(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子源から放出される荷電粒子線の照射により試料から放出される荷電粒子、及び試料から放出される荷電粒子が他部材に衝突することによって発生する荷電粒子の少なくとも一方を検出する検出器を備えた荷電粒子線装置であって、
前記検出器は、前記荷電粒子が入射すると光を発光するシンチレータと、光を電気信号に変換する受光素子と、前記シンチレータより発生した光を前記受光素子に導くライトガイドと、を備え、
前記ライトガイドは、
前記シンチレータの発光面に対向して配置され、前記シンチレータで発光した光を入射する入射面と、
前記受光素子に対向して配置され、光を出射する出射面と、
前記入射面に対向し、かつ前記入射面から入射した光を前記出射面の方向へ反射するように前記入射面に対して傾斜して配置された反射面と、を備え、
前記出射面は前記入射面よりも小さく、
前記入射面と前記出射面の間に、前記反射面と対向し、かつ前記入射面に対して傾斜して配置された斜面と、を備えることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項２】
請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
前記斜面は、前記反射面の少なくとも一部と略平行であることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項３】
請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
前記反射面は、複数の面から構成され、前記シンチレータの発光面の少なくとも一部を覆っていることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項４】
請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
前記反射面は、複数の面から構成され、前記シンチレータの発光面の少なくとも一部を覆い、
前記斜面は、前記反射面の複数の面のうち一面と略平行であることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のうち、いずれか一項に記載の荷電粒子線装置において、
前記反射面は、前記入射面から前記出射面に至ることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項４のうち、いずれか一項に記載の荷電粒子線装置において、
前記反射面と前記出射面の間に、前記反射面とは異なる傾斜角度の上面を備え、
前記シンチレータ、前記ライトガイド及び前記受光素子を含むある断面において、前記入射面と平行な面への前記反射面の射影長さは、前記平行な面への前記上面の射影長さよりも長いことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のうち、いずれか一項に記載の荷電粒子線装置において、
前記ライトガイドは、前記出射面に平行に切断したときの断面積が出射面に近づくにつれて小さくなることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のうち、いずれか一項に記載の荷電粒子線装置において、
前記シンチレータと前記ライトガイドは、前記シンチレータの発光光を透過する屈折率整合部材により接合されていることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項９】
請求項１乃至請求項８のうち、いずれか一項に記載の荷電粒子線装置において、
前記反射面は、金属からなる反射材を有する面であることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項９のうち、いずれか一項に記載の荷電粒子線装置において、
前記ライトガイドは、電子光学系の対物レンズを構成している部材いずれかの内側に配置していることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１１】
請求項１乃至請求項１０のうち、いずれか一項に記載の荷電粒子線装置において、
前記ライトガイドは、前記シンチレータの発光面全体を覆うことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１２】
請求項１乃至請求項１０のうち、いずれか一項に記載の荷電粒子線装置において、
前記入射面は、前記シンチレータの発光面全面を覆うことを特徴とする荷電粒子線装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷電粒子線装置に係り、特に、光を高効率に受光素子に導くライトガイドを備えた荷電粒子線装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
試料に電子ビーム等の荷電粒子線を照射することによって得られる荷電粒子を検出する荷電粒子線装置には、荷電粒子を検出するための検出器が備えられている。例えば検出器は、試料に荷電粒子線を照射することによって発生する第２の荷電粒子を捉えて光に変換するシンチレータなどの荷電検出素子、荷電検出素子で発光した光を電気信号に変換する受光素子、荷電検出素子の発光光を受光素子まで伝搬させるライトガイドを備える。受光素子から出力された電気信号は、画像信号や波形信号となる。【０００３】
近年、検出対象に応じてさまざまな検出器が提案されている。例えば、半導体デバイスの評価・計測装置として用いられている走査電子顕微鏡の場合、メモリなど半導体デバイスの構造は３Ｄ化が進んでいることから、歩留まり向上のため半導体基板上の穴や溝形状の底部寸法を高精度に計測したいというニーズがある。【０００４】
走査電子顕微鏡を用いた計測において、試料に照射する荷電粒子線は電子線であり、本明細書では１次電子線と称する。１次電子線の照射によって発生する第２の荷電粒子は電子であり、本明細書では信号電子と称することにする。１次電子線を試料に照射すると、電子と試料の相互作用によって様々なエネルギーをもった信号電子が様々な方向に出射する。  
一般に、信号電子はそのエネルギーによって大別され、５０ｅＶ以下のエネルギーで出射する信号電子は２次電子、それよりも大きく、１次電子線のエネルギーに近いエネルギーで出射する信号電子は反射電子と称される。例えば、非特許文献１には、２次電子は試料の表面形状や電位ポテンシャルに敏感であり、半導体デバイス構造のパターン幅などの表面構造の寸法計測に有効であることが開示されている。しかし、２次電子は、穴・溝などの３Ｄ構造に対しては側壁に吸収されるなどして穴・溝から脱出できず、検出および計測ができない。【０００５】
一方、特許文献１には、反射電子は試料の組成や立体形状の情報を含んでおり、３Ｄ構造や、表面と底部の組成の違いなどの情報が得られると共に、高いエネルギーを有するため、穴・溝から側壁を貫通して脱出でき、穴・溝構造の底部からの信号検出および計測が可能であることが開示されている。  
上述したように信号電子は様々なエネルギーを持って様々な方向に出射するため、信号電子のエネルギー等に応じて様々な検出器が求められる。  
例えば、特許文献２には環状検出器が記載されており、特許文献３には屈曲部を備えたライトガイドを有する検出器が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１５−１０６５３０号公報
【特許文献２】ＵＳ７，９２８，３８３号公報
【特許文献３】特開２０１７−１８３１２６号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｌ．Ｒｅｉｍｅｒ，Ｓｃａｎｎｉｎｇ  ＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｙ  （１９９８、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
検出器により信号電子を高効率に検出するためには、できるだけ多くの第２の荷電粒子を荷電検出素子で受けて、さらに荷電検出素子で発光した光を効率よく受光素子に伝達させる必要がある。前者に対しては、荷電検出素子の面積を増大することでより多くの第２の荷電粒子を受けられるようになる。後者に対しては、ライトガイド光学系の光利用効率を向上することで改善できる。荷電検出素子の面積を増大させると、荷電検出素子の発光面積も増える。一方で、受光素子の面積は、検出器を配置する空間の制限や大きな面積で且つ用途に適合した受光素子が実用化されていないことなどにより、小さな受光面積の受光素子を使わざるをえないことがある。そのような場合、荷電検出素子の大きな発光面から出射した光を受光素子の小さな受光面で受光する必要がある。【０００９】
