(57)【要約】  【課題】  電子やイオンなどの荷電粒子のエネルギーを極めて簡便で省スペースでかつ経済的に検出するために用いる荷電粒子のエネルギー検出装置およびその製造方法を提供する。  【解決手段】  複数の導体１０１の部分と絶縁体１０２の部分から構成され、導体１０１の深さ１０３と深さ１０４は互いに異なっている。導体１０１を二次電子像で観察したときのコントラストによって荷電粒子のエネルギーを判別することが可能である。【選択図】  図１１
2005221480.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子やイオンなどの荷電粒子のエネルギー測定を行う荷電粒子のエネルギー検出装置であって、内部に絶縁された複数の導体部分を備え、前記複数の導体部分は、導体の一部が表面に露出し、かつ、導体の表面から浅い部分を占める体積と表面から深い部分を占める体積の比率が互いに異なることを特徴とする荷電粒子のエネルギー検出装置。
【請求項２】
前記複数の導体部分の表面からの深さが互いに異なることを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子のエネルギー検出装置。
【請求項３】
前記複数の導体部分の、表面から浅い部分の面積と表面から深い部分を占める部分の面積との比率が互いに異なることを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子のエネルギー検出装置。
【請求項４】
前記導体部分と、導体である基板部分とが、絶縁膜で分離されており、前記絶縁膜の絶縁耐圧が少なくとも５Ｖ以上あることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれかに記載の荷電粒子のエネルギー検出装置。
【請求項５】
前記絶縁膜の主たる部分の厚さが、前記基板表面の主要部を囲む表面積の平方根から導かれる寸法の、１０００分の１以下であることを特徴とする請求項４に記載の荷電粒子のエネルギー検出装置。
【請求項６】
前記複数の導体部分の平面的配置が、表面から浅い部分の体積と表面から深い部分を占める部分の体積との比率の順に配列していることを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子のエネルギー検出装置。
【請求項７】
導体基板に所望の大きさの開口を持つマスクパターンを形成する工程と、前記マスクパターンを用いて基板をエッチングする工程と、前記マスクパターンを除去する工程と、前記導体基板に絶縁膜を堆積する工程と、さらに導体膜を堆積する工程と、前記導体膜が分離され、かつ、基板表面が露出するまで表面を除去する工程とを備えることを特徴とする荷電粒子のエネルギー検出装置の製造方法。
【請求項８】
チップを荷電粒子装置内に入れて荷電粒子を照射し、二次電子像を観察することで荷電粒子のエネルギーを判定することを特徴とする荷電粒子のエネルギー検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子やイオンなどの荷電粒子のエネルギーを極めて簡便で省スペースでかつ経済的に検出するために用いる検出装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在に至る科学技術の進歩は、透過電子顕微鏡、走査電子顕微鏡などに代表される荷電粒子を用いた装置の貢献によるところが極めて大きいことは言うまでもない。
【０００３】
しかし、これらの荷電粒子を応用する装置は、真空装置であるために、そのメンテナンスには十分な注意が必要である。これらの装置で発生している荷電粒子のエネルギーを管理することもその一つである（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
図１４は代表的な電子エネルギー測定装置の構造を示すものである（例えば、非特許文献１参照）。
【０００５】
この測定装置は、接地電極３０１を接地し、減速電極３０２に電子と同じ極性の負電圧を印加することで、電子を縦軸方向で減速し、電子の軌道を放物線に曲げる。接地電極３０１の適当な位置に２個のスリット３０３ａ，３０３ｂを設けておくと、一方のスリット３０３ａから入射した電子３０５は放物線を描いて他方のスリット３０３ｂから出てくる。これを電子検出器３０４で検出する。この電子３０５よりも高エネルギーの電子３０６は、より大きな放物線を描き、一方、この電子３０５よりも低エネルギーの電子３０７は、より小さな放物線を描くので、いずれもスリット３０３ｂを通り抜けることができず、電子検出器３０４には到達しない。
