JP6929760B2 - 電子線検出素子、電子顕微鏡、透過型電子顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は電子線検出素子、電子顕微鏡、透過型電子顕微鏡に関する。

電子銃より発せられる電子線を試料に照射し、当該試料を透過する電子、あるいは当該試料より放出される二次電子を検出する電子線検出素子を備えた顕微鏡が知られている。

この電子線検出素子の一例として、特許文献１に記載された光検出装置がある。特許文献１には、電子線が照射される範囲に位置するダイオードをアクティブ化し、その他の範囲に位置するダイオードを非アクティブ化することが記載されている。これにより、電子線が照射される範囲外に位置するダイオードが仮に欠陥を備えていて、かつアクティブ化していた場合に生じる、ダークノイズによる電子信号の誤検出が低減するとされる。

特開２０１３−２０９７２号公報

特許文献１に記載の技術は、電子線が照射される範囲に位置するか否かに応じてアクティブ化しているダイオードを選択している。しかし、特許文献１では電子銃が非アクティブ状態にある場合におけるダイオードに関する動作が検討されていない。したがって、電子銃が非アクティブ状態におけるダイオードの消費電流の低減に関する検討が為されていなかった。

本発明は上記の課題を鑑みて為されたものであり、その一の態様は、電子銃から照射される電子線によって生じる電子を検出するダイオードを有する電子線検出素子であって、前記電子銃を非アクティブ状態からアクティブ状態に遷移させる、制御信号の信号レベルの変化に応じて、前記ダイオードを非アクティブ状態からアクティブ状態に遷移させる制御部をさらに有する電子線検出素子である。

本発明により、電子銃が非アクティブ状態におけるダイオードの消費電流を低減することができる。

電子顕微鏡の全体図 電子線検出素子の構成を示した図 画素の構成を示した図、および画素の等価回路を示した図 電子線検出素子の動作を示した図 電子線検出素子の動作を示した図 画素の構成を示した図 画素の等価回路を示した図 電子線検出素子の動作を示した図 画素の等価回路を示した図 電子線検出素子の動作を示した図 電子線検出素子の構成を示した図 モニタ画素の等価回路を示した図、および電子線検出素子の動作を示した図 電子線検出素子の動作を示した図

以下、図面を参照しながら各実施例を説明する。なお、以下に述べる実施例中に記載されるトランジスタの導電型は一例のものであって、実施例中に記載された導電型のみに限定されるものでは無い。実施例中に記載された導電型に対し、導電型は適宜変更可能であるし、この変更に伴って、トランジスタのゲート、ソース、ドレインの電位を適宜変更すればよい。例えば、スイッチとして動作させるトランジスタであれば、ゲートに供給する電位のローレベルとハイレベルとを、実施例中の説明に対し逆転させるようにすればよい。

（実施例１）
図１は、電子顕微鏡の一例である透過型電子顕微鏡の構成を示す概略図である。電子線検出素子１１００を有する透過型電子顕微鏡の構成を示す概略図である。電子顕微鏡本体１０００の電子銃１００２より放出された電子線１００３は、照射レンズ１００４によって集束され、試料台に保持されている試料Ｓに照射されるようになっている。そして、試料Ｓを透過した電子線１００３は、対物レンズ１００６と拡大レンズ系１００７により拡大され、電子線検出素子１１００に投影される。試料Ｓに電子線を照射するための電子光学系を照射光学系といい、試料Ｓを透過した電子線を電子線検出素子１１００に結像させるための電子光学系を結像光学系という。試料Ｓが冷却された状態で測定できるように、低温状態を保持する試料保持台を試料台に設けてもよい。

電子銃１００２は、電子銃制御装置１０１１によって制御される。照射レンズ１００４は、照射レンズ制御装置１０１２によって制御される。対物レンズ１００６は、対物レンズ制御装置１０１３によって制御される。拡大レンズ系１００７は、拡大レンズ系制御装置１０１４によって制御される。試料台制御機構１００５は、試料台駆動機構制御装置１０１５によって制御される。

試料Ｓを透過した電子線１００３は、電子線検出素子１１００で検出される。電子線検出素子１１００からの出力信号に基づき、信号処理装置１０１６と画像処理装置１０１８によって画像信号が生成され、生成された画像信号（透過電子像）が画像表示用モニタ１０２０と解析用モニタ１０２１に表示される。

電子顕微鏡本体１０００の下端部はカメラ室１００９を形成し、カメラ室１００９の中に蛍光板１０１０が設けられる。電子線検出素子１１００を電子線１００３の経路から外すことにより、電子線１００３による試料Ｓの拡大画像が蛍光板１０１０の面上で観察できる。

電子銃制御装置１０１１と、照射レンズ制御装置１０１２と、対物レンズ制御装置１０１３と、拡大レンズ系制御装置１０１４と、試料台駆動機構制御装置１０１５のそれぞれは、画像処理装置１０１８と接続されている。これにより、電子銃制御装置１０１１と、照射レンズ制御装置１０１２と、対物レンズ制御装置１０１３と、拡大レンズ系制御装置１０１４と、試料台駆動機構制御装置１０１５のそれぞれは画像処理装置１０１８と相互にデータのやりとりを行う。これにより、画像処理装置１０１８は、電子顕微鏡の撮影条件を設定することができる。画像処理装置１０１８からの信号によって、試料台の駆動制御や各レンズの観察条件の設定ができる。さらに画像処理装置１０１８は、電子線検出素子１１００に接続されており、電子線検出素子１１００の動作を制御している。すなわち、画像処理装置１０１８は、電子線検出素子１１００の動作を制御する制御部である。

