JP6689777B2

JP6689777B2 - 荷電粒子検出器およびそれを用いた荷電粒子線装置

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Publication number: JP6689777B2
Application number: JP2017047453A
Authority: JP
Inventors: 保宏白崎; 百代圓山; 香織白幡; 慎榊原
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Filing date: 2017-03-13
Publication date: 2020-04-28
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Description

本発明は、荷電粒子検出器およびそれを用いた荷電粒子線装置に係り、特に荷電粒子線の照射された位置と強度を検出する荷電粒子検出器およびそれを用いた荷電粒子線装置に関するものである。

荷電粒子を検出する検出器は目には見えない電子やイオンなどの粒子信号を光、電圧、電流信号などに変換するために使用される。たとえば、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）などの電子ビーム等の荷電粒子線を利用する荷電粒子線装置においては、検出する信号が電子などの荷電粒子であり、荷電粒子検出器が必要不可欠である。ＳＥＭは電子源から発生する電子ビームを観察したい試料に照射し、それにより二次電子を発生させる。荷電粒子検出器は、検出した二次電子の量に応じて電流を出力する。この電流量と、試料上の電子ビーム照射位置の関係を二次元的に表示することで、ＳＥＭ画像が形成される。

このような荷電粒子検出器の多くは、二次電子を光に変換する蛍光板（以下、シンチレータ）と蛍光板からの光を検出して電流に変換する光検出器から構成される。ＳＥＭのような荷電粒子線装置における荷電粒子検出器は、情報弁別のために、検出器への荷電粒子の到達位置を特定できる構成をとることがある。例えば、試料の素材、形状により二次電子が放出される方向に違いが生じることから、試料からの二次電子の放出角度を検出することで、試料の素材、形状についての情報を得ることができる。

特許文献１では、放射線の到達位置に応じて粉末状のシンチレータに異なる発光波長を持つ色素を混合し、異なる波長で発光するシンチレータを用いる例が示されている。カラーフィルタでこの検出光の波長選択を行うことによって、シンチレータ内の放射線照射位置を特定することができる。

特開２０００−２５８５３９号公報

上述の通り、ＳＥＭなどの荷電粒子線装置では二次電子の検出器への到達位置には試料情報が含まれているため、二次電子が検出器のどの位置に照射されているかを確認することにより、試料についてのより多くの情報を得ることができる。二次電子の到達位置を確認するためには、複数の荷電粒子検出器を備えたり、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）のような二次元の検出器を備えたりする構成が考えられる。しかしながら、検出器のコストが高まる、大きくなった検出器を配置するための空間が余分に必要となるといった課題がある。そのため、二次電子の到達位置を検出できる安価でコンパクトな荷電粒子検出器が望まれている。

二次電子の放出角度分布を測定するための荷電粒子検出器には二つの条件がある。まず１つめの条件について説明する。試料近傍で二次電子角度分布を測定する場合、試料と対物レンズの間の数ｍｍの限られた空間に荷電粒子検出器を配置する必要があり、空間の制限がある。すなわち、荷電粒子検出器は小型であることが望ましい。これが１つめの条件である。

２つめの条件は荷電粒子検出器に使用可能なシンチレータの種類に関するものである。ＳＥＭでは、電子ビームが試料に照射されてから二次電子が検出されるまでの間に時間差があり、分解能を劣化することなくＳＥＭ画像を取得するためには、この時間差が小さい必要がある。この時間差を小さくするため、シンチレータの応答速度は高速であることが望ましい。一般的なＳＥＭ画像の取得レートの場合、シンチレータの応答速度は１００ｎｓ程度以上であることが望まれる。また、信号対雑音比を上げるためには電子光変換効率が高く、画像の再現性を向上するためには安定であることが望まれる。以上より、二つめの条件は、応答速度が速く、電子光変換効率が高く、電子線や光照射、温度や真空度などの環境変動に対して耐性がある種類のシンチレータを使用することである。

このような２つの条件を満たし、一つの検出器で二次電子の到達位置が検出できるものを本明細書においては位置弁別検出器と称するが、２つめの条件を満たし、かつ発光波長の異なるシンチレータの種類は非常に限られるために、空間分解能の高い位置弁別検出器の実現は難しい。また、シンチレータの電子光変換効率や荷電粒子線などに対する耐性は材料に依存するため、複数の材料で作製されるシンチレータを用いると、定量的な信号量の比較が困難である。さらに特許文献１においては、一種類のパウダーシンチレータに発光波長の異なる色素を混合することで入射位置毎に発光色を変えることが記載されている。しかしながら、応答速度や荷電粒子線の照射に対する色素の耐性の観点から、荷電粒子線装置に用いる位置弁別検出器には不適切である。特に、発光波長の種類が豊富な有機化合物を含む色素は数分の荷電粒子線照射で劣化することが知られている。

荷電粒子が照射されるシンチレータと、シンチレータの荷電粒子が照射される面と対向する面に接する蛍光フィルムと、蛍光フィルムの発光を検出する光検出器とを有し、蛍光フィルムは複数の領域を有し、複数の領域はそれぞれシンチレータの発光を吸収し、互いに異なる波長で発光する蛍光体を有する荷電粒子検出器、およびこれを用いた荷電粒子線装置である。