【０００６】
そこで、あらかじめ減速電極３０２の電圧と検出される電子のエネルギーの関係を、計算あるいは実測により把握しておく。そして、減速電極３０２の電圧を可変し、電子検出器３０４の出力を調べることにより、電子のエネルギーを知ることができる。
【特許文献１】特開平６−７５０５３号公報
【非特許文献１】電気学会編「電子・イオンビーム工学」オーム社、p94-95.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の方法によるエネルギーの測定には高価な測定装置を必要とする。すなわち、減速電界を発生させるための電極および電子検出器については、思わぬところから荷電粒子が迷い込まないようにするためや周囲の電磁界の影響を回避するため、シールドが必要である。しかし、それでは、大型で高価なものになってしまう。さらに減速電界を発生させるための電源や、電子検出器を動作させるための電源や、検出結果出力装置も必要となる。このような装置を荷電粒子装置に取り付けることは、装置の価格を上げることにつながる。また、装置に装備せずにメンテナンスのときだけプローブのように挿入する方法も考えられるが、測定器自体が比較的大型であるので、現実的ではない。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みて創作したものであり、電源や結果出力装置の必要性を緩和し、電子やイオンなどの荷電粒子のエネルギーを極めて簡便で省スペースでかつ経済的に検出することが可能な荷電粒子のエネルギー検出装置・検出方法を提供することを目的としている。また、合理的な荷電粒子のエネルギー検出装置の製造方法も提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記の課題を解決するために次のような手段を講じる。
【００１０】
本発明がとる新しい考え方は、半導体技術で製造が可能な小さなチップを用いて、そのチップを荷電粒子装置内に入れて荷電粒子を照射し、二次電子像を観察することで荷電粒子のエネルギーを判定することを基本とする。
【００１１】
すなわち、本発明による荷電粒子のエネルギー検出装置は、電子やイオンなどの荷電粒子のエネルギー測定を行う装置であって、チップの内部に絶縁された複数の導体部分を備え、前記複数の導体部分は、導体の一部が前記チップの表面に露出し、かつ、表面から浅い部分を占める体積と表面から深い部分を占める体積の比率が複数の導体部分間で互いに異なることを特徴とする。
【００１２】
ここでは、荷電粒子として、電荷が負の電子を例に挙げて説明する。加速した電子を導体部分に対してその表面から照射すると、導体部分に入射した電子は導体を構成する原子の電子によって散乱される。散乱された一部の電子や導体内部で励起された電子は、二次電子となって導体部分の外部に放出される。一方、導体内部で一次電子は減速され、飛程付近でその多くが留まる。
【００１３】
電子がもつエネルギーが大きいほど、導体内部への侵入深さは深くなる。導体の表面付近では、電子の流入より流出が支配的であるため電子流入量が負となり、電子の電荷が負であることから、導体の表面付近は正に帯電することになる。より深い飛程付近では、逆に電子の流出より流入が支配的であるため電子流入量が正となり、導体の飛程付近は負に帯電することになる。そして、正の帯電量と負の帯電量とが等しくなって帯電量が実質的に０になる深さが存在することになる。この深さでは、総電子流入量が０である。以上をまとめると、エネルギーが大きくなるほど導体内部への侵入深さが増すが、それに伴って、総電子流入量は、負から始まって０になり最終的には正に転ずる。
【００１４】
導体部分の帯電の正負および帯電量は、導体部分からの二次電子の放出に関して、促進／抑制に影響を与える。すなわち、観察される二次電子像の明暗のコントラストに影響する。そこで、導体部分の帯電の正負および帯電量に影響を与える総電子流入量がゼロになるときの電子侵入深さを利用する。これを利用するためには、導体深さが電子侵入深さをカバーしていることが必要であることはいうまでもない。
【００１５】
電子のエネルギーの大小
↓
導体部分への電子浸入深さの大小
↓
総電子流入量のゼロ変化点に対応する導体深さの存在の有無
↓
帯電の正負および帯電量の相違
↓
二次電子像の明暗コントラスト
の関係を利用する。
【００１６】
総電子流入量のゼロ変化点に対応する導体深さは、一次電子のエネルギーが小さいほど浅く、一次電子のエネルギーが増加するにつれて深さが増す。換言すれば、二次電子像の明暗コントラストが変化する導体深さと一次電子のエネルギーの大小とは相関関係がある。
