JP5072081B2 - 感光体静電潜像の測定装置、画像形成装置及び感光体静電潜像の測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、感光体の静電潜像の測定装置に関する。

電子ビームによる静電潜像の試料としては、ＬＳＩチップや静電潜像を記憶・保持できる試料に限定されている。すなわち、暗減衰を生じる通常の感光体は、測定することができない。通常の誘電体は電荷を半永久的に保持することができるので、電荷分布を形成後、時間をかけて測定を行っても、測定結果に影響を与えることはない。しかしながら、感光体の場合は、抵抗値が無限大ではないので、電荷を長時間保持できず、暗減衰が生じ時間とともに表面電位が低下してしまう。感光体が電荷を保持できる時間は、暗室であってもせいぜい数十秒である。従って、帯電・露光後に電子顕微鏡(ＳＥＭ)内で観察しようとしても、その準備段階で静電潜像は消失してしまう。

そこで、暗減衰を有する感光体試料であっても静電潜像を測定する方式がある(特許文献１、２、３参照)。試料表面に電荷分布があると、空間に表面電荷分布に応じた電界分布が形成される。このため、入射電子によって、発生した２次電子はこの電界によって押し戻され、検出器に到達する量が減少する。従って、電界強度が強い部分は暗く、弱い部分は明るくコントラストがつき、表面電荷分布に応じたコントラスト像を検出することができる。従って、露光した場合には、露光部が黒、非露光部が白となり、これより形成された静電潜像を測定することができる。
特開２００３−２９５６９６号公報 特開２００３−３０５８８１号公報 特開２００５−１６６５４２号公報

ところで、電子ビームとして熱電子放出や熱電界放出などのフィラメントを加熱する電子線源を用いると、チップの先端はオレンジ色あるいは黄色に発光し、放射光が照射され一部は試料に到達する(図１２)。その量は１ｕＷ以下のごくわずかの微弱光量であり、例えば通常の走査電子顕微鏡(ＳＥＭ)や電子顕微鏡(ＴＥＭ)で問題になることは無い。

しかしながら、潜像計測の場合には、微弱発光であっても長時間露光されると、８００ｎｍ以下の光源に対して感度を有する感光体の場合、その積分光量が重要であり、静電潜像状態が変わってくる。例えば必要露光エネルギーが４ｍＪ／ｍ２である感光体の場合、１ｎＷ／ｍｍ２の微弱光が４ｓ照射されれば、必要露光エネルギーに達してしまう。このため、フィラメントから放射される光が、試料に到達する影響を抑える必要がある。なお、ここでの発光とはフィラメントの熱励起にともなって、電子銃自身から放出される光のことを指す。電子が固体などの物質に固体に衝突するときの発生する光子放出や蛍光のことではない。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、本発明は、誘電体の表面に生じている電荷分布あるいは電位分布をミクロンオーダーで高分解能の計測する装置を提供することを目的とし、特に、感光体上の静電潜像を測定する装置を提供することを目的とする。
なお、ここで述べる表面電荷は、厳密には、電荷は試料内に空間的に散らばっていることは周知の通りである。このため、表面電荷とは、電荷分布状態が、厚さ方向に比べて、面内方向に大きく分布している状態を指すことにする。また、電荷は、電子だけでなく、イオンも含める。
また表面に導電部があり、導電部分に電圧が印加されて、それにより、試料表面あるいはその近傍が電位分布を生じている状態であってもよい。

請求項１の発明では、試料に対して、電子ビームを照射することで、試料上に帯電電荷を生成させる手段と、静電潜像を形成させるための露光光学系手段と、試料面を電子ビームで走査し、該走査で得られる検出信号により、試料面の静電潜像分布を測定する感光体静電潜像の測定装置において、試料の観察領域に対して、エミッタから放出される放射光照射による静電潜像変動を低減する放射光遮光手段を有し、前記放射光遮光手段は、２つのピンホール間に電子レンズを配置した構成からなり、電子レンズの試料側に配置されたピンホールの直径φ_n+1、電子レンズの電子銃側に配置したピンホールの直径φ_n、エミッタの中心から前記試料側に配置されたピンホールまでの距離L_n+1、エミッタの中心から前記電子銃側に配置されたピンホールまでの距離L_nとするとき、φ_n×L_n+1/L_nに応じて放射光量を抑制することを特徴とする。

