WO1999029103A1

WO1999029103A1 - Dispositif de capture d'images a semi-conducteurs et analyseur utilisant ledit dispositif

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Publication number: WO1999029103A1
Application number: PCT/JP1997/004365
Authority: WO
Inventors: Katsuyuki Kinoshita
Original assignee: Hamamatsu Photonics K.K.
Priority date: 1997-11-28
Filing date: 1997-11-28
Publication date: 1999-06-10
Also published as: AU5068098A; DE69712115T2; DE69712115D1; JP3236026B2; EP1043890A1; US6765609B1; EP1043890A4; EP1043890B1

Description

明細固体撮像素子及びそれを用いた分析装置技術分野

本発明は、固体撮像素子に関し、特に被測定物の像の観察とその被測定物の特定箇所における分析計測を同時に行う場合に被測定物の像観察に用いられる固体撮像素子及びそれを用いた分析装置に関する。背景技術

物体の分析測定において、その像を単に観察するだけでなく、その像の部位における分光エネルギー特性等の計測が要求される場合がある。このような計測 (被測定物の像とその部位における分光特性を同時に計測）を行うものとしては、特開平 1一 3 2 0 4 4 1号公報に記載されたものが知られている。すなわち、この測定装置（色彩輝度計）は、図 1 3に示されるように、対物レンズ 1 0 2を介して被測定物 1 0 1の像が結像されるアパーチャ 1 0 3 ' 付きの板体 1 0 3と、その板体 1 0 3と被測定物 1 0 1との間に配置され被測定物 1 0 1の像の一部を反射させる分岐手段であるハーフミラ一 1 1 1と、このハーフミラ一 1 1 1で反射される被測定物 1 0 1の像を撮像する撮像装置である T Vカメラ 1 1 7と、アバ一チヤ 1 0 3 ' を通じて板体 1 0 3を通過する被測定物 1 0 1の像の一部を受けて分光を行う分光手段 1 0 6と、この分光手段 1 0 6で分光されたスぺクトルを検出する検出器 1 0 8と、そのスぺクトルデ一夕の処理を行うデ一夕処理回路 1 0 9と、そのデータ処理回路 1 0 9からの分析データ信号と T Vカメラ 1 1 7から出力される画像信号を重畳する信号重畳回路 1 1 8と、この信号重畳回路 1 1 8から出力される信号に基づいて表示を行うモニタ 1 1 0とを備えて構成されている。そして、この測定装置は、被測定物 1 0 1からの光線をハーフミラー 1 1 1により分岐させて、その光線の一方を二次元像の形成のために用い、他方を分光特性の検出のために用いることにより、モニタ 1 1 0に被測定物の二次元像 b とその一部の分光特性データ aを同時に表示しょうとするものである。

しかしながら、従来の測定装置にあっては、次のような問題点がある。

まず第一に、モニタ 1 1 0には被測定物の二次元像 bと分光特性データ aのほか、分光特性をサンプリング検出している箇所にマーカー cが表示されるが、そのマーカー cの表示位置と実際に分光特性を検出している被測定物 1 0 1の位置、すなわち測定スポット 1 0 4にズレを生じる場合がある。すなわち、マーカー c の表示はアパーチャ 1 0 3，を通じて透過する光線の位置に合わせて設定されるが、ハーフミラー 1 1 1、テレビカメラ 1 1 7の受光面などの位置ズレに伴い、分光特性のサンプリング位置 1 0 4とマ一力一表示位置 cにズレを生ずることとなる。

第二に、光線を分岐するためにハーフミラ一 1 1 1を用いているが、透過率の波長特性が均一なハーフミラ一 1 1 1を製作することは困難であり、被測定物 1 0 1から発せられた光線がハーフミラー 1 1 1を通過するときにその分光特性が変化する。このため、被測定物 1 0 1についての正確な分光デ一夕が得られず測定精度の低下を招いている。

第三に、前述の測定装置では被測定物から放出されるのが光線の場合は分析可能であるが、それ以外の X線、電子またはイオンの測定には適用できない。これは、光線であればハーフミラーで分岐することが可能であるが、 X線、電子線やイオンビームなどは、ハーフミラ一でそれ自体を分岐することはできないため、この種の装置では、 X線像などについての分析計測は行えなかった。発明の開示

本発明は、以上のような問題点を解決するためになされたものであって、放射線などについても分析計測が可能であって、分析位置を確認しながら正確な分析特性が得られる分析装置およびそのための分析画像撮像用の固体撮像素子を提供することを目的とする。

本発明の固体撮像素子は、基板上に 2次元方向に配列した画素により、受像面に入射した可視光、赤外線、紫外線等の光やひ線、ァ線、 X線等の放射線、電子ビーム、イオン粒子などの空間分布を表す像を画像信号に変換する固体撮像素子であって、画素配列の略中央に基板を貫く開口が設けられており、各画素の画像を読み出す電荷転送路が開口を回避して形成されていることを特徴とする。

これによれば、開口の周囲に画素が配列された穴開き固体撮像素子が提供される。受像面に達したこれらの光、放射線、電子、イオン等のエネルギー線のうちこの開口部分に達したエネルギー線はそのまま開口を透過する。

この撮像素子の撮像部は、開口を境界の一部とする少なくとも 2つの領域に区分されており、各画素の画像信号を転送蓄積して順次読み出す転送レジス夕がこの少なくとも 2つの領域についてそれぞれ専用に設けられていることが好ましい。これによれば、撮像部は開口を境界の一部とする少なくとも 2つの領域に区分され、それぞれ専用の電荷読み出し用レジス夕（通常は水平転送レジス夕）を有している。つまり、開口をはさんで少なくとも 2つの独立の撮像部が存在するのと類似した状態になる。撮像部全体が一つの領域からなる従来型の固体撮像素子で画素形成位置の中央に開口を形成すると開口部分を超える電荷の垂直転送は困難になる。この結果、垂直転送を行えない部分の画素、通常は開口より上部の所定の幅の画素は画像信号を読み出すことのできない無効画素となる。本発明では、開口部分を境界として複数の領域に区分しているので、開口部分を超える電荷の垂直転送を行う必要がない。つまり余計な無効画素が発生するのを防止できる。さらに、この撮像素子は、基板上の受像面と反対の側に画素の画像信号を転送する電極が形成されているいわゆる裏面照射型であることが好ましい。裏面入射型の固体撮像素子は、いわゆる表面入射型の固体撮像素子に比べると、受像面が電極で覆われていないため、有効入射面が広くなり、入射エネルギーの変換効率が表面入射型に比べて高く、高感度であるという特徴を有している。

一方、本発明の分析装置は、これらの固体撮像素子のいずれかと、この撮像素子と被測定物との間に配置され、被測定物の像を撮像素子の受像面に結像させる結像手段と、開口を通過してくるエネルギー線を利用して被測定物の特性を分析すると共に、その分析データを分析デ一夕信号に変換する分析手段と、撮像素子から出力される画像信号および分析手段から出力される分析デ一夕信号に基づいて、被測定物の画像および分析データを表示する表示手段と、を備えることを特徴とする。

これによれば、穴開きの固体撮像素子の開口部を透過したエネルギー線を利用して被測定物の特性が分析手段により分析される。したがって、固体撮像素子の出力画像のうちの開口位置が分析位置と確実に一致する。

さらに、撮像手段から出力される画像信号と同期し、このうち開口に対応する信号部分に重畳するマ一力一表示信号を発生させるマ一力一信号発生手段をさらに備え、この手段はさらに、マーカ一発生手段から出力されるマーカー表示信号に基づいて、表示画像上に分析手段による分析位置を示すマーカーを同時に表示することが好ましい。これにより、分析位置の確認がさらに容易になる。

被測定物は、固体撮像素子の受像面に対し移動自在に配置されてもよい。あるいは、受像面が、被測定物に対し移動自在であってもよい。これにより、被測定物の分析位置を走査することが容易になる。