【００１７】
このことから、適当に用意した深さの異なる複数の導体を観察し、明暗が反転する深さから一次電子のエネルギーを推定することが可能となることが分かる。
【００１８】
一次電子のエネルギーが小さいときは、明暗反転を生じるところの注目導体部分は、比較的深さの小さい導体部分となる。一次電子のエネルギーが増えるに従って、明暗反転を生じるところの注目導体部分は、より深い側にシフトした導体部分となる。そして、一次電子のエネルギーが大きいときは、明暗反転を生じるところの注目導体部分は、比較的深さの大きい導体部分となる。
【００１９】
逆にみると、明暗反転を生じるところの注目導体部分が、導体深さにおいてどのレベルにあるかを判定することで、一次電子のエネルギーの大小を判別することができる。
【００２０】
分かりやすくするため、図１０、図１１、図１２に一例を示す。導体部分として、ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅの５つが長さの順に並んでいるとする。もちろん、６以上でもかまわない。図１０は電子のエネルギーが“小”の場合であり、図１１は電子のエネルギーが“中”の場合であり、図１２は電子のエネルギーが“大”の場合である。
【００２１】
中間の図１１を中心に説明すると、電子のエネルギーが“中”の場合、深さが中央の導体部分ｃにおいて、帯電がゼロとなっている。より深い側の導体部分ｄ，ｅでは負に帯電し、二次電子をより多く放出するため明るくなっている。逆に、より浅い側の導体部分ｂ，ａでは正に帯電し、二次電子の放出を抑制するため暗くなっている。明暗コントラスト変化点は中央の導体部分ｃであり、これにより、電子のエネルギーが“中”であると判定する。
【００２２】
次に電子のエネルギーが図１１より小さい図１０の場合を説明する。電子のエネルギーが“小”の場合、深さが中央より１つ左の導体部分ｂにおいて、帯電がゼロとなっている。この導体部分ｂに対してより深い側の導体部分ｃ，ｄ，ｅでは負に帯電し、二次電子をより多く放出するため明るくなっている。逆に、中央より１つ左の導体部分ｂに対してより浅い側の導体部分ａでは正に帯電し、二次電子の放出を抑制するため暗くなっている。明暗コントラスト変化点は中央より１つ左の導体部分ｂであり、これにより、電子のエネルギーが“小”であると判定する。
【００２３】
次に電子のエネルギーが図１１より大きい図１２の場合を説明する。電子のエネルギーが“大”の場合、深さが中央より１つ右の導体部分ｄにおいて、帯電がゼロとなっている。この導体部分ｄに対してより深い側の導体部分ｅでは負に帯電し、二次電子をより多く放出するため明るくなっている。逆に、中央より１つ右の導体部分ｄに対してより浅い側の導体部分ｃ，ｂ，ａでは正に帯電し、二次電子の放出を抑制するため暗くなっている。明暗コントラスト変化点は中央より１つ右の導体部分ｄであり、これにより、電子のエネルギーが“大”であると判定する。
【００２４】
なお、以上の説明では、導体部分の深さの相違を基準に説明したが、本質的には表面付近と飛程付近とで導体が占める体積の比率の相違が重要である。二次電子像の明暗コントラストに関係する帯電量は、その帯電を可能とする導体体積に関係するからである。
【００２５】
したがって、上記の荷電粒子のエネルギー検出装置において、前記複数の導体部分は、表面から浅い部分を占める体積と表面から深い部分を占める体積の比率が互いに異なることが好ましい。この場合、表面からの深さについては、複数の導体部分で同じであってもよいし、異なっていてもよい。
【００２６】
ここでの“表面から浅い部分を占める体積と表面から深い部分を占める体積の比率”は、個々の導体部分についてのものであり、その“比率の相違”は、複数の導体部分どうし間のものである。なお、“比率”および“比率の相違”についての以下での解釈も同様である。
【００２７】
また、複数の導体部分を互いに絶縁するのは、侵入した電子が外部に流れ去るの防止して、蓄積させるためである。
【００２８】
以上は荷電粒子が負の電荷をもつ電子であるとして説明したが、正の電荷をもつ荷電粒子の場合も、符号のみが異なるだけで、原理は上記と同様である。
【００２９】
複数の導体部分の露出部分を二次電子像で観察すると、荷電粒子のエネルギーに応じて露出部分のコントラストが変化する。すなわち、明暗反転を生じるところの注目導体部分が、導体深さにおいてどのレベルにあるかに基づいて荷電粒子のエネルギーを判定することができる。その結果として、電源や結果出力装置を不要化できる。