荷電粒子線の到達位置を再現よく測定する荷電粒子検出器、これを用いた荷電粒子線装置を実現する。

荷電粒子検出器の概略構成を説明する図である。ウェイブガイドの構成を説明する図である。カラーフィルタによる検出光の選択を説明する図である。発光スペクトルと透過スペクトルとの波長依存性を示す図である。蛍光フィルムの構成を説明する図である。蛍光フィルムの構成を説明する図である。ウェイブガイドの別の構成を説明する図である。カラーフィルタによる検出光の別の選択方式を説明する図である。蛍光フィルムの発光効率変動を補正する構成を説明する図である。信号アンプの増幅率を調整するフローチャートである。信号アンプを調整するための設定画面である。位置弁別検出器を備えた走査電子顕微鏡の構成を説明する図である。位置弁別検出器を備えた走査電子顕微鏡の別の構成を説明する図である。位置弁別検出器を備えた走査電子顕微鏡の別の構成を説明する図である。

以下、図面を用いて実施例を説明する。なお、実施例を説明するための全図において、同一の要素には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。以下、電子ビームの検出における実施例を示すが、イオンビームや放射線を使用する場合においても本発明の効果は失われない。

図１は荷電粒子検出器の概略構成を示す図である。まず、検出器の構成について説明する。本検出器は、入射した電子線１０７Ａ〜１０７Ｃを光１０８Ａ〜１０８Ｃに変換するシンチレータ１０１、シンチレータに接して設けられ、光１０８Ａ〜１０８Ｃを別の波長の光１０９Ａ〜１０９Ｃに変換する蛍光フィルム１０２、シンチレータ１０１及び蛍光フィルム１０２の周囲を覆うハウジング１０３、蛍光フィルム１０２から発生した光１０９を伝搬するウェイブガイド１０４、光の波長に応じて透過率を選択できるカラーフィルタ１０５、カラーフィルタ１０５を透過した光を検出する光検出器１０６を有している。荷電粒子検出器の最終出力は光検出器１０６の出力であり、出力ケーブル１１１を介して出力される。電子線１０７が照射される面をシンチレータ１０１の表面とすると、蛍光フィルム１０２はシンチレータ１０１の裏面に密着している。さらに、ウェイブガイド１０４は蛍光フィルム１０２に密着しており、蛍光フィルム１０２が発生した光をカラーフィルタ１０５に効率よく導く。

本荷電粒子検出器における電子到達位置検出の方法を説明する。電子線１０７Ａ〜１０７Ｃがシンチレータ１０１に照射されるとそれぞれの照射位置で光１０８Ａ〜１０８Ｃが発生する。同じシンチレータで光に変換されるため、光１０８Ａ〜１０８Ｃの波長は互いに同一である。光１０８Ａ〜１０８Ｃはシンチレータ１０１を出射すると蛍光フィルム１０２に入射される。蛍光フィルム１０２は有機化合物を含む蛍光体であり、位置に応じて発光波長が異なる蛍光体１０２Ａ〜１０２Ｃを有する。ここで、蛍光体として無機蛍光体を使用することは可能であるが、利用可能な波長に制限がある。図１では蛍光フィルム１０２を蛍光体の異なる３つの領域に分けているが、この領域を細かく分けるほど、位置弁別検出器としての空間分解能は高まる。そのため、蛍光体として高い波長選択性を有する有機化合物を使用することが望ましい。

光１０８Ａ〜１０８Ｃは蛍光体１０２Ａ〜１０２Ｃに吸収され、位置、すなわち吸収された蛍光体に応じて異なる波長の光１０９Ａ〜１０９Ｃとなる。なお、蛍光体１０２Ａ〜１０２Ｃは光を吸収し発光するまでの間でエネルギー損失が生じるため、光１０９Ａ〜１０９Ｃのエネルギーは光１０８Ａ〜１０８Ｃのエネルギーと同等、あるいはより低いものとなる。このことは光１０９Ａ〜１０９Ｃの波長は、光１０８Ａ〜１０８Ｃの波長より長いことを意味する。そこで、光１０９Ａ〜１０９Ｃの波長を可視領域とするため、シンチレータ１０１が発光する光１０８Ａ〜１０８Ｃの波長はそれより短波長である青または紫外とした。

光１０９Ａ〜１０９Ｃは、蛍光フィルム１０２から出射され、ウェイブガイド１０４に入射される。ウェイブガイド１０４に入射した光１０９Ａ〜１０９Ｃは散乱及び反射を繰り返すことによってカラーフィルタ１０５に導かれる。カラーフィルタ１０５は光１０９Ａ〜１０９Ｃの内、特定の波長を持つ光のみを透過し、それ以外の波長を持つ光は吸収または反射する。図１の例においては、カラーフィルタ１０５は透過する波長を選択可能としている。図では、光１０９Ａ，１０９Ｂが吸収され、光１０９Ｃが透過する例について示した。カラーフィルタ１０５を透過した光１０９Ｃは光検出器１０６によって検出される。これは電子線１０７Ｃのみを光検出器１０６で検出していることを意味する。カラーフィルタ１０５を透過する波長を切り替えれば電子線１０７Ａまたは１０７Ｂを光検出器１０６で検出することができる。カラーフィルタ１０５の切り替えは、手動で行っても自動で行ってもよい。このようにカラーフィルタ１０５の透過波長を選択し、電子線１０７Ａ〜１０７Ｃを個別に光検出器１０６で検出することにより、電子線１０７Ａ〜１０７Ｃの強度分布を計測できる。

なお、蛍光フィルム１０２は有機化合物を含むため、電子線が照射すると構造の一部が破壊されて劣化し、発光効率が低減する。そこで、電子線１０７やそれらの散乱電子線などが蛍光フィルム１０２に直接照射されないよう、蛍光フィルム１０２はシンチレータ１０１及びハウジング１０３で覆う構成としている。電子線１０７がシンチレータ１０１を透過し、蛍光フィルム１０２に照射しないように、シンチレータ１０１の膜厚は（数１）に示すKanaya-Okayamaの式から求められるシンチレータ１０１に対する電子線の侵入深さより厚い膜厚とする。

