(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料から発生する電磁波又は荷電粒子を検出する検出器であって、
試料に対向する受光面をＰ型又はＮ型半導体とし、受光面と反対側の裏面のＮ型半導体又はＰ型半導体を分割してその裏面から信号を取り出すようにしたことを特徴とするＰＩＮ型検出器。
【請求項２】
試料から発生する電磁波又は荷電粒子を検出する検出器であって、
試料に対向する受光面をＰ型又はＮ型半導体とし、受光面と反対側の裏面を分割して、組成像又は凹凸像を分離して得るための円形分割したものと、
試料から発生した電磁波又は荷電粒子を低い角度で検出するための立体像観察用の検出部を同一ウエハ上に一体形成させ、
その裏面から信号を取り出すようにしたことを特徴とするＰＩＮ型検出器。
【請求項３】
試料から発生する電磁波又は荷電粒子を検出する検出器であって、
試料に対向する受光面をＮ型半導体とし、受光面と反対側の裏面を分割してその裏面から信号を取り出すようにした検出器において、
受光面に０から＋１００Ｖまでの直流可変電圧を印加することを特徴とするＰＩＮ型検出器。
【請求項４】
電磁波又は荷電粒子は、その波長が０．０１ｎｍ〜１１００ｎｍの範囲に含まれることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のＰＩＮ型検出器。
【請求項５】
試料へ荷電粒子ビームを照射して試料から反射される反射電子を検出する反射電子検出器であって、
試料に対向する受光面をＰ型又はＮ型半導体とし、受光面と反対側の裏面のＮ型半導体又はＰ型半導体を分割してその裏面から信号を取り出すようにしたことを特徴とするＰＩＮ型検出器。
【請求項６】
試料へ荷電粒子ビームを照射して試料から反射される反射電子を検出する反射電子検出器であって、
試料に対向する受光面をＰ型又はＮ型半導体とし、受光面と反対側の裏面を分割して、組成像又は凹凸像を分離して得るための円形分割したものと、
試料から反射された反射電子を低い角度で検出するための立体像観察用の反射電子検出部を同一ウエハ上に一体形成させ、
その裏面から信号を取り出すようにしたことを特徴とするＰＩＮ型検出器。
【請求項７】
試料へ荷電粒子ビームを照射して試料から反射される反射電子を検出する反射電子検出器であって、
試料に対向する受光面をＮ型半導体とし、受光面と反対側の裏面を分割してその裏面から信号を取り出すようにした反射電子検出器において、
受光面に０から＋１００Ｖまでの直流可変電圧を印加することを特徴とするＰＩＮ型検出器。
【請求項８】
Ｐ型シリコンのウエハの表面にリン又はヒ素をイオン注入することにより受光面にＮ層を形成し、裏面にはボロンをイオン注入してＰ層を形成してなることを特徴とする請求項１乃至７の何れかに記載のＰＩＮ型検出器。
【請求項９】
受光面におけるヒ素の濃度が１Ｅ＋１８〜１Ｅ＋２０（ａｔｍｓ／ｃｃ）、浸透深さが約３０〜７０ｎｍのところでヒ素濃度が１Ｅ＋１０〜１Ｅ＋１２（ａｔｍｓ／ｃｃ）であることを特徴とする請求項８記載のＰＩＮ型検出器。
【請求項１０】
受光面をＮ型半導体でカソードコモンとし、
裏面のＰ型半導体をアノードとすることを特徴とする請求項１乃至９の何れかに記載のＰＩＮ型検出器。
【請求項１１】
受光面をＮ型半導体とし、裏面のＰ型半導体のアクティブエリア全面にアルミニウム又は金を数μｍの厚さに蒸着してアノード電極とすることを特徴とする請求項１乃至９の何れかに記載のＰＩＮ型検出器。
【請求項１２】
受光面をＮ型半導体で、受光面の外周を幅０．５ｍｍでアルミニウム又は金で蒸着し、カソードコモン電極とすることを特徴とする請求項１乃至９の何れかに記載のＰＩＮ型検出器。
【請求項１３】
請求項１乃至１２の何れかに記載のＰＩＮ型検出器を備える荷電粒子ビーム装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＰＩＮ型検出器及びＰＩＮ型検出器を備えた荷電粒子ビーム装置に関し、更に詳しくはＳＥＭ等の荷電粒子ビーム装置に設置される検出器の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＳＥＭ等においては、電子ビームが照射された時に試料表面から放出される反射電子を検出する反射電子検出器が用いられる。近年は、シンチレータ方式に代わり、半導体を用いた半導体検出器が用いられるようになっている。図９は反射電子検出器の構成例を示す図である。試料台２の上に載置された試料３に電子ビームＥＢが照射され、試料３の表面からは反射電子が放出される。この反射電子は反射電子検出器９に捕獲される。
【０００３】
この反射電子検出器９は、Ｐ＋層１０と、Ｉ層１１と、Ｎ＋層１２から構成される、いわゆるＰＩＮ型半導体検出器である。該反射電子検出器９の真ん中には、１次電子ビームＥＢを通過させる穴５が穿たれている。Ｎ＋層１２は接地されている。
【０００４】
