JP6527872B2 - 非侵襲的荷電粒子ビームモニタ - Google Patents

Description

優先権の主張
本出願は、２０１３年９月１７日に出願された、Ｔｏｍａｓ Ｐｌｅｔｔｎｅｒ及びＪｏｈｎ Ｇｅｒｌｉｎｇに対する所有者共通の同時係属米国仮特許出願第６１／８７８，６０９号、名称「ＥＬＥＣＴＲＯ−ＯＰＴＩＣ ＥＬＥＣＴＲＯＮ ＢＥＡＭ ＭＯＮＩＴＯＲ」の非仮特許出願であり、その優先権の利益を主張し、その全開示は、参照により本明細書に組み込まれる。

本開示の態様は、荷電粒子ビーム診断に関し、より具体的には、ＳＥＭツール及び他の荷電粒子ベースシステムの種々の非侵襲的ビーム診断能力のための装置及び方法に関する。

従来のＳＥＭツールにおいては、ビーム電流は、銃または鏡筒内のある面でビームを遮断することにより決定される。この侵襲的ビームモニタリングでは、ビームの電流を決定するためにそれが遮断されることが必要であり、したがって画像面にビームが衝突せず、ＳＥＭ鏡筒は画像化しない。これを回避するために、ビーム電流を周期的にモニタリングする場合、ある特定の「デューティ比」がシステムに負荷される。これは、ＳＥＭシステムの処理能力に悪影響を及ぼす。

ビーム位置を得る現在の方法において、鏡筒内の光軸に対するビームの位置は、鏡筒内の１つ以上の要素をその正常な値から意図的に撹乱させてビーム位置を決定する「揺動」機能により決定される。揺動機能に設定されると、鏡筒は画像化に使用することができない。したがって、この方法もまた、ビームがドリフトする際に周期的に実行する必要がある特定のモニタリングまたは調整機能に対して、有用な画像化時間の一部が失われるデューティ比を負荷する。

多くのＳＥＭツールが収集することができる別の重要なビーム特性は、一次電子ビームのエネルギースペクトルである。本開示の発明者により知られている現在の全てのエネルギースペクトル収集方法は、ビーム経路における分散面に設置された検出器アレイ-にビームを方向付けること等の、侵襲的なエネルギースペクトル検出手段を含む。電子ビームは捕捉され、分光器の検出器面で停止する。

粒子加速器においては、電荷の束を含有するビームが通過する際に画像電荷を生成するプレートの対が使用される。画像電荷は、ビームが通過する際にパルスを生成する。２つのプレートからのパルス間の差は、プレート間の軸に対するビームの位置を決定付けることができる。２つのプレートにおけるパルスの合計は、電荷の束に比例する。これは、ビームがパルス化され、ピーク電流が極めて大きい、例えば約１アンペアから１キロアンペアの場合には良好に機能する。電子顕微鏡等の多くの荷電粒子ビームツールにおいて、ビームは連続的であり、電流は非常に弱い（ナノアンペア）。

特開２００７−１８３１８６号公報

非常に短い荷電粒子ビームパルス（例えばフェムト秒）の場合、粒子加速器内の電子ビームの束から場をサンプリングするために、電気光学結晶が時折使用される。電気光学結晶の屈折率の変化が、レーザビームにより探査され得る。

これに関連して、本開示の態様が生じる。

本開示の一態様によれば、荷電粒子ビームの設計軌道に近接して設置された１つ以上の電気光学（ＥＯ）材料の組と、電磁放射線のビームを受容するように、かつ、前記荷電粒子の電磁場の電気光学効果に起因する、前記ビームからの前記荷電粒子の通過により生じる前記１つ以上のＥＯ材料の屈折率の変化を探査するように構成される、１つ以上の光プローブの組と、前記１つ以上の光プローブに結合された１つ以上の光子検出器の組であって、前記組における各光子検出器は、前記１つ以上のＥＯ材料の前記組の対応するＥＯ材料の屈折率の前記変化に対応する光子信号を生成するように構成される、１つ以上の光子検出器の組を備える。