【００３０】
上記の荷電粒子のエネルギー検出装置において、前記複数の導体部分の表面からの深さが互いに異なることが好ましい。深さ方向に対する垂直方向での導体部分の断面積が複数の導体部分で同じとすれば、深さの相違が、前記の“表面から浅い部分を占める体積と表面から深い部分を占める体積の比率”の相違をもたらす。断面積が一定であることは形態的に最も簡素であり、そのエネルギー検出装置の製造が簡易なものとなる（図１、図２、図５参照）。
【００３１】
上記の荷電粒子のエネルギー検出装置において、前記導体部分は、表面から浅い部分の面積と表面から深い部分を占める部分の面積との比率が互いに異なることが好ましい。例えば、浅い部分の断面積と深い部分の断面積とが同じ導体部分と、浅い部分の断面積に比べて深い部分の断面積が大きい導体部分とでは、“表面から浅い部分の面積と表面から深い部分を占める部分の面積との比率”が互いに異なっている（図３、図４参照）。同様に、浅い部分の断面積が深い部分の断面積より小さい導体部分と、浅い部分の断面積に比べて深い部分の断面積が大きい導体部分とでは、同様に、“表面から浅い部分の面積と表面から深い部分を占める部分の面積との比率”が互いに異なっている。
【００３２】
上記の荷電粒子のエネルギー検出装置において、前記導体部分が、導体である基板部分と絶縁耐圧が５Ｖ以上の絶縁性の膜で分離されていることが好ましい。絶縁膜の耐圧が５Ｖ未満であると、導体部分に帯電した荷電粒子の逃げが発生し、好ましくないからである。
【００３３】
上記の荷電粒子のエネルギー検出装置において、前記絶縁膜の主たる部分の厚さが、前記基板表面の主要部を囲む表面積の平方根から導かれる寸法の、１０００分の１以下であることが好ましい。絶縁膜に電荷が蓄積されると、それが導体部分の電位に影響を及ぼし、荷電粒子像の明暗コントラストの判定に影響を与え、測定誤差につながる。この不都合を実質的に完全に排除することができる。
【００３４】
上記の荷電粒子のエネルギー検出装置において、前記複数の導体部分の平面的配置が、表面から浅い部分の体積と表面から深い部分を占める部分の体積との比率の順に配列していることが好ましい。二次電子像の明暗コントラストが変化するときの“表面から浅い部分を占める体積と表面から深い部分を占める体積の比率”と荷電粒子のエネルギーの大小とは正の相関関係がある。そこで、この比率の大小の順に複数の導体部分を配置しておけば、明暗コントラスト変化点が複数の比率のうちのどの比率レベルにあるのかを認識しやすく、結局、荷電粒子のエネルギーの判定が行いやすくなる。
【００３５】
上記した荷電粒子のエネルギー検出装置についての新しい技術的考え方を、そのエネルギー検出装置の製造方法に展開すると、次のようにいうことができる。
【００３６】
すなわち、本発明による荷電粒子のエネルギー検出装置の製造方法は、導体基板に所望の大きさの開口を持つマスクパターンを形成する工程と、前記マスクパターンを用いて基板をエッチングする工程と、前記マスクパターンを除去する工程と、前記導体基板に絶縁膜を堆積する工程と、さらに導体膜を堆積する工程と、前記導体膜が分離され、かつ、基板表面が露出するまで表面を除去する工程とを含むものである。
【００３７】
これは、既存の半導体製造技術を利用するものであり、しかも、コストに最も影響するマスク工程を１回しか必要としないので、極めて小さいチップサイズの荷電粒子のエネルギー検出装置を充分経済的に製造することができる。
【発明の効果】
【００３８】
以上のように本発明によれば、半導体技術で製造が可能な小さなチップを用いて、電源や結果出力装置を必要とせず、そのチップを荷電粒子装置内に入れて荷電粒子を照射し二次電子像を観察するだけで、電子やイオンなどの荷電粒子のエネルギーを極めて簡便で省スペースでかつ経済的に検出することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
以下に本発明にかかわる荷電粒子のエネルギー検出装置の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００４０】
具体的な実施の形態を述べる前に、本発明の原理について説明する。
【００４１】
図７は固体への電子照射に伴う現象を説明したものである。図７（ａ）に示すように、固体である試料２０２に入射した一次電子２０１は、試料２０２を構成する原子の電子によって散乱される。散乱された一部の電子や固体内部で励起された電子は、二次電子２０４となって試料２０２の外部に放出される。試料２０２の内部で一次電子２０１は散乱により減速され、飛程２０３付近でその多くが留まる。