分析手段には、分光器、エネルギー分析器、質量分析器を用いることができ、電子やイオンを測定対象とする場合は、固体撮像素子の開口を通過した電子またはイオンを減速する電子光学系をさらに備えていることが好ましい。また、分析手段にストリークカメラを備えていてもよい。

また、結像手段は光学レンズ、プリズムあるいはミラ一からなる光学系で構成され、この光学系を構成する光学素子の少なくともひとつが被測定物または撮像手段に対して移動自在であってもよい。あるいは、結像手段は被測定物と前記撮像手段の間に任意の磁界又は電界を形成する偏向器を有しているものでもよい。図面の簡単な説明

図 1は、本発明に基づく固体撮像素子の一実施形態の断面図である。

図 2は、図 1の正面図である。

図 3は、その開口部分近傍の拡大図である。

図 4は、固体撮像素子の電荷読み出しの別の形態を示すものである。

図 5は、図 1の固体撮像素子とは別の実施形態の正面図である。

図 6は、本発明に基づく分析装置の説明図である。

図 7は、図 6の分析装置の出力画像を表す説明図である。

図 8は、本発明に基づく分析装置の第 2の実施形態である分光分析装置の説明図である。

図 9は、第 2の実施形態の変形例を表す説明図である。

図 1 0は、本発明の第 3の実施形態であるアトムプローブ電界イオン顕微鏡の説明図である。

図 1 1は、被測定物から放出されるイオンの説明図である。

図 1 2は、本発明の第 4の実施形態であるストリークカメラを用いた蛍光寿命測定装置の説明図である。

図 1 3は、被測定物の画像検出と分光測定を同時に行う従来の装置の説明図である。

図 1 4は、本発明の固体撮像素子の他の利用形態を示す図である。発明を実施するための最良の形態

以下、添付図面に基づき、本発明に係る固体撮像素子およびこれを用いた各種分析装置の種々の実施形態について説明する。尚、各図において同一要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。また、各図において寸法比率は実際のものと必ずしも一致していない。

[固体撮像素子]

最初に本発明に係る固体撮像素子の実施形態について図 1〜図 4を参照して説明する。

図 1に示されるように、本発明の固体撮像素子 3 1は、たとえば、三相駆動式の表面チャンネル型の C C D (Charge Coupled Device) を利用したタイプのものが用いられ、セラミヅク等の絶縁材からなるパッケージ 3 5に S i基板などからなる板上の撮像部 3 3が取り付けられた構造となっている。以下、単にこの撮像素子を C C D 3 1と称する。パッケージ 3 5には C C D 3 1の外部部品等と電気的に接続するための端子 3 5 aが複数設けられており、 C C D 3 1を駆動するための電圧供給電極や撮像部 3 3に配設される信号出力電極 3 3 aなどとワイャボンディングにより接続されている。

撮像部 3 3は、厚さ 1 0 0〃!11程度の型3 i基板 3 3 bの表面に約 0 . 1〃 mの厚さの S i 0₂膜 3 3 cが形成され、その S i 0₂膜 3 3 c上には電荷転送電極 3 3 dが 2次元状に複数個配列された構造となっている。そして、撮像部 3 3 のほぼ中央には厚み方向に貫通する開口 3 4が開設されている。この開口 3 4はエッチングなどにより形成すればよい。開口 3 4の口径は、撮像部 3 3の S i基板 3 3 bの厚さが約 1 0 0〃mの場合、たとえば、 9 6〃m 程度とされる。通常のエッチングでは S i基板 3 3 bの厚さ方向だけでなく S i基板 3 3 bの平面方向へも行われるので、開口 3 4の口径は S i基板 3 3 bの厚さ寸法とほぼ同径のものとなる。そのため、開口 3 4の口径を S i基板 3 3 bの厚さ寸法より小さいものとする必要があるときには、異方性エッチングを行えばよい。撮像部 3 3 への光線などの入射面の反対側からエッチングを行うことにより、テ一パ状となるが開口 3 4の口径を小さく形成することが可能となる。更に、撮像部 3 3の開口 3 4と共に、パッケージ 3 5にも開口 3 5 bが設けられ、 C C D 3 1を光線または放射線の一部が通過できるようになつている。次に、図 2〜図 4に基づいて CCD 3 1の撮像部 33について詳細に説明する。図 2は、撮像部 33の入射側正面の概略図であり、図 3は、図 2の撮像部 33の開口 34近傍の拡大図である。そして、図 4は図 2に示される実施形態との比較形態の入射側正面の概略図である。ここで、図 3では、簡略化のため、電荷転送電極 33 dおよびこれに対応する各画素 33 eの記載は一部を除いて省略してある。図 3に示されるように、撮像部 33の表面には光電変換を行うフォトダイォードである画素 33 eが多数配列されている。たとえば、撮像部 33の有効面積 12.3mmx 12.3mm中に、それぞれの大きさが 12〃mx 12〃mの画素 33 eが 1024 x 1024個配列されている。この各画素 33 eが並べられた領域は、開口 34の中心を通る水平区分線 331により区分される上下 2つの領域 33h、 33 iに分割されている。そしてそれぞれの領域 33 h、 33土用の二つの水平転送レジス夕 33 gがこの二つの領域 33h、 33 iを上下から挟み込むような形で配置されている。

ここで、撮像部 33の開口 34およびその周辺には画素を形成することができない。図 3に示されるように、この画素 33 eが形成されない領域 33 fの寸法は、約 8画素分の開口 34の直径に対し、 10画素分とするのが望ましい。このように、開口 34の縁部分から 1画素分を空けて画素 33 eを設けることにより、開口 34の形成時の開口 34の周辺部分のダレ等の乱れによる S i 02 膜 33 cの剥がれ、転送電極 33 dの短絡などの発生が回避でき、それらによる CCD 31の動作不良が未然に防止できる。

この CCD 31では、前述のように撮像部 33を分割し、それぞれの領域に専用の水平転送レジス夕 33 gを設けている。したがって、各撮像領域 33 h、 3 3 iから水平転送レジス夕 33 gに向かって図 2に矢印で示すように一列ずっ電荷を垂直転送し、水平転送レジス夕 33 から 1画素ずつの電荷を取り出すことにより画像信号の読み出しを行っている。この結果、開口部近傍の 10x 10画素分の無効領域を除いた全画素の画像信号を読み取ることが可能である。この領域の分割数は 2分割に限られるものではなく、 3以上の分割数とすることも可能であり、特定の分割領域で水平転送レジス夕を共有する構成とすることも可能である。

比較例として撮像領域を分割していない開口を有する撮像部 3 3の例を図 4に示す。この実施形態では、開口 3 4を飛び越えて電荷の垂直転送が行えないため、図 1の実施形態より広い斜線で示される領域 3 3 f について画像信号を読み出すことができず、無効画素となっている。

こうした無効画素が開口部の近傍以外に発生するのを防止する技術としては、図 2に示した実施形態のように撮像領域を区分してそれぞれに専用の電荷転送レジス夕を設ける技術のほか、撮像部と別に撮像部で蓄積した電荷を一時保管する専用の蓄積部を備えており、撮像部の開口に対応する蓄積部にもダミーの蓄積部を設ける技術、開口を回避して電荷転送路を配線する技術などが適用できる。図 5は、本発明の固体撮像素子の第 2の実施形態を示したものである。

この C C D 3 1 aは前述の C C D 3 1と同様に中央に貫通する開口 3 4が設けられている。そして、この C C D 3 1 aはいわゆる裏面照射型の C C Dである。すなわち、 C C D 3 l aは、セラミック等の絶縁材からなるパッケージ 3 5に S i基板などからなる板上の撮像部 3 3が取り付けられた構造となっており、詳述すると、パッケージ 3 5の表面に配線用 S i基板 3 3 kが配置され、撮像部 3 3 の S i基板 3 3 bの内側（パッケージ 3 5側）に S i 0₂膜 3 3 cが形成され、その S i 0₂膜 3 3 c上に多数の電荷転送用電極 3 3 dが配列されている。そして、 S i基板 3 3 bの外側（光電子の入射側）には p ⁺— S i層 3 3 jが形成されている。

