏面１２ｂから出射する。
次に、上述した発光体１０を作製する方法について説明する。
発光体１０を作製するにあたり、まず、サファイア基板１２を有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）装置の成長室に導入して、水素雰囲気中、１０５０℃で５分間熱処理をおこない、サファイア基板表面１２ａを清浄化する。そして、基板温度を４７５℃まで降温し、ＩｎＧａＮバッファ層１４Ａを２５ｎｍ堆積した後、基板温度を１０７５℃まで昇温し、ＧａＮ層１４Ｂを２．５μｍ成長させる。その後、基板温度を８００℃まで降温し、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（ｘ＝０．１３）／ＧａＮの量子井戸構造層１４Ｃを形成する。このＩｎＧａＮ／ＧａＮの量子井戸構造層１４Ｃの厚さ（井戸幅）は２ｎｍ、障壁層１０ｎｍで井戸数は１１であり、井戸層および障壁層に１．８×１０１８ｃｍ−３のＳｉをドープしている。なお、井戸数は１１に限らず、入射させる電子線の加速電圧により適宜調整してもよい。また、障壁層の厚さは１０ｎｍに限らず、井戸層に電子を十分に閉じ込められる厚さであればよい。
そして、有機金属気相成長装置内で、量子井戸構造層１４Ｃ上にキャップ層１６を積層する。その後、蒸着装置内に移して、キャップ層１６上にメタルバック層１８を積層することにより、発光体１０の作製が完了する。
なお、上述した例においては、Ｇａ源にトリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ３）３：ＴＭＧａ）、Ｉｎ源にトリメチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ３）３：ＴＭＩｎ）、Ｓｉ源にモノシラン（ＳｉＨ４）を用いたが、他の有機金属原料（例えば、トリエチルガリウム（Ｇａ（Ｃ２Ｈ５）３：ＴＥＧａ）、トリエチルインジウム（Ｉｎ（Ｃ２Ｈ５）３：ＴＥＩｎ）等）及び他の水素化物（例えば、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ４）等）を用いてもよい。
なお、上述した例では、有機金属気相成長装置を用いた例を示したが、ハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）装置や分子線エピタキシ（ＭＢＥ）装置を用いてもよい。また、各成長温度は、試験に用いた装置に依存するため、上述の温度に限定されるものではない。さらに、バッファ層１４ＡとしてＩｎＧａＮを用いた例を示したが、バッファ層１４Ａは、ＩＩＩ族元素としてＩｎ、Ａｌ、Ｇａの少なくとも１つ以上を含み、主たるＶ族元素としてＮを含む窒化物半導体材料から適宜選択可能である。
また、各層の膜厚やＳｉドーピング量は、上述した例で示した量に限定されないが、上述した量がより好適である。さらに、上述した例ではバッファ層１４ＡにＧａＮ層１４Ｂを積層した例を示したが、ＧａＮ層以外でも、ＩＩＩ族元素としてＩｎ、Ａｌ、Ｇａの少なくとも１つ以上を含み、主たるＶ族元素としてＮを含む窒化物半導体で、量子井戸構造１４Ｃの発光波長に対して透明となるバンドギャップを有する窒化物半導体から適宜選択可能である。上述した例では、ＧａＮ層１４Ｂ、ＩｎＧａＮ／ＧａＮの量子井戸構造層１４ＣにＳｉをドープした例を示したが、これに限定されず、他の不純物（例えばＭｇ）をドープしてもよく、また必要に応じ、ドープしなくてもよい。
次に、上述した発光体１０を用いた電子線検出器２０について説明する。
図６は、電子線検出器２０の縦断面図である。この電子線検出器２０においては、入射した電子を蛍光に変換する発光体１０と光検出器３０の光入射面Ｉとが、光学部材（光ガイド部材）２２を介して光学的に結合されている。また、電子線検出器２０は、発光体１０と光検出器３０とが、光学部材２２を介して物理的に接続され、一体となっている。より具体的には、光入射面Ｉに、蛍光透過性の材料からなる光学部材２２が貼り付けられており、この光学部材２２に発光体１０が取り付けられている。光ガイド部材２２は、光ファイバプレート（ＦＯＰ）等のライトガイドであるが、この他、発光体１０において発生した蛍光を光入射面Ｉ上に集光するレンズであってもよい。
光学部材２２と光検出器３０との間には、蛍光透過性の接着層（接着剤：樹脂）ＡＤ２が介在しており、接着層ＡＤ２によって光学部材２２と光検出器３０との間の相対位置が固定されている。
光学部材２２はガラス板であり、発光体１０の基板裏面１２ｂ上にはＳｉＮ層ＡＤａ及びＳｉＯ２層ＡＤｂが形成され、ＳｉＯ２層ＡＤｂと光学部材２２のガラス板とが融着されている。ＳｉＯ２層ＡＤｂもガラス板も共に珪化酸化物であるため、これらは加熱を行うことにより融着する。また、ＳｉＯ２層ＡＤｂは、スパッタリング法等を用いてＳｉＮ層ＡＤａ上に形成しているが、これらの結合力も高い。
