JPH0231184A - Device for detecting two-dimensional charged particle - Google Patents
Device for detecting two-dimensional charged particleInfo
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
この発明は、二次イオン質量分析装置等に利用する固体
撮像素子を用いた荷電粒子検出装置に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to a charged particle detection device using a solid-state image pickup device used in a secondary ion mass spectrometer or the like.
従来、二次イオン質量分析装置の二次イオン検出部には
、イオンの面分布を測定するのに第４図に示すような構
成の検出器を使用していた。すなわち図において、１０
１は、マルチチャネルプレートで、入射した二次イオン
を電子に変換する役割を果たすものである。１０２はＰ
ｌと呼ばれる螢光物質で、入射した電子を光に変換する
ものである。Conventionally, a secondary ion detection section of a secondary ion mass spectrometer has used a detector configured as shown in FIG. 4 to measure the surface distribution of ions. That is, in the figure, 10
Reference numeral 1 denotes a multi-channel plate, which plays the role of converting incident secondary ions into electrons. 102 is P
It is a fluorescent substance called L, which converts incident electrons into light.
１０３はＣＯＤ等からなる固体撮像素子であり、光を電
気信号に変換す名ものである。そしてこのように構成し
た検出器において、マルチチャネ）Ｌｔ ７’レート１
０１に入射する二次イオンを、螢光物質１０２及び固体
撮像素子１０３を介して電気信号に変換し、二次イオン
の面分布を測定していた。103 is a solid-state image sensor made of COD or the like, which is famous for converting light into an electrical signal. In the detector configured in this way, multi-channel) Lt 7' rate 1
Secondary ions incident on 01 were converted into electrical signals via a fluorescent substance 102 and a solid-state image sensor 103, and the surface distribution of the secondary ions was measured.
ところで上記のような構成の従来の二次イオン検出器は
、１チヤネル当たりのダイナミックレンジが２００程度
であって狭く、また、マルチチャネルプレートは絶縁体
であるため、イオンビームに対する不感時間が１０μｓ
ｅｃ程度であり、したがって１０μｓｅｅ内に、２個以
上の二次イオンが入射した場合、１個として検出するの
で定量性に問題を生ずる。更には、装置の構成が複雑で
あるという問題点がある。By the way, the conventional secondary ion detector with the above configuration has a narrow dynamic range of about 200 degrees per channel, and since the multichannel plate is an insulator, the dead time for the ion beam is 10 μs.
ec, and therefore, if two or more secondary ions are incident within 10 μsee, they are detected as one, which causes a problem in quantitative performance. Furthermore, there is a problem that the configuration of the device is complicated.
本発明は、従来の二次イオン検出器等の荷電粒子検出装
置における上記問題点を解決するためになされたもので
、ダイナミックレンジが広く、定量性に優れた二次イオ
ン等の荷電粒子の面分布を測定する、簡単な構成の荷電
粒子検出装置を提供することを目的としている。The present invention was made to solve the above-mentioned problems in conventional charged particle detection devices such as secondary ion detectors. The object of the present invention is to provide a charged particle detection device that measures distribution and has a simple configuration.
〔課題を解決するための手段及び作用〕上記問題点を解
決するため、本発明は、二次元固体撮像素子単体を用い
て、又は二次元固体撮像素子の表面に荷電粒子を光に変
換する作用をもつ物質を形成して二次元荷電粒子検出装
置を構成するものである。[Means and effects for solving the problems] In order to solve the above problems, the present invention uses a two-dimensional solid-state image sensor alone or has an effect of converting charged particles into light on the surface of the two-dimensional solid-state image sensor. A two-dimensional charged particle detection device is constructed by forming a substance with
二次元固体撮像素子単体で構成した二次元荷電粒子検出
装置においては、荷電粒子が二次元固体撮像素子に入射
したときに生ずる帯電現象及び二次電子放出、あるいは
固体撮像素子の半導体中にイオン等の荷電粒子が入射し
たときに発生する正孔・電子対により、入射荷電粒子の
電気信号への変換が行われ、検出される。In a two-dimensional charged particle detection device configured with a single two-dimensional solid-state image sensor, charging phenomena and secondary electron emission that occur when charged particles are incident on the two-dimensional solid-state image sensor, or ions etc. in the semiconductor of the solid-state image sensor are detected. The incident charged particles are converted into electrical signals by hole-electron pairs generated when the charged particles are incident, and then detected.