従来のライトガイドはこの点に関して考慮されていないため、大面積発光面から小面積受光面に光を集める形状が備わってなかった。このことから大面積発光面からライトガイドに入射した光が、小面積受光面に向かって伝搬せず到達する前にライトガイドから漏れ、光利用効率（荷電検出素子から出射した光に対して受光素子に到達した光の割合）が低いという課題がある。【００１０】
そこで、本発明は、光利用効率を向上し得るライトガイドを用いた荷電粒子線装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、本発明に係る荷電粒子線装置は、荷電粒子源から放出される荷電粒子線の照射により試料から放出される荷電粒子、及び試料から放出される荷電粒子が他部材に衝突することによって発生する荷電粒子の少なくとも一方を検出する検出器を備えた荷電粒子線装置であって、前記検出器は、前記荷電粒子が入射すると光を発光するシンチレータと、光を電気信号に変換する受光素子と、前記シンチレータより発生した光を前記受光素子に導くライトガイドと、を備え、前記ライトガイドは、前記シンチレータの発光面に対向して配置され、前記シンチレータで発光した光を入射する入射面と、前記受光素子に対向して配置され、光を出射する出射面と、前記入射面に対向し、かつ前記入射面から入射した光を前記出射面の方向へ反射するように前記入射面に対して傾斜して配置された反射面と、を備え、前記出射面は前記入射面よりも小さく、前記入射面と前記出射面の間に、前記反射面と対向し、かつ前記入射面に対して傾斜して配置された斜面と、を備えることを特徴とする。【００１２】
また、本発明に係る荷電粒子線装置は、荷電粒子源から放出される荷電粒子線の照射により試料から放出される荷電粒子、及び試料から放出される荷電粒子が他部材に衝突することによって発生する荷電粒子の少なくとも一方を検出する検出器を備えた荷電粒子線装置であって、前記検出器は、前記荷電粒子が入射すると光を発光するシンチレータと、光を電気信号に変換する受光素子と、前記シンチレータより発生した光を前記受光素子に導くライトガイドと、を備え、前記ライトガイドは、前記シンチレータの発光面に対向して配置され、前記シンチレータで発光した光を入射する入射面と、前記受光素子に対向して配置され、光を出射する出射面と、前記入射面に対向し、かつ前記入射面から入射した光を前記出射面の方向へ反射するように前記入射面に対して傾斜して配置された反射面と、を備え、前記出射面は前記入射面よりも小さく、前記反射面は、複数の面から構成され、前記シンチレータの発光面の少なくとも一部を覆っていることを特徴とする。【００１３】
本発明に係る荷電粒子線装置は、荷電粒子源から放出される荷電粒子線の照射により試料から放出される荷電粒子、及び試料から放出される荷電粒子が他部材に衝突することによって発生する荷電粒子の少なくとも一方を検出する検出器を備えた荷電粒子線装置であって、前記検出器は、前記荷電粒子が入射すると光を発光するシンチレータと、光を電気信号に変換する受光素子と、前記シンチレータより発生した光を前記受光素子に導くライトガイドと、を備え、前記ライトガイドは、前記シンチレータの発光面に対向して配置され、前記シンチレータで発光した光を入射する入射面と、前記受光素子に対向して配置され、光を出射する出射面と、前記入射面に対向し、かつ前記入射面から入射した光を前記出射面の方向へ反射するように前記入射面に対して傾斜して配置された反射面と、前記反射面と前記出射面の間に配置され、前記反射面とは異なる傾斜角度の上面と、を備え、前記出射面は前記入射面よりも小さく、前記シンチレータ、前記ライトガイド及び前記受光素子を含むある断面において、前記入射面と平行な面への前記反射面の射影長さは、前記平行な面への前記上面の射影長さよりも長いことを特徴とする。【００１４】
また、本発明に係る荷電粒子線装置は、荷電粒子源から放出される荷電粒子線の照射により試料から放出される荷電粒子、及び試料から放出される荷電粒子が他部材に衝突することによって発生する荷電粒子の少なくとも一方を検出する検出器を備えた荷電粒子線装置であって、前記検出器は、前記荷電粒子が入射すると光を発光するシンチレータと、光を電気信号に変換する受光素子と、前記シンチレータより発生した光を前記受光素子に導くライトガイドと、を備え、前記ライトガイドは、前記シンチレータの発光面に対向して配置され、前記シンチレータで発光した光を入射する入射面と、前記受光素子に対向して配置され、光を出射する出射面と、前記入射面に対向し、かつ前記入射面から入射した光を前記出射面の方向へ反射するように前記入射面に対して傾斜して配置された反射面と、を備え、前記出射面は前記入射面よりも小さく、前記ライトガイドは、前記出射面に平行に切断したときの断面積が出射面に近づくにつれて小さくなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、光利用効率を向上し得るライトガイドを用いた荷電粒子線装置を提供ことが可能となる。  
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施例に係る実施例１の走査型電子顕微鏡の概略構図である。
【図２】図１に示す検出器の斜視図である。
【図３】図１に示す検出器を上方から見た上面図である。
【図４】図１に示す検出器を下方から見た下面図である。
【図５】図１に示す検出器の側面図である。
【図６】図２の上図のＡ−Ａ’線の断面図である。
【図７】検出器の外観斜視図である。
【図８】図７のＢ−Ｂ’線の断面図である。
【図９】反射面が一つの平面から構成されているライトガイドを用いた検出器の斜視図である。
【図１０】図９に示す検出器を上方から見た上面図及び下方から見た下面図である。
【図１１】図９に示す検出器のｘ軸に沿った断面図である。
【図１２】光利用効率比の角度θｃ１依存性の計算結果を示す図である。
【図１３】図７のＢ−Ｂ’線の他の断面図である。
【図１４】ライトガイドを上側から見た斜視図及び正面図である。
【図１５】図１４に示すライドガイドを下側から見た斜視図及び側面図である。
【図１６】入射面１１ａと反射面間の角度θｃ２が９０度のときのライトガイドを上側から見た斜視図及び正面図である。
【図１７】反射面１１ｃ２と反射面１１ｃ３が出射面１１ｂに至るまで角度θｃ２を小さくしたときのライトガイドを上側から見た斜視図及び正面図である。
【図１８】光利用効率比の角度θｃ２依存性の計算結果を示す図である。
【図１９】ライトガイドを上側から見た斜視図及び正面図である。
【図２０】図１９に示すライトガイドを下側から見た斜視図及び側面図である。
【図２１】角度θｄを変化させたときのライトガイドの側面図である。
【図２２】光利用効率比の、角度差（θｄ−θｃ１）依存性の計算結果を示す図である。
【図２３】ライトガイドの側面図である。
【図２４】ライトガイドの反射面の変形例を示す図である。
【図２５】本発明の他の実施例に係る実施例２の検出器の概略構成図である。
【図２６】本発明の他の実施例に係る実施例３の検出器を構成するシンチレータとライトガイドの拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面等を用いて、シンチレータを荷電検出素子とする検出器を備え、シンチレータと受光素子間にライトガイドを備えた荷電粒子線装置について説明する。以下では、電子顕微鏡、特に走査電子顕微鏡を荷電粒子線装置の一例として説明するが、これに限られるものではない。例えば、荷電粒子線装置として、イオンビームを用いた走査イオン顕微鏡なども含まれる。また、走査型電子顕微鏡を用いた半導体パターンの計測装置、検査装置、観察装置等にも適用可能であることは言うまでもない。  
本明細書においてシンチレータとは、荷電粒子を入射して発光する素子を指すものとする。本明細書におけるシンチレータは、以下に説明する実施例に示されたものに限定されず、様々な形状や構造をとることができる。
【実施例１】
【００１８】
図１は、本発明の一実施例に係る実施例１の走査型電子顕微鏡の概略構図である。図１に示すように、荷電粒子線装置の一態様である走査型電子顕微鏡は、真空環境である電子顕微鏡鏡筒１の内部に、荷電粒子源としての電子源２が配置されており、電子源２から放出された１次電子線（荷電粒子線）は、１次電子線光軸３に沿って飛行する。コイル５と外側磁路６、１次電子線光軸３に対して傾斜して配置された内側磁路７によって構成された対物レンズにより１次電子線は試料８上に収束される。試料８には負電圧が印加されており、１次電子線は電子源２で発生したときのエネルギーよりも小さいエネルギーで試料８に衝突する。１次電子線の照射により試料８から発生した信号電子９はそれぞれの出射エネルギー、出射角度に応じて電子顕微鏡鏡筒１内を飛行する。【００１９】