【００４２】
なお、言うまでもないが、試料２０２の全体が導体であれば、最終的には伝導電流が流れて、試料内部の電子の片寄りが解消される。厳密に言えば、試料２０２が絶縁体の場合も、一次電子２０１によって試料内部が励起されてキャリアが発生するので、電子の片寄りはある程度解消されるが、通常は、電子の片寄りは完全には解消されずに残ることになる。
【００４３】
一次電子２０１によって流入する電子流（試料２０２側で見た電流は負）と二次電子２０４によって流出する電子流（試料２０２側で見た電流は正）の比は、それぞれ試料２０２を構成する材料や、一次電子２０１のエネルギーにより変化はするが、多くの場合、０.５〜２の範囲である。
【００４４】
この電子流入量２０５の試料深さ２０６方向の分布を見ると、図７（ｂ）に示すグラフのように変化する。すなわち、流入より流出が支配的な表面付近２０７は電子流入量２０５が負となり、飛程２０３付近の流出より流入が支配的な飛程付近２０８では電子流入量２０５が正となる。
【００４５】
次に、固体表面に絶縁された導体が存在し、仮に、その深さが変化するとする。表面からの深さをｘ（ｍ）、その深さにおける単位深さ当たりの電子流入量をｆ（個／ｓ・ｍ）とすると、導体の部分の表面からの深さがＤ（ｍ）の場合、導体に流入する電子流入量の合計Ｆ（個／ｓ）は式（１）の積分で表される。なお、ここでは単純化のため、電子の深さ方向や横方向の分布は無視するが、厳密な計算も本質的には同じ結果となる。
【００４６】
【数１】
2005221480.tif 000003
式（１）の意味は、電子流入量の合計は電子流入量のグラフの深さが０からＤまでの面積を符号を考慮して足したものと理解できる。以下、この考え方で導体の帯電の極性について考察する。
【００４７】
まず、図８（ａ）のように、導体深さ２０９が飛程より浅い場合は、斜線部がマイナス側のみで、導体への電子流入量２０５は合計すると負となる。電子が負の電荷を持つことから、導体は正に帯電することになる。
【００４８】
また、図８（ｂ）のように、導体深さ２１０が飛程２０３程度になると、正の電子流入量の部分が相対的に増加し、斜線部はマイナス側とプラス側で同じ面積となり、全体としては電子の流入量が０に近づく。
【００４９】
さらに、図８（ｃ）のように、導体深さ２１１が飛程２０３を超えるようになると、材料による違いはあるが、多くの場合、斜線部がマイナス側よりプラス側で大きくなり、電子流入量２０５を合計すると正になる。すなわち、導体は電子の電荷によって負に帯電することになる。
【００５０】
通常、図８（ｄ）のグラフに示すように、導体深さ２１３を増加していくと、総電子流入量２１２は最初負になり（図８（ａ）に対応）、図８（ｂ）の導体深さ２１０に対応する位置でゼロとなり、さらに導体深さ２１３を増加していくと、総電子流入量２１２は正に転ずる（図８（ｃ）に対応）。
【００５１】
今度は、見方を変えて、導体深さに対して総電子流入量がゼロになる加速電圧を考える。
【００５２】
図９（ａ）は加速電圧が低く一次電子のエネルギーが小さい場合に、総電子流入量がゼロになるときの導体深さ２１４が浅いことを示している。
【００５３】
図９（ｂ）は図９（ａ）に比べて、加速電圧が増加し一次電子のエネルギーも増加した場合に、総電子流入量がゼロになるときの導体深さ２１５がより深くなること示している。
【００５４】
図９（ｃ）は加速電圧が高く一次電子のエネルギーが大きい場合に、総電子流入量がゼロになるときの導体深さ２１６が深いことを示している。
【００５５】
このように、加速電圧が高加速側にシフトし、電子の注入深さが増加するにつれて、総電子流入量がゼロになるときの導体深さが２１４から２１５，２１６のように深くなるのが分かる。
【００５６】
以上をまとめると、図９（ｄ）のグラフに示す曲線のようになる。加速電圧２１８が増加するにつれて、総電子流入量の極性が変化する深さ２１７が深くなる。この曲線の上側では、総電子流入量が負になるので、正に帯電することになる。また、この曲線の下側では、総電子流入量が正になるので、負に帯電することになる。
【００５７】
帯電が正か負によって表面からの二次電子の放出が抑制されたり促進されたりする。すなわち、帯電の正に対して二次電子信号は減少し、帯電の負に対して二次電子信号は増加する。さらには、帯電の正に対応して二次電子像は暗くなる。帯電の負に対応して二次電子像は明るくなる。
【００５８】
このことから、適当に用意した深さの異なる複数の導体を観察し、明暗が反転する深さから加速電圧を推定することが可能であることが分かる。
【００５９】