オペレータは撮影対象となる試料Ｓを準備し、画像処理装置１０１８に接続されている入力機器１０１９を用いて撮影条件を設定する。電子銃制御装置１０１１と、照射レンズ制御装置１０１２と、対物レンズ制御装置１０１３と、拡大レンズ系制御装置１０１４に、それぞれ所定のデータを入力し、所望の加速電圧、倍率、観察モードが得られるようにする。また、オペレータは、連続視野像枚数、撮影開始位置、試料台の移動速度などの条件を、入力機器１０１９を用いて画像処理装置１０１８に入力する。オペレータの入力によらずに画像処理装置１０１８が自動的に条件を設定する仕様としてもよい。

電子銃制御装置１０１１は、画像処理装置１０１８から出力される制御信号に基づいて、電子銃１００２のアクティブ状態（電子線を照射する状態）と、非アクティブ状態（電子線の照射を抑制した状態）とを切り替える制御を行う。

図２は、図１に示した電子線検出素子１１００の全体図と、図１に示した画像処理装置１０１８、電子銃制御装置１０１１を合わせて示している。

電子線検出素子１１００は、画素部１０１を有する。画素部１０１には複数の画素２００が複数行および複数列に渡って配されている。図２では複数の画素２００のそれぞれに対し、Ｐｍｎで表される座標を付して表している。ｍは行、ｎは列を表している。例えば、Ｐ３１と記載されている画素は、３行目、１列目の画素であることが特定される。なお、図２では、行の数え方は、画素部１０１からの信号が保持される信号保持部１０３に最も近い画素行を１行目とし、信号保持部１０３から離れるにつれて行番号が増えるものとしている。また、画素部１０１の列の数え方は、画素部１０１を走査する垂直走査部１０２に最も近い画素列を１列目とし、垂直走査部１０２から離れるにつれて列番号が増えるものとしている。

画素部１０１には、制御線１１５−ｍ（ｍは行番号）が画素２００の各行に対応して配されている。

電子線検出素子１１００は垂直走査部１０２を有する。垂直走査部１０２は、画素２００を行単位で走査する。垂直走査部１０２は、各行の画素２００に対し、対応する制御線１１５−ｍを介して、信号Ｐａｃｔ、信号Ｐｒｅｓ、信号ＰＶＳＥＬｍ（ｍは行番号）を出力する。

画素２００の各列に対応して、信号線１２０−ｎ（ｎは列番号）が配されている。１列の画素２００は、１つの信号線１２０−ｎに接続されている。画素２００は垂直走査部１０２の走査に従って、順次、信号線１２０−ｎに信号を出力する。

信号線１２０−ｎの各列に対応して、信号保持部１０３−ｎ（ｎは列番号）が配されている。信号保持部１０３−ｎのそれぞれは、対応する信号線１２０−ｎに出力された信号を保持する。

水平走査部１０４は、制御線１２２−ｎ（ｎは列番号）を介して、信号保持部１０３−ｎに接続される。制御線１２２−ｎは水平走査部１０４から出力される信号ＰＨＳＥＬｎ（ｎは列番号）を信号保持部１０３−ｎに伝送する。

アクティブな信号ＰＨＳＥＬｎが入力された信号保持部１０３−ｎから、当該信号保持部１０３−ｎが保持していた信号が信号ＨＳＩＧとして、信号線１２５を介して出力部１０５に出力される。出力部１０５は、信号線１２５から出力された信号ＨＳＩＧに対して、信号処理（例えばＣＤＳ処理、補正処理）を行って、電子線検出素子１１００の外部に信号を出力する。

電子線検出素子１１００は、さらに素子制御部１０６を有する。素子制御部１０６は、垂直走査部１０２、信号保持部１０３−ｎ、水平走査部１０４を制御する。また、素子制御部１０６は、画素２００のアクティブ状態、非アクティブ状態の切り替えを行う制御部でもある。

この素子制御部１０６には、電子線検出素子１１００の外部の画像処理装置１０１８から電子線検出装置を制御する制御信号Ｓ＿Ｅｎが入力される。この制御信号は、画像処理装置１０１８から電子銃制御装置１０１１に出力される、電子銃１００２の制御信号Ｇ＿Ｅｎと対応している。具体的には、制御信号Ｇ＿Ｅｎは、電子銃１００２を非アクティブ状態からアクティブ状態に変更するタイミングを示す信号である。一方、電子線検出装置を制御する制御信号Ｓ＿Ｅｎは、電子銃１００２を非アクティブ状態からアクティブ状態に変更するタイミングに対応したタイミングである、画素２００が非アクティブ状態からアクティブ状態に変更するタイミングを示す信号である。

図３は、図２に示した画素２００の構成を示した図である。図３（ａ）は画素２００の概略図である。

画素２００は、検出部２３０、波形整形部２４０、メモリ部２５０を有する。メモリ部２５０の出力が、信号線１２０−ｎに出力される。

図３（ｂ）は、図３（ａ）に示した画素２００の等価回路を示した図である。

検出部２３０には、スイッチとして動作するＭＯＳトランジスタ２０１、アバランシェ増幅型のダイオード２０２、クエンチ抵抗素子２０３を有する。なお、図３（ｂ）では、各ＭＯＳトランジスタの導電型も図示している。ＭＯＳトランジスタ２０１はＮチャンネルＭＯＳトランジスタである。

クエンチ抵抗素子２０３は、電源電圧である電圧ＶＤＤが入力されるノードＮＤ１に接続される。また、ＭＯＳトランジスタ２０１は、第２の電源電圧である電圧ＧＮＤが入力されるノードＮＤ２に接続される。また、ダイオード２０２は、第２の電源電圧である電圧ＧＮＤが入力されるノードＮＤ３に接続される。ノードＮＤ２、ＮＤ３は、電圧ＧＮＤを伝送する同一の配線に接続されていてもよい。