そして、 C C D 3 1 aに電子ビームゃ軟 X線が入射すると、撮像部 3 3のごく表面で吸収し信号電荷を発生させるので、これを蓄積かつ転送する転送用電極 3 3 dの下まで有効に到達できるようにするため S i基板 3 3 bは 2 O ^ m程度まで薄くされ、周縁部だけが支持のために厚く残された構造とされている。また、電子の打ち込まれる側の表面は発生した電荷が転送電極側に効率良く送り込まれるように p ⁺ _S i層 33 jがイオン注入により設けられている。このような裏面照射型の C CD 31 aによれば、 S i基板 33 bの厚みが 20 /m程度と薄くされているため、それに応じてエッチング等により開口 34の口径を 24〃m程度とすることができる。また、裏面照射型であるため、電極 33 dが入射面を遮ることがなく、入射面の有効面積が実質的に増大し、被写体の像を効率良く撮像することが可能となる。

なお、上記の CCDは三相駆動式のもの、二相駆動式または四相駆動式のものであってよく、また、フレーム転送方式のものに限られずイン夕一ライン転送方式やフレームイン夕一ライン転送方式のものであってもよい。更に、固体撮像素子としては、 CCDに限られるものでなく、 MO S型のものなどであってもよい。

[分析装置]

以下、上述の構成の固体撮像素子を利用した各種分析装置について実例を挙げて詳細に説明する。なお、以下の説明では、 C CDを用いた例について説明しているが、本発明はこれに限られるものではなく、前述のように各種の開口を有する固体撮像素子を応用することが可能である。

(第 1の実施形態）

図 6は分析装置 1の全体概要図である。図 6に示されるように、分析装置 1は、被測定物 2の形状を観察しながら、その被測定物 2の特定位置における色彩を細かく分析可能な装置であって、撮像手段である CCD 31、 CCD駆動回路 32、結像手段である光学レンズ系 41、分析手段である分光器 51、検出器 52、デ —夕処理回路 53、表示手段である信号重畳回路 61、モニタ 62を備えると共に、被測定物 2を配置するための X— Yステージ 71、マーカー信号発生手段であるマーカ一信号発生器 8 1を具備している。

ここで、 CCD 31は、上述した本発明の固体撮像素子のひとつであり、たとえば、図 1〜図 3に示した実施形態の素子が適用可能である。分析装置 1の各部について詳述すると、まず、測定対象となる被測定物 2を配置するための X_Yステージ 71が光軸に直交する平面方向に移動自在に設けられている。すなわち、 Χ— Υステージ 71は、被測定物 2の配置面が C CD 3 1 の受像面である撮像部 33とほぼ平行に配され、少なくともその配置面と平行移動自在に設けられている。このため、 X— Yステージ 71に配置した被測定物 2 が CCD 31に対し相対移動可能となり、その移動により CCD 31で被測定物 2の各部が撮像可能となる。なお、被測定物 2の各部を撮像するためには X— Y ステージ 71と C CD 31が相対的に移動する構造となっていればよく、 X— Y ステージ 71を固定とし CCD 31を X— Yステージ 71に対して移動自在としてもよい。また、 X— Yステージ 71および CCD 31の双方を移動自在としても勿論よい。更に、その X— Yステージ 7 1または CCD 31は、互いに平行移動するだけでなく、接近または隔離する方向へ移動するように構成されていてもよい。

そして、 C CD 31には C CD駆動回路 32が接続されている。この CCD駆動回路 32は、 CCD 31を駆動制御すると共に、 C C D 31が出力する映像信号を受けて増幅を行うものである。また、 X— Yステージ 71と CCD 31との間には光学レンズ系 41が配設され、被測定物 2からの光線または放射線を CC D 31に結像している。この光学レンズ系 41を被測定物 2または C CD 31に対し移動自在に設けておけば、 X— Yステージ 7 1または CCD 31を移動させることなく、光線等の結像位置を変えることが可能となる。なお、前述の被測定物 2から放出される光線または放射線は、被測定物 2自体から発せられる光線または放射線のほか、被測定物 2へ照射され被測定物 2で反射してくる光線または放射線を含むものである。

また、 CCD 3 1の背後には、分析手段の一部をなす分光器 51が配設されている。この分光器 51は、 CCD 31の開口 34を通過してくる光線を分光するものであって、プリズム、回折格子、色フィル夕などが用いられる。また、分光器 5 1の出力側には検出器 5 2が接続されている。この検出器 5 2は、分光器 5 1で分光された光線のスぺクトルを読み取る機器であって、光線の入力により光線の波長スぺクトルに応じた電気信号を出力するものである。この検出器 5 2としては、多チャンネル検出器などが用いられる。また、検出器 5 2の出力側にはデータ処理回路 5 3が接続されている。デ一夕処理回路 5 3は、検出器 5 2から出力される波長スぺクトルのデータを処理し、分析デ一夕信号を出力する回路である。

さらに、データ処理回路 5 3の出力側には、表示手段の一部をなす信号重畳回路 6 1が接続されている。この信号重畳回路 6 1は、データ処理回路 5 3のほか、 C C D駆動回路 3 2およびマーカー信号発生器 8 1とも接続されており、 C C D 駆動回路 3 2からの映像信号、デ一夕処理回路 5 3からの分析データ信号およびマ一力一信号発生器 8 1からのマーカー表示信号を入力して重畳する機能を有している。また、モニタ 6 2は、信号重畳回路 6 1から出力される信号を受けて、被測定物 2の二次元像 6 2 a、分析デ一夕 6 2 bおよび分析位置（サンプリング位置）を示すマーカ一 6 2 cを同時に表示する機器である。このモニタ 6 2としては、公知のものが用いられる。

このマーカ一信号発生器 8 1が発生するマーカ一表示信号は、 C C D駆動回路 3 2から出力される映像信号と同期した信号であって、その映像信号の開口 3 4 に対応する信号部分に重畳されるものである。 C C D駆動回路 3 2から出力される映像信号における開口 3 4に対応する信号部分は撮影部 3 3における開口 3 4 の位置から特定できるため、映像信号と同期をとることにより、その開口 3 4に対応する信号部分にマ一カー表示信号を重畳することが容易、かつ、確実に行えることとなる。

次に分析装置 1の動作について説明する。

まず、図 1に示されるように、 X— Yステージ 7 1上に測定対象となる被測定物 2をセットする。この状態において、被測定物 2から放出される光線は、光学レンズ系 4 1を介して C C D 3 1の撮像部 3 3上に結像される。その際、被測定物 2から放出される光線は、その被測定物 2へ所定の光の照射による反射光線であってもよい。また、 X— Yステージ 7 1と C C D 3 1との間にはハーフミラ一のようなものが存在しないから、被測定物 2から放出される光線の像の波長特性などが変化してしまうことがない。

次いで、 C C D 3 1では撮像部 3 3上に結像された被測定物 2の光線の像に応じて光電変換が行われ、その C C D 3 1から光線の像に対応した電気的な映像信号が出力される。その映像信号は、 C C D 3 1から C C D駆動回路 3 2へ伝送されて増幅されたうえでこの C D駆動回路 3 2から出力される。

一方、 C C D 3 1へ結像された被測定物 2の像を形成する光線のうち一部は、開口 3 4を通じて C C D 3 1の背後へ抜けて行くこととなる。そして、 C C D 3 1を貫通した光線は、分析用のサンプリング光線として分光器 5 1へ入射される。分光器 5 1では光線は波長帯域ごとに分光され、検出器 5 2により各波長ごとの強度に対応する信号として検出される。こうして検出器 5 2から出力された信号は、データ処理回路 5 3へ入力され、分光した波長の強度データの分析デ一夕信号としてデータ処理回路 5 3から出力される。