なお、以上の説明では、導体部分の深さを相違させて説明したが、本質的には表面付近と飛程付近とで導体が占める体積の比率が重要であることは容易に理解できる。
【００６０】
また、本発明では、各々の導体部分は互いに絶縁されていることが重要であるが、絶縁膜の部分に電荷が蓄積されると、それが導体部分の電位に影響を及ぼし、測定誤差につながる。
【００６１】
次に、この絶縁膜の厚さと電位の関係について少し詳しく述べる。
【００６２】
ここでは、走査型電子顕微鏡による観察を想定して、その観察範囲を横の長さＬH（ｍ）、縦の長さＬV（ｍ）、電子の侵入深さすなわち飛程をＲ（ｍ）、電子電流Ｉp（Ａ）、観察を始めてからの時間をｔ（ｓ）などとする。
【００６３】
すると、まず、走査範囲の面積Ｓ（ｍ2）は、式（２）となる。
【００６４】
【数２】
2005221480.tif 000004
従って、電子が注入される体積Ｖ（ｍ3）は、近似的に式（３）となる。
【００６５】
【数３】
2005221480.tif 000005
なお、後の簡単のため、ＬHとＬVの代わりに、Ｓと同じ面積を与える正方形の辺の長さをＬ0（ｍ）とすると、Ｌは式（４）で表わされる。
【００６６】
【数４】
2005221480.tif 000006
単位体積当たりに注入される電荷ｑ（Ｃ／ｍ3）は、二次電子などの効果や電子の深さ方向の分布を無視すると、近似的に式（５）で表される。
【００６７】
【数５】
2005221480.tif 000007
なお、式（５）は、注入された電荷がその場に全て残ると仮定した場合であり、最悪の場合を想定していることになる。
【００６８】
一般に、比誘電率εrの誘電体で構成された電極間隔ｄ（ｍ）の平行平板コンデンサの内部にｑ′（Ｃ／ｍ3）の電荷が存在すると、平行平板コンデンサの両端に発生する電圧Ｅ（Ｖ）は式（６）で表される。
【００６９】
【数６】
2005221480.tif 000008
なお、真空の誘電率をε0＝８.８５×１０-12（Ｆ／ｍ）とした。
【００７０】
従って、観察している視野に、比誘電率εrの絶縁膜によって絶縁された導体部分がある場合、絶縁膜の厚さをＬi（ｍ）とすると、式（５）と式（６）より、導体部分は、絶縁膜の内部に蓄積される電荷によって、最悪の場合、式（７）で予想される電位を持つことになる。
【００７１】
【数７】
2005221480.tif 000009
今、代表的な例として、Ｒ＝１μｍ（電子加速電圧数ｋＶに相当するＲ）、Ｉp＝１×１０-12Ａ（標準的な走査型電子顕微鏡の値）、εr＝４（シリコン酸化膜）とし、さらに１００秒後の状態を想定すると、式（７）から式（８）が導かれる。
【００７２】
【数８】
2005221480.tif 000010
これが、走査型電子顕微鏡のコントラストに影響を与えないよう、Ｅ≦１（Ｖ）という条件を与えると、式（９）が導かれる。
【００７３】
【数９】
2005221480.tif 000011
従って、近似的に式（１０）を満たせば良いことになる。
【００７４】
【数１０】
2005221480.tif 000012
すなわち、絶縁膜の厚さを、想定する観察視野より３桁以上小さい値に設定すれば、絶縁膜中の電荷の影響は排除できることになる。なお、以上を導くに当たって、電荷が全て蓄積する最も厳しい条件を適用しているので、式（１０）を満足すれば、他の条件においても、絶縁膜中の電荷の影響の排除について、これを期待できる。
【００７５】
（実施の形態１）
図１は実施の形態１にかかわる荷電粒子のエネルギー検出装置の構成を示す模式的な図である。本実施の形態の検出装置は、導体１０１の部分と絶縁体１０２の部分から構成され、導体１０１の深さ１０３と深さ１０４は互いに異なっている。これは、“複数の導体部分の表面からの深さが互いに異なる”という場合に対応している。もちろん、“導体の表面から浅い部分を占める体積と表面から深い部分を占める体積の比率が互いに異なる”というものにも対応している。そして、図９（ａ），（ｂ），（ｃ）のうちのいずれか２つに対応している。ただし、図９の横軸方向は図１では縦軸方向に相当する。
【００７６】
すでに説明したように、導体１０１を二次電子像で観察したときのコントラストによって荷電粒子のエネルギーを判別することが可能である。なお、本実施の形態のような構造は半導体の多層配線技術を利用すれば容易に実現することができる。
【００７７】
（実施の形態２）
図２は実施の形態２にかかわる荷電粒子のエネルギー検出装置の構成を示す模式的な図である。本実施の形態の検出装置は、導体１０１の部分と薄膜である絶縁体１０２の部分から構成され、導体部分１０１の深さ１０３と深さ１０４は互いに異なっている。また、絶縁体１０２の幅１１５は絶縁耐圧の５Ｖを維持できる範囲で導体部分の幅１１４の１／１００以下に設定してある。