請求項２の発明では、遮光手段として、電子ビームの中心軸を偏心させて、試料を走査させる手段を有することを特徴とする。

請求項３の発明では、電子ビームの中心軸をずらすための手段として、多極子レンズを用いることを特徴とする。

請求項４の発明では、エミッタから放出される放射光が照射される領域に、導電性反射防止手段を用いることを特徴とする。

請求項５の発明では、反射防止手段として、８百ナノメートル以下の周期構造をもつサブ波長構造体であることを特徴とする。

請求項６の発明では、φ_n+1＜φ_n×L_n+1/L_nであることを特徴とする。

請求項７の発明では、電子源として、フィラメントを加熱する手段と電界を印加する手段を利用した電子銃であることを特徴とする。

請求項８の発明では、入射する荷電粒子の試料垂直方向の速度ベクトルが、反転するような領域が存在する条件下で測定する手段を有することを特徴とする。

請求項９の発明では、書き込み光源波長が７８０ｎｍ以下であり、かつ、前記感光体面でのビームスポット径が６０μｍ以下であり、感光体面でのビームスポット径をＡとし、形成される潜像径をＢとした時に、１．０＜Ｂ／Ａ＜２．０を満足する画像形成装置を提供することを特徴とする。

請求項１０の発明では、試料に対して、荷電粒子を照射することで、試料上に帯電電荷を生成し、レーザー光学系を用いて静電潜像を形成し、試料面を電子ビームで走査し、該走査で得られる検出信号により、試料面の静電潜像分布を測定することを特徴とする感光体静電潜像の測定方法において、試料の観察領域に対して、エミッタから放出される放射光照射による静電潜像変動を低減するために、放射光を２つのピンホール間に電子レンズを配置した構成からなる遮光手段を用いて遮光し、電子レンズの試料側に配置されたピンホールの直径φ_n+1、電子レンズの電子銃側に配置したピンホールの直径φ_n、エミッタの中心から前記試料側に配置されたピンホールまでの距離L_n+1、エミッタの中心から前記電子銃側に配置されたピンホールまでの距離L_nとするとき、φ_n×L_n+1/L_nに応じて放射光量を抑制すること特徴とする。
また、請求項１１の発明では、φ_n+1＜φ_n×L_n+1/L_nであることを特徴とする。

本発明によれば、誘電体の表面に生じている電荷分布あるいは電位分布をミクロンオーダーで高分解能の計測することができる。特に、感光体上の静電潜像を測定することができる。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１(ａ)に本発明の実施例を示す。
荷電粒子ビームを照射する荷電粒子照射部と露光部、試料設置部、１次反転荷電粒子や２次電子などの検出部からなる。ここでいう、荷電粒子とは、電子ビームあるいはイオンビームなど電界や磁界の影響を受ける粒子を指す。

以下電子ビームを照射する実施例で説明する。
電子ビーム照射部は電子ビームを発生させるための電子銃と、電子ビームを制御するための、サプレッサ電極、引き出し電極と、電子ビームのエネルギーを制御するための加速電圧と、電子銃から発生された電子ビームを集束させるためのコンデンサレンズと、ピンホールと、電子ビームの進行方向を変えるための偏心レンズと偏心レンズを通過した電子ビームを走査させるための走査レンズと走査レンズを再び集光させるための対物レンズからなる。それぞれのレンズ等には、図示しない駆動用電源が接続されている。

偏心レンズの前後には、第１のピンホールと第２のピンホールがある。
２次電子や１次反転電子などを検出器する手段として、シンチレータや光電子増倍管などを用いている。通常シンチレータには引き込み電圧８〜１０kV程度の高電圧を印加することで、荷電粒子を捕獲する構成となっている。
検出荷電粒子を検出器に導くために、荷電粒子衝突時に放出粒子が発生する放出粒子発生部材を配置している。

露光部は、感光体に関して、感度を持つ波長のＬＤ(レーザ ダイオード)などの光源、コリーメートレンズ、アパーチャ、集光レンズなどからなり、試料上に所望のビーム径、ビームプロファイルを生成することが可能となっている。また、ＬＤ制御手段により適切な露光時間、露光エネルギーを照射できるようになっている。
ラインのパターンを形成するために、光学系にガルバノミラーやポリゴンミラーを用いたスキャニング機構を付けても良い(図１０参照)。
また、所定の位置に潜像パターンを形成するために、光偏向手段からの走査ビームを検知する同期検知手段を有しても良い。
試料の形状は、平面であっても曲面であっても良い。

走査光学系は、ポリゴンモータなど偏向器の振動や電磁場の影響が電子ビームの軌道に影響を与えないように真空チャンバの外に配置すると良い。電子ビーム軌道位置から遠ざけることにより、外乱の影響を抑制することが可能となる。走査光学系は、光学的に透明な入射窓より入射させることが望ましい。

図２は、本実施形態の断面図である。図２に示すように、真空チャンバの鉛直軸に対して４５°の位置に、真空チャンバ内部に対して光源が外部から入射可能な入射窓を配置し、真空チャンバ外部に走査光学系を配置した構成となっている。図２において、走査光学系は、光源部、走査レンズ、同期検知手段、光偏向器等を有している。
走査レンズはfθ特性を有しており、光偏光器が一定速度で回転しているときに、光ビームは像面に対して略等速に移動する構成となっている。また、ビームスポット径も略一定に走査可能な構成となっている。

走査光学系は、真空チャンバに対して離れて配置するので、ポリゴンスキャナ等の光偏向器を駆動する際に発生する振動は、直接真空チャンバに伝播されることの影響は少ない。さらに、図２では図示していないが、構造体と除振台との間にダンパを挿入すれば更に効果の高い防振効果を得ることができる。