ここで、Ｒは電子の侵入深さ［ｎｍ］、Ｅは電子エネルギー［ｋｅＶ］、Ａは原子量、ρは密度［ｇ／ｃｍ^３］、Ｚは原子番号である。

また、絶縁膜である蛍光フィルム１０２は帯電すると劣化する。シンチレータ１０１とハウジング１０３には導電性があるため、導線１１０を通じて外部へと放電することによって蛍光フィルム１０２の帯電による劣化を抑制する構成とした。また、導線110を用いてシンチレータ101に電圧を印加し、検出器全体をフローティングできるようにしてもよい。これによって、電子線１０７のシンチレータ１０１への入射エネルギーが高くできるため、シンチレータ１０１の電子光変換効率を向上することができる。

次にウェイブガイド１０４の構成を、図２を用いて説明する。図２には蛍光フィルム１０２のある一点で発生した光２０１Ａ〜２０１Ｃがウェイブガイド１０４を伝搬していく様子を示している。蛍光フィルム１０２で発生した光は様々な角度でウェイブガイド１０４に入射する。光２０１Ａ〜２０１Ｃは、ウェイブガイド１０４に対して異なる角度で入射し、ウェイブガイド１０４の側壁に角度θ_Ａ〜θ_Ｃで当たる。ウェイブガイドの側壁を境界とし、中と外で屈折率ｎに差があるため、側壁に当たる角度が（数２）に示す臨界角θ_０より大きい場合に光は反射し、ウェイブガイド１０４の中を伝搬していく。

ここで、θ_０は臨界角、ｎはウェイブガイドの屈折率である。

光２０１Ｃは入射角θ_Ｃ＞臨界角θ_０であるため、光２０２Ｃとしてウェイブガイド１０４の中を伝搬していく。これに対し、光２０１Ａの入射角θ_Ａ及び光２０１Ｂの入射角θ_Ｂはそれぞれ入射角θ_Ａ＜臨界角θ_０、入射角θ_Ｂ＜臨界角θ_０であるため、光２０１Ａ，２０１Ｂはそれぞれ光２０２Ａ，２０２Ｂとしてウェイブガイド１０４の外に漏れる。なお、ウェイブガイド１０４の素材としてはガラスの他、プラスチックなど他の材料でも、対象となる波長を持つ光を吸収しない限り適用可能である。また、ウェイブガイド１０４として、光ファイバーを束ねたファイバーバンドルを使用してもよい。

なお、図１、図２の例では電子線１０７の進行方向に対して直角な方向に光検出器１０６を配置しているが、光検出器１０６を電子線１０７の進行方向に配置し、蛍光フィルムと光検出器との間にウェイブガイドを設けるようにしてもよい。さらに、ウェイブガイド１０４を直線ではなく湾曲した形状にして光２０１の伝搬方向及び光検出器１０６の配置を変えてもよい。

続いて、カラーフィルタ１０５を用いた光１０９の波長選択方法を図３Ａ及び図３Ｂを用いて説明する。図３Ａには、図１におけるカラーフィルタ１０５付近を拡大して示している。ウェイブガイド１０４を伝搬した光１０９Ａ〜１０９Ｃはカラーフィルタ１０５に入射する。図１の例で蛍光フィルムの発光波長は３つとしたことに対応して、カラーフィルタ１０５はこの３つの波長に対応する３つの異なる波長フィルタ３０１Ａ〜３０１Ｃから構成されている。カラーフィルタ１０５を横方向にスライドさせて切り替えることによりウェイブガイド１０４と光検出器１０６との間に配置するカラーフィルタを波長フィルタ３０１Ａ〜３０１Ｃから選択できる。図３Ｂに、光１０９Ａ〜１０９Ｃの発光スペクトルと波長フィルタ３０１Ａ〜３０１Ｃの透過スペクトルとの波長依存性を示す。発光スペクトル３０２Ａ〜３０２Ｃはそれぞれ光１０９Ａ〜１０９Ｃの発光スペクトルであり、透過スペクトル３０３Ａ〜３０３Ｃはそれぞれ波長フィルタ３０１Ａ〜３０１Ｃの透過スペクトルである。本実施例においては、蛍光体１０２Ａ〜１０２Ｃとして、その発光スペクトル３０２Ａ〜３０２Ｃの分布が互いに重ならないものを使用しており、また、透過スペクトル３０３Ａ〜３０３Ｃは、それぞれ発光スペクトル３０２Ａ〜３０３Ｃのみが透過する構成となっている。すなわち、蛍光体１０２の数だけ波長フィルタ３０１が設けられている。図３Ａでは波長フィルタ３０１Ｃが選択されている場合を示している。光１０９Ａ，１０９Ｂは波長フィルタ３０１Ｃに吸収され、光１０９Ｃのみが波長フィルタ３０１Ｃを透過し、光検出器１０６によって検出される。同様に、カラーフィルタ１０５で波長フィルタ３０１Ａまたは波長フィルタ３０１Ｂを選択することにより、それぞれ光１０９Ａまたは１０９Ｂのみが光検出器１０６で検出できる。