また、ＭＯＳトランジスタ２０１、ダイオード２０２、クエンチ抵抗素子２０３は、ノードＮＤ４に接続される。

ＭＯＳトランジスタ２０１の制御ノードであるゲートには、垂直走査部１０２が出力する信号Ｐａｃｔが入力される。

検出部２３０の出力は、波形整形部２４０に信号ＩＮＶｉｎとして入力される。

波形整形部２４０は、ＭＯＳトランジスタ２０４、２０５を有する。ＭＯＳトランジスタ２０４、２０５はインバータ回路を形成する。このインバータ回路は、信号ＩＮＶｉｎの波形を成形する波形整形回路として機能する。波形整形部２４０は、ノードＮＤ４から出力される信号を反転した信号である信号ＩＮＶｏｕｔをメモリ部２５０に出力する。

メモリ部２５０は、インバータ回路２０６、ＡＮＤ回路２０７、ＳＲラッチ回路２０８を有する。インバータ回路２０６は、垂直走査部１０２が出力する信号Ｐａｃｔが入力され、信号Ｐａｃｔを反転した信号をＡＮＤ回路２０７に出力する。

ＡＮＤ回路２０７は、信号ＩＮＶｏｕｔと、インバータ回路２０６の出力との論理積によって得られる信号をＳＲラッチ回路２０８のＳ端子に出力する。

ＳＲラッチ回路２０８のＲ端子には、垂直走査部１０２が出力する信号Ｐｒｅｓが入力される。ＳＲラッチ回路２０８のＱ端子からは、検出部２３０の信号に対応する信号が行選択スイッチであるＭＯＳトランジスタ２０９に信号Ｐｏｕｔとして出力される。ＳＲラッチ回路２０８が出力する信号Ｐｏｕｔは１ビットのデジタル信号である。この信号Ｐｏｕｔは、ダイオード２０２に電子が入射したか否かを示す信号である。すなわち、信号Ｐｏｕｔの信号レベルによって、当該信号Ｐｏｕｔを出力した画素２００のダイオード２０２に電子が入射したか否かを識別することができる。

ＭＯＳトランジスタ２０９の制御ノードであるゲートには、垂直走査部１０２から信号Ｐｖｓｅｌが入力される。

図４は、図２、図３に示した透過型電子顕微鏡の動作を示した図である。以下では、適宜、図２、図３で説明した部材についても参照しながら説明する。

本実施例では、図２に示した制御信号Ｇ＿Ｅｎと制御信号Ｓ＿Ｅｎは１つの共通信号であるとしている。

画像処理装置１０１８は、時刻ｔ１に信号Ｇ＿ＥｎをＨｉｇｈレベル（以下、Ｈレベルと表記する）とし、時刻ｔ２にＬｏｗレベル（以下、Ｌレベルと表記する）とする。時刻ｔ１に信号Ｇ＿ＥｎがＨレベルとなったことにより、アクティブ状態となった電子銃１００２が電子線の照射を開始する。

また、素子制御部１０６には、制御信号Ｓ＿Ｅｎが入力される。

時刻ｔ１に信号Ｓ＿ＥｎがＨレベルに遷移してから、所定の期間Ｔｏｎが経過した時刻ｔ３に、垂直走査部１０２は、信号ＰａｃｔをＨレベルからＬレベルに変化させる。図３（ｂ）を参照すると、信号ＰａｃｔがＨレベルの期間は、ＭＯＳトランジスタ２０１がオンしている。ノードＮＤ１から、クエンチ抵抗素子２０３、ノードＮＤ４、ＭＯＳトランジスタ２０１を経由して、ノードＮＤ２に至る電気的経路が、電流の流れる電流経路となっている。したがって、ダイオード２０２には電流は流れないことから、ダイオード２０２は非アクティブ状態にある。

一方、信号ＰａｃｔがＬレベルの場合には、ＭＯＳトランジスタ２０１はオフしている。したがって、ノードＮＤ１から、クエンチ抵抗素子２０３、ノードＮＤ４、ダイオード２０２を経由して、ノードＮＤ３に至る電気的経路が、電流の流れる電流経路となる。したがって、ダイオード２０２に電流が流れることから、ダイオード２０２はアクティブ状態となる。

別の言い方をすれば、信号ＰａｃｔがＨレベルの時に電流が流れる電流経路は、信号ＰａｃｔがＬレベルの時に電流が流れる電流経路をバイパスする経路であるともいえる。

その後、時刻ｔ３から時刻ｔ７までの期間、ある画素２００のダイオード２０２に試料Ｓを透過した電子線の電子が入射したとする。この電子のダイオード２０２への入射によって、ダイオード２０２では電子が生成される。このダイオード２０２における電子の生成によって、信号ＩＮＶｉｎの信号レベルがＬレベルからＨレベルに変化する。

この信号ＩＮＶｉｎの信号レベルの変化に対応して、信号ＩＮＶｏｕｔの信号レベルもまた変化する。また、信号Ｐｏｕｔの信号レベルはＨレベルとなる。

時刻ｔ７に、垂直走査部１０２は信号Ｐａｃｔを再びＨレベルとする。これにより、ダイオード２０２は再び非アクティブ状態となる。

その後、時刻ｔ８に、垂直走査部１０２は、信号ＰｖｓｅｌをＨレベルとする。これにより、信号Ｐｏｕｔが対応する信号線１２０−ｎに出力される。その後、垂直走査部１０２は信号Ｐｏｕｔの出力を終えた画素行について、信号ＰｒｅｓをＨレベルとし、信号Ｐｏｕｔをリセットする。