そして、 C C D駆動回路 3 2から出力される映像信号、データ処理回路 5 3から出力される分析デ一夕信号およびマーカ一信号発生器 8 1から出力されるマーカー表示信号はそれぞれ信号重畳回路 6 1へ入力され、この信号重畳回路 6 1にて重畳されてモニタ 6 2へ入力される。その際、映像信号における開口 3 4の信号部分にマーカ一表示信号が重畳されることとなる。そして、信号重畳回路 6 1 からモニタ 6 2へ各信号による重畳信号が出力され、モニタ 6 2には、たとえば図 7に示すように、映像信号成分に基づいて被測定物 2の二次元映像 6 2 aが表示され、分析データ信号成分に基づいて波長帯域ごとのスぺクトルを示す分析デ —夕 6 2 bが表示され、分析デ一夕 6 2 bの分析位置を示すマーカ一 6 2 cが二次元映像 6 2 a上に同時に表示される。このとき、マ一力一 6 2 cは、撮像部 3 3の開口位置に表示されるので、分析デ一夕の分析位置と必ず一致し正確な位置を示すこととなる。

また、モニタ 6 2には、被測定物 2の二次元像 6 2 a、分析データ 6 2 bおよび分析位置を示すマーカー 6 2 cが同時に表示されるので、被測定物 2の表面形状の観察とその被測定物 2上の所望位置における色彩デ一夕（たとえば、波長帯域ごとのスペクトル強度）の計測が同時に行え、被測定物 2の状態や性質などが容易に把握できる。また、被測定物 2の観察および計測において、分析すべき位置を変更したいときには、被測定物 2がセッ卜される X— Yステージ 7 1を C C D 3 1に対し相対移動させることにより分析位置の変更が容易に行える。その際、 C C D 3 1側を X— Yステージ 7 1に対し相対移動させてもよい。それらの移動に伴い、モニタ 6 2に表示される被測定物 2の二次元像 6 2 aに対するマ一力一 6 2 cの示す相対位置が変化することとなるが、その移動を任意な位置へランダムに行ったとしても、マ一力一 6 2 cは常に開口 3 4の位置を示すのでマ一力一 6 2 cの示す位置と実際に分析されている位置（分析サンプリング位置）がズレてしまうことはない。また、被測定物 2の二次元像 6 2 aを観察しながら、 X— Yステージ 7 1などを移動させることによりその所望の箇所を開口 3 4の位置に合わせることが可能となる。このため、被測定物 2の所望箇所の分析作業が効率良く行え、分析デ一夕の取り込み時間を大幅に短縮することができる。一方、被測定物 2の二次元像 6 2 aに対し広い範囲にわたつて分析データを得たいときには、この被測定物 2の観察および計測において、 X— Yステージ 7 1等の移動を制御して、被測定物 2上で分析位置を順次自動的に走査するようにすれば、被測定物 2の各部の計測作業が効率良く行える。

以上説明したように、この分析装置 1によれば、被測定物 2の二次元像 6 2 a の観察と所望の箇所の分析が同時に行え、その際、分析位置がマーカー 6 2 cにより確実に示される。また、被測定物 2から放出される光線のサンプリングがその光線の特性を変化させる物、たとえばハーフミラーなどを介することなく行える。従って、被測定物 2の観察と共に、被測定物 2についての分析が正確に行える。

なお、前述した分析装置 1は、被測定物 2の二次元像 6 2 aと分析データ 6 2 bが別の表示手段により表示されるものであってもよい。すなわち、データ処理回路 5 3から出力される分析デ一夕信号は必ずしも信号重畳回路 6 1で重畳される必要はなく、信号重畳回路 6 1に接続されるモニタ 6 2とは別にモニタまたは X Yプロッタなどの表示手段をデ一夕処理回路 5 3に接続することにより、被測定物 2の二次元像 6 2 aと分析データ 6 2 bを別個の表示手段により表示させるものであってもよい。

(第 2の実施形態）

次に図 8、図 9に基づいて分析装置の第 2の実施形態について説明する。第 1 の実施形態に係る分析装置 1は被測定物 2から放出される光線の二次元像を観察可能とし、被測定物 2の特定位置における色彩特性を計測可能としたものである。これに対して、第 2の実施形態は、観察対象を被測定物 2から放出される光電子の二次元像とし、計測対象をその光電子のエネルギー特性とした光電子分光機能を有する分析装置である。

図 8に示されるように、分析装置 l aは、撮像手段である C C D 3 1 a、 C C D駆動回路 3 2、結像手段である第一集束コイル 4 1 a、第二集束コイル 4 1 b、偏向コイル 4 1 c、分析手段である半球型エネルギー分析器 5 4、 T Vカメラ 5 5、表示手段である信号重畳回路 6 1、モニタ 6 2を備えると共に、被測定物 2 を配置するための試料支持台 7 l a、被測定物 2から光電子を放出させるための X線発生器 4 5およびマーカ一信号発生手段であるマーカ一信号発生器 8 1を具備した構成とされている。

分析装置 1 aの各部について詳述すると、まず、測定対象となる被測定物 2を配置するための試料支持台 7 1 aが真空容器 4 2の端部に配置されている。試料支持台 7 l aは、非磁性体からなり、たとえば、非磁性金属からなる板状のものが用いられる。また、試料支持台 7 l aは、導電性を有する固定リング 72に着脱自在とされており、この固定リング 72に取り付けられた状態で真空容器 42 の開口部分に配置されている。固定リング 72は、〇リング 73を介して気密フ夕 74により押圧され、真空容器 42の開口部に真空封着されている。このため、試料支持台 7 1 aに被測定物 2をセットすることにより、被測定物 2は真空空間内に置かれることとなる。また、気密フタ 74を外すことにより、試料支持台 7 1 aにセッ卜した被測定物 2の交換が可能となっている。固定リング 72には高圧電源が接続され、負電位、たとえば一 10 kVの電圧が印加され、これと接続された試料支持台 7 1 aにもこの電圧が印加される。また、真空容器 42には真空ポンプ 44が接続されており、その内部の真空度を任意に調整できるようになつている。この真空容器 42は、通常使用時に 1 X 10- ⁶Torr以下の真空状態とされる。

また、真空容器 42に配置された試料支持台 7 1 aから内側へ隔てて加速電極 43が設置されている。加速電極 43は、真空容器 42の側壁と電気的に接続されており、真空容器 42が接地されていることに伴って ± 0 kVの電位とされている。この加速電極 43は、光電子などが通過できるように開口が設けられている。この結果、燃料支持台 7 1 aと加速電極 43との間に形成された加速電界により被測定物から放出された放出エネルギー V。（eV)の光電子は V。十 1 0⁴(e V) のエネルギーに対応する速度まで加速される。

—方、加速電極 43を挟んで試料支持台 7 1 aの反対側には、 C CD 3 1 aが配設されている。 CCD 3 1 aは、被測定物 2から放出される光電子の像を受け光電変換して電気的な映像信号を出力する固体撮像素子である。この CCD 3 1 aには、前述の図 4に示される第 2の実施形態の CCD 3 1 aが用いられている。この CCD 3 1 aには、第 1の実施形態の分析装置 1と同様に、 CCD駆動回路 32が接続されている。この CCD駆動回路 32により CCD 3 1 aが駆動制御されると共に、 CCD 3 1 aから出力される映像信号が増幅できるようになつている。