反射電子検出器９は、反射電子の受光面となるＰ型半導体（Ｐ＋）層１０、真性領域のＩ層１１、Ｎ型半導体（Ｎ＋）層１２よりなり、ＰＩＮ型フォトダイオードを構成している。即ち、Ｐ＋層１０は、シリコンにボロン（Ｂ）等の不純物が真空加熱炉により拡散されており、Ｎ＋層１２にはリン（Ｐ）等の不純物が拡散されている。この構成で、Ｎ＋層１２は接地されており、Ｐ＋層１０から入射電子に応じた強度の信号が取り出される。
【０００５】
従来のこの種の検出器としては、受光面がＰ層（アノード）、裏面がＮ層でカソードコモンの例が知られており、受光面が分割面とされている（例えば特許文献１及び特許文献２参照）。また受光面がＮ層（カソード）、裏面がＰ層でアノードコモンの例が知られており、受光面が分割面とされている（例えば特許文献３参照）。
【０００６】
【特許文献１】特許第２８２４６７９号公報（３頁左欄第１１行〜同頁右欄第３８行、第１図〜第５図）
【特許文献２】特許第３２１０４６５号公報（段落００１３〜００１９、図４）
【特許文献３】特許第３１５４８２７号公報（段落００１０〜００１１、図３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
１）円形の２分割又は４分割の反射電子検出器は、分割された夫々の検出器から得られる信号を加算すれば組成像となり、減算すれば凹凸像となる。検出器表面（受光面）は、ＳｉＯ2等の酸化皮膜で分割されているので、試料からの反射電子に曝されてチャージアッ
プする。その結果、この帯電状態はノイズとなり画像障害を生じる。また、円形の２分割又は４分割の反射電子検出器の中央部にある電子ビーム通過孔周辺は、約０．５ｍｍの幅でＳｉＯ2等の酸化皮膜で覆われているので特にチャージアップしやすい。
【０００８】
この酸化被膜の部分でチャージアップすると、検出器表面（受光面）と裏面の間で暗電流が増加し、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）の観察画像に輝度変化が生じ、場合によってはハレーションが起きて観察不能となる。
２）有効受光面積（アクティブエリア）は、ＳｉＯ2等の酸化皮膜で覆われている面積分
だけ少なくなる。この結果、感度が低下する。
３）逆方向バイアス電圧印加の効果
ＰＮ接合において、逆方向にバイアス電圧を印加することは、空乏層（本発明のＩ層に相当）を広げ、接合面の電気的容量（Ｃ）を１／√Ｖに小さくできることから、応答速度を速くする方法として一般的に知られている。受光面をＰ層とする従来のＰＩＮ型半導体検出器では、Ｐ層（−側：アクセプタイオン）にマイナス電圧を印加するが、そのマイナスの印加電圧が高いほど接合面の電気的容量（Ｃ）が小さくなり応答速度は速くなる。
【０００９】
しかしながら、そのマイナスの印加電圧が高いほど試料からの反射電子を減速させる方向に作用し、ＳＥＭの加速電圧が３ｋＶ以下の低エネルギーの反射電子を検出する場合、逆効果になる。つまり、感度低下をきたす。感度低下は、加速電圧が低くなるほど顕著になる。つまり、従来の方法では、感度と応答速度の両立を図ることができなかった。
４）従来、ＳＥＭで使用されていた半導体型反射電子検出器は、一般的にＰＩＮフォトダイオードである。その製法はＳＥＭの検出器としては、特に低加速電圧で充分な感度が得られなかった（詳細後述）。
５）組成像と凹凸像を分離するための円形の２分割又は４分割の反射電子検出器又は立体像を得るための長方形型反射電子検出器の応答速度を速くするために分割されるＰＩＮ型半導体検出器において、従来は受光面（分割面）の反対側（裏面側）をコモンとしている。受光面がＰ層のＰＩＮ型半導体検出器では、裏面がカソードコモンとなる。受光面がＮ層のＰＩＮ型半導体検出器では、裏面がアノードコモンとなる。
【００１０】
このため、受光面側から取り出す信号電極の数は、分割された数だけ必要になり、電極部の総面積が増える。この信号電極の面積分は不感領域となり感度には寄与しない。
６）従来の信号取り出し電極は、約０．５ｍｍ径のエリアにＡｌ（アルミニウム）やＡｕ（金）を蒸着し、その上に直径１００μｍ程度のＡｕ線をエポテック（導電性接着材）やＡｇ（銀）ペースト等で接着する。この接着は、外力に弱いため、樹脂等で保護する場合もある。このため、十分な強度で接触していないので、接触抵抗が大きい。また、信号取り出し電極面はＰ層（Ｓｉ基板にＢをドーピングした表面で受光面である）そのものであるため、表面抵抗（Ｓｉの抵抗率＝３．９７×１０3Ω・ｍ、Ｂの抵抗率＝１×１０6Ω・ｍ）が大きく、信号の損失を生じる。
【００１１】
つまり、感度低下をきたし歩留まりが悪かった。なお、電極部の面積が小さく、ＡｌやＡｕの蒸着膜が薄いため、ワイヤボンディングができない。また、ワイヤボンディングで使用する直径１０μｍ程度のＡｕ線は、エポテック（導電性接着剤）やＡｇペースト等で接着した場合、接触抵抗が大きく、また断線がおきやすく使用できない等の問題があった。
７）従来の信号取り出し電極は、受光面側に設けられていたので、受光面をＡｌやＡｕで蒸着することができなかった。受光面をＡｌやＡｕで蒸着すると、検出器としての機能が失われ、試料からの反射電子を検出できない。そのため、受光面に到達した信号（パルス）は、信号取り出し電極から距離が離れているほど表面抵抗（Ｓｉの抵抗率＝３．９７×１０3Ω・ｍ、Ｂの抵抗率＝１×１０6Ω・ｍ）の影響を受けて、減衰（波高値が小さくなる）し、パルスの立ち上がり時間が長くなる（パルス波形がブロードになる）という問題があった。