本実施例では、時刻ｔ１に信号Ｇ＿ＥｎがＨレベルとなってから、時刻ｔ３に信号ＰａｃｔをＬレベルとするまで所定の期間Ｔｏｎを設けている。この期間Ｔｏｎは、電子銃１００２がアクティブ状態となって照射した電子線が、電子銃１００２から試料Ｓを経て電子線検出素子１１００に到達するまでの時間に対応している。具体的には、以下の式によって表される。

（１）式では、Ｖは加速電圧（Ｖ）、ｑは素電荷（Ｃ）、ｍは電子質量（ｋｇ）、ｖは速度（ｍ／ｓｅｃ）である。

電子銃１００２から照射された電子が電子銃１００２から電子線検出素子１１００に到達するまでに要する期間Ｔａｒｖ（ｓｅｃ）は下記の（２）式で表される。

（２）式では、Ｌは電子銃１００２から照射された電子が電子銃１００２から電子線検出素子１１００まで通る行程距離（ｍ）である。速度ｖは（１）式によって得ることができる。

したがって、期間Ｔｏｎは、（２）式で表される期間Ｔａｒｖ以下の値とすればよい。

なお、本実施例では、時刻ｔ１に信号Ｇ＿ＥｎがＨレベルとなってから、時刻ｔ３に信号ＰａｃｔをＬレベルとするまで所定の期間Ｔｏｎを設けていたが、この例に限定されるものでは無い。他の例として、信号Ｇ＿ＥｎがＨレベルになる（すなわち電子銃１００２が非アクティブ状態からアクティブ状態に遷移する）のと同期して、ダイオード２０２を非アクティブ状態からアクティブ状態に遷移するようにしてもよい。

また、信号ＰａｃｔがＬレベルの期間（すなわちダイオード２０２がアクティブ状態の期間）の長さは、例えば次のように設定することができる。ダイオード２０２がアクティブ状態にある期間の長さは、電子線の入射によってダイオード２０２よりも深部で生成される電子が、ダイオード２０２に流入するのに要する期間以上の長さにするとよい。これにより、電子線が当該画素２００に入射したことを好適に検出することができる。

図５は、本実施例の電子線検出素子１１００の画素部１０１の動作を示した図である。図５に示した各信号は、図２に示した信号に対応している。図５に示したタイミングチャートでは、信号Ｐａｃｔ、信号Ｐｒｅｓは全行の画素２００に共通の信号としている。信号ＳＯＵＴでは、信号が対応する画素２００のアドレスを付記している。

本実施例の電子線検出素子は、電子銃１００２を非アクティブ状態からアクティブ状態に遷移させる、制御信号の信号レベルの変化に応じて、ダイオードを非アクティブ状態からアクティブ状態に遷移させる。これにより、本実施例の電子線検出素子は、電子銃が非アクティブ状態における、ダイオードの消費電流を低減することができる。

（実施例２）
本実施例の電子線検出素子について、実施例１と異なる点を中心に説明する。本実施例の電子線検出素子は、ダイオード２０２をアクティブ状態、非アクティブ状態に切り替えるスイッチに関わる回路が実施例１と異なる。

図６は、本実施例の電子線検出素子の画素４００の構成を示した図である。なお、本実施例の電子線検出素子は、図２で説明した電子線検出素子１１００の画素２００の代わりに、図６の画素４００を設けた構成とすることができる。本実施例の電子線検出素子のその他の構成は、図２に示した電子線検出素子１１００の構成と同じとすることができる。

図６に示した画素４００は、メモリ部４１０、検出部４３０、波形整形部４４０を有する。メモリ部４１０の構成は、図３（ｂ）に示したメモリ部２５０と同じとすることができる。

波形整形部４４０の構成は、図３（ｂ）に示した波形整形部２４０と同じとしている。

検出部４３０は、スイッチであるＭＯＳトランジスタ４０１、ダイオード４０２、クエンチ抵抗素子４０３を有する。図６では、ＭＯＳトランジスタ４０１はＰチャンネルＭＯＳトランジスタとしている。ＭＯＳトランジスタ４０１は、電源電圧である電圧ＶＤＤが入力されるノードＮＤ５とクエンチ抵抗素子４０３に接続される。ＭＯＳトランジスタ４０１の制御ノードであるゲートには、信号Ｐａｃｔが入力される。

ダイオード４０２は、第２の電源電圧である電圧ＧＮＤが入力されるノードＮＤ６に接続される。また、ダイオード４０２はノードＮＤ７を介してクエンチ抵抗素子４０３と、波形整形部４４０に接続される。

図６に示した画素４００を備える電子線検出素子の動作は、図４に示した動作と同じとすることができる。

信号ＰａｃｔがＨレベルの場合、ＰチャンネルＭＯＳトランジスタである、ＭＯＳトランジスタ４０１はオフ状態にある。したがって、この信号ＰａｃｔがＨレベルにある期間は、ダイオード４０２は非アクティブ状態にある。一方、信号ＰａｃｔがＬレベルの場合、ＰチャンネルＭＯＳトランジスタである、ＭＯＳトランジスタ４０１はオン状態である。したがって、この信号ＰａｃｔがＬレベルにある期間は、ダイオード４０２はアクティブ状態にある。

これにより、本実施例の電子線検出素子もまた、実施例１と同じ効果を得ることができる。また、実施例１の電子線検出素子では、ダイオードが非アクティブ状態にある期間、バイパス経路に電流が流れることによる消費電流が存在していた。一方、本実施例の場合は、ダイオード４０２が非アクティブ状態の期間は、ノードＮＤ５からノードＮＤ６に流れる電流を抑制することができるため、実施例１の電子線検出素子に比べて消費電流量を抑制することができる効果を有する。