また荷電粒子を光に変換する作用をもつ物質を表面に形
成した二次元固体撮像素子で構成した場合は、荷電粒子
の入射により発生する光を固体撮像素子に入射し、光電
変換により入射荷電粒子の検出が行われる。In addition, in the case of a two-dimensional solid-state image sensor having a surface formed with a substance that has the function of converting charged particles into light, the light generated by the incidence of charged particles is incident on the solid-state image sensor, and the incident charged particles are detection is performed.
そして、いずれもマルチチャネルプレートを用いないの
で、構成が簡単になると共に、不感時間がなくなり、定
量性に優れた荷電粒子の面分布測定を容易に行うことが
可能となる。Since neither of these methods uses a multichannel plate, the configuration becomes simple, there is no dead time, and it becomes possible to easily measure the planar distribution of charged particles with excellent quantitative properties.
以下実施例について説明する。第１図は、本発明に係る
二次元荷電粒子検出装置の第１実施例を示す概略斜視図
である。この第１実施例は二次元固体撮像素子１の表面
に螢光物質２を形成して二次元荷電粒子検出装置を構成
するものである。螢光物質２としては、ＫＢｒ、酸化タ
ンタル又はＺｎＯ等のイオンビームを光に変換する材料
を用いる。Examples will be described below. FIG. 1 is a schematic perspective view showing a first embodiment of a two-dimensional charged particle detection device according to the present invention. In this first embodiment, a two-dimensional charged particle detection device is constructed by forming a fluorescent substance 2 on the surface of a two-dimensional solid-state imaging device 1. As the fluorescent material 2, a material that converts an ion beam into light, such as KBr, tantalum oxide, or ZnO, is used.
また固体撮像素子１としては、螢光物質２より入射する
光が微弱なため高感度のものが要求されるので、静電誘
導トランジスタ（Ｓｔａｔｉｃ ＩｎｄｕｃｔｉｏｎＴ
ｒａｎｓｉｓｔｏｒ ：以下ＳＩＴと略称する）やＣＭ
Ｄ （Ｃｈａｒｇｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｄｅｖｉ
ｃｅ）などの内部増幅型固体撮像素子を用いるのが好ま
しい。In addition, the solid-state image sensor 1 is required to have high sensitivity because the light incident from the fluorescent material 2 is weak, so a static induction transistor (Static Induction Transistor) is used.
transistor (hereinafter abbreviated as SIT) and CM
D (Charge Modulation Devi
It is preferable to use an internal amplification type solid-state imaging device such as CE).
このように構成した二次元荷電粒子検出装置においては
、イオンビーム３が螢光物質２上に入射すると光を発生
し、その発光を固体撮像素子１が検出する。これにより
入射イオン量を検出することができる。この実施例では
固体撮像素子をそのまま利用できるため検出装置の作成
が容易であり、またイオンビームの種類に応じて螢光物
質を適宜選択することにより、検出装置の汎用性を広げ
ることができる。またイオンビームが直接固体撮像素子
に入射しないため、固体撮像素子がダメージを受けるこ
とがなく、長寿命の検出装置が得られる。更に冷却装置
を用いて固体撮像素子を冷却するように構成することに
よって、より一層高感度化が実現できる。In the two-dimensional charged particle detection device configured as described above, when the ion beam 3 is incident on the fluorescent substance 2, light is generated, and the solid-state image sensor 1 detects the light emission. This allows the amount of incident ions to be detected. In this embodiment, the solid-state imaging device can be used as is, so the detection device can be easily fabricated, and the versatility of the detection device can be expanded by appropriately selecting the fluorescent material depending on the type of ion beam. Furthermore, since the ion beam does not directly enter the solid-state image sensor, the solid-state image sensor is not damaged, and a long-life detection device can be obtained. Further, by configuring the solid-state imaging device to be cooled using a cooling device, even higher sensitivity can be achieved.
第２図＾は、第２実施例を示す概略斜視図である。この
実施例は、二次元固体撮像素子１０のみで荷電粒子検出
装置を構成し、該固体撮像素子１０に直接入射するイオ
ンビーム等の荷電粒子を検出するようにしたものである
。FIG. 2 is a schematic perspective view showing the second embodiment. In this embodiment, a charged particle detection device is configured only with a two-dimensional solid-state image sensor 10, and charged particles such as an ion beam directly incident on the solid-state image sensor 10 are detected.