対物レンズを構成する何れかの部材の内側（本実施例では、外側磁路６の内側）に荷電検出素子としてのシンチレータ１０が配置されており、シンチレータ１０に信号電子９が衝突するとシンチレータ１０は発光し、その光はライトガイド１１により受光素子１２へ導光される。なお、シンチレータ１０は内側磁路７の上側であり、かつ偏向器４の下側に配置されている。【００２０】
シンチレータ１０は荷電粒子（信号電子９）の入射により発光する物質であれば良く、例えばＹＡＰ（ＹＡｌＯ４：Ｃｅ）やＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ）などの単結晶でも良く、イットリウム・シリケート・セリウム（Ｙ２ＳｉＯ５：Ｃｅ）などの粉体、半導体（ＧａＮ、Ｓｉ、ＳｉＣ）などを用いたシンチレータでも良い。半導体シンチレータの例としては、ＩｎＧａＮとＧａＮを積層した量子井戸構造を発光部とするシンチレータなどＧａＮ系の多層薄膜構造体がある。但し、本発明はシンチレータの種類に限定されるものではない。【００２１】
ライトガイド１１の材質としては、ポリメタクリル酸メチル樹脂（ＰＭＭＡ樹脂）、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）樹脂や、シリカ、石英などを用いれば良い。但し、本発明は材質に限定されるものではない。  
受光素子１２は、例えば光電子増倍管（ＰＭＴ：Ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ  Ｔｕｂｅ）、フォトダイオード、Ｓｉ−ＰＭ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ）などで構成される。但し、本発明は受光素子の種類に限定されない。【００２２】
光はライトガイド１１内を導光して受光素子１２に到達する。光は受光素子１２で電気信号に変換され、出力ケーブル１３で電子顕微鏡鏡筒１の外側に配置された信号処理回路１４に伝送される。電気信号は信号処理回路１４上にある増幅回路１４ａによって振幅の大きい電気信号に増幅され、演算回路１４ｂによって単位時間当たりの電気信号の大きさや頻度に応じて像のコントラストとして処理され、モニタ１５上に所定の階調値を有する画素として表示される。  
信号電子９の検出を、１次電子線を偏向器４によって試料８上を走査しながら行い、モニタ１５上に試料表面の拡大２次元画像を表示する。【００２３】
本実施例では第２の荷電粒子を信号電子９とし、試料８から出射した信号電子９が他の部材に衝突することなくシンチレータ１０に到達している場合を示している。しかし、信号電子９は、図示しない他の部材や板材などに衝突してシンチレータ１０に到達することもある。他の部材や板材に衝突した後の荷電粒子を第３の荷電粒子と称することもあるが、説明を簡略化するため、試料８から放出され、シンチレータ１０に入射するまでの粒子を第２の荷電粒子と称することとし、本実施例では信号電子９と称することにする。【００２４】
また本実施例では、シンチレータ１０、ライトガイド１１、受光素子１２からなる系を検出器１６と称することとする。本実施例のシンチレータ１０は、対物レンズを構成する何れかの部材の内側（本実施例では、外側磁路６の内側）にあり、さらに偏向器４の下に配置されており、反射電子、すなわち、１次電子線のエネルギーに近いエネルギーで試料８から出射する信号電子９を高効率に検出できる位置に配置されている。【００２５】
反射電子は、試料の組成や立体形状の情報を含んでおり、３Ｄ構造や、表面と底部の組成の違いなどの情報が得られるとともに、高いエネルギーを有するため、穴・溝から側壁を貫通して脱出でき、穴・溝構造の底部からの信号検出および計測が可能となる。しかし、一般に反射電子は二次電子よりも発生電子数が少ないため、できるだけ多くの反射電子を検出することが求められる。  
ここで電子の出射角度を、試料表面に対し一次電子線光軸３に沿った方向を９０度と定義する。反射電子の出射角度に応じて９０度付近を高角反射電子、４５度付近を中角反射電子、０度付近を低角反射電子とする。【００２６】
反射電子の中でも中角反射電子は高角、低角と比較して多く放出される。このシンチレータ１０の位置は、図１に示すように１次電子線光軸３から傾いた角度で飛行する中角以下の反射電子を高効率に検出することが可能な位置である。【００２７】
検出器１６に関して図２から図６を用いて説明する。図２は検出器１６の斜視図であり、図２の上図は実際のライトガイド同様にライトガイド１１を透明とし、ライトガイドの下にあるシンチレータ１０が見えるように描いた図である。図２の下図は、検出器１６の外観斜視図である。便宜上、図２においてｘ、ｙ、ｚからなる直交座標系を定義した。【００２８】
本実施例の検出器１６は、±ｘ方向と±ｙ方向の４方向にシンチレータ１０（１０ａ〜１０ｄ）と受光素子１２（１２ａ〜１２ｄ）が配置されている。この組数は４個に限定されるものではなく、１個、２個、８個または１６個でも良く、組数に限定されるものではない。一般に組数が多い方が、シンチレータ１０の総面積が大きくなり受光素子１２の数も増えるため多くの信号電子９を検出し易い。【００２９】
隣接するシンチレータ１０の間にライトガイド１１を電子顕微鏡に固定するための穴１１ｓがある。この位置はシンチレータ１０の発光光が当たる確率が少なく、この位置に構造部材を配置することで構造部材が光利用効率に及ぼす影響を低減することが可能となる。【００３０】
また、本実施例のライトガイド１１は、以下に詳述するが、あるシンチレータから出射した光の多くを、そのシンチレータに対応する受光素子に到達させる構成となっている。例えば、シンチレータ１０ａの発光光は受光素子１２ａに到達する構成である。１組のシンチレータ１０ａと受光素子１２ａとの間には、シンチレータ１０ａで発光した光を受光素子１２ａに伝搬させるライトガイド１１が存在する。図２には、同様の組み合わせが更に３組あり、シンチレータ１０ｂと受光素子１２ｂの組、シンチレータ１０ｃと受光素子１２ｃの組、及び、シンチレータ１０ｄと受光素子１２ｄの組がある。【００３１】
シンチレータ１０ａと受光素子１２ａと対応するライトガイド１１形状を１個の検出器として分離させても良いが、本実施例では、ライトガイド１１が４方向で同じ形をして、それぞれ４つの形状が個別にシンチレータ１０から対応する受光素子１２に光を伝搬させている。それぞれのライトガイド形状は接続部１１ｔで接続されている。なお接続部１１ｔの厚さは、構造強度を向上させるために１ｍｍ以上の厚さの部材となっている。【００３２】
図３、図４、図５は、それぞれ同じ検出器１６を上方（ｚ方向側）から見た上面図、下（−ｚ方向側）から見た下面図、横（ｙ方向側）から見た側面図を示し、何れの図においても上図は、実際のライトガイド同様にライトガイド１１を透明とした場合の図であり、下図は外観図である。【００３３】
図６は、図２の上図のＡ−Ａ’線の断面図である。図６に示すように、シンチレータ１０を構成する発光面１０ｅｍに対向するライトガイドの面が入射面１１ａであり、シンチレータ１０から出射した光は主に入射面１１ａからライトガイド１１に入射する。入射面１１ａは、少なくともシンチレータ１０の一部を覆うように配置されている。なお、光利用効率の観点から、入射面１１ａはシンチレータ１０の全面を覆っていることが望ましい。出射面１１ｂは受光素子１２に対向した面であり、光を出射する。出射面１１ｂは入射面１１ａよりも小さい。すなわち、出射面１１ｂの面積は入射面１１ａの面積よりも小さい。【００３４】
ライトガイド１１には、入射面１１ａに対向して角度θｃ１で傾斜した反射面１１ｃ１が存在する。以下、角度θｃ１を反射面角度θｃ１と称する場合もある。反射面１１ｃ１は、入射面１１ａから入射した光を出射面１１ｂの方向へ反射するように傾斜している。シンチレータ１０の発光面１０ｅｍから出射した光は、入射面１１ａからライトガイド１１に入射して反射面１１ｃ１で反射する。ライトガイドの出射面１１ｂに向けて多くの光を反射するために、反射面１１ｃ１はシンチレータ１０の発光面１０ｅｍの多くの部分を覆っている。反射面１１ｃ１を有することで光利用効率（受光素子１２に到達する光量／シンチレータ１０の発光光量）が向上する。【００３５】