そして、真空容器 4 2に隣接して X線発生器 4 5が配設されている。この X線発生器 4 5は、被測定物 2へ軟 X線を照射するための機器であって、真空室 4 5 aの内部にガスパフ X線源 4 5 b、反射ミラー 4 5 cを配設した構造とされている。真空室 4 5 aは前述の真空ポンプ 4 4と接続され、その内部の真空度を任意に調整できるようになつている。また、真空室 4 5 aの側壁には透過窓 4 5 が設けられており、この透過窓 4 5 dを通じて真空室 4 5 a内から軟 X線が試料支持台 7 1 a上の被測定物 2へ向けて照射できるようになつている。透過窓 4 5 d を設けているのは、真空室 4 5 aにはガスパフ X線源が配置されているので真空度が低く、高真空に保つ必要のある真空容器 4 2の内部とその真空室 4 5 aとを仕切るためである。この透過窓 4 5 dとしては、軟 X線のみを透過させる薄膜、たとえば、格子状支持体に支えられた有機フィルムゃチッ化シリコン膜などが用いられる。また、反射ミラ一 4 5 cは、ガスパフ X線源 4 5 bから出射される X 線を透過窓 4 5 dへ反射すると共に、反射する X線の分光機能を有している。すなわち、反射ミラ一 4 5 cは、ガスパフ X線源 4 5 bから入射される X線のうち軟 X線のみを反射させる機能を有している。この X線発生器 4 5によれば、真空容器 4 2内に配置される試料支持台 7 1 a上の被測定物 2に対して軟 X線を照射することができる。

また、真空容器 4 2を取り卷いて第一集束コイル 4 1 a、第二集束コイル 4 1 bが配置されており、これらの第一集束コイル 4 1 a、第二集束コイル 4 1 bにはそれぞれ駆動電源 4 l d、 4 1 eが接続されている。これらの第一集束コイル 4 1 a、第二集束コイル 4 1 bが通電されることにより真空容器 4 2内に磁界が形成される。そして、軟 X線の照射により被測定物 2から放出され、試料支持台 7 1 aと加速電極 4 3との間に形成された加速電界により加速された光電子群を C C D 3 1 aへ結像することが可能となる。更に、真空容器 4 2の周囲には偏向コイル 4 1 cが配置されており、偏向コイル 4 1 cには駆動電源 4 I f が接続されている。この偏向コイル 41 cは、駆動電源 41 fにより通電されることにより、磁界の形成状態を任意に制御可能とされている。このため、偏向コイル 41 cの磁界形成制御により、被測定物 2から放出される光電子群を CCD 3 l a上の所望の位置に結像させることが可能となる。

CCD 31 aの背後には、まず電子光学系 47が配置されている。この電子光学系 47は、例えば複数の円筒電極群 47 a、 47b、 47 c、 47 dからなり、電極 47 aは ± OVに接地され、電極 47 dには、固定リング 72の印加電圧より V_A' (たとえば 15 OV) だけ高い— 9. 85 kVの電圧が印加されている。そして、中間の電極 47b、 47 cには、接地電位とこの一 9. 85kV電位の間の所定の電圧が印加されている。これにより加速電極 43で加速された電子は、電子光学系 47により被測定物 2から放出された当初の速度に近い速度、つまり V₀+V_A' (e V) に対応する速度まで減速される。

電子光学系 47の背後には、分析手段の一部をなす半球型エネルギー分析器 5 4が配置されている。このエネルギー分析器 54は、電子光学系 47を通過してくる光電子のエネルギーを分析する機器であって、電子光学系 47の背後に一端を位置させ内外同心に配された半球状の電極 54 a、 54b、それらの電極 54 a、 54 bの他端側に配置されたマイクロチャンネルプレート 54 cおよび蛍光板 54 dにより構成されている。そして、外周側の電極 54 aと内周側の電極 5 4 bには電子光学系 47の終端側の電極 47 dの電位（— 9. 85 k V) に対して負および正の電圧となる一 9. 95 kVおよび一 9. 75 kVの電圧がそれそれ印加されて、電極 54 aから電極 54 bへ向けて電界が形成されており、電極 54 a、 54 b間へ入射してくる光電子を電極 54 a、 54 bに沿って円運動させる構造となっている。また、マイクロチャンネルプレート 54 cの入射面は電極 47 dの電位と同電位とされ、マイクロチャンネルプレート 54 cの出射面および蛍光板 54 dにはそれぞれこれに対して正の電圧が印加されて、マイクロチヤンネルプレート 54 cの入射面、出射面、蛍光板 54 dと順次高電位となるようにされている。

このエネルギー分析器 5 4によれば、 C C D 3 1 aの開口 3 4が入射絞り機能を果たし、その C C D 3 1 aの開口 3 4を通過してくる光電子を電子光学系 4 7 を経て電極 5 4 a、 5 4 bの間に入射させて、光電子の持つエネルギーに応じて電界中での光電子の軌道半径が変わることを利用して、光電子におけるエネルギ一分布を検出することが可能となる。

この分析装置 1 aでは、エネルギー分析器 5 4の蛍光板 5 4 dに対向して T V カメラ 5 5が配置されている。この T Vカメラ 5 5は、蛍光板 5 4 dにより発せられる光を撮影するためのものである。 T Vカメラ 5 5から出力される分析映像信号（分析データ信号）は、信号重畳回路 6 1に入力されている。また、前述の C C D駆動回路 3 2から出力される映像信号およびマ一力一信号発生器 8 1から出力されるマーカ一表示信号も信号重畳回路 6 1に入力されており、その信号重畳回路 6 1により各信号が重畳され、モニタ 6 2に入力すべき信号とされる。なお、信号重畳回路 6 1、モニタ 6 2、マ一力一信号発生器 8 1については実施形態 1と同様なものが用いられる。

次に分析装置 1 aの動作について説明する。

まず、試料支持台 7 1 aに測定対象となる被測定物 2をセッ卜する。次いで、真空ポンプ 4 4により真空容器 4 2内、真空室 4 5 a内およびエネルギー分析器 5 4内を真空状態とする。そして、第一集束コイル 4 1 a、第二集束コイル 4 1 b、偏向コイル 4 1 cにそれぞれ駆動電源 4 1 d、 4 1 e、 4 I f により通電すると共に、電子光学系 4 7の各電極 4 7 a、 4 7 b、 4 7 c , 4 7 d、固定リング 7 2、電極 5 4 a、 5 4 b、マイクロチャンネルプレート 5 4 cおよび蛍光板 5 4 dに所定の電圧を印加する。この状態において、ガスパフ X線源 4 5 bから X線を出射させ、反射ミラ一 4 5 cへ反射させることにより軟 X線のみを透過窓 4 5 dから出射させる。すると、その軟 X線は、試料支持台 7 l a上の被測定物 2の表面に照射される。その軟 X線の照射により、被測定物 2の表面から特性に応じて光電子群が放出されることとなる。その光電子群は、第一集束コイル 41 a、第二集束コイル 41 bによる磁界と試料支持台 71 aと加速電極 43との間の加速電界により、加速電極 43の開口を抜けて C CD 31 aへ向って進行し、その CCD 31 a上に結像される。

次いで、 CCD 31 aにおいて結像された被測定物 2の光電子の像に応じて光電変換が行われ、その CCD 3 1 aから光電子の像に対応した電気的な映像信号が出力される。その映像信号は、 CCD 31 aから真空容器 42外の CCD駆動回路 32へ伝送され増幅されて CCD駆動回路 32から出力されることとなる。一方、 CCD 31 aへ結像された被測定物 2の像を形成する光電子のうち一部は、開口 34を通じて CCD 31 aの背後へ抜けて行く。その際、 CCD 31 aに開口 34が開設されることにより、ハーフミラーなどでは分岐できない光電子の一部をサンプリングすることが可能となる。そして、 C CD 31 aを貫通した光電子は、電子光学系 47により減速されてエネルギー分析器 54へ入射される。すなわち、開口 34を抜けて電子光学系 47で減速された光電子は、電極 54 a、 54 bの間へ入射され、その電極 54 a、 54 b間の電界により円軌道上を移動していく。その際、光電子のエネルギーが大きいつまり、速度が早いほど円軌道の半径は大きく、速度が小さいほど円軌道の半径は小さくなるので、光電子のェネルギ一に応じて軌道半径が異なってくる。したがって、電極 54 a、 54 bの間を抜けて光電子がマイクロチャンネルプレート 54 cに入射される位置も異なり、この位置によりその光電子のエネルギーが計測可能となる。そして、この光電子はマイクロチャンネルプレート 54 cにより増幅されて蛍光板 54 dへ入射することにより、その蛍光板 54 dで光に変換され電子分光スぺクトルのプロフアイルが形成される。その電子分光スぺクトルのプロファイルは TVカメラ 55 に撮像され、電気的な分析デ一夕信号として TVカメラ 55から出力される。そして、 CCD駆動回路 32から出力される映像信号、 TVカメラ 55から出力される分析データ信号およびマーカ一信号発生器 81から出力されるマーカ一表示信号がそれぞれ信号重畳回路 6 1へ入力され、この信号重畳回路 6 1にて重畳されてモニタ 6 2へ入力される。その際、映像信号における開口 3 4の信号部分にマ一力一表示信号が重畳されることとなる。そして、信号重畳回路 6 1からモニタ 6 2へ各信号の重畳信号が出力されることにより、モニタ 6 2には、映像信号成分に基づいて被測定物 2の二次元像が表示され、分析データ信号成分に基づいて電子分光スぺクトルのプロファイルが表示されると共に、分析位置を示すマ一カーが表示される。