放出粒子としては電子やイオンがあり、電子を検出して計測することが一般的であるが、検出器にマイナスの引き込み電圧を与えてプラスイオンを検出し、コントラスト像を観察することも可能である。

試料表面に電荷分布があると、空間に表面電荷分布に応じた電界分布が形成される。このため、入射電子によって、発生した２次電子はこの電界によって押し戻され、検出器に到達する量が減少する。従って、電荷リーク箇所は、露光部が黒、非露光部が白となり、表面電荷分布に応じたコントラスト像を測定することができる。

図３（ａ）は、荷電粒子捕獲器２４と、試料ＳＰとの間の空間における電位分布を、等高線表示で説明図的に示したものである。試料ＳＰの表面は、光減衰により電位が減衰した部分を除いては負極性に一様に帯電した状態であり、荷電粒子捕獲器２４には正極性の電位が与えられているから、「実線で示す電位等高線群」においては、試料ＳＰの表面から荷電粒子捕獲器２４に近づくに従い「電位が高く」なる。
従って、試料ＳＰにおける「負極性に均一帯電している部分」である図のＱ１点やＱ２点で発生した２次電子ｅｌ１、ｅｌ２は、荷電粒子捕獲器２４の正電位に引かれ、矢印Ｇ１や矢印Ｇ２で示すように変位し、荷電粒子捕獲器２４に捕獲される。

一方、図３（ａ）において、Ｑ３点は「光照射されて負電位が減衰した部分」であり、Ｑ３点近傍では電位等高線の配列は「破線で示す如く」であり、この部分電位分布では「Ｑ３点に近いほど電位が高く」なっている。換言すると、Ｑ３点の近傍で発生した２次電子ｅｌ３には、矢印Ｇ３で示すように、試料ＳＰ側に拘束する電気力が作用する。このため２次電子ｅｌ３は、破線の電位等高線の示す「ポテンシャルの穴」に捕獲され、荷電粒子捕獲器２４に向って移動しない。図３（ｂ）は、上記「ポテンシャルの穴」を模式的に示している。
即ち、荷電粒子捕獲器２４により検出される２次電子の強度（２次電子数）は、強度の大きい部分が「静電潜像の地の部分（均一に負帯電している部分 図３（ａ）の点Ｑ１やＱ２に代表される部分）」に対応し、強度の小さい部分が「静電潜像の画像部（光照射された部分 図３（ａ）の点Ｑ３に代表される部分）」に対応することになる。

従って、２次電子検出部２５で得られる電気信号を、信号処理部で適当なサンプリング時間でサンプリングすれば、前述の如く、サンプリング時刻：Ｔをパラメータとして、表面電位分布：Ｖ（Ｘ，Ｙ）を「サンプリングに対応した微小領域」ごとに特定でき、信号処理部２５により上記表面電位分布（電位コントラスト像）：Ｖ（Ｘ，Ｙ）を２次元的な画像データとして構成し、これをアウトプット装置で出力すれば、静電潜像が可視的な画像として得られる。
例えば、捕獲される２次電子の強度を「明るさの強弱で表現」すれば、静電潜像の画像部分は暗く、地の部分は明るくコントラストがつき、表面電荷分布に応じた明暗像として表現（出力）することができる。勿論、表面電位分布が知れれば、表面電荷分布も知ることができる。

電子ビームの中心軸とは、ここでは、エミッタの中心とエミッタ側から第１番目のピンホールの中心を結ぶ線とする。図１２(ａ)のように、中心軸が試料まで揃っている場合は、ＳＥＭとしては本来理想的であり、収差も小さい。しかしながら、放射光が試料に到達するので、たとえ微弱であっても積分光量で考えると静電潜像に影響をあたえてしまう。図１２(ｂ)は、電子ビームの中心軸と、放射光と電子ビームと試料との関係を示す図ある。

そこで本発明では、解決策としては、図１(ａ)のように多極子レンズを配置し、第２番目のピンホール位置を意図的にずらす構成とすることが良い。図１(ｂ)に電子ビームの中心軸と、放射光と電子ビームと試料との関係を示す図を示す。

多極子レンズとは、電子ビーム光軸（Z軸）に垂直な面（ＸＹ）内に複数の電極または磁極を配置した構造のレンズである。双極子,４極子,６極子,８極子などがある。これらは、通常の回転対称レンズに比べて強いレンズ作用や偏向作用を誘起することができる。これを用いて電子ビームを偏心させる。図１(ｂ)は、４極子レンズ２段による偏心レンズ１,２を用いた構成で、偏心レンズ２を中心軸に対して、平行にずらした構成となっている。図１(ｂ)で示すように電子ビームが中心軸から平行にずらし、第２ピンホールの位置も中心からずらすことにより、電子ビームは第２ピンホールを通過し、放射光はピンホールを通過することが出来ない。従って、この方法により放射光が試料に到達することを遮光することができる。