図２の上図および図３の上図に示すように、反射面は複数の面から構成されている。具体的には、シンチレータ１０は３枚の反射面（１１ｃ１−１１ｃ３）により全体が覆われており、シンチレータ１０から出射した光はこれら反射面（１１ｃ１−１１ｃ３）により出射面１１ｂに向けて反射され、光が有効に活用される。複数の面で構成される反射面（１１ｃ１−１１ｃ３）を用いることにより、光利用効率をさらに向上することができる。【００３６】
反射面１１ｃ１は、入射面１１ａの中でも受光素子１２に近い部位から伝播してくる光を反射するため、３枚の反射面（１１ｃ１−１１ｃ３）の中で最も多くの反射光が受光素子１２に到達する重要な反射面である。このため、光利用効率が最大となるように反射面１１ｃ１の角度θｃ１を最適化することが最も重要である。【００３７】
図７から図１３を用いて、角度θｃ１の最適化に関して説明する。問題を単純にするため、反射面１１ｃ１のみを有する構造で検討した。図７が検出器の外観斜視図である。図８は図７のＢ−Ｂ’線の断面図である。最適化は、ライトガイドの厚さｔｃを一定として、角度θｃ１を４５度から徐々に小さくしたときの光利用効率を光線追跡シミュレーションで計算することにより最適化した。【００３８】
図７に関する検討において、ライトガイド１１の材質はＰＭＭＡ樹脂とし、反射面１１ｃ１と側面１１ｅ１および側面１１ｅ２はアルミを蒸着したアルミ面とした。なお、これら反射面１１ｃ１および側面１１ｅ１並びに側面１１ｅ２に反射材として付与する金属はアルミに限定されず、銀などでも良い。また、アルミなど反射材を表面に付与する方法は、蒸着に限らずフィルム状の反射材を張り付けても良く、当該方法は特に限定されるものではない。【００３９】
なお、本実施例では、複数の面から構成される反射面を用いてライトガイドを構成しているが、反射面は一つの面から構成されていても良い。図９に反射面が一つの平面から構成されているライトガイドを用いた検出器を示す。図９の上図は、実際のライトガイド同様にライトガイド１１を透明とし、ライトガイドの下にあるシンチレータ１０が見えるように描いた図である。図９の下図は、検出器１６の外観斜視図である。便宜上、図において検出器１６の中心を原点とするｘ，ｙ，ｚからなる直交座標系を定義した。ｘおよびｙ軸方向に受光素子１２(１２a〜１２d)が配置されている。図１０の上図は検出器１６を上方(ｚ方向側)から見た上面図であり、図１０の下図は検出器１６を下方(−ｚ方向側)から見た下面図である。図１１は、図９に示す検出器１６のｘ軸に沿った断面図である。図９の下図及び図１０の上図に示すように、反射面１１ｃ１は一つの平面である。この場合でも反射面を多面形状若しくは曲面形状にした効果以外の効果は本実施例同様に得られる。【００４０】
図７に示す入射面１１ａに対向し且つ入射面１１ａに略平行な上面１１ｆはアルミ面としても効率に変化が少ないことを事前に確認したため、上面１１ｆはアルミ面とはせずＰＭＭＡ樹脂の面とした。上面１１ｆをアルミ面としても入射面１１ａに平行であるため光は入射面１１ａに向かって反射する。このため上面１１ｆをアルミ面としても光利用効率は大きくは向上しない。【００４１】
図８の上段に示す図は角度θｃ１が４２度のときの断面図であり、この断面において反射面１１ｃ１はシンチレータ１０を部分的に覆っている。覆っている割合は、シンチレータ１０の外形が長方形であり奥行き方向が全て反射面１１ｃ１に覆われているため、シンチレータの長さＬｓｃと反射面１１ｃ１の入射面と平行な面（またはシンチレータ発光面１０ｅｍ）への射影長さｄｃを用いてｄｃ／Ｌｓｃで表される。角度θｃ１を小さくすると、ｄｃ／Ｌｓｃは１に近づき、この断面において反射面１１ｃ１がシンチレータ１０を完全に覆うとｄｃ／Ｌｓｃは１になる。さらに角度θｃ１を小さくするとｄｃ／Ｌｓｃは１を超える。なお、本明細書では、図８の上段に示すように、反射面１１ｃが下斜面１１ｄを覆っていなくても、反射面１１ｃと下斜面１１ｄが略平行である場合、反射面と下斜面は対向しているものとする。  
図８の中段に示す図は角度θｃ１が２５度のときの断面図であり、この断面において反射面１１ｃ１がシンチレータ１０を完全に覆っている場合である。図８の下段に示す図は角度θｃ１が１８度のときの断面図であり、反射面１１ｃ１が出射面１１ｂに至る場合を示している。【００４２】
図１２に光利用効率比の角度θｃ１依存性を計算した結果を示す。横軸は角度θｃ１で、縦軸は角度θｃ１が４５度のときの光利用効率で規格化した光利用効率比である。この結果から、角度θｃ１を小さくするほど光利用効率が向上することが分かる。この理由について図１３の上図および図１３の下図を用いて説明する。図１３の上図に示すように、入射面１１ａに略平行な上面１１ｆが存在すると、上面１１ｆに入射した光Ｒａｙ７２は透過してライトガイド１１の外に出射し、受光素子１２ａには届かない損失光となる。このためシンチレータ１０ａを覆うように反射面１１ｃ１を配置して反射面で出射面１１ｂに向けて光を反射することが重要である。さらに、図１３の下図の光線Ｒａｙ７５のように斜め方向に伝播する光は、シンチレータ１０ａに対向していない上面１１ｆから外に抜けるため、反射面１１ｃ１が出射面１１ｂまで至るようにし、入射面１１ａと反対側の面は全て傾いた反射面として光を出射面１１ｂに向けて反射することが望ましい。傾斜した反射面とすることで、光線Ｒａｙ７１、光線Ｒａｙ７３および光線Ｒａｙ７４のように反射面１１ｃ１により出射面１１ｂへと反射して、光利用効率が向上するという効果を奏する。
なお、上面１１ｆをＰＭＭＡ樹脂面としたが、上面１１ｆをアルミ面としても上面１１ｆは入射面１１ａに平行であるため入射した光の多くは出射面１１ｂに向けて反射されず迷光となって損失光となる。このため上面１１ｆをアルミ面としても、反射面角度θｃ１を小さくした方が光利用効率は向上する。【００４３】
以上、反射面角度θｃ１の最適化に関して説明した。図７および図８に示す構成は、大面積発光面１０ｅｍから出射した光を、ライトガイド１１を用いて、受光素子１２の小面積受光面に到達させる光学系である。この光学系において、入射面１１ａの中でも受光素子１２に近い部位から伝播してくる光を反射する最も重要な反射面１１ｃ１の最適化を説明した。【００４４】
反射面１１ｃ１は、シンチレータ１０を覆い、入射面１１ａから入射した光を出射面１１ｂの方向へ反射するように入射面１１ａに対して傾斜した面とすることで光利用効率が向上するという効果を奏する。反射面１１ｃ１は、図８の上段の図に示すように、少なくともシンチレータ１０の一部を覆うことにより効果を奏する。  
さらに、図８の中段の図に示すように、シンチレータ１０、ライトガイド１１と受光素子１２を含むある断面（例えばＢ−Ｂ’断面）において、反射面１１ｃ１がシンチレータ１０の全部を覆うと更なる効果を奏する。  
さらに、図８の下段の図に示すように、シンチレータ１０、ライトガイド１１と受光素子１２を含むある断面において、反射面１１ｃ１が出射面１１ｂまで至ることで、光利用効率が最大となる。但し、現実のライトガイドでは、図８の下段の図に示すように出射面１１ｂと反射面１１ｃ１の接続部を鋭角にすると、その接続部が割れたり欠けたりする。このことを避けるため、図２の下図、図３の下図、図６に示すように出射面１１ｂと反射面１１ｃ１の間に小さな上面１１ｆを設ける。したがって、現実的には小さな上面１１ｆを設ける構造が光利用効率を最大とする構造となる。【００４５】
図６の構造に関し換言すれば、シンチレータ１０、ライトガイド１１と受光素子１２を含むある断面において、入射面１１ａ（またはシンチレータの発光面１０ｅｍ）と平行な面への反射面１１ｃ１の射影長さｄｃは、上面１１ｆの長さｄｕよりも長い構成と言え、本構成により光利用効率が向上する。上面１１ｆの長さｄｕとしては０．５ｍｍから３ｍｍ程度が割れ欠けを抑制するために必要となる長さであることから、上面１１ｆの長さｄｕを３ｍｍ以下にする構成が現実的には光利用効率が最大となる構成と言える。なお、本実施例では、上面１１ｆを入射面１１ａに平行な面としたが、傾いた面として、上面１１ｆの長さｄｕを入射面１１ａ（またはシンチレータの発光面１０ｅｍ）と平行な面への上面１１ｆの射影長さとして、その射影長さを０．５ｍｍから３ｍｍ程度としても良い。【００４６】
なお、ライトガイド１１の割れや欠けを抑制する他の構造は、図２の下図、図３の下図および図６に示される下面１１ｇである。この下面１１ｇも上面１１ｆと同様に、反射面１１ｃ１と入射面１１ａが直接接続して鋭角な部位ができるのを抑制するために配置した面である。下面１１ｇは、出射面１１ｂとは反対側にある反射面１１ｃ１の端部と接続し、反射面１１ｃ１とは異なる角度（図６では入射面１１ａと平行な角度）で配置された面である。本実施例では、下面１１ｇおよび上面１１ｆは、入射面１１ａと平行な平面としたが、これに限定されず例えば曲面でもよい。【００４７】