最後に、蛍光フィルム１０２の具体的な構成を図４Ａ及び図４Ｂを用いて説明する。本実施例では、蛍光フィルム１０２の作製にコロイダル量子ドット（以下、量子ドット）を用いた。量子ドットは１〜１０ｎｍ程度の大きさのCdSe、ZnS、CdS、Si、PbS、PbSe、InAs、InPやその他の半導体のナノ粒子であり、有機化合物で各量子ドットの表面を覆うことで高い発光効率を持つ。また、半導体の種類を変えずにナノ粒子の大きさを変えることで発光波長を変えることが可能である。図４Ａ，図４Ｂは共に量子ドットで構成した蛍光フィルム１０２であり、図４Ｂの構成の方が図４Ａの構成よりも高い発光効率を得ることができる。まず、共通部分の構成に関して、図４Ａを用いて説明する。蛍光フィルム１０２は、大きさ及び発光波長の異なる量子ドット４０２Ａ〜４０２Ｃを基板４０１の上に塗布して作製する。この例では、量子ドット４０２Ａ、量子ドット４０２Ｂ、量子ドット４０２Ｃの順により短波長で発光するものとする。基板４０１はシンチレータ１０１で発生した光１０８Ａ〜１０８Ｃを吸収しない素材で作製する。例えば、石英を基板４０１に用いることができる。また、量子ドット４０２Ａ〜４０２Ｃは有機溶媒に溶けるため、塗布の方法としてインクジェットプリントやスピンコートなどの手法が考えられる。インクジェットプリントによる塗布は配置分解能に優れている。蛍光フィルム１０２の膜厚は、光１０８Ａ〜１０８Ｃに対する吸収率が等しくなるように、フィルムを構成する量子ドット４０２Ａ〜４０２Ｃの種類に応じて調整する。短波長で発光する量子ドットの方が長波長で発光する量子ドットよりも光の吸収率が小さい。このため量子ドット４０２Ａを含む蛍光体１０２Ａの方が量子ドット４０２Ｂを含む蛍光体１０２Ｂよりも厚く、また蛍光体１０２Ｂの方が量子ドット４０２Ｃを含む蛍光体１０２Ｃよりも厚くなるように設定している。一方、蛍光フィルム１０２が一定以上厚いと蛍光体にて発光される光１０９Ａ〜１０９Ｃが散乱などで失われるため、蛍光体１０２Ａ〜１０２Ｃの厚みは光１０８Ａ〜１０８Ｃを吸収する最低限の厚さであることが望ましい。例えば、蛍光体１０２Ａ〜１０２Ｃが、それぞれ光１０８Ａ〜１０８Ｃを９５％吸収するようにするには、その厚みを（数３）を満たすように定めることができる。

なお、α_Ａ〜α_Ｃはそれぞれ蛍光体１０２Ａ〜１０２Ｃの吸収係数、ｄ_Ａ〜ｄ_Ｃがそれぞれ蛍光体１０２Ａ〜１０２Ｃの厚みである。

ここで、量子ドット４０２Ａ〜４０２Ｃは凝集すると発光効率が低下する。そのため、量子ドットのみで蛍光フィルム１０２を作製するのは望ましくない。そこで、図４Ｂの構成では、ポリマーなどの透明マトリクスを使って量子ドット４０２Ａ〜４０２Ｃの発光効率低下を抑制する。塗布の方法は図４Ａの構成と同様にインクジェットプリント等の手法が適用できる。図４Ｂの構成も図４Ａの構成と同様に、基板４０１の上に構成されているが、量子ドット４０２Ａ〜４０２Ｃは光１０８Ａ〜１０８Ｃ、光１０９Ａ〜１０９Ｃに対して透明なマトリクス４０３内に分散している。ポリマーなどの透明マトリクス４０３内で分散させることによって量子ドット４０２Ａ〜４０２Ｃの凝集による発光効率の低減を抑制できる。この場合、透明マトリクス４０３内の量子ドット４０２Ａ〜４０２Ｃの密度を調整し、蛍光体１０２Ａ〜１０２Ｃの吸収係数を等しくすることによって、同じ膜厚で光１０８Ａ〜１０８Ｃに対する吸収率を等しくできる。

なお、図４Ａ、図４Ｂの例では蛍光フィルム１０２に大きさの異なる量子ドットを使用したが、発光波長が異なる蛍光体であればこれには限られない。また、蛍光体１０２を基板４０１に塗布する構成に限られず、シンチレータ１０１やウェイブガイド１０４に塗布してもよく、基板４０１を使用せずに蛍光フィルム１０２単体で構成してもよい。

以上により、電子線に対して耐性がない有機化合物を含む色素を利用するにもかかわらず、検出信号を安定して検出できる位置弁別検出器を実現することができる。以下に、位置弁別検出器の性能を向上させるための変形例を示す。

図２において説明したように、ウェイブガイド１０４は、臨界角以下の入射角を持つ一部の光がウェイブガイドの外に漏れてしまう。これは荷電粒子検出器の信号劣化を意味する。そこで、図５に、光の漏れを抑制しつつ、蛍光フィルム１０２からカラーフィルタ１０５まで光を伝搬するウェイブガイド５０１の構成例を示す。

ウェイブガイド５０１は、ウェイブガイド本体１０４に、光拡散反射膜５０２、光鏡面反射膜５０３を設けたものである。ウェイブガイド本体１０４の蛍光フィルム１０２側の端面は光拡散反射膜５０２で覆われる。カラーフィルタ１０５に対向する端面にはいずれの反射膜も設けられない。蛍光フィルム１０２に対向するウェイブガイド本体１０４の側面には光拡散反射膜５０２が設けられ、ウェイブガイド本体１０４のそれ以外の側面には光鏡面反射膜５０３で覆われている。ウェイブガイド本体１０４の側面における光拡散反射膜の高さＬは、蛍光フィルム１０２の長さＤと等しくされている。