【００１２】
前述した４）について詳細に説明する。ＳＥＭにおける半導体型の反射電子検出器としては、一般的なフォトダイオードが用いられる。フォトダイオードは、光を検出する目的が主で、付随的に電子を検出するのに使用される。このため、光は電位を持っていないので、素子内部の電界の方向を考慮して受光面を決める必要がない。光を検出する場合、受光面はどちらでもよいが、フォトダイオードの受光面が何故Ｐ層なのかについて説明する。
【００１３】
真空加熱炉（拡散）の中において、シリコン基板にＰ（リン）又はＡｓ（ヒ素）を拡散してＮ層を、Ｂ（ボロン）を拡散してＰ層を作る。例えば、約１１００゜Ｃの加熱温度でＰ又はＡｓとＢの拡散係数を比較すると、一桁以上Ｂの拡散係数が小さい。即ち、Ｂはシリコン基板の表層部に止まるが、Ｐ又はＡｓはシリコン基板の内部深くまで浸透する。その結果、Ｐ層は薄くＮ層は充分に厚くなる（Ｎ層はＰ層に比べて数十倍厚い）。
【００１４】
そこで、光をＰ層側から入れた場合と、Ｎ層側から入れた場合の感度比較をすると、その差は歴然である。勿論、光をＰ層側から入れた場合が感度がよくなる。Ｎ層側から光を入れた場合は、Ｎ層での吸収が大きく、Ｉ層を励起する充分なエネルギーを持たないので感度低下を生じる。
【００１５】
このような理由によりフォトダイオードの受光面はＰ層となっている。しかしながら、可視光領域から近赤外領域に感度ピークを持ってくるためにはＰ層の厚さは、５００ｎｍ〜２μｍ程度必要である。しかしながら、電子を検出する場合は、もっと短波長側（紫外領域）の感度をあげる必要がある。そのためには、Ｐ層の厚さを１／１０〜１／４０まで薄くする必要がある。
【００１６】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、感度を低下させることなく、良好に反射電子を検出することができる反射電子検出器及び該反射電子検出器を備えた荷電粒子ビーム装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
（１）請求項１記載の発明は、試料から発生する電磁波又は荷電粒子を検出する検出器であって、試料に対向する受光面をＰ型又はＮ型半導体とし、受光面と反対側の裏面のＮ型半導体又はＰ型半導体を分割してその裏面から信号を取り出すようにしたことを特徴とする。
（２）請求項２記載の発明は、試料から発生する電磁波又は荷電粒子を検出する検出器であって、試料に対向する受光面をＰ型又はＮ型半導体とし、受光面と反対側の裏面を分割して、組成像又は凹凸像を分離して得るための円形分割したものと、試料から発生した電磁波又は荷電粒子を低い角度で検出するための立体像観察用の検出部を同一ウエハ上に一体形成させ、その裏面から信号を取り出すようにしたことを特徴とする。
（３）請求項３記載の発明は、試料から発生する電磁波又は荷電粒子を検出する検出器であって、試料に対向する受光面をＮ型半導体とし、受光面と反対側の裏面を分割してその裏面から信号を取り出すようにした検出器において、受光面に０から＋１００Ｖまでの直流可変電圧を印加することを特徴とする。
（４）請求項４記載の発明は、電磁波又は荷電粒子は、その波長が０．０１ｎｍ〜１１００ｎｍの範囲に含まれることを特徴とする。
（５）請求項５記載の発明は、試料へ荷電粒子ビームを照射して試料から反射される反射電子を検出する反射電子検出器であって、試料に対向する受光面をＰ型又はＮ型半導体とし、受光面と反対側の裏面のＮ型半導体又はＰ型半導体を分割してその裏面から信号を取り出すようにしたことを特徴とする。
（６）請求項６記載の発明は、試料へ荷電粒子ビームを照射して試料から反射される反射電子を検出する反射電子検出器であって、試料に対向する受光面をＰ型又はＮ型半導体とし、受光面と反対側の裏面を分割して、組成像又は凹凸像を分離して得るための円形分割したものと、試料から反射された反射電子を低い角度で検出するための立体像観察用の反射電子検出器を同一ウエハ上に一体形成させ、その裏面から信号を取り出すようにしたことを特徴とする。
（７）請求項７記載の発明は、試料へ荷電粒子ビームを照射して試料から反射される反射電子を検出する反射電子検出器であって、試料に対向する受光面をＮ型半導体とし、受光面と反対側の裏面を分割してその裏面から信号を取り出すようにした反射電子検出器において、受光面に０から＋１００Ｖまでの直流可変電圧を印加することを特徴とする。
（８）請求項８記載の発明は、Ｐ型シリコンのウエハの表面にリン又はヒ素をイオン注入することにより受光面にＮ層を形成し、裏面にはボロンをイオン注入してＰ層を形成してなることを特徴とする。
（９）請求項９記載の発明は、受光面におけるヒ素の濃度が１Ｅ＋１８〜１Ｅ＋２０（ａｔｍｓ／ｃｃ）、浸透深さが約３０〜７０ｎｍのところでヒ素濃度が１Ｅ＋１０〜１Ｅ＋１２（ａｔｍｓ／ｃｃ）であることを特徴とする。