次に反射面１１ｃ２と反射面１１ｃ３について説明する。反射面１１ｃ１は、入射面１１ａの受光素子１２に近い部位から伝播してくる光を出射面１１ｂに向けて反射する面である。それに対して、反射面１１ｃ２と反射面１１ｃ３はシンチレータ１０の端で発光した光を出射面１１ｂに向けて反射するための面である。そのため、反射面１１ｃ２と反射面１１ｃ３の傾きが反射面１１ｃ１とは異なる。  
図２の上図においてシンチレータ１０ａと受光素子１２ａに対応する反射面１１ｃ２と反射面１１ｃ３を例に説明する。反射面１１ｃ２と反射面１１ｃ３は、シンチレータ１０ａの端部から出射した光を受光素子１２ａに向けて反射するように傾斜している。図２の上図の光線Ｒａｙ２１および光線Ｒａｙ２２は、シンチレータ１０ａの端部から出射した光が反射面１１ｃ２と反射面１１ｃ３で受光素子１２ａに向けて反射された光線の例である。【００４８】
シンチレータ１０ａと受光素子１２ａに対応する反射面１１ｃ２と反射面１１ｃ３の法線方向について説明する。±ｙ方向のシンチレータ端部で発光した光を受光素子１２ａに向けて反射するには、光の伝播方向をｙ方向にも変化するように反射する必要がある。光線Ｒａｙ２１および光線Ｒａｙ２２は、それぞれ＋ｙおよび−ｙ方向に伝播方向が変化するように反射されている。【００４９】
光が反射する位置から光が入射した位置に向かう単位ベクトルをｕとし、反射する位置から出射する位置に向かう単位ベクトルをｖとした場合、反射面の法線は単位ベクトルｕとｖのハーフベクトル（ｕ＋ｖ）／｜ｕ＋ｖ｜となることから、ｙ方向に光を反射するためには法線もｙ方向の成分が必要となる。すなわち、単位ベクトルｖがｙ成分を有するため法線もｙ方向の成分を有する。反射面１１ｃ１の法線はｙ方向の成分がゼロであるが、反射面１１ｃ２と反射面１１ｃ３の法線はｙ方向の成分を有する。換言すれば、反射面１１ｃ２と反射面１１ｃ３の法線は、出射面１１ｂと入射面１１ａに垂直で、且つ出射面１１ｂの中心を含む平面（図２の上図ではｘ−ｚ面）に向かう方向の法線成分を有するということである。【００５０】
図１４乃至図１７を用いて、反射面１１ｃ２と反射面１１ｃ３の構造と光利用効率の関係を説明する。図７では、４組のシンチレータ１０と受光素子１２およびそれらの間で光を伝播させるライトガイド１１を示している、本検討ではそれらのうちの一組に対して光利用効率を計算した。図７に示される４組からシンチレータ１０ａと受光素子１２ａおよびそれらに対応するライトガイド１１を切り出した計算モデルを図１４乃至図１７に示す。本モデルは角度θｃ１に関して光利用効率が最大となる形状であり、反射面１１ｃ１が出射面１１ｂまで至る形状である。【００５１】
図１４及び図１５は同じ形状のライトガイド１１であり、図１４の上図は上側から見た斜視図であり、図１４の下図は正面（ｘ方向）から見た正面図である。また、図１５の上図は下側から見た斜視図であり、図１５の下図は横（ｙ方向側）から見た側面図を示している。反射面１１ｃ２と反射面１１ｃ３の構造は、正面から見たときの入射面１１ａと反射面間の角度θｃ２を変えながら構造を変化させて効率への影響を検討した。角度θｃ２が９０度のときは、図１６の上図及び下図に示す斜視図と正面図のように、反射面１１ａは反射面１１ｃ１のみとなる。光利用効率の計算は、図１７の上図および下図に示す斜視図と正面図のように、反射面１１ｃ２と反射面１１ｃ３が出射面１１ｂに至るまで角度θｃ２を小さくして計算した。  
図１４乃至図１７に関する検討において、ライトガイド１１の材質はＰＭＭＡ樹脂とし、反射面１１ｃ１から反射面１１ｃ３と側面１１ｅ１および側面１１ｅ２はアルミを蒸着したアルミ面とした。【００５２】
光利用効率を計算した結果を図１８に示す。横軸は角度θｃ２で、縦軸は角度θｃ２が９０度のときの光利用効率で規格化した光利用効率比である。この結果から、角度を小さくするほど効率が向上することが分かる。すなわち、反射面１１ｃ２と反射面１１ｃ３が出射面１１ｂに至るとき（図１７に示す形状のとき）に光利用効率が最大となる。また、角度が４０度以下で急峻に光利用効率が向上することが分かる。  
したがって、ライトガイド１１の反射面は、１枚の反射面で構成するのではなく、シンチレータ１０の位置に応じて傾斜方向の異なる複数の反射面にて構成することにより、光利用効率が向上するという効果を奏する。【００５３】
このときシンチレータ１０ａの端部で発光した光を受光素子１２ａに反射する反射面の法線は、出射面１１ｂと入射面１１ａに垂直で、且つ出射面１１ｂの中心を含む平面に向かう方向の法線成分を有する。また、反射面１１ｃ２と反射面１１ｃ３を正面から見たときの入射面１１ａと反射面間の角度θｃ２は小さくした方が、光利用効率が大きくなるという効果を奏し、４０度よりも小さくなると急峻に効率が大きくなるという効果を奏する。さらに、反射面１１ｃ２と反射面１１ｃ３が出射面１１ｂに至るまで角度θｃ２を小さくしたときに効率は最大になるという効果を奏する。  
但し、現実的には反射面１１ｃ２と反射面１１ｃ３が出射面１１ｂに接続されるとその接続部が鋭角になり割れや欠けが生じることから、図２および図３に示すように反射面１１ｃ２および反射面１１ｃ３と出射面１１ｂとの間に上面１１ｆを設けることで割れや欠けを緩和する。したがって、現実的には反射面１１ｃ２と反射面１１ｃ３が上面１１ｆまで至る構造が、反射面１１ｃ２と反射面１１ｃ３により効率が最大となる構造と言うことができる。【００５４】
なお、図２や図７のように複数のシンチレータ１０と受光素子１２の組み合わせがある場合、図１４乃至図１７の説明において述べた出射面１１ｂと入射面１１ａの組み合わせは、図２や図７で述べたような最寄りの組み合わせか、若しくはシンチレータ１０と受光素子１２の一つの組に対応するライトガイド１１の出射面１１ｂと入射面１１ａを指す。【００５５】
次に、図４乃至図６に示される下斜面１１ｄについて説明する。下斜面１１ｄは、主に反射面１１ｃ１〜反射面１１ｃ３で反射された光を再度反射する面であり、入射面１１ａと出射面１１ｂの間に、反射面１１ｃ１と対向して配置される。図６において、光線Ｒａｙ２および光線Ｒａｙ３は下斜面１１ｄで反射して受光素子１２に到達した例である。何れの光線も、通常の導光板（ＰＭＭＡの平板）を光が伝搬するように、反射面１１ｃ１と下斜面１１ｄとの間で反射を繰り返しながら受光素子１２に到達する。
このような光線伝搬経路が発生する理由は、図６のライトガイドは反射面１１ｃ１が出射面１１ｂにおおよそ至る構成であるため、下斜面１１ｄを適切な傾斜角度とすることにより擬似的に上下２枚の平面からなる直方体の導光板を模擬でき、光は反射を繰り返しながら受光素子１２に到達できるためである。【００５６】
一般的な導光板は直方体であり、ある側面から入射した光は上面と下面で全反射を繰り返しながら対向する側面に向かって導光して、入射面に対向する側面から出射する。一方、本実施例では直方体の側面から光を入射するわけではないため、反射面１１ｃ１をアルミ面とすることで全反射せず抜けるはずの光も金属面により反射する。下斜面１１ｄも同様であり、下斜面１１ｄを樹脂面とするよりアルミ面とした方が全反射できずに面を透過して損失する光を減らせ光利用効率が向上する。計算によれば図６に示す構造のライトガイド１１において、下斜面１１ｄをアルミ面とした場合、樹脂面に比較して光利用効率は５〜１０％向上することが分かっている。したがって、下斜面１１ｄをアルミ面とすることで光利用効率が向上するという効果を奏する。以下の本実施形態の検討では、下斜面１１ｄをアルミ面とする。【００５７】
図６において角度θｄを変えて効率を計算することにより、下斜面１１ｄの形状を最適化した。最適化について図１９乃至図２３を用いて説明する。図２の上図には、４組のシンチレータ１０と受光素子１２およびそれらの間で光を伝播させるライトガイド１１がし示されているが、本検討ではそれらのうちの一組に対して光利用効率を計算した。図２の上図に示す４組からシンチレータ１０ａと受光素子１２ａおよびそれら対応するライトガイドを切り出した計算モデルを図１９乃至図２３に示す。本モデルは、ライトガイドの形状が鋭角になって割れたり欠けたりすることを抑制しつつ、角度θｃ１および角度θｃ２に関して光利用効率が最大となる形状であり、反射面１１ｃ１、反射面１１ｃ２および反射面１１ｃ３が上面１１ｆまで至る形状である。【００５８】
本検討において、ライトガイド１１の材質はＰＭＭＡ樹脂とし、３枚の反射面（１１ｃ１−１１ｃ３）と側面１１ｅ１および側面１１ｅ２はアルミを蒸着したアルミ面とし、上面１１ｆもアルミ面とした。すなわち、入射面１１ａと出射面１１ｂ以外はアルミ面とした。上面１１ｆは出射面１１ｂに接続される位置にあり入射面１１ａに対向しない位置にあることから、上面１１ｆに入射する光は上面１１ｆに対して傾いた角度で入射するため、その光を反射できれば光は出射面１１ｂに向かって伝搬する。このため、上面１１ｆに全反射角度より小さな角度で入射する光も反射できるようにアルミ面とした。【００５９】