【００７８】
すでに説明したように、導体１０１を二次電子像で観察したときのコントラストによって荷電粒子のエネルギーを判別することが可能である。本実施の形態のような構造は半導体の多層配線技術を利用すれば容易に実現することができる。本発明の構造では表面に露出する絶縁体１０２の幅１１５が導体部分の幅１１４の１／１００以下と小さいが、導体部分の幅を１０倍以上拡大して、結果として、絶縁体１０２の幅１１５を導体部分の幅１１４の１／１０００以下とすれば、すでに議論したように、観察視野と絶縁体１０２の帯電による影響を回避でき、より正確な判定が可能となる。
【００７９】
なお、図１３に絶縁体の膜厚の影響を示す。電荷、電界、電圧の軸方向変化を、絶縁膜が薄い場合と厚い場合とで示している。絶縁膜中にマイナスの電荷が単位体積当たりに等量蓄積されたとする。電荷の積分が電界になり、電界の積分が電圧になる。絶縁膜の膜厚が大きいほど、より大きな負の電圧が生じ、影響が大きくなる。影響を避けるには相対的に絶縁膜を薄くすればよい。
【００８０】
（実施の形態３）
図３は実施の形態３にかかわる荷電粒子のエネルギー検出装置の構成を示す模式的な図である。本実施の形態の検出装置は、導体１０１の部分と絶縁体１０２の部分から構成され、導体の深い部分の幅１０５と幅１０６は互いに異なっている。これは、“複数の導体部分の、表面から浅い部分の面積と表面から深い部分を占める部分の面積との比率が互いに異なる”という場合に対応している。もちろん、“導体の表面から浅い部分を占める体積と表面から深い部分を占める体積の比率が互いに異なる”というものにも対応している。
【００８１】
すでに説明したように、導体１０１を二次電子像で観察したときのコントラストによって荷電粒子のエネルギーを判別することが可能である。本実施の形態のような構造は半導体の多層配線技術のうち比較的簡単な２層配線技術を利用できるので、極めて容易で安価に荷電粒子のエネルギー検出装置を実現することができる。
【００８２】
（実施の形態４）
図４は実施の形態４にかかわる荷電粒子のエネルギー検出装置の構成を示す模式的な図である。本実施の形態の検出装置は、導体１０１の部分と薄膜である絶縁体１０２の部分から構成され、導体の深い部分の幅１０５と幅１０６は互いに異なっている。また、絶縁体１０２の幅１１５は絶縁耐圧の５Ｖを維持できる範囲で導体部分の幅１１４の１／１００以下に設定してある。
【００８３】
すでに説明したように、導体１０１を二次電子像で観察したときのコントラストによって荷電粒子のエネルギーを判別することが可能である。本実施の形態のような構造は半導体の多層配線技術のうち比較的簡単な２層配線技術を利用できるので、比較的容易で安価に荷電粒子のエネルギー検出装置を実現することができる。本発明の構造では表面に露出する絶縁体１０２の幅１１５が導体部分の幅１１４の１／１００以下と小さいが、導体部分の幅を１０倍以上拡大して、結果として、絶縁体１０２の幅１１５を導体部分の幅１１４の１／１０００以下とすれば、すでに議論したように、観察視野と絶縁体１０２の帯電による影響を回避でき、より正確な判定が可能となる。
【００８４】
（実施の形態５）
図５は実施の形態５にかかわる荷電粒子のエネルギー検出装置の構成を示す模式的な図であり、図５（ａ）は平面図、図５（ｂ）は縦断面図である。本実施の形態の検出装置は、導体１０１の部分と薄膜である絶縁体１０２の部分から構成され、複数個の導体の深さ、例えば図５の例では、深さ１１６、深さ１１７、深さ１１８などは、配列の順に大きさが変化している。このように導体の部分が順序良く並んでいるために、加速電圧によるコントラストの変化が配列の一つの境界で起こることになり、観察が極めて容易である。なお、この例では実施の形態２の場合に適用してあるが、これを実施の形態１〜４のどれに適用しても良い。また、配列の横に適当な目盛や文字（数値）を配置すれば、さらに便利である。
【００８５】
（実施の形態６）
図６は実施の形態６にかかわる荷電粒子のエネルギー検出装置の製造方法を示す模式的な図である。
【００８６】
本実施の形態の荷電粒子のエネルギー検出装置の製造方法は、次のように行うものである。
【００８７】
まず、図６（ａ），（ｂ）に示すように、基板である導体１０１に所望の大きさの開口１０８や開口１０９を持つマスクパターン１０７を形成する。
【００８８】
次に、図６（ｃ）に示すように、マスクパターン１０７を用いて前記基板をエッチングし開口１０８や開口１０９に孔１１０と孔１１１を生成する。