電子ビームは電磁場の影響を受けて、入射電子軌道を曲げられるが、放射光は電磁場の影響を受けず直進するので、軸ずらしの位置にピンホールを構成することで、試料に到達することを抑制することが出来る。
軸ずらしをすると収差が大きくなるので解像度が低下することになるが、それ以上に感光体の静電潜像変動を抑制する課題対して有効な手段である。

また、別な方式を図４に示す。２段目の偏心レンズ自体は、中心軸に対して対称な構成となっている。この方式でも、電子ビームを偏心させることは可能であり、遮光効果がある。
エミッタの中心から第１のピンホールまでの距離をL１,ピンホール直径をφ１
エミッタの中心から第２のピンホールまでの距離をL２,ピンホール直径をφ２
とすれば、第２のピンホールでの放射光の直径は幾何学計算ではφ３=φ１×L２/L１となるので、
偏心量としては、０.５×(φ３+φ２)だけずらせばよい。放射光を完全に遮光することが可能である。
L１=５０mm,L２=１００mm,φ１=φ２=０.０５mmの場合、０.０７５mm以上偏心させれば、放射光を遮光することが可能である。また、０.０７５mm以下の場合は、完全には遮光できないがずらすことにより大幅に低減することができる。

さらに別の方式を図５に示す。この方式は第２のピンホールは、中心軸にあり、偏向レンズを用いて、第２ピンホールに対して、電子ビームが斜めに入射する構成とすることで、放射光自体は、第２ピンホールでけられず試料面に到達するが、走査電子ビーム領域とは分離されており、走査領域すなわち測定領域には、放射光は照射されない構成となっている。
従って、試料に到達する放射光を試料の観察領域からはずすことで、放射光による静電潜像変動を抑制することができる。

（請求項５の実施例）
エミッタから放出される放射光照射光を低減するための別な方法として、放射光が照射される鏡筒内に反射防止コートを施す方法がある。
反射防止箇所としては、鏡筒内のさらに放射光があたりやすく漏れやすいところが適切である。ピンホール近傍や放射光が直接あたる狭い空間であればなおよい。

電子ビームがピンホールを通過せず部材に当たると２次電子が放出される。これが誘電体材料に衝突すると電荷が蓄積されて、電場環境が変化し、電子ビーム安定化を妨げることになる。図８(ａ)は、これを防止するために、ピンホール上部に導電性のキャップをつけた構成である。この内面に反射防止膜を付けると良い。
反射防止膜としては、誘電体多層膜がある。誘電体多層膜だと電荷が蓄積されてしまうが、これに対して、導電性反射防止膜であるとなおよい。膜構造として、Ｓｎ／Ｉｎ２Ｏ３超微粒子や貴金属超微粒子を使用することにより、導電性を上げることが出来る。１０^９Ω/sq以下程度であれば、電荷がその場にたまって電場環境が変わることを防止することが可能である。

別な方法として、 ナノメートルオーダーの周期構造を使うと良い。光の波長以下の周期構造をガラス表面に作ると、空気の屈折率１から構造体の屈折率まで、屈折率を滑らかに変化させる構造を作ることができる。この構造は、屈折率の急激な変化をなくし、反射をかなり防ぐことができる。図８(ｂ)にＶ溝のサブ波長構造による反射防止手段を示す。

周期Λ<=８００nm,アスペクト比h/Λ>=２であれば、感光体の感度範囲である可視光から近赤外光をカットすることができる。このサブ波長構造は、特定の波長に依存せず、角度依存性も少ないことが特徴である。また、表面構造だけであり、新たな部品や処理を必要としない利点を有している。
図８(ｂ)のように狭い空間では、放射光が散乱しやすい領域であるため、この内側面をサブ波長構造とすると効果的である。

図６は、第n番目と第n+１番目ピンホールの間に電子レンズを配置した構成の実施例である。機能を明確にするため、必要な構成を簡略化して示している。第n番目を通過した放射光は広がりを持つ。図は広がりを誇張して表現している。第n番目を通過した電子ビームは、電子レンズにより、第n+１番目のピンホールを通過することができる。電子レンズは、静電レンズでも磁場レンズでも良い。また、複数の電子レンズを配置したり、リレーレンズの構成としても良い。この方式では、エミッタからの放射光は、完全には遮光できないが、電子ビームの電流量と放射光量比では、大幅に低減することが可能となる。
エミッタの中心から第nのピンホールまでの距離をL_n,ピンホール直径をφ_n
エミッタの中心から第n+１のピンホールまでの距離をL_n+１,ピンホール直径をφ_n+１
とすれば、第nのピンホールでの放射光の直径は幾何学計算ではφ_n×L_n+１/L_nとなるので、
放射光量としては、
[(φ_n+1×L_n) / (φ_n×L_n+1)]^２
だけ抑制することができる。