図１９及び図２０は同じ形状のライトガイド１１であり、図１９の上図は上側から見た斜視図であり、図１９の下図は正面（ｘ方向）から見た正面図である。また、図２０の上図は下側から見た斜視図であり、図２０の下図は横（ｙ方向側）から見た側面図を示している。図２０の下図に示される角度θｄを変えて光利用効率を計算した。図２１の上図は、角度θｄが反射面１１ｃ１の角度θｃ１に近いときのライトガイド１１の側面図である。図２１の下図は、本検討において角度θｄを大きくしたときのライトガイド１１の側面図である。出射面１１ｂの位置を固定しているので、角度θｄを大きくすると入射面１１ａが大きくなる。【００６０】
検討した結果を図２２に示す。横軸は、角度θｃ１に対する角度θｄの相対的な角度である。すなわち、角度差（θｄ−θｃ１）を示している。縦軸は、角度差（θｄ−θｃ１）が３８度のときの光利用効率で規格化した光利用効率比を示す。角度差（θｄ−θｃ１）がゼロのとき、反射面１１ｃ１と下斜面１１ｄは平行となる。角度差（θｄ−θｃ１）が正の場合、角度θｃ１より角度θｄが大きく、下斜面１１ｄが反射面１１ｃ１よりも傾斜が大きいということである。  
角度差（θｄ−θｃ１）が約２度から８度の間で効率はピークとなる。角度差（θｄ−θｃ１）が約２０度以上となると、図６に示す光線Ｒａｙ２および光線Ｒａｙ３のような反射面１１ｃ１と下斜面１１ｄとの間で反射を繰り返しながら受光素子１２に到達する光線がほとんどなくなるため、光利用効率比はおおよそ１になる。反射面１１ｃ１と下斜面１１ｄが平行に近づくほど反射を繰り返して受光素子１２に到達する光線の数が増えるため光利用効率比は向上すると考えられるが、図２２では角度差（θｄ−θｃ１）が２度以下で効率比が低下している。【００６１】
図２３を用いて、その理由を説明する。先にも述べたが、反射面１１ｃ１と下斜面１１ｄが平行に近づくほど反射を繰り返して受光素子１２に到達する光線（図２３では光線Ｒａｙ９１）が増える。一方で、シンチレータ１０の種類によるが、一般にシンチレータ１０は、アルミなどの金属が蒸着してない全ての面から光が出射する。そのため入射面１１ａに対向している発光面１０ｅｍのみならず、シンチレータ１０の側面１０ｅｍｓからも光は出射する。発光面１０ｅｍの面積と側面１０ｅｍｓの面積比に応じて発光面１０ｅｍの発光量Ｉｐと側面１０ｅｍｓの発光量Ｉｓの比が変わる。【００６２】
ここで、シンチレータ１０は発光面１０ｅｍのみならず側面１０ｅｍｓからも出射するため、本発明における発光面１０ｅｍの定義を説明する。本発明のライトガイド１１は、信号電子９を捉えるため、シンチレータ１０の大面積化した面で発光した光を出射面１１ｂに集める構成としている。そのため、シンチレータ１０において、ライトガイド１１の何れかの面と対向しているシンチレータ１０の面の中で、面積が最も大きい発光する面、または飛行してきた信号電子９を捉える面に平行で光を発光する面を発光面と称することにする。これら発光面の特徴は図２から図２２に示した発光面１０ｅｍの特徴である。【００６３】
なお、シンチレータ１０において発光面１０ｅｍは、ライトガイド１１に対向して面積が最も大きな面と定義したが、これは１個のシンチレータ１０の場合だけではない。例えば、図２に示すシンチレータ１０ａは１個の直方体のシンチレータとなっているが、これをｘ−ｙ面内で分割して複数のシンチレータで構成しても良い。その場合も、各シンチレータのｘ−ｙ面（入射面１１ａ）に平行な面の面積は、他の面の面積よりも大きくなる。但し、分割数がある程度以上に大きくなると、側面の面積がｘ−ｙ面に平行な面の面積よりも大きくなることもあるが、その場合は飛行してきた信号電子９を捉える面に平行で光を発光する面を発光面と称すれば良い。  
また、本実施例ではシンチレータ１０の形状を直方体としたが、これに限らず立方体、円柱など様々な形状が考えられ、本発明はシンチレータの形状に限定されるものではないない。【００６４】
本発明は、シンチレータ１０で発光した光を入射する入射面１１ａを有し、そこから入射した光を反射面（１１ｃ１−１１ｃ３）などにより出射面１１ｂに導く構成である。そのため、入射面１１ａに対する発光面１０ｅｍの形状には関係なく、ライトガイド１１は入射面１１ａから入った光を出射面１１ｂに集光するという効果を奏する。  
例えばＧａＮ系の多層薄膜構造を有するシンチレータ１０で、外形が円柱で高さが０．５ｍｍ、円の直径が９ｍｍでの場合、シミュレーションによれば、Ｉｐ：Ｉｓ＝１：１程度である。また、シンチレータ内部にピラミッドや円錐などのパターン構造を形成して、回折もしくは散乱により発光面１０ｅｍからの発光量Ｉｐを向上させる技術を導入しても、Ｉｐ：Ｉｓ＝７：３程度である。  
したがって、側面１０ｅｍｓからの光を活用することも重要である。図２３に示す光線例Ｒａｙ９２は、側面１０ｅｍｓから光が出射し入射面１１ａからライトガイド１１に入射して反射面１１ｃ１で反射して出射面１１ｂに到達する光線である。【００６５】
本検討においては、出射面１１ｂとシンチレータ１０の位置は固定しているため、角度θｄを小さくすると入射面１１ａの下斜面１１ｄとの接続する端部がシンチレータの側面１０ｅｍｓに近づく。入射面１１ａの端部が側面１０ｅｍｓに近づくと側面１０ｅｍｓから出射した光がライトガイド１１に入射する面積が小さくなるため、側面１０ｅｍｓから出射した光を活用できず光利用効率が低下する。このため、角度θｄを小さくすると反射を繰り返す光線（Ｒａｙ９１）が増えるが、一方で側面１０ｅｍｓから出射してライトガイド１１に入射する光が減少するというトレードオフが存在する。図２３に示される結果において角度差２度以下で急峻に光利用効率が低下しているのは、側面１０ｅｍｓから出射してライトガイド１１に入射する光が著しく低下し始めるためと考えられる。【００６６】
以上、下斜面１１ｄに関して説明した。図１９乃至図２１に示す構成は、大面積発光面１０ｅｍから出射した光と側面１０ｅｍｓから出射した光を、ライトガイド１１を用いて、受光素子１２の小面積受光面に到達させる光学系である。この光学系において下斜面１１ｄの最適化を説明した。【００６７】
反射面１１ｃ１と下斜面１１ｄの角度差を約２０度以下とすると、光利用効率が向上するという効果を奏する。この点を踏まえ本明細書では、反射面１１ｃ１と下斜面１１ｄの角度差が２０度以下の場合を、反射面１１ｃ１と下斜面１１ｄが略平行と呼ぶことにする。下斜面１１ｄは反射面１１ｃ１の少なくとも一部と略平行であることが好ましい。なお、反射面が複数の面で構成されている場合は、複数の面のうち一面と略平行であることが好ましい。  
さらに、反射面１１ｃ１と下斜面１１ｄの角度差を２度から８度の間とすると、光利用効率が最大となる。したがって、反射面１１ｃ１と下斜面１１ｄの角度差は２度以上８度以下であることがさらに好ましい。【００６８】
また、シンチレータ１０の側面１０ｅｍｓと入射面１１ａの端部に一定の距離を設ける構成、別の観点から言うと反射面１１ｃ１の入射面１１ａに対する角度θｃ１より下斜面１１ｄの入射面に対する角度θｄが大きい構成とすることにより、側面１０ｅｍｓから出射した光をライトガイド１１に入射させることが可能となり、光利用効率が向上するという効果を奏する。【００６９】
本実施例では、ライトガイド１１の表面にアルミを付けて反射面（アルミ面）としたが、反射材はアルミのみに限らない。反射面は金属からなる反射材を有する面であることが好ましい。反射材としては、例えば、アルミニウム以外に、銀および多層反射膜などを用いることができる。また、反射材をライトガイド１１に付ける方法は、蒸着に限らず貼り付けなど様々な方法があり、これら方法に本発明は限定されない。【００７０】
本実施例で示した光学系の構成、すなわち、大面積発光面、その発光面と平行ではなく、且つ対向していない受光面（本実施例では発光面と受光面の角度は約９０度）、発光面の大きさに比較して厚さが小さいライトガイドからなる光学系の場合、光はシンチレータからあらゆる方向に発光するため、ライトガイドの反射面で必ずしも全反射しないことから、ライトガイドの表面にはできるだけアルミなどの反射材を付けて出射面への反射光量を増やした方が良い。【００７１】
本実施例のライトガイドの場合、反射面（１１ｃ１‐１１ｃ３）の３面につけると最も光利用効率が向上し、側面１１ｅ１および側面１１ｅ２に反射材をつけると２番目に光利用効率が向上する。さらに下斜面１１ｄに反射材を付けると光利用効率が５〜１０％向上する。本実施例のライトガイドの場合、反射材を適宜表面に付けることで光利用率を向上するという効果を奏する。【００７２】