（１０）請求項１０記載の発明は、受光面をＮ型半導体でカソードコモンとし、裏面のＰ型半導体をアノードとすることを特徴とする。
（１１）請求項１１記載の発明は、受光面をＮ型半導体とし、裏面のＰ型半導体のアクティブエリア全面にアルミニウム又は金を数μｍの厚さに蒸着してアノード電極とすることを特徴とする。
（１２）請求項１２記載の発明は、受光面をＮ型半導体で、受光面の外周を幅０．５ｍｍでアルミニウム又は金で蒸着し、カソードコモン電極とすることを特徴とする。
（１３）請求項１３記載の発明は、請求項１乃至１２の何れかに記載のＰＩＮ型検出器を備える荷電粒子ビーム装置であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
（１）請求項１記載の発明によれば、信号検出のためのリード線を受光面の裏側から取り出すので、リード線の蒸着部の不感領域が受光面に現れないため、感度を低下させることなく、良好に電磁波又は荷電粒子を検出することができる。
（２）請求項２記載の発明によれば、電磁波像又は荷電粒子像に加えて、試料の立体像を観察することができる。
（３）請求項３記載の発明によれば、検出素子に適当なバイアスを与えて、良好な電磁波信号又は荷電粒子信号を検出することができる。
（４）請求項４記載の発明によれば、波長が０．０１ｎｍ〜１１００ｎｍの範囲に含まれる電磁波又は荷電粒子を検出することができる。
（５）請求項５記載の発明によれば、信号検出のためのリード線を受光面の裏側から取り出すので、リード線の蒸着部の不感領域が受光面に現れないため、感度を低下させることなく、良好に反射電子を検出することができる。
（６）請求項６記載の発明によれば、反射電子像に加えて、試料の立体像を観察することができる。
（７）請求項７記載の発明によれば、反射電子検出素子に適当なバイアスを与えて、良好な反射電子信号を検出することができる。
（８）請求項８記載の発明によれば、ＰＩＮ型半導体検出器のＰ層とＮ層を良好に形成することができる。
（９）請求項９記載の発明によれば、受光面において好ましいヒ素濃度が得られるイオン注入を行なうことができる。
（１０）請求項１０記載の発明によれば、反射電子の受光面をＮ型半導体でカソードコモンとすることにより、良好な信号を検出することができる。
（１１）請求項１１記載の発明によれば、アノード電極を裏面に形成し、検出信号を良好に取り出すことができる。
（１２）請求項１２記載の発明によれば、受光面である表面にカソードコモン電極を形成することができる。
（１３）請求項１３記載の発明によれば、本発明を用いたＰＩＮ型検出器を用いた荷電粒子ビーム装置を提供することができ、電磁波又は荷電粒子（反射電子を含む）を正確に検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明の第１の実施の形態を示す図である。図において、ＥＢは図示しないビーム源から放出された荷電粒子ビームである電子ビーム、２０は該電子ビームＥＢを細かく絞る対物レンズ、３０は対物レンズ２０の真下に配置されたＰＩＮ型検出器である。該ＰＩＮ型検出器３０は、受光面であるＮ層３１と、真性層であるＩ層３２と、裏面であるＰ層３３から構成されている。３４はＰＩＮ型検出器３０に穿たれている電子ビームＥＢが通るための穴である。これらビーム源、対物レンズ２０及びＰＩＮ型検出器３０等により荷電粒子ビーム装置が構成される。
【００２０】
（Ａ）は裏面側のＰＩＮ型検出器の形状を、（Ｂ）は受光面側のＰＩＮ型検出器の形状をそれぞれ示す。（Ａ）がＰ型半導体、（Ｂ）がＮ型半導体である。（Ａ）において、３３ａと３３ｂは円形が２分割された分割面を示している。分割面３３ａをＡと、分割面３３ｂをＢとして示す。３３ｃは長方形型の分割面、３３ｄは同じく長方形型の分割面である。分割面３３ｃをＣ、３３ｄをＤとして示す。図中に示す黒ポッチはリード線引き出し点の電極をそれぞれ示している。３５は円形の裏面に外形に沿って形成されたＳｉＯ2膜
である。
【００２１】
裏面のＰ型半導体のアクティブエリア（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）全面に抵抗率の小さいＡｌ（抵抗率＝２．６５×１０-8Ω・ｍ）又はＡｕ（抵抗率＝２．２１×１０-8Ω・ｍ）を数μｍの厚さに蒸着している。このため、信号（パルス）を減衰させることなく、また、パルスの立ち上がり時間を長くすることなく、電極に信号（パルス）を集めることができる。
【００２２】
（Ｂ）において、３６は受光面である。３７は幅０．５ｍｍで受光面側に蒸着されたＡｌ蒸着部である。この面の黒ポッチの部分（電極）にカソード引き出し線が接続される。３９はカソードのリード線が接続されるカソード端子である。
【００２３】
（Ｃ）は（Ａ）及び（Ｂ）で示される反射電子検出器の等価回路を示している。分割面Ａ〜Ｄのそれぞれから引き出し線が出て、カソードコモンとなっている。３８は試料面であり、電子ビームＥＢが入射され、試料からは反射電子が放出される様子を示している。この実施の形態は、円形２分割（組成像／凹凸像）＋立体像を得ることができる。