更に、偏向コイル 4 1 cに駆動電源 4 1 f を通電することにより、被測定物 2 からの光電子像を C C D 3 1 a上で移動させ、分析したい箇所を C C D 3 1 aの開口 3 4に合わせれば、所望箇所の分析データを得ることができる。

このように、分析装置 l aによれば、被測定物 2の二次元像、分析デ一夕およびサンプリング位置を示すマーカ一が同時に表示されるので、被測定物 2の表面形状の観察とその被測定物 2上の所望位置における電子分光スぺクトルのプロファィルの計測が同時に行え、被測定物 2の状態や性質などを容易に把握することができる。従って、光電子分光の計測に有用なものとなる。

なお、前述した分析装置 l aは、被測定物 2の二次元像と分析データが別の表示手段により表示されるものであってもよい。すなわち、デ一夕処理回路 5 3から出力される分析データ信号は必ずしも信号重畳回路 6 1で重畳される必要はなく、信号重畳回路 6 1に接続されるモニタ 6 2とは別にモニタまたは X Yプロッ夕などの表示手段をデータ処理回路 5 3に接続することにより、被測定物 2の二次元像と分析データを別個の表示手段により表示させるものであってもよい。図 9は、この分析装置の変形例となる分析装置 1 a ' を示している。この装置と上述の分析装置 1 aの違いは電子光学系 4 7、 4 7，の違いのみである。図 8 に示す分析装置 1 aでは、複数の円筒形電極 4 7 a〜4 7 dを用いて光電子の減速を行っていたが、図 9に示すこの分析装置 1 a ' では、 _ 9 . 8 5 k Vが印加された電極 4 7 ' のみで直ちに光電子を減速していることを特徴としている。この場合は、構造が簡単になる利点がある。

C C D 3 1 aで電子像を撮影するには、 1 0 k e V程度に電子を加速することが好ましい。これにより光電子の C C Dにおける信号変換効率が向上し、結像の空間分解能も良くなる。しかし、この高速電子をそのまま半球状エネルギー分析器 5 4に入射させた場合は、半球内を電子が高速で通過するために、内部の電界による電子の軌道変化が小さく、エネルギー分解能が低下する。したがって、上述のように減速電子光学系を有することが好ましい。

また、 C C D 3 1 aの基板電位を高電圧（たとえば + 1 0 k V) として、固定リング 7 2、電子光学系 4 7の終端電極側をグランド電位に近い電位 + V_A， (たとえば + 1 5 0 V ) としてもよい。この場合は、 C C D 3 1 aを正の高圧電位で動させる必要があるが、大型の半球状エネルギー分析器 5 4を低電圧電位で駆動させられるという利点がある。

(第 3の実施形態）

次に図 1 0、図 1 1に基づいて分析装置の第 3の実施形態について説明する。この第 3の実施形態は、観察対象を被測定物 2から放出されるイオンの像とし、分析対象を放出されるイオンの種類およびその各イオンの量とした分析装置である。たとえば、アトムプローブ電界イオン顕微鏡に被測定物 2の像の観察のほか分析機能を付加したものである。

図 1 0に示すように、分析装置 l bは、撮像手段である C C D 3 l b、 C C D 駆動回路 3 2、結像手段である偏向電極 4 6、分析手段である質量分析部 5 6、表示手段である信号重畳回路 6 l b、モニタ 6 2 bを備えると共に、被測定物 2 にパルス電圧を供給するパルス電圧発生器 2 1、質量分析部 5 6の分析データを表示するオシロスコープ 5 7およびマ一力一信号発生手段であるマーカ一信号発生器 8 1を具備した構成である。

分析装置 1 bの各部について詳述すると、分析装置 l bは、少なくとも二つの密閉空間 1 1、 1 2が隣接して画成されている。密閉空間 1 1は被測定物 2を配置してその被測定物 2からイオンを放出させるための空間であり、密閉空間 12 は被測定物 2から放出されたイオンの一部の質量を検出するための空間である。たとえば、密閉空間 1 1の側壁に被測定物 2が貫通して配置され、被測定物 2における分析すべき箇所が密閉空間 1 1内へ突き出した状態とされる。この場合、被測定物 2としては棒状に形成したものが用いられる。また、密閉空間 1 1に配置された被測定物 2には、パルス電圧発生器 21、高圧電源 22が接続されており正電位の高圧パルスが供給可能となっている。この高圧パルスが被測定物 2に供給されることにより、被測定物 2の表面に強電界を生じ、図 1 1に示されるように、被測定物 2の表面の各種の原子がイオン化して被測定物 2から放出され、被測定物 2の表面に形成される電界に沿って加速されて、密閉空間 1 1、 12の境界に設置される CCD 3 1 bに衝突し、イオン像として拡大投影される。また、密閉空間 1 1内には偏向電極 46が配置されている。この偏向電極 46 の板間に印加される電圧を制御することにより、結像されるイオン像を CCD 3 1 bの撮像面 33上で任意に移動させることが可能となる。 CCD 31 bとしては、第 2の実施形態と同様な裏面照射型のものが用いられる。 CCD 31 bからの出力映像信号は、密閉空間 12外に配設される CCD駆動回路 32へ入力されている。一方、 CCD 31 bの背後には質量分析部 56が設けられている。この質量分析部 56は、 CCD 3 1 bの開口 34を通過してくるイオンの種類およびその量を検出するものであって、密閉空間 12内ににマイクロチャンネルプレート 56 aおよびアノード 56 bが配置された構造となっている。マイクロチャンネルプレ一ト 56 aは、 CCD 31 bの開口 34を通過してくるイオンを受けて電子を発生し、さらにこの電子を増幅して出力するものであって、 CCD 31 b から所定の距離を隔てて CCD 31 bと対向する向きに配されている。また、マイク口チャンネルプレー卜 56 aの後方にはアノード 56 bが配されて、マイク口チャンネルプレート 56 aで増幅されて出射される電子を検出できるようになつている。更に、マイクロチャンネルプレート 56 aおよびアノード 56 bには電源が接続され、マイクロチャンネルプレート 5 6 aの入射面、出射面およびァノード 5 6 bがそれぞれ所定の電位にされており、 C C D 3 1 bからのイオンがマイクロチャンネルプレート 5 6 aに入射して電子を発生し、この電子が増倍されてアノード 5 6 bへから出力として取り出されるようになつている。

そして、アノード 5 6 bの検出信号は密閉空間 1 2外に配設されるオシロスコ —プ 5 7へ入力され、また、パルス電圧発生器 2 1から同期信号がそのオシロスコープ 5 7へ入力されている。このため、オシロスコープ 5 7により被測定物 2 から放出されるイオンの種類およびその量が表示可能となっている。すなわち、 C C D 3 1 bを通過するイオンはその種類によりマイクロチャンネルプレート 5 6 aに到達する時間が異なることから、被測定物 2から異なる複数のイオンが放出されるとアノード 5 6 bにて所定の時間差をおいて各種のイオンが検出されることとなり、その結果、オシロスコープ 5 7には、たとえば、横軸をイオンの種類を表すドリフト時間、縦軸をそのイオンの量を表す電圧とした波形が表示されることとなる。

