(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｐ−Ｎ接合部にオーミック接触を保った上部電極部を設けた二次元固体撮像素子を用い、荷電粒子を該二次元固体撮像素子の前記電極部に入射させ検出するようにした二次元荷電粒子検出装置において、前記電極部を、少なくとも２種類以上の異なる材料よりなり、少なくとも荷電粒子が入射する上部電極層とＰ−Ｎ接合部とオーミック接触する下部電極層とから構成された２層以上の複数電極層構造とし前記上部電極層を前記下部電極層より二次電子放出率の高い材料により形成したことを特徴とする二次元荷電粒子検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【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二次元荷電粒子検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、本件発明者等により、特開平２−３１１８４号公報にＡＭＩ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ  ＭＯＳ  Ｉｍａｇｅｒ）等の固体撮像素子を用いた荷電粒子検出装置が提案されている。
【０００３】
上記公報記載の荷電粒子検出装置は、各受光画素中のＰ−Ｎ接合ダイオード表面に、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、上記金属電極及びＰ−Ｎ接合ダイオードを未照射時に比べ正に帯電させて、その電位変動を検出するのを動作原理としているものである。
【０００４】
図２は、上記公報に記載されている荷電粒子検出装置の具体的な構造を示す図で、次にその構造及び動作の詳細な説明を行う。図２において、１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２が拡散形成されている。そしてその表面には、拡散層２の部分の窓開けを行った透明な保護絶縁膜３が形成されており、更に保護絶縁膜３の窓開け部３ａ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４が形成されている。なお金属電極４と拡散層２は窓開け部３ａを介してオーミックに接触するように構成されている。
【０００５】
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層２上に形成されている金属電極４に、入射イオンビーム５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２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。
【０００６】
この従来例では、イオンビーム５が直接固体撮像素子の拡散層２に入射しないため、拡散層２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。また検出すべきイオンビームの種類に応じて、金属電極４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４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４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。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の荷電粒子検出装置においては、金属電極は、半導体拡散層と良好なオーミック接触を有するアルミニウム等の金属材料に限られていた。金属電極がアルミニウムの場合、イオン衝撃による二次電子放出比は、２程度であることが実験により判明した。
【０００８】
一方、ＡＭＩ等の固体撮像素子では、通常ランダムな等価雑音電子数は、２０個程度存在している。この場合、可能最小イオン検出数は、１０個程度と算出されている。
【０００９】
しかしながら、イオン検出器においては、１個のイオン入射に対しても検出可能であることが望ましく、従来の固体撮像素子を用いた荷電粒子検出装置の可能最小イオン検出数の向上、すなわち感度の向上が問題となっている。
【００１０】
また通常、二次イオン質量分析装置等に用いられている検出器は、イオン１個に対して感度があるが、ダイナミックレンジが１００  程度と狭く、タイムラグが存在し、画像処理が煩雑になるという欠点をもっている。
【００１１】
本発明は、従来の荷電粒子検出装置における上記問題点を解消するためになされたもので、可能最小イオン検出数を向上させ、感度を向上させた、ダイナミックレンジの大なる固体撮像素子を用いた二次元荷電粒子検出装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するため、本発明は、Ｐ−Ｎ接合部にオーミック接触を保った上部電極部を設けた二次元固体撮像素子を用い、荷電粒子を該二次元固体撮像素子の前記電極部に入射させ検出するようにした二次元荷電粒子検出装置において、前記電極部を、少なくとも２種類以上の異なる材料よりなり、少なくとも荷電粒子が入射する上部電極層とＰ−Ｎ接合部とオーミック接触する下部電極層とから構成された２層以上の複数電極層構造とし前記上部電極層を前記下部電極層より二次電子放出率の高い材料により形成したことを特徴とするものである。