また、実施例１では、ダイオード２０２の動作状態を切り替えるスイッチがオンの場合に、ダイオードが非活性状態であった。そして、ダイオード２０２の動作状態を切り替えるスイッチがオフの場合に、ダイオードが活性状態であった。一方、本実施例では、ダイオード４０２の動作状態を切り替えるスイッチがオフの場合に、ダイオードが非活性状態である。そして、ダイオード４０２の動作状態を切り替えるスイッチがオンの場合に、ダイオードが活性状態である。したがって、この実施例１、実施例２を参照すれば、スイッチがオン、オフの一方の状態を取ることによって、ダイオードが非アクティブ状態とアクティブ状態の一方となる。そして、スイッチがオン、オフの他方の状態を取ることによって、ダイオードが非アクティブ状態とアクティブ状態の他方となることが明らかである。

（実施例３）
本実施例について、実施例２と異なる点を中心に説明する。

図７は、本実施例の画素４００ｂの構成を示した図である。図７では、図６に示した画素４００が備える各部材と同じ部材については、図６で付した符号と同じ符号を図７でも付している。本実施例の画素４００ｂは、スイッチであるＭＯＳトランジスタ４０１ｂを、ＮチャンネルＭＯＳトランジスタとしている。

本実施例の画素４００ｂは、メモリ部４５０を備える。図３で説明したメモリ部２５０は、信号Ｐａｃｔを反転出力するインバータ回路２０６を有していた。一方、本実施例のメモリ部４５０は、図３のメモリ部２５０では設けられていたインバータ回路２０６を介さずに、信号ＰａｃｔがＡＮＤ回路４０６ａに入力される構成を備える。これは、ＭＯＳトランジスタ４０１ｂをＮチャンネルＭＯＳトランジスタにしたことによって、ＭＯＳトランジスタ４０１ｂのゲートに入力する信号と、ＡＮＤ回路４０６ｂに入力する信号とを同相にできるためである。

図８は、図７に示した画素４００ｂを備える電子線検出素子の動作を示した図である。

図４のタイミングチャートと異なる点は、図４に示した信号Ｐａｃｔに対し、図７に示した信号ＰａｃｔはＬレベルとＨレベルが反転した信号となっている点である。図７のその他の信号は、図４に示したタイミングチャートに示した信号と同じである。

時刻ｔ３以前の期間、信号Ｐａｃｔの信号レベルはＬレベルである。これにより、時刻ｔ３以前の期間、ＭＯＳトランジスタ４０１ｂはオフ状態にある。よってダイオード４０２は非アクティブ状態である。また、メモリ部４５０のＡＮＤ回路４０６ｂにもＬレベルの信号Ｐａｃｔが入力されている。よって、ＡＮＤ回路４０６ｂの出力もまた、Ｌレベルである。

本実施例においても、実施例２の電子線検出素子と同じ効果を得ることができる。また、本実施例の電子線検出素子は、実施例１、２に対し、インバータ回路２０６を省略できる分、回路面積を低減することができる効果を有する。

（実施例４）
本実施例の電子線検出素子について、実施例１と異なる点を中心に説明する。

実施例１では、画素２００はアバランシェ増幅型のダイオード２０２を有していた。本実施例は、画素が電荷蓄積型のダイオードを備える点で、実施例１と異なる。

図９は、本実施例の電子線検出素子が備える画素６００の等価回路図である。なお、電子線検出素子の構成は、図２に示した構成に対し、画素２００の代わりに画素６００を設桁構成とする。電子線検出素子のその他の構成は、図２に示した構成と同じとすることができる。

画素６００は、検出部６３０、波形整形部６４０を有する。検出部６３０は、ダイオード６０１、ＭＯＳトランジスタ６０２、ＭＯＳトランジスタ６０３を有する。ダイオード６０１は、第２の電源電圧である電圧ＧＮＤが入力されるノードＮＤ８に接続されている。また、ダイオード６０１は、電子線の入射によって生成する電子を蓄積する電荷蓄積型のダイオードである。

ＭＯＳトランジスタ６０２、６０３のそれぞれは、ＮチャンネルＭＯＳトランジスタである。ＭＯＳトランジスタ６０３は、電源電圧である電圧ＶＤＤが入力されるノードＮＤ９に接続されている。また、ＭＯＳトランジスタ６０３の制御ノードであるゲートには信号Ｐｒｅｓが入力される。

ＭＯＳトランジスタ６０３はノードＮＤ１０を介してＭＯＳトランジスタ６０２に接続されている。また、ノードＮＤ１０は波形整形部６４０に接続されている。ノードＮＤ１０に出力された信号が、信号ＩＮＶｉｎとして波形整形部６４０に出力される。

波形整形部６４０の出力が信号ＩＮＶｏｕｔとしてＭＯＳトランジスタ６０６に出力される。ＭＯＳトランジスタ６０６の制御ノードであるゲートには信号Ｐｖｓｅｌが入力される。信号ＰｖｓｅｌがＨレベルの場合、信号ＩＮＶｏｕｔが、画素６００に対応する信号線１２０−ｎに出力される。

図１０は、図９に示した画素６００を備える電子線検出素子の動作を示した図である。

時刻ｔ１以前、垂直走査部１０２は信号Ｐａｃｔ、信号ＰｒｅｓをともにＨレベルとしている。これにより、ＭＯＳトランジスタ６０２、６０３がともにオン状態になる。よって、ノードＮＤ１０、ダイオード６０１のそれぞれは、ノードＮＤ９の電圧ＶＤＤに対応する電圧にリセットされている。ここでは、ダイオード６０１がリセットされている状態が、ダイオード６０１の非アクティブ状態である。