また、密閉空間 1 1、 1 2外には、信号重畳回路 6 1、マ一力一信号発生器 8 1およびモニタ 6 2が配置されているが、これらは第 1および第 2の実施形態と同様のものが用いられる。

次に分析装置 1 bの動作について説明する。

まず、図 1 0に示されるように、密閉空間 1 1に測定対象となる被測定物 2が突出するようにセットする。次いで、密閉空間 1 1、 1 2を真空状態とする。また、高圧電源 2 2等を通電して被測定物 2、マイクロチャンネルプレート 5 6 a、アノード 5 6 bにそれぞれ所定の電圧を印加する。この状態において、パルス電圧発生器 2 1からパルス電圧を出力させ、被測定物 2に高圧パルスを入力する。すると、図 1 1に示されるように被測定物 2の先端表面に多数のイオンを生ずる。このイオン群は、図 1 0に示される密閉空間 1 1内に形成された電界により、被測定物 2の表面から放たれイオンビームとなって C C D 3 1 b側へ出射される。イオンビームは、被測定物 2の表面に形成される電界に沿って加速され、 C C D 3 1 b上に拡大投影される。

次いで、 C C D 3 1 bにおいて結像された被測定物 2のイオンの像に応じてィオン電子変換が行われ、その C C D 3 1 bからイオンの空間分布像に対応した電気的な映像信号が出力される。その映像信号は、 C C D 3 1 bから密閉空間 1 1 外の C C D駆動回路 3 2へ入力され増幅されて C C D駆動回路 3 2から出力されることとなる。一方、 C C D 3 1 bへ結像されたイオンビームのうちの一部は、 C C D 3 1 bに開設された開口 3 4を通じてその背後へ抜けて行く。つまり、開口 3 4の開設によりハーフミラーなどでは分岐できないイオンビームのサンプリングが可能となる。

そして、 C C D 3 1 bを貫通したイオンは、質量分析部 5 6へ入射される。すなわち、開口 3 4を抜けてきたイオンは、密閉空間 1 2内をマイクロチャンネルプレート 5 6 aへ向けて移動して行き、そのマイクロチヤンネルプレート 5 6 a にて電子を発生させ、この電子が増幅されてアノード 5 6 bで検出されることとなる。その際、各種イオンの質量に応じてアノード 5 6 bまで到達する時間が異なることから、その到達時間（ドリフト時間）の差によりイオンの種類が判別でき、到達時間ごとの検出量により各イオンの量が計測できる。そして、アノード 5 6 bで検出された出力信号がオシロスコープ 5 7へ入力され、そのオシロスコ —プ 5 7にて被測定物 2に含まれるイオンの種類およびその量が表示される。

C C D駆動回路 3 2から出力される映像信号およびマ一カー信号発生器 8 1から出力されるマ一カー表示信号がそれぞれ信号重畳回路 6 1へ入力される。そして、この信号重畳回路 6 1にて重畳された後、モニタ 6 2へ入力される。その際、映像信号における開口 3 4の信号部分にマーカー表示信号が重畳されることとなる。このため、モニタ 6 2には、映像信号成分に基づいて被測定物 2の二次元のイオン像が表示されると共に、オシロスコープ 5 7に表示される分析データの分析位置がマーカーにて示される。更に、偏向電極 4 6の板間に適当な電圧を印加することにより、被測定物 2から投影される二次元イオン像を C C D 3 l b上で移動させ、分析したい箇所を C C D 3 1 bの開口 3 4に合わせれば、所望箇所の分析デ一夕を得ることができるこのように、分析装置 l bによれば、モニタ 6 2およびオシロスコープ 5 7を通じて、被測定物 2の二次元像、分析データおよびサンプリング位置を示すマーカーが同時に表示されるので、被測定物 2の表面形状の観察とその被測定物 2の所望位置におけるイオンの放出の計測が同時に行え、被測定物 2の状態や性質などを容易に把握することができる。

以上の説明では、 C C D 3 1 bの直後にアノード 5 6 bを配置する例について説明したが、質料分析器の分解能を更に上げたい場合には、図 8、図 9に示される第 2の実施形態で用いたのと同様の減速用の電子光学系 4 7、 4 7 ' を配置して、イオンを減速し、ドリフト時間を長くとればよい。

(第 4の実施形態）

最後に図 1 2に基づいて分析装置の第 4の実施形態について説明する。本実施形態に係る分析装置 1 cは、分析手段としてストリークカメラ 5 8を用いたものであって、被測定物 2から放出される蛍光の二次元像を観察可能とし、その蛍光の寿命を計測可能としたものである。

図 1 2に示されるように、分析装置 1 cに設けられている撮像手段である C C D 3 1、 C C D駆動回路 3 2、結像手段である光学レンズ系 4 1、表示手段である信号重畳回路 6 1、モニタ 6 2、被測定物 2を配置するための X _ Yステージ 7 1、マーカー信号発生手段であるマーカー信号発生器 8 1は、第 1の実施形態のものと同様である。

分析手段であるストリークカメラ 5 8は、図 1 2に示すように、ストリーク管 5 8 aおよび撮影器 5 8 bを備えた構成とされている。ストリーク管 5 8 aは、被測定物 2から放出される蛍光のうち C C D 3 1の開口 3 4を通過してくるものを光電面 5 8 cで受けて電子に変換し、偏向板 5 8 dの入力電圧を変化させることにより内部電界を変化させてその電子の軌道を掃引し、蛍光の入射量の時間変化を蛍光面 5 8 eの輝度変化として出力するものである。なお、図 1 2中の 5 8 fはマイクロチャンネルプレートであり電子の増幅を行っている。また、 5 8 g は電源であってストリーク管 5 8の各部へ電子を移動させるための電圧を供給している。

また、 X— Yステージ 7 1の近傍にはレーザ 5 9 aが配置されており、このレ —ザ 5 9 aから出射されるパルスレ一ザビームが X _ Yステージ 7 1上の被測定物 2へ照射されることにより、被測定物 2から蛍光が発せられるようになつている。このレーザ 5 9 aにはレ一ザ駆動器 5 9 bが接続され、レーザ 5 9 aへ駆動電圧を供給している。また、レーザ駆動器 5 9 bは偏向板 5 8 dへ掃引電圧を供給しており、ストリーク管 5 8内に形成される電界と被測定物 2から放出される蛍光とは同期がとられている。たとえば、レ一ザ駆動器 5 9 b内にはレ一ザ駆動電源回路と偏向回路が設けられ、レーザ駆動電源回路から発せられるパルス電圧がレーザ 5 9 aへ駆動電圧として出力され、そのパルス電圧と同期したトリガ信号がレーザ駆動電源回路から偏向回路へ入力されることにより、ストリーク管 5 8内の電界形成と被測定物 2からの蛍光放出との同期がとられている。更に、 C C D 3 1とストリーク管 5 8 aとの間には、光学レンズ系 5 8 hが配設され C C D 3 1を抜けてくる蛍光を光電面 5 8 cへ結像している。

撮影器 5 8 bは蛍光面 5 8 eの輝度状態を撮影するためのものであって、蛍光面 5 8 eの輝度状態の像を入力して電気的な分析データ信号として出力するものである。この撮影器 5 8 bとしては公知の T Vカメラなどが用いられる。

次に分析装置 1 cの動作について説明する。

まず、図 1 2に示されるように、 X— Yステージ 7 1に測定対象となる被測定物 2をセットし、ストリーク管 5 8 aの各部に所定の電圧を供給する。この状態において、レーザ 5 9 aからパルスレーザビームを出射させ被測定物 2へ照射させる。すると、そのレーザビームの照射により、被測定物 2から蛍光が発せられる。この蛍光は、光学レンズ系 4 1を介して C C D 3 1の撮像部 3 3上に結像される。