【００８９】
次に、図６（ｄ）に示すように、マスクパターン１０７を除去する。
【００９０】
次に、図６（ｅ）に示すように、前記基板に絶縁体１０２を堆積する。
【００９１】
次に、図６（ｆ）に示すように、さらに導体１０１ａを堆積する。
【００９２】
次に、図６（ｇ）に示すように、表面を除去する工程により、導体１１２と導体１１３とを電気的に分離し、かつ、前記基板表面に導体を露出させる。
【００９３】
詳しい説明は省略するが、基板はたとえばシリコンやＧａＡｓなどの半導体ウエハーを用いることも可能で、場合によっては石英やサファイヤなどの絶縁性基板を用いても良い。絶縁性基板の場合は、絶縁体１０２を堆積する工程は不要となる。また、絶縁体や導体を基板上に堆積する方法は、半導体で用いる各種ＣＶＤ法を利用することが可能である。孔１１０などを形成する方法はドライエッチングやウエットエッチング法を利用できる。ドライエッチングを利用する場合は開口１０８などの寸法によってエッチングされる深さが変化するマイクロローディングという現象が利用できる。ウエットエッチングでは結晶方位によってエッチング速度が異なることを利用して、逆ピラミッド形状にエッチングすることが可能である。なお、ウエットエッチの場合は、マスク寸法によってエッチング深さを正確に決定できるというメリットがある。最後の導体１１２，１１３などを分離する工程は、ドライエッチングを用いた各種エッチバック技術やＣＭＰ技術を利用することが可能である。
【００９４】
以上述べたように、本実施の形態による荷電粒子のエネルギー検出装置の製造方法は既存の半導体製造技術を利用し、さらにそのうえ、コストに最も影響するマスク工程を１回しか必要としないので、経済性が高く、極めて小さいチップサイズの荷電粒子のエネルギー検出装置の実現が可能である。
【００９５】
（その他の実施の形態）
以上の実施の形態は本発明の例であり、本発明はこれらの実施の形態に限定されることはない。導体の形状の選択においては、表面付近と飛程付近とで導体が占める体積の比率を異ならせることが本質である。例えば、上記実施の形態では比較的単純な幾何学的構造を選び、深さや幅といった単純なパラメータを相違させただけであったが、これを等価な任意の立体構造に拡張しても良い。
【産業上の利用可能性】
【００９６】
以上説明したように、本発明の荷電粒子のエネルギー検出装置は、荷電粒子のエネルギー測定を極めて簡便で省スペースでかつ経済的に実現できる点で有用であり、産業上の利用可能性は高い。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】本発明の実施の形態１にかかわる荷電粒子のエネルギー検出装置の模式的な構成図
【図２】本発明の実施の形態２にかかわる荷電粒子のエネルギー検出装置の模式的な構成図
【図３】本発明の実施の形態３にかかわる荷電粒子のエネルギー検出装置の模式的な構成図
【図４】本発明の実施の形態４にかかわる荷電粒子のエネルギー検出装置の模式的な構成図
【図５】本発明の実施の形態５にかかわる荷電粒子のエネルギー検出装置の模式的な構成図
【図６】本発明の実施の形態６にかかわる荷電粒子のエネルギー検出装置の模式的な構成図
【図７】二次電子放出過程の模式的な説明図
【図８】本発明の原理の説明図その１
【図９】本発明の原理の説明図その２
【図１０】本発明の原理の説明図その３
【図１１】本発明の原理の説明図その４
【図１２】本発明の原理の説明図その５
【図１３】絶縁体の膜厚の影響を示す図
【図１４】従来の構成による荷電粒子のエネルギー検出装置の模式的な構成図
【符号の説明】
【００９８】
１０１  導体
１０２  絶縁体
１０７  マスクパターン
１０８，１０９  開口
１１０，１１１  孔
１１２，１１３  導体
２０１  一次電子
２０２  試料
２０３  飛程
２０４  二次電子
２０５  電子流入量
２０６  試料深さ
２０７  表面付近
２０８  飛程付近
２０９，２１０，２１１  導体深さ
２１２  総電子流入量
２１３，２１４，２１５，２１６  導体深さ
２１７  総電子流入量の極性が変化する深さ
２１８  加速電圧
３０１  接地電極
３０２  減速電極
３０３ａ，３０３ｂ  スリット
３０４  電子検出器
３０５  電子
３０６  高エネルギー電子
３０７  低エネルギー電子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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