画像処理装置１０１８は、時刻ｔ１に信号Ｇ＿ＥｎをＨレベルとし、時刻ｔ２にＬレベルとする。時刻ｔ１に信号Ｇ＿ＥｎがＨレベルとなったことにより、アクティブ状態となった電子銃１００２が電子線の照射を開始する。

また、素子制御部１０６には、制御信号Ｓ＿Ｅｎが入力される。

時刻ｔ１に信号Ｓ＿ＥｎがＨレベルに遷移してから、所定の期間Ｔｏｎが経過した時刻ｔ３に、垂直走査部１０２は、信号ＰｒｅｓをＨレベルからＬレベルに変化させる。これにより、ノードＮＤ１０、ダイオード６０１のリセットが解除される。これにより、ダイオード６０１が非アクティブ状態からアクティブ状態に変化する。

電子線がダイオード６０１に入射することで得られるダイオード６０１の電子が、ＭＯＳトランジスタ６０２を介してノードＮＤ１０に転送される。これにより、信号ＩＮＶｉｎの信号レベルが低下する。

時刻ｔ４に、信号ＩＮＶｉｎの信号振幅が波形整形部６４０の出力が反転する閾値を越える。これにより、信号ＩＮＶｏｕｔの信号レベルがＬレベルからＨレベルに変化する。

時刻ｔ５に、垂直走査部１０２は、信号ＰａｃｔをＬレベルにする。これにより、ＭＯＳトランジスタ６０２が非アクティブ状態となって、ダイオード６０１とノードＮＤ１０との間の電気的経路が非導通となる。

時刻ｔ６に、垂直走査部１０２は、信号ＰｖｓｅｌをＬレベルからＨレベルとする。これにより、信号ＩＮＶｏｕｔが、画素６００に対応する信号線１２０−ｎに出力される。

時刻ｔ７に、垂直走査部１０２は、信号ＰｖｓｅｌをＨレベルからＬレベルとする。その後、垂直走査部１０２は、図１０と同じ動作を別の画素行に対して行う。

本実施例においても電子銃１００２が非アクティブ状態にある期間、ダイオード６０１を非アクティブ状態としている。そして、電子銃１００２が非アクティブ状態からアクティブ状態に遷移するタイミングに基づいたタイミングで、垂直走査部１０２は、ダイオード６０１を非アクティブ状態からアクティブ状態に遷移させている。これにより、電荷蓄積型のダイオードを備える本実施例の電子線検出素子もまた、実施例１と同じ効果を得ることができる。

（実施例５）
本実施例の電子線検出素子について、実施例１と異なる点を中心に説明する。

実施例１の電子線検出素子では、ダイオード２０２を非アクティブ状態からアクティブ状態に遷移させるタイミングを予め設定された所定の期間Ｔｏｎの経過後としていた。本実施例では、電子銃１００２が非アクティブ状態にある期間において、複数の画素のうち、一部の画素をアクティブ状態とする。そして、電子銃１００２がアクティブ状態になり、この一部の画素の信号出力が変化することによって、他の画素が非アクティブ状態からアクティブ状態に遷移する。つまり、本実施例は、他の画素を非アクティブ状態からアクティブ状態に遷移させるタイミングを検出するために、一部の画素を電子銃１００２の状態をモニタするモニタ画素として用いる例である。

図１１は、本実施例の電子線検出素子１１００の構成と、電子銃制御装置１０１１、画像処理装置１０１８を合わせて示した図である。図１１では、図２に示した各部材と同じ機能を有する部材については、図２で付した符号と同じ符号を図１１でも付している。

図１１の電子線検出素子１１００は、モニタ画素８００を備える。モニタ画素８００の各々の出力する信号Ｄｏｕｔ１〜３はＯＲ回路２０１０に入力される。ＯＲ回路２０１０は、信号Ｄｏｕｔ１〜３の論理和で生成される信号ＯＲＤｏｕｔを素子制御部２００６に出力する。素子制御部２００６は、垂直走査部１０２にダイオード２０２の非アクティブ状態、アクティブ状態を切り替えるための制御信号を出力する。

図２に示した透過型顕微鏡の構成では、画像処理装置１０１８から素子制御部１０６に制御信号Ｓ＿Ｅｎが入力されていたが、本実施例では制御信号Ｓ＿Ｅｎの電子線検出素子１１００への入力は省略される。本実施例では、画像処理装置１０１８から素子制御部２００６にその他の制御信号（例えばクロック信号等）が入力される。

図１２（ａ）は、本実施例のモニタ画素８００の等価回路を示した図である。検出部８３０は、実施例１の検出部２３０に対し、ＭＯＳトランジスタ２０１が省略された点が異なる。波形整形部８４０は、実施例１の波形整形部２４０と同じ構成である。モニタ画素８００は、実施例１の画素２００には設けられていたメモリ部２５０を有しない構成としている。波形整形部８４０が出力する信号である信号Ｄｏｕｔは、素子制御部２００６に出力される。素子制御部２００６は、この信号Ｄｏｕｔの信号レベルの変化を受けて、垂直走査部１０２に信号Ｐａｃｔの信号レベルを変化させる制御信号を出力する。