図７は、別の実施例として、エミッタと第１番目の間に電子レンズを配置した構成の実施例である。エミッタがZr O/Wの開角は、中央の平坦部の範囲では、±１００mradと広いため、効果的である。例えば、エミッタから１５mm離れた位置では、約φ３mmとなる。ここに、φ０.０５のピンホールを配置すれば、１/３６００となり、S/N比が向上する。
この方式により、光量を大幅に抑制することができる。

（請求項７の実施例）
電子銃としては、熱電界放出電子銃が良い。ここでいう熱電界放出電子銃とは、陰極を高温に加熱し、かつ電界を印加させて、電子を放出させる電子銃を指す。ショットキー電子銃も含まれる。ショットキー電子銃の構成を図９に示す。陰極の加熱温度が１０００K以下７００K程度であれば、熱電界放出現象であり、陰極の加熱温度が１０００K以上で１８００Kと高温度であれば、ショットキー放出となる。通常ＺｒＯ／Ｗエミッタが使われる。熱電子銃と比べて輝度が高く、電子源も小さい。電界放出電子銃と比較すると、陰極が１８００Kという高温度に加熱されているため、電流安定度が高いこと、大きなプローブ電流が得られること、動作圧力が若干高くても良いこと、などの優位性を持つ。
フィラメントが加熱されると発光されるデメリットがあるが、それは、上述の方法で抑制することができる。

（請求項８の実施例）
表面電荷分布や表面電位分布のプロファイルを測定することにより、さらに高精度に測定することが可能である。

図１２は本発明の表面電位分布測定装置の他の実施例を示す図である。
試料下部の試料設置部は、電圧Ｖｓｕｂを印加できる電圧印加部が接続されている。また、試料上部は、入射電子ビームが試料電荷の影響を受けることを抑制するために、グリッドを配置した構成となっている。

図１３は入射電子と試料の関係を示す図である。同図（ａ）は加速電圧が表面電位ポテンシャルより大きい場合、同図（ｂ）は加速電圧が表面電位ポテンシャルより小さい場合をそれぞれ示す。
入射する荷電粒子の試料垂直方向の速度ベクトルが、試料到達前に反転するような状態が存在する領域が存在し、その１次入射荷電粒子を検出する構成となっている。

なお、加速電圧は、正で表現することが一般的であるが、加速電圧の印加電圧Ｖａｃｃは負であり、電位ポテンシャルとして、物理的意味を持たせるためには、負で表現する方が説明しやすいため、ここでは加速電圧は負（Ｖａｃｃ＜０）と表現する。
電子ビームの加速電位ポテンシャルをＶａｃｃ（＜０）、試料の電位ポテンシャルをＶｐ（＜０）とする。
電位とは、単位電荷が持つ電気的な位置エネルギである。したがって、入射電子は、電位０（Ｖ）では加速電圧Ｖａｃｃに相当する速度で移動する。すなわち、電子の電荷量をｅとし電子の質量をｍとすると、電子の初速度ｖ０は、ｍｖ０２／２＝ｅ×｜Ｖａｃｃ｜で表される。真空中ではエネルギ保存の法則により、加速電圧の働かない領域では等速で運動し、試料面に接近するに従い、電位が高くなり、試料電荷のクーロン反発の影響を受けて速度が遅くなる。

したがって、一般的に以下のような現象が起こる。
同図（ａ）において、｜Ｖａｃｃ｜ ≧ ｜Ｖｐ｜なので、電子は、速度は減速されるものの、試料に到達する。
同図（ｂ）において、｜Ｖａｃｃ｜ ＜ ｜Ｖｐ｜ 場合には、入射電子の速度は試料の電位ポテンシャルの影響を受けて、徐々に減速し、試料に到達する前に速度が０となって、反対方向に進む。

空気抵抗の無い真空中では、エネルギー保存則がほぼ完全に成立する。
したがって、入射電子のエネルギーを変えたときの、試料面上でのエネルギーすなわちランディングエネルギがほぼ０となる条件を計測することで、表面の電位を計測することができる。ここでは１次反転荷電粒子、特に電子の場合を１次反転電子と呼ぶことにする。試料に到達したとき発生する２次電子と１次反転荷電粒子では、検出器に到達する量が大きく異なるので、明暗のコントラストの境界より、識別することができる。

なお、走査電子顕微鏡などには、反射電子検出器があるが、この場合の反射電子とは、一般的に試料の物質との相互作用により、入射電子が後方背面に反射（散乱）され、試料の表面から飛び出す電子のことを指す。反射電子のエネルギーは入射電子のエネルギーに匹敵する。反射電子の強度は試料の原子番号が大きいほど大きいといわれ、試料の組成の違い、凹凸がわかるための検出方法である。
これに対して、１次反転電子は、試料表面の電位分布の影響を受けて、試料表面に到達する前に反転する電子のことで有り、全く異なる現象である。