次にウェイブガイド５０１内の光伝搬経路を説明する。蛍光フィルム１０２が発光し、出射した光２０１Ａ〜２０１Ｃはウェイブガイド５０１に入射する。光２０１Ａは光拡散反射膜５０２に入射角度θ_Ａｉをもって、光２０１Ｂ，２０１Ｃは光鏡面反射膜５０３にそれぞれ角度θ_Ｂ〜θ_Ｃをもって入射する。光拡散反射膜５０２は入射した光をランダムな方向に反射するため、光２０１Ａは光拡散反射膜に垂直に入射しても（θ_Ａｉ＝０）透過せずに拡散し、角度θ_Ａｒをもつ光５０４Ａとして拡散反射した後、ウェイブガイド５０１を伝搬する。また、光２０１Ｂ，２０１Ｃは光鏡面反射膜５０３にそれぞれ角度θ_Ｂ，θ_Ｃをもって入射すると、鏡面反射されて同じ角度θ_Ｂ，θ_Ｃで出射し、光５０４Ｂ，５０４Ｃとして鏡面反射を繰り返しながらウェイブガイド５０１を伝搬する。このように、光５０４Ａ〜５０４Ｃは全てウェイブガイド５０１を伝搬し、カラーフィルタ１０５に到達する。このように、光拡散反射膜５０２と光鏡面反射膜５０３を用いることによって光２０１Ａ〜２０１Ｃの漏れを防ぎ荷電粒子検出器の信号劣化を抑制することができる。

次に、カラーフィルタとは別の検出光の選択方式について説明する。図３Ａでは、蛍光体の発光を選択する光学素子としてカラーフィルタを用い、波長フィルタ３０１Ａ〜３０１Ｃを切り替えることにより、シンチレータの異なる位置に照射される電子線の強度分布を測定している。このため、波長フィルタ３０１毎に強度分布を測定する必要があり、波長フィルタの数に応じて測定時間が長くなる。図６では、蛍光フィルム１０２から発生する異なる波長の光１０９Ａ〜１０９Ｃを複数の光検出器で同時に検出することで、シンチレータ上に照射される電子線の強度分布測定時間を短縮可能な荷電粒子線検出器について説明する。

図６の検出器では、蛍光体の発光を選択する光学素子としてダイクロイックミラー６０１Ａ，６０１Ｂを設け、複数の光検出器６０２Ａ〜６０２Ｃを設けている。ウェイブガイド１０４を伝搬した光１０９Ａ〜１０９Ｃはダイクロイックミラー６０１Ａに入射する。ダイクロイックミラーはある範囲の波長の光のみ反射しそれ以外の光を透過する性質を持つ鏡である。ダイクロイックミラー６０１Ａは光１０９Ａを反射し、光１０９Ｂ，１０９Ｃを透過する。反射された光１０９Ａは光検出器６０２Ａによって検出される。ダイクロイックミラー６０１Ａを透過した光１０９Ｂ，１０９Ｃはダイクロイックミラー６０１Ｂに入射する。ダイクロイックミラー６０１Ｂは光１０９Ｂを反射し光１０９Ｃを透過する。反射された光１０９Ｂは光検出器６０２Ｂによって検出され、透過した光１０９Ｃは光検出器６０２Ｃによって検出される。光検出器６０２Ａ〜６０２Ｃの出力は、出力ケーブル６０３Ａ〜６０３Ｃを介して出力される。

このように、各蛍光体１０２Ａ〜１０２Ｃからの発光を別々の光検出器６０２Ａ〜６０２Ｃで同時に測定することによってシンチレータ上の電子線照射強度を一回で測定でき、測定時間を短縮できる。なお、異なる波長の光の分離はダイクロイックミラーに限られず、例えばプリズムなどを用いてもよい。

次に、蛍光フィルム１０２の発光効率の変動を補正し、位置弁別検出器の安定性を向上させる構成について説明する。有機化合物を含む蛍光フィルム１０２は、荷電粒子が直接照射しなくても、光の照射や真空の影響により発光効率が安定せず、長期的に変動する。この発光効率の変動は光検出器１０６が出力する電流の変動に繋がり、長期的には位置弁別検出器が安定しないことを意味する。そこで、図７の構成では、蛍光フィルム１０２の発光効率の変動を計測し、その値に応じて最終出力値を補正するための信号アンプを備えることによって、位置弁別検出器の安定性を向上させる。

図７に示す構成は図１の位置弁別検出器に加えて、ウェイブガイド１０４を通して蛍光フィルム１０２を励起する光源７０１、光検出器１０６の出力を増幅し、最終出力値として出力ケーブル７０７を介して出力する信号アンプ７０４を有している。したがって、図７の位置弁別検出器の最終出力値は光検出器１０６の出力と信号アンプ増幅率との積になる。

光源７０１、カラーフィルタ１０５、光検出器１０６、信号アンプ７０４はシステム制御部７０５によって制御されている。ユーザーはユーザーターミナル７０６を介して位置弁別検出器の制御を行う。また、システム制御部７０５には演算部７０８、記憶部７０９、計測部７１０を有している。計測部７１０は光検出器１０６や信号アンプ７０４の出力を検出し、その出力値を受けて記憶部７０９に保存されている設定を基に演算部７０８が信号アンプ７０４の増幅率を算出する。なお、後述するように、信号アンプ７０４の増幅率は通常、波長フィルタ３０１Ａ〜３０１Ｃによって異なる。