図１２（ｂ）は、図１１に示したＯＲ回路２０１０の信号出力である信号ＯＲＤｏｕｔと、制御信号Ｇ＿Ｅｎとを示した図である。

時刻ｔ１１に信号Ｇ＿ＥｎがＬレベルからＨレベルになることによって、電子銃１００２がアクティブ状態になる。その後、時刻ｔ２１に、信号ＯＲＤｏｕｔがＬレベルからＨレベルになることによって、電子線が電子線検出素子１１００に照射されていることを素子制御部２００６が検出する。素子制御部２００６は、時刻ｔ２１以降、信号Ｐａｃｔの信号レベルを変更する制御信号を垂直走査部１０２に出力する。これにより、画素２００のダイオード２０２が非アクティブ状態からアクティブ状態に遷移する。

なお、ここでは、時刻ｔ２１に信号ＯＲＤｏｕｔが変化したことによって、画素２００のダイオード２０２を非アクティブ状態からアクティブ状態に変更した。他の例として、時刻ｔ２１に信号ＯＲＤｏｕｔが変化し、さらに再度、時刻ｔ２２に信号ＯＲＤｏｕｔが変化したことによって画素２００のダイオード２０２を非アクティブ状態からアクティブ状態に変更するようにしてもよい。この場合には、画素８００が、信号ＯＲＤｏｕｔのパルスをカウントするカウンタを備えるようにする。このカウンタの出力が所定のカウント値を上回った場合に、画素２００のダイオード２０２を非アクティブ状態からアクティブ状態に遷移させる。仮に、時刻ｔ２１の信号ＯＲＤｏｕｔの信号レベルの変化が、電子線の照射によるものでは無く、ノイズによる誤検出である場合が考えられる。この場合、時刻ｔ２１の信号レベルの変化によって画素２００のダイオード２０２を非アクティブ状態からアクティブ状態に遷移させると、電子銃１００２からの電子線が照射されていない期間にダイオード２０２がアクティブ状態となる。この場合には、ダイオード２０２が余分な消費電力を消費することとなる。

一方、信号ＯＲＤｏｕｔの信号レベルの変化の回数が所定の回数を上回った場合にダイオード２０２を非アクティブ状態からアクティブ状態に遷移させるようにした場合には、上述した誤検出によるダイオード２０２の状態変更が行われにくくなる。これにより、電子銃１００２の状態を高精度に検出した、ダイオード２０２の動作制御が可能になる。

（実施例６）
本実施例の電子顕微鏡および電子線検出素子について、実施例１と異なる点を中心に説明する。

本実施例の電子顕微鏡は、電子銃１００２が出力する電子線を走査する電子線走査部を備える。典型的には、本実施例の電子顕微鏡は走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、走査透過型電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）として応用することができる。

本実施例の電子線検出素子の構成は、実施例１の図２で述べた電子線検出素子１１００とすることができる。なお、実施例１では、信号Ｐａｃｔ、信号Ｐｒｅｓのそれぞれは全行の画素２００に共通して出力される信号であった。本実施例では、信号Ｐａｃｔ、信号Ｐｒｅｓのそれぞれは１行ずつ、順次入力される信号である。どの行の信号Ｐａｃｔ、信号Ｐｒｅｓであるかを明確にする場合には、各信号の末尾に行番号を付して記載することとする。

図１３は、本実施例の電子顕微鏡および電子線検出素子１１００の動作を示した図である。信号Ｇ＿Ｓｃａｎは、画像処理装置１０１８が、電子顕微鏡が備える電子線走査部に出力する制御信号である。この信号Ｇ＿ＳｃａｎがＨレベルにある期間、電子線走査部は電子線の走査を行う。

信号Ｇ＿ＥｎがＨレベルとなった後、信号Ｇ＿ＳｃａｎがＨレベルとなる。これにより、電子線走査部による電子線の走査が行われる。

電子線検出素子１１００の素子制御部１０６は、信号Ｇ＿ＥｎがＨレベルとなってから所定の期間Ｔｏｎが経過後、電子線が最初に走査する画素行である１行目の画素に出力する信号Ｐａｃｔ１をＨレベルからＬレベルにする。これにより、１行目の画素２００のダイオード２０２がアクティブ状態になる。

その後、素子制御部１０６は、信号ＰＨＳＥＬ１〜３を順次Ｈレベルとし、Ｐ１１、Ｐ１２、Ｐ１３のアドレスで示される各画素２００の信号ＩＮＶｏｕｔを読み出す。次に、電子線走査部が２行目の画素２００を走査するタイミングに対応して、素子制御部１０６が２行目の画素２００に出力する信号Ｐａｃｔ２をＨレベルからＬレベルにする。これにより、２行目の画素２００のダイオード２０２がアクティブ状態となる。

このように、本実施例の電子線検出素子は、電子線走査部による電子線の走査の位置に対応するように、その位置に対応する画素２００のダイオードを、非アクティブ状態からアクティブ状態に遷移させる。実施例１では、全ての画素２００を一括して非アクティブ状態からアクティブ状態に遷移させていた。このため、電子線に走査される順序が遅い画素２００ほど、ダイオード２０２がアクティブ状態に遷移してから実際に電子線が入射するまでの期間が長大化する。したがって、ダイオード２０２の消費電力が増加していた。

一方、本実施例の電子線検出素子では、電子線の走査のタイミングに対応して、各画素２００のダイオード２０２を順次アクティブ状態にしている。これにより、消費電流の低減を、実施例１の構成に対してさらに進展させることができる。

［変形実施例］
本発明は、上記実施例に限らず種々の変形が可能である。

例えば、いずれかの実施例の一部の構成を他の実施例に追加した例や、他の実施例の一部の構成と置換した例も、本発明の実施例である。

また、上述の実施例は、いずれも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらの例示によって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならない。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な態様で実施することができる。