【００１３】
【作用】
表１は、イオン衝撃による二次電子放出率を示している。ターゲット材料は、Ａｌ，ＣｕＢｅ，ＡｇＭｇの３種類であり、また入射イオンは、２ＫｅＶ及び５ＫｅＶの運動エネルギーをもつアルゴン（Ａｒ＋  ）の場合を示している。そして二次電子放出率はＡｌターゲットの場合を１として規格化した相対値を示している。このデータは、Ａ−ＷＩＬＥＹ−ＩＮＴＥＲＳＣＩＥＮＣＥ  ＰＵＢＬＩＣＡＴＩＯＮ（ＪＯＨＮ  ＷＩＬＥＹ  ＆  ＳＯＮＳ  ）発行の“Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ  ”の第１１０５〜１１０６頁の表Ａ．８を参照したものである。
【００１４】
【表１】
0003628712.tif 000002
【００１５】
上記表１より、イオンが入射するターゲット材料を、ＡｌよりＣｕＢｅあるいはＡｇＭｇに変えれば、二次電子放出率が１０倍以上に増加する、すなわちＡｌターゲットに比べ帯電する度合が、同数のイオン個数の入射で１０倍以上となることがわかる。上記従来の固体撮像素子を用いた荷電粒子検出装置においては、最小イオン検出率が１０個程度であったのが、金属電極材料をＡｇＭｇ等に変えることにより、１個程度に改善可能となる。つまり感度を１０倍以上にさせることができる。しかしながら、ＡｇＭｇあるいはＣｕＢｅ等は、直接半導体拡散層と良好なオーミック接触形成が難しいという問題点がある。
【００１６】
本発明においては、上記のように電極部を複数電極層構造としたので、Ｐ−Ｎ接合部と接する電極層をオーミック接触を形成するＡｌ等で構成し、イオン入射側の電極層を二次電子放出率の高いＣｕＢｅ，ＡｇＭｇ等で構成することができ、これによりオーミック接触を形成しながらイオン検出感度を向上させることができる。
【００１７】
【実施例】
次に実施例について説明する。図１は、本発明に係る二次元荷電粒子検出装置の一画素検出部の構成を示す断面図であり、図２に示した従来のものと同一又は対応する部分に同一符号を付し、その説明を省略する。本発明において、電極部は異なる材料よりなる２層の電極層４ａ，４ｂで構成されている。下部電極層４ｂは、従来のものと同じく、Ａｌ，Ａｌ−Ｓｉあるいは、Ｗ，Ｍｏ、又はＷ−Ｓｉ，Ｍｏ−Ｓｉ等からなる金属層であり、半導体拡散層２と良好なオーミック接触特性をもつ特徴を有している。
【００１８】
一方、前記下部電極層４ｂ上に形成され、イオンが入射する、ＣｕＢｅ，  ＡｇＭｇ等の上部電極層４ａは、下部電極層４ｂよりも二次電子放出比の大なる材料からなる金属層である。この上部電極層４ａに適した材料としては、上記ＣｕＢｅ，  ＡｇＭｇの他に、ＮｉＣｒ，  Ｃｒ−Ｎｉ−Ｆｅあるいはポリシリコン，アモルファスシリコン，ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ），ＰｂＯ系ガラス，更にはＡｇ，  Ｃｕ，  Ａｕ等が存在する。なお上部電極層４ａの厚さは数百Å〜数μｍが望ましい。
【００１９】
このように構成した荷電粒子検出装置においては、入射イオンビーム５は上部電極層４ａに侵入し、そこで効率的に二次電子が発生，放出され、それにより変化した電位が、下部電極層４ｂ及び半導体内に形成された拡散層２に伝達され、この電荷数変動に基づく電位変化を検出することにより、従来のものよりも１０倍以上高い感度でイオンの検出が可能となる。
【００２０】
通常の二次イオン質量分析装置等に用いられている荷電粒子検出器は、ダイナミックレンジが１００  程度と狭いが、本発明に係る構成の固体撮像素子を用いることにより、高感度で１０４  程度の広いダイナミックレンジを得ることができる。
【００２１】
なお上記実施例において、上部電極層４ａと下部電極層４ｂの両者間においてオーミック接触が良好でない場合には、上部電極層４ａと下部電極層４ｂの間に、両者と良好なオーミック接触を形成する新たな層を介在させればよく、本発明は、かかる電極構成のものも含むものである。
【００２２】
【発明の効果】
以上実施例に基づいて説明したように、本発明によれば、入射イオン１個に対しても感度を有する高感度で広ダイナミックレンジをもち、且つ画像処理の容易な固体撮像素子を用いた二次元荷電粒子検出装置を容易に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る二次元荷電粒子検出装置の一実施例の要部を示す断面図である。
【図２】従来提案の二次元荷電粒子検出装置の構成例の要部を示す断面図である。
【符号の説明】
１  Ｎ型半導体基板
２  Ｐ型拡散層
３  保護絶縁膜
４ａ  上部電極層
４ｂ  下部電極層
５  入射イオンビーム
【図１】
0003628712.tif 000003
【図２】
0003628712.tif 000004