通常の光を検出する固体撮像素子の場合、単位画素内の
受光部構造は、第２図旧）に示すように構成されている
。すなわち第２図■）において、１１は例えばＰ型半導
体基板であり、該基板１１の表面部にはＮ型拡散層１２
が拡散形成されており、そしてその表面全体に透明な保
護絶縁膜１３が被覆形成されている。受光動作としては
、正に逆バイアスされた拡散層１２に入射光１４が到達
すると、正孔・電子対を生し、電子が拡散層に蓄積して
拡散層１２の電位が変化する。この電位変化を検出する
ことにより、光電変換による光量の検出を行うようにな
っている。In the case of a solid-state image sensor that detects normal light, the structure of the light receiving section within a unit pixel is configured as shown in FIG. 2 (old). In other words, in FIG.
is formed by diffusion, and a transparent protective insulating film 13 is formed over the entire surface. In the light receiving operation, when the incident light 14 reaches the positively reverse biased diffusion layer 12, hole-electron pairs are generated, electrons are accumulated in the diffusion layer, and the potential of the diffusion layer 12 changes. By detecting this potential change, the amount of light is detected by photoelectric conversion.
一方イオンビーム等の荷電粒子を検出する場合に用いる
固体撮像素子ＩＯは、第２図（Ｃ１に示す構成のものを
用いる。第２図（Ｃ１において、２１は例えばＮ型半導
体基板であり、該半導体基板２１の表面部にはＰ型拡散
層２２が拡散形成されている。そしてその表面には、拡
散層２２の部分の窓開けした透明な保護絶縁膜２３が被
覆形成されている。On the other hand, the solid-state image sensor IO used when detecting charged particles such as ion beams has the configuration shown in FIG. 2 (C1). In FIG. A P-type diffusion layer 22 is diffused and formed on the surface of the semiconductor substrate 21.The surface is covered with a transparent protective insulating film 23 in which the diffusion layer 22 is opened.
このように構成された固体撮像素子１０によるイオンビ
ーム等の荷電粒子の検出動作は、負に逆バイアスされた
Ｐ型拡散層２２に入射イオンビーム２４が到達すると、
二次電子放出、イオン自身による帯電、正孔・電子対生
成等により、拡散層２２の電位が変化するうこの電位変
化を検出することにより、イオンビーム等の荷電粒子の
電気信号への変換による検出が行われる。The detection operation of a charged particle such as an ion beam by the solid-state imaging device 10 configured as described above is performed as follows: When the incident ion beam 24 reaches the negatively reverse biased P-type diffusion layer 22,
The potential of the diffusion layer 22 changes due to secondary electron emission, electrification by ions themselves, hole/electron pair generation, etc. By detecting the change in potential of the diffusion layer 22, the conversion of charged particles such as ion beams into electrical signals is performed. Detection is performed.
この実施例は、構成が更に簡単となるため容易に製造す
ることができ、また二次電子放出、イオン自身による帯
電ばかりでなく、正孔・電子対の生成を信号として利用
できるため、検出感度を高めることができる。更に第１
実施例と同様に、固体撮像素子として、ＳＩＴやＣＭＤ
等の増幅型固体撮像素子を用い、あるいはまた冷却装置
を用いて固体撮像素子を冷却することにより、−層感度
を向上させることができる。This embodiment has a simpler configuration and can be manufactured easily. In addition, not only secondary electron emission and charging by the ions themselves, but also the generation of hole-electron pairs can be used as a signal, so the detection sensitivity is can be increased. Furthermore, the first
As in the embodiment, SIT and CMD are used as solid-state image sensors.
The -layer sensitivity can be improved by using an amplifying solid-state imaging device such as the above, or by cooling the solid-state imaging device using a cooling device.
第３図は、第３実施例の概略断面構造を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a schematic cross-sectional structure of the third embodiment.
この実施例は第２実施例と同様に、二次元固体撮像素子
単体のみで荷電粒子検出装置を構成するものであるが、
その固体撮像素子のイオンビーム等の荷電粒子の検出部
の構成を異にするものである。すなわち第３図において
、３１は例えばＮ型半導体基板であり、その表面部にＰ
型拡散層３２が拡散形成されている。そしてその表面に
は、拡散層３２の部分の窓開けを行った透明な保護絶縁
膜３３が形成されており、更に保護絶縁膜３３の窓開は
部３３ａを覆うように孤立したアルミニウム等よりなる
金属電極３４が形成されている。なお金属電極３４と拡
散層３２は窓開は部３３ａを介してオーミックに接触す
るように構成されて・いる。Similar to the second embodiment, this embodiment configures a charged particle detection device using only a two-dimensional solid-state image sensor; however,
The configuration of the detection unit for charged particles such as ion beams of the solid-state image sensor is different. That is, in FIG. 3, 31 is, for example, an N-type semiconductor substrate, and the surface portion thereof is covered with P.