【００２４】
このように、この実施の形態によれば、信号検出のためのリード線を受光面の裏側から取り出すので、リード線の蒸着部の不感領域が受光面に現れないため、感度を低下させることなく、良好に反射電子を検出することができる。また、立体像を得るための分割面Ｃ，Ｄを持っているため、反射電子像（組成像／凹凸像）に加えて試料の立体像を観察することができる。
【００２５】
図２は本発明の第２の実施の形態を示す図である。図１と同一のものは、同一の符号を付して示す。この実施の形態は、図１に示す実施の形態に比較して、裏面の円形２分割が４分割にされた例を示している。受光面がＮ型半導体、裏面がＰ型半導体である。ＥＢは電子ビーム、２０は対物レンズ、３０は本発明に係るＰＩＮ型検出器である。裏面側（Ａ）において、３３ｅ〜３３ｈはそれぞれ裏面の分割面Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２をそれぞれ示している。３３ｉ，３３ｊは立体像をみるために長方形が２分割されたものである。３３ｉをＣ、３３ｊをＤとして示す。３５は円形の裏面に外形に沿って形成されたＳｉＯ2
膜である。図１と同じく、裏面のＰ型半導体のアクティブエリア（Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２，Ｃ，Ｄ）全面にＡｌ又はＡｕを数μｍの厚さに蒸着している。その効果も同様に、信号（パルス）を減衰させることなく、そしてパルスの立ち上がり時間を長くすることなく、電極に信号（パルス）を集めることができる点である。
【００２６】
受光面側（Ｂ）において、３６は受光面、３７は幅０．５ｍｍで受光面側に蒸着されたＡｌ蒸着部、３９はカソードのリード線が接続されるカソード引き出し端子である。
【００２７】
等価回路（Ｃ）において、分割面Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２，Ｃ，Ｄのそれぞれから引き出し線が出て、カソードコモンとなっている。効果は、図１に示す構成のものと同様である。この実施の形態は、円形４分割（組成像／凹凸像）＋立体像を得ることができる。
【００２８】
図３は本発明の第３の実施の形態を示す図である。図１と同一のものは、同一の符号を付して示す。受光面がＮ型半導体、裏面がＰ型半導体である。この実施の形態は、正方形２分割（組成像／凹凸像）＋立体像を見るようにしたものである。ＥＢは電子ビーム、２０は対物レンズ、３０は本発明に係るＰＩＮ型検出器である。この場合において、電子ビームＥＢの通過穴３４の周囲と素子の真ん中に幅０．１ｍｍのアルミニウム蒸着をする場合もある。図の４５がそのアルミ蒸着膜である。その理由は、逆バイアス電圧が全面に均一にかかるようにするためである。この技術は、前述した第１，第２の実施の形態と、後述する第４の実施の形態でも使用される。
【００２９】
裏面側（Ａ）において、３３ａ〜３３ｄは、それぞれ裏面の分割面Ａ〜Ｄを示している。このうち、Ｃ、Ｄは立体像を得るための分割面である。３５は矩形の裏面に外形に沿って形成されたＳｉＯ2膜である。受光面側（Ｂ）において、３６は受光面、３７は幅０．５ｍｍで受光面側に蒸着されたＡｌ蒸着部、３９はカソードのリード線が接続されるカソード引き出し端子である。この実施の形態の等価回路も図１に示すようにカソードコモン形式となっている。この実施の形態も、その効果は図１，図２に示す構成のものと同じである。
【００３０】
図４は本発明の第４の実施の形態を示す図である。図１と同一のものは、同一の符号を付して示す。受光面がＮ型半導体、裏面がＰ型半導体である。この実施の形態は、正八角形２分割（組成像／凹凸像）＋立体像を見るようにしたものである。ＥＢは電子ビーム、２０は対物レンズ、３０は本発明に係るＰＩＮ型検出器である。
【００３１】
裏面側（Ａ）において、３３ａ〜３３ｄは、それぞれ裏面の分割面Ａ〜Ｄを示している。このうち、Ｃ、Ｄは立体像を得るための分割面である。３５は矩形の裏面に外形に沿って形成されたＳｉＯ2膜である。受光面側（Ｂ）において、３６は受光面、３７は幅０．５ｍｍで受光面側に蒸着されたＡｌ蒸着部、３９はカソードのリード線が接続されるカソード引き出し端子である。この実施の形態の等価回路も図１に示すようにカソードコモン形式となっている。この実施の形態も、その効果は図１，図２，図３に示す構成のものと同じである。
【００３２】
以上の実施の形態において、カソードには０〜＋１００Ｖまでの電圧がカソード電極３９を介して印加されるようになっている。このようにすれば、反射電子検出素子に適当なバイアス電圧を与えて、良好な反射電子信号を検出することができる。
【００３３】
本発明によれば、前記ＰＩＮ型半導体検出器は、Ｐ型シリコンのウエハの表面にはリン又はヒ素をイオン注入することによりＮ層を形成し、裏面にはボロンをイオン注入してＰ層を形成することができる。このようにすれば、ＰＩＮ型半導体検出器のＰ層とＮ層を良好に形成することができる。
【００３４】