次いで、 C C D 3 1において結像された被測定物 2の蛍光の像に応じて光電変換が行われ、その C C D 3 1から光線の像に対応した電気的な映像信号が出力される。その映像信号は、 C C D 3 1から C C D駆動回路 3 2へ入力されて増幅され、 C C D駆動回路 3 2から出力される。

一方、 C C D 3 1へ結像された被測定物 2の像を形成する蛍光のうちの一部は、開口 3 4を通じて C C D 3 1の背後へ抜けて行くこととなる。そして、 C C D 3 1を貫通した蛍光は、サンプリング用の蛍光としてストリークカメラ 5 8へ入射される。ストリークカメラ 5 8のストリーク管 5 8 aでは入射される蛍光強度のが時間変化が蛍光面 5 8 eにて輝度の異なる像（ストリーク像）として出力される。このストリーク像は撮影器 5 8にて電気的な分析デ一夕信号に変換され出力されることとなる。

そして、 C C D駆動回路 3 2から出力される映像信号、撮影器 5 8 bから出力される分析データ信号およびマ一力一信号発生器 8 1から出力されるマーカ一表示信号はそれぞれ信号重畳回路 6 1へ入力され、この信号重畳回路 6 1にて重畳されてモニタ 6 2へ入力される。その際、映像信号における開口 3 4の信号部分にマ一力一表示信号が重畳されることとなる。そして、信号重畳回路 6 1からモ二夕 6 2へ各信号による重畳信号が出力され、モニタ 6 2のディスプレイ 6 2 d 上には、図 7に示すように、映像信号成分に基づいて被測定物 2の二次元像 6 2 aが表示され、分析データ信号成分に基づいて蛍光の寿命を示す分析データ 6 2 bが表示され、分析デ一夕 6 2 bの分析位置を示すマーカ一 6 2 cが同時に表示される。

このように、分析装置 l cによれば、被測定物 2の表面形状の観察とその被測定物 2の所望位置における蛍光寿命の計測が同時に行え、被測定物 2の状態や性質などを容易に把握することができる。なお、前述した分析装置 1 cは、被測定物 2の二次元像 6 2 aと分析データ 6 2 bが別の表示手段により表示されるものであってもよい。すなわち、データ処理回路 5 3から出力される分析データ信号は必ずしも信号重畳回路 6 1で重畳される必要はなく、信号重畳回路 6 1に接続されるモニタ 6 2とは別にモニタまたは X Yプロッタなどの表示手段をデータ処理回路 5 3に接続することにより、被測定物 2の二次元像 6 2 aと分析データ 6 2 bを別個の表示手段により表示させるものであってもよい。

以上説明したように本発明によれば、次のような効果を得ることができる。すなわち、撮像手段の受像面に開口が設けられることにより、被測定物から放出される光線などの二次元像を観察しながら、その開口を通じて受像面に照射される光線などの一部を分析用としてサンプリングすることができる。このため、光線だけでなく、放射線、電子またはイオンなどのサンプリングが可能となる。また、それらのサンプリングのためにハーフミラーなどを設ける必要がない。このため、光線などの特性が変化することがない。従って、被測定物の特性の測定が正確に行える。

更に、被測定物の観察において撮像手段に設けられた開口の位置にマ一力一が表示されるから、分析デ一夕における分析位置を確実にマーカーで示すことができる。産業上の利用可能性

本発明の開口を有する固体撮像素子は、光、放射線、電子、イオンなどを利用して物質の特性を分析する装置において、分析位置あるいはこれらの光、放射線等の分布を確認しながら、その所定位置の特性を詳細に計測する分析する場合の分析位置あるいは分布の確認に用いることができる。また、本発明の固体撮像素子の用途は、上述の分析装置のみに限られるものではなく、各種のアパーチャ一等の代わりに用いることもできる。例えば、図 1 4に示されるように固体撮像素子 3 1 cの受像面 3 3と反対の面から細いビーム径の X線ビームをこの撮像素子 3 1 cの開口 3 4を貫いて受像面 3 3に対向して配置した試料 2の表面に衝突するように照射する。これにより、複雑な X線用の光学系を用いることなく、試料 2表面における散乱 X線の 2次元像を撮像することが可能となる。

Claims

請求の範囲基板上に 2次元方向に配列した画素により、受像面に入射した光、放射線、電子、イオンなどの空間分布を表す像を画像信号に変換する固体撮像素子であって、 ' 前記画素配列の略中央に前記基板を貫く開口が設けられており、前記各画素の画像を読み出す電荷転送路が前記開口を回避して形成されていることを特徴とする固体撮像素子。

前記固体撮像素子の撮像部は、前記開口を境界の一部とする少なくとも 2つの領域に区分されており、各画素の画像信号を転送蓄積して順次読み出す転送レジス夕が前記少なくとも 2つの領域についてそれぞれ専用に設けられていることを特徴とする請求項 1記載の固体撮像素子。

前記固体撮像素子は、基板上の前記受像面と反対の側に画素の画像信号を転送する電極が形成されているいわゆる裏面照射型であることを特徴とする請求項 1あるいは 2に記載の固体撮像素子。

請求項 1〜 3のいずれかに記載の固体撮像素子と、

この撮像素子と被測定物との間に配置され、前記像を前記撮像素子の受像面に結像させる結像手段と、

前記開口を通過してくる光線、放射線、電子またはイオンを介して被測定物の特性を分析すると共に、その分析デ一夕を分析データ信号に変換する分析手段と、

前記撮像素子から出力される画像信号および前記分析手段から出力される分析データ信号に基づいて、前記像に対応する画像および前記分析データを表示する表示手段と、

を備える分析装置。

前記撮像手段から出力される画像信号と同期し、このうち前記開口に対応する信号部分に重畳するマーカー表示信号を発生させるマ一カー信号発生手段をさらに備え、

前記表示手段はさらに、前記マーカー発生手段から出力されるマーカー表示信号に基づいて、前記前記光線、放射線、電子またはイオンの像に対応する二次元像、前記表示画像上に前記分析手段による分析位置を示すマーカーを同時に表示することを特徴とする請求項 4に記載の分析装置。

6 . 前記被測定物は、前記固体撮像素子の前記受像面に対し移動自在に配置されることを特徴とする請求項 4、 5のいずれかに記載の分析装置。

7 . 前記固体撮像素子の前記受像面は、前記被測定物に対し移動自在であることを特徴とする請求項 4〜 6のいずれかに記載の分析装置。

8 . 前記分析手段は、前記被測定物から放出される光線あるいは放射線の波長成分を分析する分光器を備えていることを特徴とする請求項 4〜 7のいずれかに記載の分析装置。

9 . 前記分析手段は、前記被測定物から放出される光線、放射線、電子またはイオンが有するエネルギー量を分析するエネルギー分析器を備えていることを特徴とする請求項 4〜 7のいずれかに記載の分析装置。

1 0 . 前記分析手段は、前記被測定物から放出される放射線またはイオンの質量を分析する質量分析器を備えていることを特徴とする請求項 4〜 7のいずれかに記載の分析装置。

1 1 . 前記固体撮像素子と前記分析手段の間に、前記開口を通過した電子またはイオンを減速する電子光学系をさらに備えていることを特徴とする請求項 9あるいは 1 0のいずれかに記載の分析装置。

1 2 . 前記分析手段は、前記被測定物から放出される光量の時間変化を計測するストリークカメラを備えていることを特徴とする請求項 4〜 7のいずれかに記載の分析装置。

1 3 . 前記結像手段は光学レンズ、プリズムあるいはミラーからなる光学系で構成され、この光学系を構成する前記要素の少なくともひとつが前記被測定物または前記撮像手段に対して移動自在であることを特徴とする請求項 8または 1 2に記載の分析装置。

. 前記結像手段は前記被測定物と前記撮像手段の間に任意の磁界又は電界を形成する偏向器で構成されていることを特徴とする請求項 9〜 1 1のいずれかに記載の分析装置。