A type diffusion layer 32 is formed by diffusion. A transparent protective insulating film 33 is formed on the surface of the diffusion layer 32, and the protective insulating film 33 is made of isolated aluminum or the like so as to cover the portion 33a. A metal electrode 34 is formed. Note that the metal electrode 34 and the diffusion layer 32 are configured to be in ohmic contact with each other through the aperture portion 33a.
このように構成した荷電粒子検出装置における荷電粒子
検出動作は次のようにして行われる。すなわち負に逆バ
イアスされた拡散１１３２上に形成されている金属電極
３４に、入射イオンビーム３５が到達すると、二次電子
放出、イオン自身による帯電などにより、拡散層３２の
電位が変化する。この電位変化を検出することにより、
イオンビームの電気信号への変換による検出を行うこと
ができる。The charged particle detection operation in the charged particle detection device configured as described above is performed as follows. That is, when the incident ion beam 35 reaches the metal electrode 34 formed on the negatively reverse biased diffusion 1132, the potential of the diffusion layer 32 changes due to secondary electron emission, charging by the ions themselves, and the like. By detecting this potential change,
Detection can be performed by converting the ion beam into an electrical signal.
この実施例では、イオンビームが直接固体撮像素子の拡
散層に入射しないため、拡散層にダメージを与えず長寿
命の検出装置とすることができる。In this embodiment, since the ion beam does not directly enter the diffusion layer of the solid-state image sensor, it is possible to provide a long-life detection device without damaging the diffusion layer.
また検出すべきイオンビームの種類に応じて、金属電極
３４に用いる金属の種類を自由に選択することができ、
汎用性の高い検出装置を容易に得ることができる。また
この実施例による開口率は１００％近くにすることがで
きるため高感度であり、金属電極３４の膜厚を厚くする
ことにより、イオン衝突によるスパッタリング作用に対
して強固ならしめることができる。更に受光部が金属電
極で覆われているために遮光が不要であり構成が簡単に
なる等の利点を有する。更にまた本実施例においても第
１実施例と同様に、増幅型固体撮像素子及びその冷却手
段を用いることにより、更に高感度を達成することがで
きる。Furthermore, the type of metal used for the metal electrode 34 can be freely selected depending on the type of ion beam to be detected.
A highly versatile detection device can be easily obtained. Furthermore, since the aperture ratio according to this embodiment can be made close to 100%, it is highly sensitive, and by increasing the thickness of the metal electrode 34, it can be made strong against sputtering effects caused by ion bombardment. Further, since the light receiving section is covered with a metal electrode, there is no need for light shielding, which has the advantage of simplifying the structure. Furthermore, in this embodiment, as in the first embodiment, even higher sensitivity can be achieved by using an amplifying solid-state image sensor and its cooling means.
なお上記各実施例においては、イオンビームを検出する
ものを示したが、本発明は、イオンのみならず、他の荷
電粒子、例えば電子などの検出も勿論可能である。In each of the above embodiments, an ion beam is detected, but the present invention is of course capable of detecting not only ions but also other charged particles such as electrons.
以上実施例に基づいて説明したように、本発明によれば
、マルチチャネルプレートを用いないため不感時間がな
くなり、定量性に優れた荷電粒子の面分布の測定ができ
る。また二次元固体逼像素子としてＳＩＴやＣＭＤ等の
内部増幅型固体邊像素子を用いることにより、１個の荷
電粒子に対して数個発生する信号電荷を、増幅して検出
可能なレベルとすることができるため高感度化が達成さ
れる。更に内部増幅型固体撮像素子の広いダイナミック
レンジがそのまま使えるため、検出装置のダイナミック
レンジを広くすることができるという利点が得られる。As described above based on the embodiments, according to the present invention, since a multi-channel plate is not used, there is no dead time, and it is possible to measure the planar distribution of charged particles with excellent quantitative properties. In addition, by using an internal amplification type solid-state imaging device such as SIT or CMD as a two-dimensional solid-state imaging device, the signal charges generated in several particles per one charged particle can be amplified to a detectable level. As a result, high sensitivity can be achieved. Furthermore, since the wide dynamic range of the internally amplified solid-state image sensor can be used as is, there is an advantage that the dynamic range of the detection device can be widened.