本発明によれば、試料へ荷電粒子ビームを照射し、試料からの反射電子を検出する素子は、母材となるシリコンウエハがＰ型シリコンであるＰＩＮ型半導体検出器であって、試料に対向した反射電子の受光面をＮ型半導体でカソードコモンとし、裏面のＰ型半導体をアノードとすることを特徴としている。このようにすれば、反射電子の受光面をＮ型半導体でカソードコモンとすることにより、良好な反射電子信号を検出することができる。
【００３５】
また、本発明によれば、試料へ荷電粒子ビームを照射し、試料からの反射電子を検出する素子は、母材となるシリコンウエハがＰ型シリコンであるＰＩＮ型半導体検出器であって、試料に対向した反射電子の受光面をＮ型半導体とし、裏面のＰ型半導体のアクティブエリア全面にアルミニウム又は金を数μｍの厚さに蒸着してアノード電極とすることを特徴とする。このようにすれば、アノード電極を裏面に形成し、検出信号を良好に取り出すことができる。
【００３６】
また、本発明によれば、試料へ荷電粒子ビームを照射し、試料からの反射電子を検出する素子は、母材となるシリコンウエハがＰ型シリコンであるＰＩＮ型半導体検出器であって、試料に対向した反射電子の受光面をＮ型半導体で、受光面の外周を幅０．５ｍｍでアルミニウム又は金で蒸着し、カソードコモン電極とすることを特徴とする。このようにすれば、反射電子の受光面である表面にカソードコモン電極を形成することができる。
１）次に、本発明の効果について考える。本発明では、上述したリン（Ｐ）又はヒ素（Ａｓ）とボロン（Ｂ）の拡散係数に着目して、Ｐ又はＡｓをイオン注入する時の温度をＢの時よりも低めに設定して、Ｎ層を極めて薄く（約３０〜７０ｎｍ）し、またＰ層も比較的薄く形成した。Ｎ層を３０〜７０ｎｍ程度まで薄くすることは、従来のフォトダイオードを製造する場合の真空加熱炉（拡散方法を採用）では不可能である。そこで、本発明ではイオン注入法を採用したものである。このとき、例えば、受光面におけるヒ素の濃度が１Ｅ＋１８〜１Ｅ＋２０（ａｔｍｓ／ｃｃ）、浸透深さが約３０〜７０ｎｍのところでヒ素濃度が１Ｅ＋１０〜１Ｅ＋１２（ａｔｍｓ／ｃｃ）となることが好ましい。
２）本発明は、応答速度の高速化と低加速電圧での感度向上の両立を図った。
【００３７】
逆方向バイアス電圧印加の効果として、本発明ではこの点にも考慮しており、Ｎ層（＋側：ドナーイオン）に０〜＋１００Ｖ程度までの直流可変電圧を印加する。この場合、降伏電圧は１２０Ｖである。接合面の電気的容量Ｃは、最大１／１０になる。受光面であるＮ層にプラス電圧を印加することは、試料からの反射電子を一層加速する方向に作用するので、低エネルギーの反射電子を検出する場合、特にその効果が顕著である。
３）本発明は、前述したように、受光面の反対側の裏面を分割し、受光面からＳｉＯ2等
チャージアップする全ての部材を排除した構造とし、受光面をカソードコモンとしている。このため、受光面側から取り出す信号電極の数は１個分だけである。この信号電極の不感領域は、従来の受光面を分割するタイプの検出器に比べて１／分割数となる。
【００３８】
また、チャージアップしないので、ノイズ等の画像障害、暗電流による輝度変化を最小限に抑えることができる。また、アクティブエリアを最大限大きくできるので、検出効率がよく感度が向上する。
４）本発明は、裏面のＰ型半導体のアクティブエリア全面にＡｌ又はＡｕをワイヤボンディングに充分な厚さ（数μｍ）まで蒸着してアノード電極としたので、直径１０μｍ程度のＡｕ線ワイヤボンディングが可能となり、接触抵抗を限りなく０Ωに近づけることができる。また、信号取り出し電極面は、アクティブエリア全面にＡｌ又はＡｕを数μｍ蒸着しているので、表面抵抗（Ａｌの抵抗率＝２．６５×１０-8Ω・ｍ，Ａｕの抵抗率＝２．２１×１０-8Ω・ｍ）が小さく、信号の損失が全くない。つまり、感度低下がなく歩留まりが良くなり、品質が安定向上した。このようにしたので、信号（パルス）を減衰させることなく、また、パルスの立ち上がり時間を長くすることなく、電極に信号（パルス）を集めることができる。
【００３９】
アクティブエリアの周囲にＡｌ又はＡｕをワイヤボンディングに充分な厚さ（数μｍ）まで蒸着できた理由は受光面でないからである。受光面にこのような蒸着を施すと、試料からの反射電子を感じることができない。因みに、Ａｌ又はＡｕを蒸着しない場合、電極から１０ｍｍ離れると約４００Ωの表面抵抗が生じることになる（５ｍｍ離れると約２００Ω）。この表面抵抗Ｒと容量Ｃの時定数により、信号（パルス）は減衰し、パルスの立ち上がり時間が長くなる（パルス波形がブロードになる）。
１．応答速度の高速化
次に、応答速度の高速化と低加速電圧での感度向上について説明する。応答速度は、ＰＮ接合面において形成されるドナーイオン（＋電極）とアクセプタイオン（−電極）間の電気的容量Ｃによって決まる。Ｃは次式で表される。
【００４０】
Ｃ＝Ａ×Ｋ／χｍ
ここで、Ａ：ＰＮ接合（ＰＮＪ）の断面積（現在使用しているＰＮＪでは３６．８ｍｍ2×２＝７３．６ｍｍ2）
Ｋ：誘電率（常数で１．０５９×１０-10Ｆ／ｍ）
χｍ：空間電荷領域＝電位の勾配領域＝空乏層の幅
（０．６Ｖのセルフバイアスによる約１３μｍ）