１０１ 画素部
１０６ 素子制御部
２００ 画素
２０２ ダイオード
２０１ ＭＯＳトランジスタ（スイッチ）
１００２ 電子銃
１０１８ 画像処理装置
１１００ 電子線検出素子

Claims (16)

1. 電子銃から照射される電子線によって生じる電子を検出するダイオードを有する電子線検出素子であって、
   前記電子銃を非アクティブ状態からアクティブ状態に遷移させる、制御信号の信号レベルの変化に応じて、前記ダイオードを非アクティブ状態からアクティブ状態に遷移させる制御部をさらに有する電子線検出素子。
2. 前記制御部は、前記変化から所定の期間が経過後、前記ダイオードを非アクティブ状態からアクティブ状態に遷移させることを特徴とする請求項１に記載の電子線検出素子。
3. 前記電子線の加速電圧を第１の電圧とした場合における前記所定の期間よりも、前記電子線の加速電圧を前記第１の電圧よりも大きい第２の電圧とした場合における前記所定の期間の方が短いことを特徴とする請求項２に記載の電子線検出素子。
4. 前記所定の期間が、下記の式によって求まる期間Ｔａｒｖ（ｓｅｃ）以下の長さの期間であることを特徴とする請求項２に記載の電子線検出素子。
   

   

   
   Ｖ：加速電圧（Ｖ）
   ｑ：素電荷（Ｃ）
   ｍ：電子質量（ｋｇ）
   ｖ：速度（ｍ／ｓｅｃ）
   

   

   
   Ｌ：前記電子銃から前記電子線検出素子までの距離（ｍ）
5. 前記ダイオードがアバランシェ増幅型のダイオードであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電子線検出素子。
6. 電源電圧が供給されるノードと、前記ノードと前記ダイオードとの間の電気的経路の電流量を制御するスイッチとを有し、
   前記スイッチがオンとオフの一方の状態を取ることによって、前記ダイオードが非アクティブ状態とアクティブ状態の一方の状態となり、
   前記スイッチがオンとオフの他方の状態を取ることによって、前記ダイオードが非アクティブ状態とアクティブ状態の他方の状態となることを特徴とする請求項５に記載の電子線検出素子。
7. 前記スイッチは、前記ノードと前記ダイオードとの間の電気的経路に設けられ、
   前記スイッチがオフすることで、前記ダイオードが非アクティブ状態となり
   前記スイッチがオンすることで、前記ダイオードがアクティブ状態となることを特徴とする請求項６に記載の電子線検出素子。
8. 前記スイッチは前記ノードに接続されるとともに、前記ノードと前記ダイオードとの間の電気的経路である第１経路をバイパスする電気的経路である第２経路に設けられており、
   前記ダイオードの前記非アクティブ状態が、前記スイッチがオンの状態にあることによって、前記ノードから電流が前記第２経路に流れる状態であり、
   前記ダイオードの前記アクティブ状態が、前記スイッチがオフの状態にあることによって、前記ノードから電流が前記第１経路に流れる状態であることを特徴とする請求項６に記載の電子線検出素子。
9. 電源電圧が供給されるノードと、前記ノードと前記ダイオードとの間の電気的経路に設けられたスイッチとを有し、
   前記ダイオードの前記非アクティブ状態が、前記スイッチがオンの状態にあることによって前記ダイオードが所定の電圧にリセットされている状態であり、
   前記ダイオードの前記アクティブ状態が、前記スイッチがオフの状態にあることによって前記ダイオードの所定の電圧へのリセットが解除されている状態であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電子線検出素子。
10. 前記電子線検出素子は、各々が前記ダイオードを備える複数の画素を有し、
    前記電子が前記複数の画素に順に照射されるように、前記電子線の走査が行われ、
    前記制御部は、前記複数の画素の各々の前記ダイオードの前記非アクティブ状態から前記アクティブ状態への遷移を、前記走査に応じた順序で順次、行うことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の電子線検出素子。
11. 前記電子線検出素子は、各々が前記ダイオードを備える複数の画素を有し、
    前記制御部は、前記複数の画素のうちの一部の複数の画素の前記ダイオードを前記非アクティブ状態から前記アクティブ状態に遷移させた後、前記複数の画素のうちの他の一部の複数の画素の前記ダイオードを前記非アクティブ状態から前記アクティブ状態に遷移させることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の電子線検出素子。
12. 前記電子線検出素子は、各々が前記ダイオードを備える複数の画素を有し、
    前記制御部は、前記複数の画素のうちの一部の画素の前記ダイオードを前記非アクティブ状態としている期間に、前記複数の画素のうちの他の一部の画素の前記ダイオードをアクティブ状態とし、
    前記制御部は、前記他の一部の画素の出力の変化に基づいて、前記一部の画素の前記ダイオードを前記非アクティブ状態から前記アクティブ状態に遷移させることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の電子線検出素子。
13. 請求項１〜１２のいずれか１項に記載の電子線検出素子と、
    前記電子銃とを備え、
    前記電子線検出素子は試料からの二次電子を受けることを特徴とする電子顕微鏡。
14. 前記電子線が照射される試料台をさらに備え、前記試料台は試料を冷却するように構成されていることを特徴とする請求項１２に記載の電子顕微鏡。
15. 請求項１〜１２のいずれか１項に記載の電子線検出素子と、
    前記電子銃とを備え、
    前記電子線検出素子は試料を透過した電子を受けることを特徴とする透過型電子顕微鏡。
16. 前記電子線が照射される試料台をさらに備え、
    前記試料台は、試料を冷却するように構成されていることを特徴とする請求項１５に記載の透過型電子顕微鏡。

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