ＳｉＮ層ＡＤａは同じくスパッタリング法等によって発光体１０の面上に形成されているが、これらの結合力も高いので、結果的には接着層ＡＤ１が発光体１０を光学部材２２に接着する。また、ＳｉＮ層ＡＤａは、反射防止膜としても機能し、ＳｉＮ層ＡＤａは、電子線の入射に応じて発光体１０内で発生した蛍光が発光体１０方向へ反射されるのを抑制する。なお、接着層ＡＤ１，ＡＤ２全体としてのそれぞれの屈折率は１．５である。
このような構造を有する電子線検出器２０において、電子線の入射に応じて発光体１０内で発生した蛍光は、蛍光透過性の材料からなる接着層ＡＤ１を介して、光学部材２に入射し、光学部材２及び接着層ＡＤ２を順次透過して光検出器３０の光入射面Ｉに至る。
なお、本例に示される光検出器３０は光電子増倍管である。この光検出器３０は、金属製の側管３０ａ、側管３０ａの頂部の開口を閉塞する光入射窓（面板）３０ｂ、側管３０ａの底部の開口を閉塞するステム板３０ｃからなる真空容器を備えている。この真空容器内には、光入射窓３０ｂの内面に形成された光電陰極３０ｄと、電子増倍部３０ｅと、陽極Ａが配置されている。
光入射面Ｉは、光入射窓３０ｂの外面であり、光入射面Ｉに入射した蛍光は、光入射窓３０ｂを透過して光電陰極３０ｄに入射し、光電陰極３０ｄは、蛍光の入射に応じて光電変換を行って（光）電子を前記真空容器内部方向に放出する。この電子は、マイクロチャネルプレートやメッシュ型のダイノードからなる電子増倍部３０ｅによって増倍され、陽極Ａで収集される。
陽極Ａで収集された電子は、ステム板３０ｃを貫通するピン３０ｐを介して光検出器３０の外部に取り出される。なお、ピン３０ｐの数は複数であり、各ピン３０ｐを介して電子増倍部３０ｅに所定の電位が与えられる。なお、金属製の側管３０ａの電位は０Ｖであり、光電陰極３０ｄは側管３０ａに電気的に接続されている。
以上で説明した電子線検出器２０においては、走査型電子顕微鏡や質量分析装置への適応に十分な応答速度及び発光強度を有し、且つ優れた残存率を有する発光体１０を有するため、高速応答と優れた寿命特性とが実現されている。
上記電子線検出器２０は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）や質量分析装置に用いることができる。
図７は、走査型電子顕微鏡の主要部の概略説明図である。この走査型電子顕微鏡は、上記電子線検出器２０を備えている。電子線ｅ１を試料ＳＭ上に照射し、当該電子線ｅ１で試料ＳＭの表面を走査すると、試料ＳＭの表面からは二次電子が放出され、これが電子線ｅ２として電子線検出器２０へと導かれる。電子線ｅ２の入射に応じてピン３０ｐからは電気信号が出力される。
すなわち、この走査型電子線顕微鏡は、電子線検出器２０の少なくとも発光体１０を真空チャンバ（図示せず）内に備えており、この真空チャンバ内に配置された試料ＳＭの表面上を電子線ｅ１で走査することにより試料ＳＭから発生した二次電子を電子線検出器２０に導き、電子線ｅ１の走査位置と電子線検出器２０の出力を同期させて対応づけることにより、試料ＳＭの像を撮影する装置である。そして、電子線顕微鏡２０が採用されたこの走査型電子顕微鏡においては、電子線検出器２０の発光体１０の応答速度がｎｓｅｃオーダーと高速であるため、走査速度を著しく向上させることが可能である。また、発光体１０が優れた残存率を有するため、この走査型電子顕微鏡においては寿命特性等の性能が有意に向上している。
図８は、質量分析装置の主要部の概略説明図である。
この質量分析装置は、上記電子線検出器２０を備えている。分離部ＡＺ内に位置する正イオンは、アパーチャ−ＡＰに適当な電位を与えると共に、アパーチャ−ＡＰに対して分離部ＡＺとは逆側に位置する第１ダイノードＤＹ１に負電位を与えると、アパーチャ−ＡＰを通過して第１ダイノードＤＹ１に衝突し、衝突に伴って第１ダイノードＤＹ１の表面からは二次電子が放出され、これが電子線ｅ３として電子線検出器２０へと導かれる。
なお、第２ダイノードＤＹ２には正の電位が与えられており、分離部ＡＺから負イオンを引き出す場合には、この負イオンは第２ダイノードＤＹ２に衝突し、衝突に伴って第２ダイノードＤＹ２の表面からは二次電子が放出され、これが電子線ｅ３として電子線検出器２０へと導かれる。電子線ｅ３の入射に応じてピン３０ｐからは電気信号が出力される。
質量分析装置には様々なタイプがあるが、いずれもイオンを質量に応じて時間的又は空間的に分離するものである。
分離部ＡＺが飛行管であるとすると、イオンは質量に応じて飛行管内部の通過時間が異なるので、結果的にはダイノードＤＹ１又はＤＹ２への到達時間が異なり、したがって、ピン３０ｐから出力される電流値の時間変化をモニタすれば各イオンの質量が判明する。すなわち、この電流値は時間毎に各質量のイオンの量を示していることとなる。