第１図は、本発明に係る二次元荷電粒子検出装置の第１
実施例を示す概略斜視図、第２図（８）は。
第２実施例を示す概略斜視図、第２図ｆＢ）は、二次元
固体撮像素子を光電変換させる場合の一画素部分の構成
を示す概略断面図、第２図（Ｃ１は、第２実施例で用い
る二次元固体撮像素子の一画素部分の構成を示す概略断
面図、第３図は、第３実施例で用いる二次元固体撮像素
子の一画素部分の構成を示す概略断面図、第４図は、従
来の荷電粒子検出器の構成例を示す概略斜視図である。
図において、■は二次元固体撮像素子、２は螢光物質、
３は入射イオンビーム、１０は二次元固体↑最像素子、
２１はＮ型半導体基板、２２はＰ型拡散層、２３は透明
保護絶縁膜、３４ば金属電極を示す。
特許出願人 オリンパス光学工業株式会社第１図
第２図
第２図
（Ｃ）
（Ａ）FIG. 1 shows the first part of the two-dimensional charged particle detection device according to the present invention.
FIG. 2 (8) is a schematic perspective view showing the embodiment. FIG. 2fB) is a schematic perspective view showing the second embodiment, and FIG. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of one pixel portion of the two-dimensional solid-state image sensor used in the third embodiment, and FIG. is a schematic perspective view showing an example of the configuration of a conventional charged particle detector. In the figure, ■ is a two-dimensional solid-state image sensor, 2 is a fluorescent substance,
3 is the incident ion beam, 10 is the two-dimensional solid ↑ most imaging element,
21 is an N-type semiconductor substrate, 22 is a P-type diffusion layer, 23 is a transparent protective insulating film, and 34 is a metal electrode. Patent applicant: Olympus Optical Industry Co., Ltd. Figure 1 Figure 2 Figure 2 (C) (A)
Claims (1)
子を光に変換する作用を有する物質とからなることを特
徴とする二次元荷電粒子検出装置。 ２、前記荷電粒子を光に変換する作用を有する物質とし
て、螢光物質を用いることを特徴とする請求項１記載の
二次元荷電粒子検出装置。 ３、表面の露出したＰ−Ｎ接合受光部を有する二次元固
体撮像素子を用い、荷電粒子を前記露出した受光部に入
射させ検出するようにしたことを特徴とする二次元荷電
粒子検出装置。 ４、Ｐ−Ｎ接合部にオーミック接触を保った上部金属電
極を設けた二次元固体撮像素子を用い、荷電粒子を該固
体撮像素子の金属電極に入射させ検出するようにしたこ
とを特徴とする二次元荷電粒子検出装置。 ５、前記二次元固体撮像素子として、内部増幅型固体撮
像素子を用いたことを特徴とする請求項１乃至４のいず
れかに記載の二次元荷電粒子検出装置。 ６、前記二次元固体撮像素子に冷却手段を配設したこと
を特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の二次元
荷電粒子検出装置。[Scope of Claims] 1. A two-dimensional charged particle detection device comprising a two-dimensional solid-state image sensor and a substance formed on the surface of the device that has the function of converting charged particles into light. 2. The two-dimensional charged particle detection device according to claim 1, wherein a fluorescent substance is used as the substance having the function of converting the charged particles into light. 3. A two-dimensional charged particle detection device, characterized in that a two-dimensional solid-state imaging device having a P-N junction light-receiving portion with an exposed surface is used, and charged particles are detected by being incident on the exposed light-receiving portion. 4. A two-dimensional solid-state imaging device having an upper metal electrode that maintains ohmic contact at the P-N junction is used, and charged particles are detected by being incident on the metal electrode of the solid-state imaging device. Two-dimensional charged particle detection device. 5. The two-dimensional charged particle detection device according to claim 1, wherein an internal amplification type solid-state image sensor is used as the two-dimensional solid-state image sensor. 6. The two-dimensional charged particle detection device according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the two-dimensional solid-state image sensor is provided with a cooling means.
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| JPS6484176A (en) * | 1987-09-28 | 1989-03-29 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Semiconductor radiation detector |
-
1988
- 1988-07-20 JP JP63179224A patent/JP2884164B2/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6358283A (en) * | 1986-08-29 | 1988-03-14 | Toshiba Corp | Matrix array type gamma camera |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2884164B2 (en) | 1999-04-19 |
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