これらの値から計算すると、現在使用しているＰＮＪのＣは約３００ｐＦである（因みに実測値は２９０ｐＦ）。ここで、Ｃをいかに小さくできるかが高速化のポイントである。上式から分かるように、χｍを大きくすればＣは小さくなる。理論的には、真性領域（Ｉ層）一杯の２００μｍまで広げることができるが、降伏電圧を１２０Ｖとすると、約１００Ｖまで逆バイアス電圧を印加することができる。χｍは√Ｖに比例するので、１００Ｖ印加するとχｍ＝１３０μｍとなりＣ＝約３０ｐＦとなる。１００Ｖ印加で１／１０に低減した。１５Ｖなら約１／４、２４Ｖなら約１／５に低減することができる。
２．低加速電圧での感度向上
従来の受光面をＰ＋層とする方式では、逆バイアス電圧（−Ｖ）が高くなればなるほど低加速電圧での感度は低下する。理由は逆バイアス電圧（−Ｖ）が反射電子を抑制する方向に作用するからである。これに対して、特許文献３記載の発明では、受光面をＮ＋層とする方式であり、逆バイアス電圧（＋Ｖ）が高くなればなるほど低加速電圧での感度は向上する。理由は、逆バイアス電圧（＋Ｖ）が反射電子を加速する方向に作用するからである。
【００４１】
図５は本発明の反射電子検出回路の一例を示す図である。図に示す回路は、４分割裏面を構成している図１の回路を示している。図において、５０は０〜１００Ｖまで可変することができる可変電源、Ｃ１，Ｒ１，Ｃ２はフィルタを構成しているコンデンサ，抵抗である。５１はフィルタの出力であるカソードコモンラインである。５２〜５５は反射電子ｅを受けて、受けた反射電子量に応じた電流を発生するフォトダイオードである。これらフォトダイオードをそれぞれＡ〜Ｄとする。
【００４２】
フォトダイオードＡとコイルＬ１の直列回路は、コモンライン５１と接地ライン５７の間に接続されている。フォトダイオードＡとコイルＬ１との接続点から取り出された信号は、コンデンサＣ３，Ｃ４及び抵抗Ｒ２から構成される回路を経てＦＥＴ１のゲートに印加される。このゲートに印加される信号により、ＦＥＴ１のドレイン−ソース間の電圧が変化し、コンデンサＣ５から出力信号として取り出される。この取り出された信号は図示しないプリアンプに入力される。抵抗Ｒ４とＲ３とＦＥＴ１とは直列回路を構成しており、カソードコモンと接地ラインに接続されている。以上の構成は、残りの検出回路についても全く同様である。
【００４３】
図６は図５に示す回路に用いられる反射電子検出器の等価回路である。Ａ〜Ｄまでの４分割面からはリード線が引き出され、検出信号が読み出される。丸１がカソードコモン、丸２〜丸５がそれぞれ分割面Ａ〜Ｄから取り出される信号である。分割面Ａ〜Ｄの丸２〜丸５はアノード側を示している。
【００４４】
図７は本発明のアノードとカソードの取り付け状態を示す図である。図１と同一のものは、同一の符号を付して示す。対物レンズ２０で細かく絞られた電子ビームＥＢは検出器に穿たれた穴を通過して試料面３８に照射される。この時、試料面３８からは反射電子が放出され、カソードコモンの受光面に入射する。この時、受光面に入射した反射電子は、電気信号に変換され、アノード側に設けられた丸２〜丸５までの分割面からリード線で引き出される。
【００４５】
裏面は４分割されており、表面である受光面は一体構造となっている。この検出素子は、ＰＮＪ素子であり、各分割面を加算又は減算することにより試料の組成像又は凹凸像が得られる。
【００４６】
図８は本発明の立体像用ＰＮＪ素子の構成例を示す図である。裏面は２分割されており、表面（受光面）は一体となり、カソードコモンとなっている。裏面はアノードとなっており、丸８、丸９から検出信号が取り出される。丸７はカソードコモンを示している。
【００４７】
上述の実施の形態では、荷電粒子ビームとして電子ビームを用いた場合を例にとったが、本発明はこれに限るものではなく、その他の荷電粒子ビームにも等しく適用することができる。また、上述の実施の形態では、受光面にＮ型半導体及び裏面にＰ型半導体を用いた場合を例にとったが、本発明はこれに限る必要はなく、受光面にＰ型半導体及び裏面にＮ型半導体を用いる場合にも適用できる。
【００４８】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、感度を低下させることなく、良好に反射電子を検出することができる反射電子検出器を提供することができる。
【００４９】
なお、上記においては、当該検出器を試料から発生する反射電子を検出するために用いる実施例であった。しかしながら、本発明の検出器は、このような反射電子を検出することに限定されるものではない。
【００５０】
本発明の検出器は、反射電子以外の荷電粒子及び電磁波（光など）に対しても、検出感度が高い。
【００５１】
特に、検出器の受光表層面におけるヒ素又はリンの濃度を、１Ｅ＋１８〜１Ｅ＋２０（ａｔｍｓ／ｃｃ）とし、受光面であるＮ層の厚さを３０〜７０ｎｍとすることにより、検出器の感度波長範囲を、赤外線（波長は約１１００ｎｍ）〜可視光〜真空紫外線〜Ｘ線領域〜ガンマ線（波長は約０．０１ｎｍ）まで拡大することができる。ここで、従来技術におけるＰＩＮ型フォトダイオードの感度波長範囲は、赤外線（波長は約１１００ｎｍ）〜可視光（波長は約２００ｎｍ）までであった。
