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  • 反射電子検出器

    backscattered electron detector,BE detector,BSE detector

    [目次:装置]

    最も一般的な反射電子検出器はシリコン半導体検出器である。
    半導体検出器の原理は以下のとおりである。検出器にはP層とN層の間に真性領域のI層があるPIN型フォトダイオードを用いる。図1に示すように、検出器に反射電子が入ると、I層の電子・正孔対が励起され、自由電子と自由正孔に分離される。自由電子は、P層とN層にかけられた電圧によってN層へ、自由正孔はP層に流れる。この電流を増幅して反射電子像の形成に用いる。
    この検出器は薄板で、通常、円環状に整形されており、対物レンズの下面に張り付くように設置する。入射電子はその中央を通る。この配置では、検出器と試料の距離が小さいため、反射電子の検出効率が高い。さらに、他の様々なオプション検出器、例えば、元素分析のためのEDS検出器を挿入しても、相互の機械的な干渉が起こらず、組成像の観察と元素分析をスムーズに行うことができる。反射電子はエネルギーが高く、放出された地点から検出器に向かって直進して入射するため、二次電子の場合のように検出器に電圧をかけて収集することはしない。
    円環状のシリコン半導体の反射電子検出器は、2分割もしくは4分割されているものもあり、アニュラー半導体ペア検出器と呼ばれる。2分割された検出器からの出力信号を加算することにより、試料の組成像を得ることができる。逆に、減算することにより試料の凹凸像を得ることができる。
    最近では、円環状の対を成す検出器に加えて、低い角度に放出された反射電子を検出する第2の半導体検出器を備えた装置もある。この第2の検出器で低角に放出された反射電子を検出することによって、斜め方向からの照明効果が強調された立体感のある反射電子像が得られる。(これは、反射電子のうちで、検出器方向に直進したものだけが検出され、それ以外の方向に放出されたものは検出されないため、あたかも検出器から試料表面を照明しているような像が得られることを利用しているためである。)
    図2に、円環状の2分割検出器と低角度検出器の配置を示す。上は、検出器を上方から見た図、下は、上の図の破線部分を横方向から見た図で、対物レンズ、二次電子検出器を加えて、全体の配置を示す。
    高分解能SEMでは、半導体検出器を対物レンズの上側に配置し、試料から放出した反射電子を、対物レンズの中を通過させて検出するTTL(Through the lens)方式のものもある。この方式では、入射電子に近い高角度に放出された反射電子のみが検出され、試料の凹凸情報を含まない組成情報のみの信号が得られる。

    PIN型フォトダイオードに反射電子が入射したときの動作原理⇒図1

    半導体反射電子検出器の配置の模式図。⇒図2
    アニュラー半導体ペア検出器(AとB)および低角度検出器C。上は検出器の上方から見た図。下は、上の図の破線部分を横方向から見た図で、対物レンズと二次電子検出器および入射電子線を描き加えて全体の配置を示す。検出器Aと検出器Bに対する試料の凹凸による照明効果は、二つの検出器に対して照明方向が逆になるので、AとBの信号を加算すると凹凸のコントラストが消え、減算すると凹凸のコントラストが強調される。試料から放出された反射電子の中で、低角度で放出されたものを検出器Cで検出すると、照明効果がより強くなり、陰の部分が大きく(長く)なって、より立体感に富んだ像が得られる。

    The backscattered electron (BE) detector commonly used is a silicon semiconductor detector.
    The principle of the semiconductor detector (BE detector) is as follows. The detector uses a PIN-type photodiode, in which "I" layer (intrinsic region) exists between "P" layer and "N" layer. As shown in Fig. 1, when backscattered electrons enter into the detector, electron-hole pairs in "I" layer are generated and the pairs are separated into free electrons and free holes. When a voltage is applied between "P" layer and "N" layer, free electrons flow to "N" layer but free holes flow to "P" layer. By amplifying the electric current due to the flow of the free electrons and free holes, a backscattered electron image is formed.
    The BE detector is an annular thin plate and is attached to the bottom plane of the objective lens. The incident electrons pass through the center of the detector. Since the distance between the detector and specimen is small in this arrangement, the detection efficiency of backscattered electrons is high. Moreover, there is an enough space to install various optional detectors, for example an EDS detector and thus, no mechanical interference arises between those detectors. As a result, observation of the compositional image and elemental analysis are smoothly performed. It should be noted that any voltage is not applied to the detector unlike the case of the secondary electron detector because the backscattered electrons have a high energy and travel straight into the detector.
    The annular silicon semiconductor BE detector is often divided into a pair of two segments or a pair of four segments, called "annular semiconductor pair detector". When the output signals from both segments are added, the compositional image is formed. To the contrary, when the signals are subtracted between each pair of segments, the topographic image is produced.
    In recent years, there are SEM instruments equipped with another semiconductor detector for detecting backscattered electrons emitted at a low angle in addition to the annular semiconductor pair detector. Using the second detector, a backscattered electron image with a strong illumination effect or with more stereoscopic contrast can be obtained. (The reason for appearance of stereoscopic contrast is as follows: Since the detector detects only the backscattered electrons emitted at a low angle, such an image as if the specimen surface is illuminated at a shallow angle is obtained.)
    Fig. 2 shows the arrangements of the annular two-segmented pair detector and the low-angle BE detector. The upper figure is the top view (detector being viewed from the top). The lower figure shows the side view (detector being viewed from the side with respect to a dotted line in the upper figure) together with the arrangement of the objective lens and SE detector.
    High-resolution SEMs employ the semiconductor detector placed at the upper side of the objective lens in order to detect backscattered electrons passing through the objective lens (TTL (Through the Lens) method). In this case, as the backscattered electrons emitted at high angles are preferentially acquired, only the compositional image (not topographic image) is obtained.

    Action of a PIN-type photodiode for incoming backscattered electrons.
    Fig. 1 Action of a PIN-type photodiode for incoming backscattered electrons.

    Schematics of arrangements of backscattered electron semiconductor detectors of annular semiconductor pair detector (A and B) and Low-angle detector (C).
    Fig. 2 Schematics of arrangements of backscattered electron semiconductor detectors of annular semiconductor pair detector (A and B) and Low-angle detector (C). The upper figure is the top view (detector being viewed from the top). The lower figure shows the side view (detector being viewed from the side with respect to a dotted line in the upper figure) together with the arrangement of the objective lens (including the incident electron path) and SE detector.
    The illumination effect caused by the specimen topography is opposite to the detectors A and B. Thus, the addition of the signals to the detectors A and B makes the topographic contrast disappear. On the other hand, subtraction of the signal B from signal A emphasizes the topographic contrast. When the backscattered electrons emitted at low angles are detected using the detector C, a stronger shadowing effect arises or a greater stereoscopic image is formed.

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