蛍光フィルム１０２の発光効率の測定方法について説明する。図７の構成では、蛍光フィルム１０２を光源７０１によって励起し、その発光量を測定することで、蛍光フィルム１０２の発光効率を測定する。荷電粒子線を検出する場合にはシンチレータ１０１の発光１０８を用いて蛍光フィルム１０２を励起している。ここで、蛍光フィルム１０２の発光効率の測定には光量の分かっている一定量の光で励起する必要があるため、ウェイブガイド１０４側から光源７０１で直接蛍光フィルム１０２を励起する構成とし、荷電粒子線のシンチレータ１０１への入射による蛍光フィルム１０２の励起を、光源７０１により模擬的に生じさせるものである。

光源７０１を用いた蛍光フィルム１０２の発光量測定の工程について説明する。光源７０１から発生した光７０２Ａ〜７０２Ｃは、ウェイブガイド１０４を伝搬して蛍光フィルム１０２に入射し、蛍光体１０２Ａ〜１０２Ｃによって吸収される。なお、光源７０１から発生する光の波長は光１０８の発光波長と同一とすることが望ましい。しかしながら、蛍光体１０２Ａ〜１０２Ｃを励起し発光させることができれば異なる波長でも問題ない。ただし、励起する光の波長が異なることによる発光効率の相違を補正する必要がある。蛍光体１０２Ａ〜１０２Ｃは光７０２Ａ〜７０２Ｃを吸収すると、それぞれに対応する光７０３Ａ〜７０３Ｃを発光する。蛍光体１０２Ａ〜１０２Ｃの発光波長は励起する光の波長には依存しないため、光７０３Ａ〜７０３Ｃの波長はシンチレータ１０１の発光を用いて蛍光フィルムを励起して得られる光１０９Ａ〜１０９Ｃと同じ波長である。そのため、光７０３Ａ〜７０３Ｃはウェイブガイド１０４を伝搬し、カラーフィルタ１０５によって波長選択され、光検出器１０６によって検出される。この時の光検出器１０６の出力値をカラーフィルタ１０５によって選択された波長に対応する蛍光体１０２Ａ〜１０２Ｃの発光効率とする。カラーフィルタ１０５を切り替えることにより、蛍光体１０２Ａ〜１０２Ｃのそれぞれについて発光効率を測定できる。

蛍光体１０２Ａ〜１０２Ｃの発光効率の変動による位置弁別検出器の不安定な出力を安定にするため、信号アンプ７０４の増幅率を調整する。信号アンプ７０４の調整手順を、図８に示すフローチャートと図９に示す信号アンプ設定画面を用いて説明する。ユーザーがユーザーターミナル７０６を介して信号アンプ設定画面を選択すると、ユーザーターミナル７０６の画面に図９に示すような信号アンプ設定画面９０１が表示される（Ｓ８０１）。信号アンプ７０４の調整には、調整のベースラインとして発光効率標準値を用いる。発光効率標準値は、発光効率変動前に波長フィルタ３０１Ａ〜３０１Ｃを用いてあらかじめ測定された発光効率変動前の各蛍光体１０２Ａ〜１０２Ｃの発光効率であり、記憶部７０９に保存されている。ユーザーは信号アンプ設定画面９０１の発光効率標準値ファイル選択枠９０２を用いて蛍光体１０２Ａ〜１０２Ｃの発光効率標準値を選択すると、システム制御部７０５は記憶部７０９から発光効率標準値を読み出して、発光効率標準値枠９０３に表示する（Ｓ８０２）。次に、各蛍光体１０２Ａ〜１０２Ｃの発光効率の変動を測定するため、システム制御部７０５がいずれかの波長フィルタを選択すると、信号アンプ設定画面９０１の波長フィルタ選択枠９０４において、選択されている波長フィルタが他と識別可能に表示される（Ｓ８０３）。その後、発光効率測定枠９０５の測定ボタンが点灯し、システム制御部７０５は上述した発光効率測定を行う。すなわち、システム制御部７０５が光源７０１をＯＮにすることによって蛍光フィルム１０２を励起し、光検出器１０６で選択された蛍光体の発光効率を測定し、その値を記憶部７０９に保存するとともに発光効率測定値枠９０６に測定した値を表示する（Ｓ８０４）。測定した後は光源７０１がＯＦＦとなるよう、システム制御部７０５によって制御される。

ここで、発光効率に変動がある場合は各波長フィルタにおける発光効率標準値から発光効率測定値が変化する。演算部７０８は記憶部７０９に保存されているこれらの値から、信号アンプ倍率を発光効率測定値に対する発光効率標準値の比率（発光効率標準値／発光効率測定値）として計算し、信号アンプ７０４を調整するとともに、システム制御部７０５を通じてその値を信号アンプ設定画面９０１の信号アンプ倍率枠９０７に表示する（Ｓ８０５）。

システム制御部７０５は全ての波長フィルタ３０１Ａ〜３０１Ｃに対して信号アンプの調整を、Ｓ８０３〜Ｓ８０５を繰り返すことによって行う（Ｓ８０６）。ユーザーが条件保存ボタン９０８を押下すると、求められた信号アンプ７０４の増幅率が記憶部７０９に保存されて調整が終了する（Ｓ８０７）なお、蛍光フィルム１０２が劣化し、発光効率測定値が発光効率標準値の例えば７０％以下になった場合は蛍光フィルムの交換を促す蛍光フィルム交換ボタン９０９が点灯する。

このように設定した増幅率で信号アンプ７０４により増倍した信号を最終出力値とすることにより、最終出力値に対する蛍光体１０２Ａ〜１０２Ｃの発光効率の影響を抑制することができる。例えば、定期的に信号アンプ７０４の調整を行うことで位置弁別検出器の安定性を向上することができる。