【００５２】
このように、本発明におけるＰＩＮ型検出器は、試料から発生する電磁波又は荷電粒子を検出する検出器であって、試料に対向する受光面をＰ型又はＮ型半導体とし、受光面と反対側の裏面のＮ型半導体又はＰ型半導体を分割してその裏面から信号を取り出すようにしている。
【００５３】
また、本発明におけるＰＩＮ型検出器は、試料から発生する電磁波又は荷電粒子を検出する検出器であって、試料に対向する受光面をＰ型又はＮ型半導体とし、受光面と反対側の裏面を分割して、組成像又は凹凸像を分離して得るための円形分割したものと、試料から発生した電磁波又は荷電粒子を低い角度で検出するための立体像観察用の検出部を同一ウエハ上に一体形成させ、その裏面から信号を取り出すようにしたことをも特徴としている。
【００５４】
さらに、本発明におけるＰＩＮ型検出器は、試料から発生する電磁波又は荷電粒子を検出する検出器であって、試料に対向する受光面をＮ型半導体とし、受光面と反対側の裏面を分割してその裏面から信号を取り出すようにした検出器において、受光面に０から＋１００Ｖまでの直流可変電圧を印加することをも特徴としている。
【００５５】
ここで、電磁波又は荷電粒子は、その波長が０．０１ｎｍ〜１１００ｎｍの範囲に含まれるものである。
【００５６】
また、本発明におけるＰＩＮ型検出器は、試料へ荷電粒子ビームを照射して試料から反射される反射電子を検出する反射電子検出器であって、試料に対向する受光面をＰ型又はＮ型半導体とし、受光面と反対側の裏面のＮ型半導体又はＰ型半導体を分割してその裏面から信号を取り出すようにしたことをも特徴としている。
【００５７】
さらに、本発明におけるＰＩＮ型検出器は、試料へ荷電粒子ビームを照射して試料から反射される反射電子を検出する反射電子検出器であって、試料に対向する受光面をＰ型又はＮ型半導体とし、受光面と反対側の裏面を分割して、組成像又は凹凸像を分離して得るための円形分割したものと、試料から反射された反射電子を低い角度で検出するための立体像観察用の反射電子検出部を同一ウエハ上に一体形成させ、その裏面から信号を取り出すようにしたことをも特徴としている。
【００５８】
そして、本発明におけるＰＩＮ型検出器は、試料へ荷電粒子ビームを照射して試料から反射される反射電子を検出する反射電子検出器であって、試料に対向する受光面をＮ型半導体とし、受光面と反対側の裏面を分割してその裏面から信号を取り出すようにした反射電子検出器において、受光面に０から＋１００Ｖまでの直流可変電圧を印加することをも特徴としている。
【００５９】
ここで、Ｐ型シリコンのウエハの表面にリン又はヒ素をイオン注入することにより受光面にＮ層を形成し、裏面にはボロンをイオン注入してＰ層を形成することができる。
【００６０】
受光面におけるヒ素の濃度は１Ｅ＋１８〜１Ｅ＋２０（ａｔｍｓ／ｃｃ）、浸透深さは約３０〜７０ｎｍのところでヒ素濃度が１Ｅ＋１０〜１Ｅ＋１２（ａｔｍｓ／ｃｃ）とされている。
【００６１】
受光面をＮ型半導体でカソードコモンとし、裏面のＰ型半導体をアノードとすることができる。
【００６２】
受光面をＮ型半導体とし、裏面のＰ型半導体のアクティブエリア全面にアルミニウム又は金を数μｍの厚さに蒸着してアノード電極とすることができる。
【００６３】
受光面をＮ型半導体で、受光面の外周を幅０．５ｍｍでアルミニウム又は金で蒸着し、カソードコモン電極とすることができる。
【００６４】
本発明における荷電粒子ビーム装置は、上記何れかのＰＩＮ型検出器を備える荷電粒子ビーム装置である。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態を示す図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態を示す図である。
【図４】本発明の第４の実施の形態を示す図である。
【図５】本発明の反射電子検出回路の一例を示す図である。
【図６】反射電子検出器の等価回路を示す図である。
【図７】本発明のアノードとカソードの取り付け状態を示す図である。
【図８】本発明の立体像用ＰＮＪ素子の構成例を示す図である。
【図９】反射電子検出器の構成例を示す図である。
【符号の説明】
【００６６】
２０    対物レンズ
３０    ＰＩＮ型検出器
３１    受光面（Ｎ層）
３２    真性層（Ｉ層）
３３    裏面（Ｐ層）
３３ａ  分割面
３３ｂ  分割面
３３ｃ  分割面
３３ｄ  分割面
３５    ＳｉＯ2膜
３６    受光面
３７    Ａｌ蒸着部
３８    試料面
【図１】
0005167043.tif 000002
【図２】
0005167043.tif 000003
【図３】
0005167043.tif 000004
【図４】
0005167043.tif 000005
【図５】
0005167043.tif 000006
【図６】
0005167043.tif 000007
【図７】
0005167043.tif 000008
【図８】
0005167043.tif 000009
【図９】
0005167043.tif 000010