図１４は潜像深さ計測結果の一例を示す図である。
各走査位置（ｘ，ｙ）で、加速電圧Ｖａｃｃと、試料下部印加電圧Ｖｓｕｂとの差をＶｔｈ（＝Ｖａｃｃ−Ｖｓｕｂ）とすれば、ランディングエネルギがほぼ０となるときのＶｔｈ（ｘ，ｙ）を測定することで電位分布Ｖ（ｘ，ｙ）を測定することができる。Ｖｔｈ（ｘ，ｙ）は、電位分布Ｖ（ｘ，ｙ）とは一意的な対応関係があり、Ｖｔｈ（ｘ，ｙ）はなだらかな電荷分布などであれば、近似的に電位分布Ｖ（ｘ，ｙ）と等価となる。

図１４上段の曲線は試料表面の電荷分布によって生じた表面電位分布の一例を示している。２次元的に走査する電子銃の加速電圧は−１８００Ｖとした。中心（横軸座標＝０）の電位が約−６００Ｖであり、中心から外側に向かうに従って、電位がマイナス方向に大きくなり、中心から半径が７５μｍを超える周辺領域の電位は約−８５０Ｖ程度になっている。同図中段の楕円形は試料の裏面をＶｓｕｂ＝−１１５０Ｖに設定したときの検出器出力を画像化した図である。このとき、Ｖｔｈ＝Ｖａｃｃ−Ｖｓｕｂ＝−６５０Ｖとなっている。同図下段の楕円形はＶｓｕｂ＝−１１００Ｖとしたほかは上記条件と同じ条件で得られた検出器出力を画像化した図である。このときのＶｔｈは−７００Ｖになっている。

したがって、加速電圧Ｖａｃｃまたは印加電圧Ｖｓｕｂを変えながら、試料表面を電子で走査させ、Ｖｔｈ分布を計測することにより、試料の表面電位情報を計測することが可能となる。
この方法を用いることにより、従来困難であった、潜像プロファイルをミクロンオーダーで可視化することが可能となる。

１次反転電子で潜像プロファイルを計測する方式では、入射電子のエネルギーが極端に変わるため、入射電子の軌道がずれてくることが生じ、その結果として、走査倍率が変わったり、歪曲収差を生じたりすることになる。
その場合には、静電場環境や電子軌道をあらかじめ計算しておき、それをもとに補正することにより、さらに高精度に計測することが可能となる。

（請求項９の実施例)
本実施形態の静電潜像測定装置で行われる静電潜像測定方法で感光体を評価することにより、潜像形成の過程が定量的に詳細に解析できるので、露光量を最適化することができ、感光体に負担のかからない帯電及び露光条件が分かり、省エネルギー、高耐久が実現できる。

さらに、出力画像の高画質化の為に、光学系の最適化及び光源波長を７８０nm以下に短波長化することにより、ビームスポット径を６０μｍ以下に小径化する試みが行われているが、現在の感光体が短波長の光に対して感度が低いことや、小径化ビームでは感光体内での光の散乱及び電荷の拡散の影響を強く受け、潜像径が広がり、潜像の深さも浅くなり、最終出力画像では階調性、鮮鋭性の安定性が得られないという不具合が発生している。
ここでのビームスポット径は、ビームスポット光量分布が最大光量のｅ-２以上である範囲の径で定義している。潜像径は潜像電荷密度分布が光の当たっていない部分の電荷密度を基準として最も電荷密度差が大きい部分の電荷密度差のｅ-２以上である範囲の径で定義している。

電荷輸送層の組成及び膜厚が光の散乱及び電荷の拡散度合いに、電荷発生層の組成が感度に影響を与えることは知られているが、明確な相関関係が分かっていない。そこで、電荷輸送層の組成及び膜厚、電荷発生層の組成を変えて感光体を作り、本実施形態の静電潜像測定装置で行われる静電潜像測定方法において、画像形成装置で使用する条件と同じ、例えば帯電電位８００Ｖ、露光エネルギー４ｍＪ／ｍ２として、光源波長が７８０ｎｍ以下、ビームスポット径が６０μｍ以下の条件で露光し潜像測定を行い、図１１（ａ）及び（ｂ）に示すように、感光体面でのビームスポット径をＡとし、形成される潜像径をＢとしたときに、
１．０＜Ｂ／Ａ＜２．０
を満足する感光体を選定すれば、最終出力画像で階調性、鮮鋭性の安定性が実現できる。

ここで、下限の１．０は、光の散乱及び電荷の拡散はどんな感光体でも必ず起こるのでこれ以下にはならないという原理的な限界であり、上限の２．０は、最終出力画像で階調性、鮮鋭性の安定性を確保する為に必要な限界である。