さらに、図６に示す本実施例のシンチレータ１０は、ライトガイド１１の入射面１１ａと対向する面とは反対側の面１０ｂｓ（シンチレータ１０の発光面１０ｅｍと反対側の面）に金属反射面が付いている。具体的には面１０ｂｓはアルミを蒸着させた面である。光線Ｒａｙ３はシンチレータ１０から出射後に、面１０ｂｓにて反射して受光素子１２に到達している。このように、面１０ｂｓでの反射を経て受光素子１２に到達する光線経路が存在することから、面１０ｂｓに反射材を付けることにより光利用効率が向上するという効果を奏する。【００７３】
本実施例では、反射面（１１ｃ１‐１１ｃ３）の３面、側面１１ｅ１および側面１１ｅ２、下斜面１１ｄおよびシンチレータの面１０ｂｓに反射材を付ける構成であり、シンチレータ１０から出射した光が受光素子１２に伝搬する部分を反射材で覆う構成となっている。入射面１１ａには反射材を付けていないが、入射面１１ａと平行な面１０ｂｓに反射材としてのアルミが付いており、出射面１１ｂと接続部１１ｔに繋がる面以外には外に漏れる光を再度ライトガイド１１に反射する面が存在する構成となっている。これにより光利用効率が向上するという効果を奏する。【００７４】
この走査型電子顕微鏡は構成の一つの例であり、シンチレータ１０、ライトガイド１１、受光素子１２を備えた電子顕微鏡であれば、他の構成でも適用が可能である。また、簡単のため、検出器は１つのみ示しているが、複数の検出器を設けても良い。反射電子検出用検出器と二次電子検出用検出器を別々に設けてもよいし、方位角または仰角を弁別して検出するために複数の検出器を備えていてもよい。これらの検出器の使い分けにより、信号電子９をエネルギーや角度で弁別して検出することで試料８の表面形状や組成、３Ｄ構造などに関する情報を画像から取得できる。エネルギー弁別の方法として、反射電子のエネルギーに応じて、シンチレータ１０の発光量や発光波長を変化させ、それを検出する方法がある。その手法において、高い光利用効率を持つライトガイド１１として本発明を適用することにより、エネルギー分解能の高分解能化が可能となる。
＜変形例＞  
変形例について図２４を用いて説明する。上述した実施例では反射面の形状は平面の組み合わせであったが、反射面の形状はこれに限らず、さまざまな形状が可能である。図２４の反射面形状が平面の図は、図１９の上図に示すライトガイドである。反射面形状が曲面の場合、反射面１１ｃ１から反射面１１ｃ３を厳密に定義することは難しいが、面の法線が向いている方向から大まかには、図２４における斜視図のように定義できる。また、曲面は傾斜方向の異なる複数の反射面が連続的に繋がった形状とも言える。平面でも曲面でも反射面は、入射面に対して傾斜した反射面である。【００７５】
反射面が曲面でも平面でも、大面積発光面１０ｅｍから出射した光を、ライトガイド１１を用いて、受光素子１２の小面積受光面に到達させる光学系の特徴は、出射面１１ｂに平行にライトガイドを切断したときの断面積が出射面に近づくにつれて小さくなることである。図２４に出射面から０．５、１．０、２．０ｍｍの位置でライトガイドを切断した断面図を示している。断面は斜線が付された箇所であり、出射面１１ｂに近づくにつれて断面積が小さくなっていることが分かる。このような形状を有することにより、ライトガイド１１は、大面積発光面１０ｅｍから出射した光を受光素子１２の小面積受光面に効率よく到達させることが可能となる。【００７６】
以上の通り本実施例によれば、光利用効率を向上し得るライトガイドを用いた荷電粒子線装置を提供することが可能となる。
【実施例２】
【００７７】
図２５は、本発明の他の実施例に係る実施例２の検出器の概略構成図である。本実施例では、検出系１６の４つの受光素子１２から出力される電気信号を、受光素子毎に高速に処理する信号処理回路１４を備える点が実施例１と異なる。その他の構成は上述の実施例１と同様であり、実施例１と同様の構成要素に同一符号を付し、以下では実施例１と重複する説明を省略する。【００７８】
図２５に示すように、受光素子１２（１２ａ〜１２ｄ）と増幅回路１４ａ（１４ａ−１〜１４ａ−４）は、個別に出力ケーブル１３で接続されており、電気信号の振幅は個別に増幅され、各演算回路１４ｂ（１４ｂ−１〜１４ｂ−４）で処理されてモニタ１５上に所定の階調値を有する画素として表示される。本構成は、演算回路１４ｂを並列化して、受光素子１２毎に信号を処理することで高速化を図った例である。また、増幅回路１４ａを個別に持つことで、それぞれ回路ごとに増幅率を調整して電気信号を適切に増幅することが可能となる。したがって、受光素子１２に対応して個別に増幅回路１４ａと演算回路１４ｂを備えることにより、個別に電気信号を適切に増幅し、高速に処理するという効果を奏する。【００７９】
但し、この構成に限らず、受光素子（１２ａ〜１２ｄ）からの信号を選択するスイッチ（セレクタ）と１個または２個の増幅回路１４ａと演算回路１４ｂを有することで、時分割で電気信号を処理する構成としても良い。本実施例の信号処理回路１４に求められる最低限の機能は、受光素子１２（１２ａ〜１２ｄ）からの電気信号を個別に処理することである。  
上述の実施例１に係る検出器１６は、４方向にシンチレータ１０（１０ａ〜１０ｄ）と受光素子１２（１２ａ〜１２ｄ）が配置されていた。この構成において受光素子１２で得られる電気信号を個別に処理することで、４方向で電気信号を弁別することが可能となる。すなわち、試料８から出射した信号電子９がｚ軸に沿って飛行して、どの方向にあるシンチレータ１０に到達したかが明らかになる。例えば円柱を観察する場合、４方向のシンチレータ１０（１０ａ〜１０ｄ）それぞれで取得した電気信号に基づいて画像を作成すると、それぞれの方向から観察した円柱画像が得られ、方向に応じた円柱の影が画像に現れる。その影の長さから円柱の高さを推定することが可能となる。このとき、シンチレータ１０と受光素子１２の組を複数有するのみならず、ライトガイド１１は、あるシンチレータから出射した光を、そのシンチレータに対応する受光素子に到達させる必要がある。【００８０】
ライトガイド１１は、シンチレータから出射した光の大部分を対応する受光素子に伝搬させる構成である。それぞれシンチレータ１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄで発光した光は、それぞれ受光素子１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄに伝搬される光学系となっている。
シンチレータの発光光が対応しない受光素子に到達する現象（光のクロストーク）の抑制には、とりわけ反射面１１ｃ２および反射面１１ｃ３が重要な役割を果たす。例えばシンチレータ１０ａから受光素子１２ｂまたは受光素子１２ｄに向かう光は、主に反射面１１ｃ２および１１ｃ３で反射されて受光素子１２ｂまたは受光素子１２ｄには届かない。換言すれば、出射面１１ｂに平行にライトガイドを切断したときの断面積が出射面に近づくにつれて小さくなる構成であれば光のクロストークが抑制される。そのため、シンチレータ１０を分割せず、円環などの形状のシンチレータ１個で検出器を構成しても、ライトガイドの形状によりクロストークを低減することができる。【００８１】
上述の実施例１で説明した検出器１６の構成であれば、受光素子１２で得られた電気信号を個別に処理することで、円柱の高さ推定など３Ｄ計測が可能となる。したがって、１個あるいは複数のシンチレータと複数の受光素子を有し、シンチレータで発光した光の多くを試料上の上下左右などの方向に対応する受光素子に伝搬させるライトガイドを備え、各受光素子の電気信号を個別に処理することで３Ｄ計測を可能にするという効果を奏する。
なお、シンチレータと受光素子の組数は４個に限定されず２個でも３個でも８個でも良いし、１６個でも良い。但し、組数を大きくすると取得できる総信号電子数は多くなるが、１組当たりの信号電子数は減少し、さらに隣接する受光素子が近付くことから光のクロストークが起きやすくなる。１組毎に画像を作成する場合、１組当たりの信号電子数が減ると画像のノイズが大きくなる。そのため総信号電子数の収量、光のクロストークおよび１組当たりの信号電子数の関係から最適な組数を選択すれば良い。【００８２】
以上の通り本実施例によれば、実施例１の効果に加え、個別に電気信号を適切に増幅し高速に処理することが可能となる。
【実施例３】
【００８３】
図２６は、本発明の他の実施例に係る実施例３の検出器を構成するシンチレータとライトガイドの拡大図である。本実施例では、シンチレータ１０とライトガイド１１とを屈折率整合部材１７にて接合する構成としている点が実施例１と異なる。その他の構成は上述の実施例１と同様であり、実施例１と同様の構成要素に同一符号を付し、以下では実施例１と重複する説明を省略する。【００８４】