以上説明した変形例は、単体でも適用可能であり、また適宜組み合わせて適用することも可能なものである。

実施例２では、荷電粒子線装置の一例として走査電子顕微鏡に、実施例１に示した位置弁別検出器を搭載した例について説明する。走査電子顕微鏡においては荷電粒子検出器の配置空間に制限があるため、豊富な試料情報が取得可能である場所、たとえば、対物レンズ下などは、従来型の検出器を配置することが困難であった。これに対して、実施例１で説明した小型な位置弁別検出器であれば、対物レンズ下に配置し、二次電子の到達位置を弁別しながら検出することが可能になる。

図１０を用いて、実施例２の装置構成を説明する。図１０には対物レンズ下に位置弁別検出器を備えた走査電子顕微鏡の装置構成を示している。電子源１００１から引き出された一次ビーム１００２の軌道上には走査用偏向器１００３と対物レンズ１００４が備えられている。試料搬送ステージ１００５の上に配置された試料１００６に照射された一次ビーム１００２は、試料１００６の表面付近の物質と相互作用し、二次電子１００７を発生させる。対物レンズ１００４の下には二次電子を検出する位置弁別検出器１００８が備わっており、その中央には一次ビーム１００２が通るように開口が設けられている。電子源１００１、走査用偏向器１００３、対物レンズ１００４、試料搬送ステージ１００５、位置弁別検出器１００８はシステム制御部１００９によって制御されている。システム制御部１００９には、演算部１０１０、記憶部１０１１、計測部１０１２が配置され、画像表示装置を備えたユーザーターミナル１０１３と接続されている。

電子源１００１から放出された一次ビーム１００２は対物レンズ１００４によって制御され、ビーム径が極小になるように試料１００６上に集束される。走査用偏向器１００３は、一次ビーム１００２が試料１００６の定められた領域を走査するように、システム制御部１００９により制御される。試料１００６の表面に到達した一次ビーム１００２は、表面付近の物質と相互作用する。これにより、反射電子、二次電子、オージェ電子などが試料から発生するが、ここでは、信号としていわゆる真の二次電子（一次電子により直接励起されて、真空中に放出される二次電子）を位置弁別検出器が検出対象とする場合について示す。一次ビーム１００２が試料１００６上の到達した位置から発生した二次電子１００７は位置弁別検出器１００８によって検出される。位置弁別検出器１００８から検出される二次電子１００７の信号処理が、システム制御部１００９から走査用偏向器１００３に送られる走査信号と同期して行われることによりＳＥＭ画像が形成される。なお、図示しないが、電子源１００１と対物レンズ１００４との間には電子銃の光軸を補正するアライナが配置され、電子線の中心軸が絞りや電子光学系に対してずれている場合に補正できる構成となっている。

走査電子顕微鏡に適用する場合、位置弁別検出器の安定性が重要であるため、位置弁別検出器１００８の構成は図７に示したものと同様とすることが望ましい。すなわち、蛍光フィルムを励起するための光源や光検出器の出力を増幅する信号アンプが備えられており、信号アンプ増幅率を制御することによって位置弁別検出器１００８の安定性が向上させる構成とする。したがって、位置弁別検出器の制御に関し、システム制御部１００９及びその内部に備わっている演算部１０１０、記憶部１０１１、計測部１０１２とユーザーターミナル１０１３とは、図７にて説明した位置弁別検出器のシステム制御部７０５及びその内部に備わっている演算部７０８、記憶部７０９、計測部７１０とユーザーターミナル７０６と同じ機能を持つ。これにより、ユーザーは図７に関連して説明した手順でユーザーターミナル１０１３に表示される信号アンプ設定画面（図９を参照）を介して位置弁別検出器１００８の信号アンプの増幅率調整を行うことが可能である。調整の手順及びＧＵＩに関しては上述の通りであるため、ここでは説明を割愛する。

位置弁別検出器を図１０に示した構成とは異なる場所に配置することは可能であり、以下に説明する。位置弁別検出器を配置する空間を異ならせることにより、検出される二次電子の範囲を変えることが可能である。代表的な構成例を図１１及び図１２に示す。図１０〜図１２の装置構成は概ね同一であるが、走査電子顕微鏡における位置弁別検出器の設置場所が異なる。図１１では位置弁別検出器１０１４を対物レンズ１００４の上に配置している。図１２は一次ビームから分離した位置に位置弁別検出器１０１８を配置する例である。図１２の装置では、一次ビームから二次電子を分離するため、磁場または磁場と電場との組み合わせで二次電子１０１６を一次ビーム１００２から大きく分離するビームセパレータ１０１７を備えている。二次電子１０１６から見てビームセパレータ１０１７より下流に位置弁別検出器１０１８を配置することによって一次ビーム１００２から分離した二次電子１０１６を到達位置別に検出できる。

このように、位置弁別検出器を配置することによって、取得したい二次電子の範囲を変えてSEM画像を取得することができる。なお、図１０〜図１２においては１種類の検出器を配置した例を示したが、それらを組み合わせて複数個の位置弁別検出器を配置してもよいし、複数の検出器の内のいくつかを一般的な検出器として組み合わせてもよい。その際に必要となる位置弁別検出器の安定性向上のための構成や手順に関しては、図１０に示した対物レンズ下の位置弁別検出器に関して説明した内容と同様であるため、説明は省略する。