以下に、この発明の画像形成装置の実施の１形態を説明する。図１５は上記１形態であるレーザプリンタを略示している。レーザプリンタ１００は像担持体１１１として「円筒状に形成された光導電性の感光体」を有している。像担持体１１１の周囲には、帯電手段としての帯電ローラ１１２、現像装置１１３、転写ローラ１１４、クリーニング装置１１５が配備されている。この実施の形態では「帯電手段」として、オゾン発生の少ない接触式の帯電ローラ１１２を用いているが、コロナ放電を利用するコロナチャージャを帯電手段として用いることもできる。また、光走査装置１１７が設けられ、帯電ローラ１１２と現像装置１１３との間で「レーザビームＬＢの光走査による露光」を行うようになっている。図１１１において、符号１１６は定着装置、符号１１８はカセット、符号１１９はレジストローラ対、符号１２０は給紙コロ、符号１２１は搬送路、符号１２２は排紙ローラ対、符号１２３はトレイを示している。画像形成を行うときは、光導電性の感光体である像担持体１１１が時計回りに等速回転され、その表面が帯電ローラ１１２により均一に帯電され、光走査装置１１７のレーザビームによる光書込による露光により静電潜像が形成される。形成された静電潜像は所謂「ネガ潜像」であって画像部が露光されている。この静電潜像は現像装置１１３により反転現像され、像担持体１１１上にトナー画像が形成される。転写紙を収納したカセット１１８は画像形成装置１００本体に着脱可能で、図のごとく装着された状態において、収納された転写紙の最上位の１枚が給紙コロ１２０により給紙される。給紙された転写紙は、その先端部をレジストローラ対１１９に銜えられる。レジストローラ対１１９は、像担持体１１１上のトナー画像が転写位置へ移動するのにタイミングをあわせて転写紙を転写部へ送りこむ。送りこまれた転写紙は、転写部においてトナー画像と重ね合わせられ、転写ローラ１１４の作用によりトナー画像を静電転写される。トナー画像を転写された転写紙は定着装置１１６でトナー画像を定着されたのち、搬送路２１を通り、排紙ローラ対１２２によりトレイ１２３上に排出される。トナー画像が転写されたのち、像担持体１１１の表面はクリーニング装置１１５によりクリーニングされ、残留トナーや紙粉等が除去される。

本発明による非常に望ましい潜像担持体を用いることにより、解像力に優れて高精彩、かつ高耐久で信頼性の高い画像形成装置を製作することができる。

以下に、各請求項の作用ないしは効果を記載する。
（１）請求項１に対する作用効果
試料の観察領域に対して、エミッタから放出される放射光が試料に照射されないように遮光する手段を有することにより、静電潜像変動を抑制することが可能となり、感光体の静電潜像をミクロンオーダーの分解能で高精度に測定することが可能となる。また、ピンホールの電子銃側に電子がピンホールに通過するための電子レンズを用いることにより、試料に到達する放射光量を問題無いレベルまで低減させることができる。

（２）請求項２に対する作用効果
電子ビームの中心軸に対して偏心させることにより、電子ビームと放射光とを分離することができ、放射光を遮光することが実現できる。
その結果、静電線像をミクロンオーダーの高分解能に測定することが可能となる。

（３）請求項３に対する作用効果
多極子レンズを用いることにより、電子ビームを容易に偏向させることが可能となり、電子ビームと放射光とを分離することができ、放射光を遮光することが実現できる。
その結果、静電線像をミクロンオーダーの高分解能に測定することが可能となる。

（４）請求項４に対する作用効果
反射防止手段を用いることにより、放射光が部材に当たって、反射・散乱して、試料に照射される光量を抑制することができる。なおかつ、誘電体でなく導電性の反射防止手段により、鏡筒内に電荷が蓄積されて、電場環境を乱すことが無い。

（５）請求項５に対する作用効果
導電性反射防止手段として、８百ナノメートル以下の周期構造をもつサブ波長構造体を用いることにより、コーティングなど新たな処理をすることなく、反射防止を実現することができる。また、特定の波長に依存せず、角度依存性も少ないため、帯域が広い放射光の散乱防止に有効である。

（７）請求項７に対する作用効果
フィラメントを加熱する手段と電界を印加する手段を有する電子銃を用いることにより、電流安定度が高く、帯電時に必要な大きなプローブ電流が得られることができる。

（８）請求項８に対する作用効果
入射する荷電粒子の試料垂直方向の速度ベクトルが、反転するような領域が存在する条件下で測定する手段を有することにより、電位深さの定量化計測を可能とし、電位分布を高精度に測定することが可能となる。

（９）請求項９に対する作用効果
請求項１〜８のいずれか測定方法及び測定装置を用いて、静電潜像を評価することにより、設計にフィードバックすることができ、各工程のプロセスクォリティが向上するため、高画質、高耐久、高安定、省エネルギー化に優れた潜像担持体及び走査光学系を提供することができ、現像して可視化することにより、高密度・高画質・高耐久な画像形成装置を提供することができる。

（１０）請求項１０に対する作用効果
試料の観察領域に対して、エミッタから放出される放射光照射による静電潜像変動を低減するために、放射光を遮光することにより、静電潜像変動を抑制することが可能となり、感光体の静電潜像をミクロンオーダーの分解能で高精度に測定することが可能となる。また、ピンホールの電子銃側に電子がピンホールに通過するための電子レンズを用いることにより、試料に到達する放射光量を問題無いレベルまで低減させることができる。