説明を分かり易くするため、図２６では、上図に上述の実施例１のシンチレータとライトガイドの拡大図を示し、下図に本実施例のシンチレータとライトガイドの拡大図を示している。まず、図２６の上図に示すように、上述の実施例１に係る検出器の構成では、シンチレータ１０とライトガイド入射面１１ａは近接して配置されているものの、接着（接合）はされていない。そのためシンチレータ１０を出射した光は、空気を介してライトガイドの入射面１１ａに到達する。光線Ｒａｙ１１１はライトガイド１１に入射する光線例であり、シンチレータ１０の内部で発光し、シンチレータ発光面１０ｅｍから出射して空気を介してライトガイド１１に入射する光線である。シンチレータ１０に信号電子９が入射してシンチレータ内部で発光が起こる。内部で発光した光の一部は、シンチレータ１０から出射できずにシンチレータ内部で損失する。この損失の大きな要因は、シンチレータ１０と空気の界面で起こる全反射である。半導体、セラミック蛍光体材料のシンチレータを用いる場合や、粉体蛍光体を成膜した基板をシンチレータ１０として用い、基板からの光も取り出して活用する場合、一般にシンチレータ発光面１０ｅｍの屈折率は１．５よりも大きいことが多い。屈折率１．５のときのシンチレータ表面における全反射角度は４０度程度である。それゆえ内部で発光した光が表面で全反射する割合は、表面へ入射した光の約７５％以上である。全反射した光は、シンチレータ内部に散乱構造があれば伝搬角度が変わって表面に再入射してシンチレータ１０から出射することもあるが、一部は再度全反射してシンチレータ内部に光が戻り吸収される。光線Ｒａｙ１１２がシンチレータ内で吸収される光線例である。シンチレータの面１０ｂｓにはアルミなどの金属が反射材として付いているため、反射する度に光のエネルギーが吸収される。光線Ｒａｙ１１２はシンチレータ内部で発光して発光面１０ｅｍで全反射して面１０ｂｓでエネルギーを吸収されながら反射する。光線Ｒａｙ１１２はこのプロセス繰り返し、光のエネルギーが概ねゼロとなり損失した光の例である。【００８５】
この全反射による損失メカニズムのため、シンチレータ内部で発光した光のうちシンチレータ１０から出射する光の割合は、おおよそ６０％未満と考えられ、シミュレーションによれば構造に依存して５−３０％程度である。【００８６】
全反射角度は、シンチレータ発光面１０ｅｍの材料の屈折率と空気の屈折率との差により決まる。そこで図２６の下図に示すように、本実施例に係る検出器の構成では、シンチレータ発光面１０ｅｍとライトガイド１１の入射面１１ａの間に空気より屈折率の高い屈折率整合部材１７を配置している。本実施例に係る屈折率整合部材１７は、シンチレータ発光面１０ｅｍと入射面１１ａを接着するアクリル系樹脂の接着層である。アクリル系樹脂の接着剤でシンチレータ発光面１０ｅｍと入射面１１ａを接着し、シンチレータ発光面１０ｅｍと入射面１１ａ間への空気の侵入を防止している。屈折率整合部材１７は、アクリル系樹脂に限らず、エポキシ系樹脂など透明な部材であれば良い。また、ゴムなどの弾性体をシンチレータ１０とライトガイド１１で挟んでも良いし、両面テープでシンチレータ１０をライトガイド１１に貼り付けても良い。【００８７】
空気より屈折率が高いとシンチレータ発光面１０ｅｍと屈折率整合部材１７の間で全反射が起き難くなるため、シンチレータ内部で発光した光は発光面１０ｅｍから屈折率整合部材１７に入射し易くなる。屈折率整合部材１７の屈折率がライトガイド１１の屈折率以上の場合は、全反射は起きず、また、ライトガイド１１の屈折率と同程度である場合も全反射はほとんど起きない。そのため、ライトガイド１１の屈折率と同程度若しくはそれ以上の屈折率の屈折率整合部材１７を配置することにより、シンチレータ発光面１０ｅｍから屈折率整合部材１７に光が入射し易くなり、さらに屈折率整合部材１７からライトガイド１１にも光が入射し易くなるため、光利用効率が向上するという効果を奏する。なお、ライトガイド１１の屈折率と同程度とは、ライトガイド１１の屈折率±０．２程度を指す。具体的には、ライトガイドを屈折率１．５１のＰＭＭＡとした場合、１．３１から１．７１程度である。【００８８】
但し、如何なる材料も屈折率は空気よりは大きいため、シンチレータ発光面１０ｅｍと入射面１１ａの間の空気層がなくなるように樹脂などの屈折率整合部材１７を配置することで光利用効率が向上するという効果を奏する。このとき屈折率整合部材１７はシンチレータ１０の発光光を透過すれば良い。このとき例えば材料の吸収係数［ｍ−１］が高いとしても、屈折率整合部材１７が十分に薄ければ光は透過するので問題ない。屈折率整合部材１７として重要なのは光が透過するということであり、屈折率整合部材１７として透過率は高ければ高いほど良いが光を通せば良く、アクリル系樹脂やエポキシ系樹脂などの樹脂であれば問題なく光を透過する。例えば、金属の厚い板材のように光を完全に通さない部材は屈折率整合部材１７としては採用できない。【００８９】
なお、屈折率整合部材１７の屈折率が、シンチレータ発光面１０ｅｍの屈折率とライトガイド１１の屈折率の間の屈折率であると、シンチレータ１０の発光面１０ｅｍと屈折率整合部材１７の屈折率差と屈折率整合部材１７とライトガイド１１の屈折率差との和が最小（シンチレータ発光面１０ｅｍとライトガイド１１の屈折率差）となり、屈折率差に依存して生じるフレネル反射が最小となるため光利用効率が向上するという効果を奏する。【００９０】
そのような例は、シンチレータをＧａＮ系の多層薄膜構造体とした場合、シンチレータ発光面１０ｅｍの材質はサファイア基板であるため、波長４００ｎｍにおいて屈折率は１．７８程度である。一方で、ＰＭＭＡは１．５１程度である。したがって、屈折率整合部材１７の屈折率はこの２つの屈折率の間にあることが望ましく、例えば、屈折率が１．６程度のアクリルまたはエポキシ系樹脂の接着剤などが屈折率整合部材１７として良い。【００９１】
シミュレーションにより屈折率整合部材１７の効果を確認した。シンチレータ１０はＧａＮ系の多層薄膜構造体とし、屈折率整合部材１７が有る場合と無い場合で光利用効率を計算した。その結果、屈折率整合部材１７がある場合の光利用効率は、屈折率整合部材１７がない場合の効率に比較して１．８倍となった。【００９２】
一般的な直方体のライトガイドの場合、光がライトガイドに入射すると屈折してライトガイド内における光の広がりがおおよそ４０度未満になる。このことにより、ライトガイド内を伝搬する光は、入射面に直交する面で全反射を繰り返すため光が導光する。しかし、光源とライトガイドを屈折率整合部材で接続すると、光源から出た光がほとんど屈折せずにライトガイドに入射するため、光はライトガイド内を伝搬せず、入射面付近でライトガイドから漏れてしまう。すなわち、一般的な直方体のライトガイドの場合、屈折率整合部材１７を導入すると光利用効率が低下する。【００９３】
上述の実施例１で説明したライトガイドのように、反射面（１１ｃ１―１１ｃ３）の３面がアルミ面の構造で、出射面１１ｂに平行にライトガイド１１を切断したときの断面積が出射面１１ｂに近づくにつれて小さくなる構成の場合、シンチレータ１０で発光した光の広がりのままでライトガイド１１に入射しても、反射により受光素子１２に光を集光することから、シンチレータ１０内で損失する光を、屈折率整合部材１７を導入することで損失させずに取り出すことにより光利用効率を向上するという効果を奏する。【００９４】
すなわち、上述の実施例１第で説明した特徴を持つライトガイド１１とシンチレータ１０とに間に屈折率整合部材１７を配置することで光利用効率を向上するという効果を奏する。【００９５】
そのとき、屈折率整合部材１７の屈折率は、ライトガイドの屈折率と同程度若しくはそれ以上の屈折率とすれば良く、シンチレータ発光面１０ｅｍの屈折率とライトガイド１１の屈折率の間の屈折率であるとさらに良い。【００９６】
以上の通り本実施例によれば、実施例１の効果に加え、更に光利用効率の向上を図ることが可能となる。【００９７】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。
【符号の説明】
【００９８】
１…電子顕微鏡鏡筒、２…電子源、３…一次電子線光軸、４…偏向器、５…コイル、６…外側磁路、７…内側磁路、８…試料、９…信号電子、１０…シンチレータ、１１…ライトガイド、１２…受光素子、１３…出力ケーブル、１４…信号処理回路、１４ａ…増幅回路、１４ｂ…演算回路、１５…モニタ、１６…検出器、１７…屈折率整合部材
【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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