分離部ＡＺが、磁界によって各イオンの飛行軌道を質量に応じて変えるものであるとすると、分離部ＡＺの磁束密度を可変することにより、アパーチャ−ＡＰを通過するイオンが質量毎に異なり、したがって、ピン３０ｐから出力される電流値の時間変化をモニタすれば各イオンの質量が判明する。すなわち、磁束密度を掃引する又はアパーチャ−ＡＰの位置を走査すれば、この電流値は時間毎に各質量のイオンの量を示していることとなる。
以上、説明したように、上記質量分析装置は、電子線検出器２０の少なくとも化合物半導体基板１が配置される真空チャンバ（図示せず）と、この真空チャンバ内の試料（図示せず）から発生したイオンを、その質量に応じて空間的又は時間的に分離する分離部ＡＺと、分離部ＡＺで分離されたイオンが照射されるダイノードＤＹ１，ＤＹ２とを備え、ダイノードＤＹ１，ＤＹ２へのイオンの入射に応じてダイノードＤＹ１，ＤＹ２から発生した二次電子ｅ３を電子線検出器２０に導き、電子線検出器２０の出力から上記試料の質量分析を行っている。このように、電子線顕微鏡２０が採用された質量分析装置においては、電子線検出器２０の発光体１０の応答速度がｎｓｅｃオーダーと高速であるため、質量分解能を著しく向上させることが可能である。また、発光体１０が優れた残存率を有するため、この質量分析装置においては寿命特性等の性能が有意に向上している。
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、窒化物半導体層１４は、その一部が量子井戸構造であっても、全体が量子井戸構造であってもよい。また、光検出器３０は、光電子増倍管以外に、例えばアバランシェホトダイオード（ＡＰＤ）であってもよい。さらに、光学部材２２は、直線的な形状に限らず、曲線的な形状であってもよく、またサイズも適宜変更可能である。
１０…発光体、１２…基板、１４…窒化物半導体層、１６…キャップ層、１８…メタルバック層、２０…電子線検出器、２２…光学部材、３０…光検出器、ＡＺ…分離部、ＤＹ１，ＤＹ２…ダイノード、ｅ１，ｅ２，ｅ３…電子線、Ｉ…光入射面、ＳＭ…試料。
Claims (9)
- 入射する電子を蛍光に変換する発光体であって、
前記蛍光に対して透明な基板と、
前記基板の一方の面に形成され、前記電子の入射により前記蛍光を発する量子井戸構造を有する窒化物半導体層と、
前記窒化物半導体層上に積層され、前記窒化物半導体層の構成材料よりもバンドギャップエネルギの大きな材料で構成されたキャップ層とを備えることを特徴とする発光体。 - 前記量子井戸構造の井戸幅が４ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の発光体。
- 前記キャップ層の厚さが１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光体。
- 前記窒化物半導体層がＩｎＧａＮ及びＧａＮで構成されており、前記キャップ層がＡｌＧａＮで構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の発光体。
- 前記キャップ層上に積層された反射膜をさらに備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の発光体。
- 前記反射膜の厚さが８００ｎｍ以上であることを特徴とする請求項５に記載の発光体。
- 請求項１〜６のいずれか一項に記載の発光体と、
この発光体が発する前記蛍光に対して感度を有する光検出器とを備えることを特徴とする電子線検出器。 - 請求項１〜６のいずれか一項に記載の発光体と、この発光体が発する前記蛍光に対して感度を有する光検出器とを備えた電子線検出器と、
少なくとも前記発光体が内部に設置された真空チャンバとを備え、
前記真空チャンバ内に配置された試料の表面上を電子線で走査することにより、前記試料から発生した二次電子を前記電子線検出器に導き、前記試料の走査位置と前記電子線検出器の出力とを対応づけることにより前記試料の像を撮影することを特徴とする走査型電子顕微鏡。 - 請求項１〜６のいずれか一項に記載の発光体と、この発光体が発する前記蛍光に対して感度を有する光検出器とを備えた電子線検出器と、
少なくとも前記発光体が内部に配置される真空チャンバと、
前記真空チャンバ内の試料から発生したイオンをその質量に応じて空間的又は時間的に分離する分離部と、
前期分離部で分離されたイオンが照射されるダイノードとを備え、
前記ダイノードへのイオンの入射に応じて前記ダイノードから発生する二次電子を前記電子線検出器に導き、前記電子線検出器の出力から前記試料の質量分析を行うことを特徴とする質量分析装置。
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