なお、上述する各実施の形態は、本発明の好適な実施の形態であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更実施が可能である。本発明は表面電荷分布の測定装置、表面電位分布の測定装置、電子写真プロセスにおける静電潜像の測定装置、高画質な画像形成装置に適用可能である。

本発明の実施の形態の構成図である。 本発明の実施の形態の構成図である。 ２次電子による電荷分布・電位分布検出の原理モデル図である。 本発明の他の実施の形態の構成図である。 本発明の他の実施の形態の構成図である。 本発明の他の実施の形態の構成図である。 本発明の他の実施の形態の構成図である。 Ｖ溝のサブ波長構造による反射防止手段の図である。 本発明の他の実施の形態の構成図である。 露光光学系の構成図である。 本発明の他の実施の形態の構成図である。 グリッドメッシュ配置による測定例の図である。 入射電子と試料の関係を示す図である。 潜像深さ計測結果の一例を示す図である。 本発明の装置の構成図である。 従来の構成に関する図である。

Claims (11)

1. 試料に対して、電子ビームを照射することで、試料上に帯電電荷を生成させる手段と、
   静電潜像を形成させるための露光光学系手段と、
   試料面を電子ビームで走査し、該走査で得られる検出信号により、試料面の静電潜像分布を測定する感光体静電潜像の測定装置において、
   試料の観察領域に対して、エミッタから放出される放射光照射による静電潜像変動を低減する放射光遮光手段を有し、
   前記放射光遮光手段は、２つのピンホール間に電子レンズを配置した構成からなり、
   電子レンズの試料側に配置されたピンホールの直径φ_n+1、
   電子レンズの電子銃側に配置したピンホールの直径φ_n、
   エミッタの中心から前記試料側に配置されたピンホールまでの距離L_n+1、
   エミッタの中心から前記電子銃側に配置されたピンホールまでの距離L_nとするとき、
   φ_n×L_n+1/L_nに応じて放射光量を抑制することを特徴とする感光体静電潜像の測定装置。
2. 放射光遮光手段として、電子ビームの中心軸に対して偏心させる手段を有することを特徴とする請求項１記載の感光体静電潜像の測定装置。
3. 電子ビームの中心軸に対して偏心させる手段として、多極子レンズを用いる手段を有することを特徴とする請求項２記載の感光体静電潜像の測定装置。
4. エミッタから放出される放射光が照射される領域に、導電性反射防止手段を用いることを特徴とする請求項１記載の感光体静電潜像の測定装置。
5. 導電性反射防止手段として、８百ナノメートル以下の周期構造をもつサブ波長構造体であることを特徴とする請求項４記載の感光体静電潜像の測定装置。
6. φ_n+1＜φ_n×L_n+1/L_nであることを特徴とする請求項１記載の感光体静電潜像の測定装置。
7. 電子源として、フィラメントを加熱する手段と電界を印加する手段を有することを特徴とする請求項１記載の感光体静電潜像の測定装置。
8. 入射する荷電粒子の試料垂直方向の速度ベクトルが、反転するような領域が存在する条件下で測定する手段を有することを特徴とする請求項１記載の感光体静電潜像の測定装置。
9. 請求項１から８のいずれかに記載の測定装置を用いて計測した潜像担持体の感光面に対して光走査を行うことにより潜像を形成し、現像して可視化することを特徴とする画像形成装置であって、
   書き込み光源波長が７８０ｎｍ以下であり、かつ、前記感光体面でのビームスポット径が６０μｍ以下であり、感光体面でのビームスポット径をＡとし、形成される潜像径をＢとした時に、１．０＜Ｂ／Ａ＜２．０を満足することを特徴とする画像形成装置。
10. 試料に対して、荷電粒子を照射することで、試料上に帯電電荷を生成し、レーザー光学系を用いて静電潜像を形成し、試料面を電子ビームで走査し、該走査で得られる検出信号により、試料面の静電潜像分布を測定することを特徴とする感光体静電潜像の測定方法において、
    試料の観察領域に対して、エミッタから放出される放射光照射による静電潜像変動を低減するために、放射光を２つのピンホール間に電子レンズを配置した構成からなる遮光手段を用いて遮光し、
    電子レンズの試料側に配置されたピンホールの直径φ_n+1、
    電子レンズの電子銃側に配置したピンホールの直径φ_n、
    エミッタの中心から前記試料側に配置されたピンホールまでの距離L_n+1、
    エミッタの中心から前記電子銃側に配置されたピンホールまでの距離L_nとするとき、
    φ_n×L_n+1/L_nに応じて放射光量を抑制する
    こと特徴とする感光体静電潜像の測定方法。
11. φ_n+1＜φ_n×L_n+1/L_nであることを特徴とする請求項１０記載の感光体静電潜像の測定方法。

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