以上のように、走査電子顕微鏡のような荷電粒子線装置において、限られた空間で荷電粒子（二次電子）を到達位置別に検出し、観察画像を形成することができる。

１０１…シンチレータ、１０２…蛍光フィルム、１０２Ａ〜Ｃ…蛍光体、１０３…ハウジング、１０４…ウェイブガイド、１０５…カラーフィルタ、１０６…光検出器、１０７Ａ〜Ｃ…電子線、１０８Ａ〜Ｃ…光、１０９Ａ〜Ｃ…光、１１０…導線、１１１…出力ケーブル、３０１Ａ〜Ｃ…波長フィルタ、４０１…基板、４０２Ａ〜Ｃ…量子ドット、４０３…マトリクス、５０１…ウェイブガイド、５０２…光拡散反射膜、５０３…光鏡面反射膜、６０１Ａ〜Ｂ…ダイクロイックミラー、６０２Ａ〜Ｃ…光検出器、７０１…光源、７０４…信号アンプ、７０５…システム制御部、７０６…ユーザーターミナル、７０８…演算部、７０９…記憶部、７１０…計測部、９０１…信号アンプ設定画面、１００１…電子源、１００２…一次ビーム、１００３…走査用偏向器、１００４…対物レンズ、１００５…試料搬送ステージ、１００６…試料、１００７…二次電子、１００８…位置弁別検出器、１００９…システム制御部、１０１０…演算部、１０１１…記憶部、１０１２…計測部、１０１３…ユーザーターミナル、１０１４…位置弁別検出器、１０１５…二次電子、１０１６…二次電子、１０１７…ビームセパレータ、１０１８…位置弁別検出器。

Claims

荷電粒子が照射されるシンチレータと、
前記シンチレータの荷電粒子が照射される面と対向する面に接する蛍光フィルムと、
前記蛍光フィルムの発光を検出する光検出器とを有し、
前記蛍光フィルムは複数の領域を有し、前記複数の領域はそれぞれ前記シンチレータの発光を吸収し、互いに異なる波長で発光する蛍光体を有する荷電粒子検出器。
請求項１において、
前記蛍光体は有機化合物を含む蛍光体である荷電粒子検出器。
請求項２において、
前記蛍光体は有機化合物で覆われた量子ドットであり、
前記蛍光フィルムはマトリクスを有し、前記マトリクス内に前記量子ドットが分散されている荷電粒子検出器。
請求項１において、
前記複数の領域のいずれかの蛍光体の発光を選択的に透過または反射させる光学素子を有し、
前記光検出器は、前記光学素子を透過または反射した光を検出する荷電粒子検出器。
請求項４において、
前記蛍光フィルムの発光した光を前記光学素子に伝搬するウェイブガイドを有する荷電粒子検出器。
請求項５において、
前記ウェイブガイドの前記蛍光フィルム側の端面及び前記蛍光フィルムに対向する側面は、光拡散反射膜に覆われ、
前記ウェイブガイドの前記蛍光フィルムに対向しない側面は、光鏡面反射膜で覆われている荷電粒子検出器。
請求項１において、
前記シンチレータに接する面と対向する面から前記蛍光フィルムを励起する光源と、
前記光検出器の出力信号を増幅する信号アンプとを有し、
前記信号アンプは、前記複数の領域それぞれの蛍光体について、あらかじめ定められた発光効率と前記光源により前記蛍光フィルムを励起して測定した発光効率とに基づき設定される信号アンプ倍率により、前記光検出器の出力信号を増幅して出力する荷電粒子検出器。
請求項７において、
前記光源の発光する光の発光波長は、前記シンチレータの発光する光の発光波長に等しくされる荷電粒子検出器。
請求項１において、
前記シンチレータと前記蛍光フィルムを囲む導電性のハウジングを有する荷電粒子検出器。
荷電粒子源と、
試料を配置するステージと、
前記荷電粒子源より放出される一次荷電粒子線を前記ステージに配置された試料上に集束させる対物レンズと、
前記一次荷電粒子線が試料に照射されることによって発生する二次荷電粒子を検出する荷電粒子検出器を有し、
前記荷電粒子検出器は、前記二次荷電粒子が照射されるシンチレータと、前記シンチレータの前記二次荷電粒子が照射される面と対向する面に接する蛍光フィルムと、前記蛍光フィルムの発光を検出する光検出器とを有し、前記蛍光フィルムは複数の領域を有し、前記複数の領域はそれぞれ前記シンチレータの発光を吸収し、互いに異なる波長で発光する蛍光体を有する荷電粒子線装置。
請求項１０において、
前記荷電粒子検出器は、前記対物レンズと前記ステージとの間の空間に配置される荷電粒子線装置。
請求項１０において、
前記荷電粒子検出器は、前記シンチレータに接する面と対向する面から前記蛍光フィルムを励起する光源と、前記光検出器の出力信号を増幅する信号アンプとを有し、前記信号アンプは、前記複数の領域それぞれの蛍光体について、あらかじめ定められた発光効率と前記光源により前記蛍光フィルムを励起して測定した発光効率とに基づき設定される信号アンプ倍率により、前記光検出器の出力信号を増幅して出力する荷電粒子線装置。
請求項１２において、
前記信号アンプの信号アンプ倍率を設定するシステム制御部を有し、
前記システム制御部は、前記複数の領域それぞれの蛍光体についての発光効率標準値を記憶する記憶部と、前記光源を発光させ、前記複数の領域それぞれの蛍光体についての発光効率を測定する計測部と、前記発光効率標準値と前記計測部により測定された発光効率とに基づき、前記複数の領域それぞれの蛍光体について信号アンプ倍率を設定する演算部とを有する荷電粒子線装置。
請求項１３において、
前記発光効率標準値は、発光効率変動前にあらかじめ測定された前記複数の領域それぞれの蛍光体の発光効率である荷電粒子線装置。