本発明の目的及び利点は、以下の詳細な説明を読むことで、また添付の図面を参照することで明らかとなるだろう。

本開示の態様に従い、ビーム特性を探査するために荷電ビームと電気光学材料との間の相互作用がどのようにして使用され得るかを示す概略図である。 本開示の一態様による、干渉計メカニズムを使用して実装された電子光学荷電粒子ビーム検出器を示す図である。 本開示の一態様による、ノイズキャンセレーションのための偏光回転を使用して実装された電子光学荷電粒子ビーム検出器を示す図である。 通過する単一の荷電粒子の効果を測定するために、荷電粒子ビームに対し垂直に方向付けられたレーザビームにより探査されているバルクＥＯ材料を示す図である。 本開示の一態様による、荷電粒子ビームに対し平行なＥＯ材料に沿って伝播するレーザを示す図である。 本開示の態様による導波路電子検出器の概略図である。 図５に示される種類の導波路電子検出器における単一電子の検出からの予測パルスプロファイルを示すグラフである。 図５に示される種類の導波路電子検出器に対してある特定の波長の探査光を仮定した、検出された電子当たりのダークポート光子の予測された数をプロットしたグラフである。 本開示の一態様による代替の荷電粒子検出器システムの概略図である。 本開示の一態様による荷電粒子ビームシステムの概略図である。 図９Ａの荷電粒子ビームシステムのブロック図である。 本開示の一態様による軸平面内の所与のビーム形状に対する、開口サイズ及び導波路及び導波路の長さを決定するための数値例を示す図である。 本開示の一態様によるビーム位置モニタを示す図である。 本開示の一態様によるビーム位置モニタを示す図である。 本開示の一態様によるエネルギー分光器を示す図である。 本開示の一態様によるエネルギー分光器の別の実装を示す図である。 本開示の一態様によるビームプロファイルモニタを示す図である。

以下の発明を実施するための形態において、本明細書の一部をなし、本発明が実践され得る特定の実施形態が例示のために示される添付の図面が参照される。図面は、本明細書において「実施例」とも呼ばれる実施形態の例に従う図を示す。図面は、当業者が本主題を実践することができるようにするために十分詳細に示されている。特許請求の範囲から逸脱せずに、実施形態が組み合わされてもよく、他の実施形態が使用されてもよく、または構造的、論理的及び電気的変更が行われてもよい。これに関して、例えば「上部」、「底部」、「正面」、「背面」、「後端」等の方向に関する用語は、説明されている図（複数を含む）の方位に関連して使用される。本発明の実施形態の構成要素は、いくつかの異なる方位で位置付けられ得るため、方向に関する用語は、例示を目的として使用され、限定的ではない。本発明の範囲から逸脱せずに、他の実施形態が使用されてもよく、また構造的または論理的変更がなされてもよいことを理解されたい。

特許文献において一般的であるように、本書において、用語「ａ」及び「ａｎ」は、１つまたは２つ以上を含めるように使用される。本書において、用語「または」は、別段に指定されない限り、「ＡまたはＢ」が「ＢではなくＡ」、「ＡではなくＢ」、ならびに「Ａ及びＢ」を含むように、非排他的な「または」を指すように使用される。したがって、以下の発明を実施するための形態は限定的なものとみなされず、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲により定義される。

本明細書において使用される場合、「光」は、概して、大まかに約１ナノメートル（１０^−９メートル）から約１００ミクロンの真空波長の範囲に対応する、赤外線から紫外線にわたる周波数範囲内のいずれかの周波数により特徴付けられる電磁放射線を指す。

導入部
連続波（ＣＷ）プローブビームを使用する走査型電子顕微鏡（または同様のツール）用の電気光学（ＥＯ）検出器は、基本的に、ＥＯ効果を使用して単一の電子を検出しようとするものである。例えば、１ｋｅＶのナノアンペア電子ビーム内の電子は、約３ｍｍ離間している。検出器が、荷電粒子ビームの方向に約１ｍｍの長さを有するＥＯ材料を含む場合、所与の時間において約１個のみの電子が検出器を通過している。

単一電子の場は非常に弱く、したがってＥＯ材料における屈折率変調は非常に弱い。本開示の態様によれば、屈折率またはプローブビーム偏光が変調される経路長は、ＥＯ材料を通るプローブビームを、近くの荷電粒子ビームの方向に対し事実上平行に方向付けることにより増加され得る。この考えは、荷電粒子と同時伝播するようなプローブビームの周波数変調の場合である。これは、ＥＯ材料を導波路型構造の一部内に組み込むことにより実装され得る。（例えばレーザからの）電磁放射線のプローブビームは、薄いＥＯ結晶スラブ導波路内に結合され得る。大きいＥＯ係数を有するＥＯ材料を使用することが望ましい。限定としてではなく例示として、ＫＴａＬｉＮｂＯ３は、約１４００ｐｍ／Ｖの電気光学係数ｒ３３を有する。導波路内のプローブビームの群速度は、ビーム内の荷電粒子速度に一致し得る。限定としてではなく例示として、荷電粒子ビームエネルギーは、群速度に一致するように調節され得る。代替として、導波路の断面サイズ及び／または形状は、導波路内のプローブビームの群速度を制御するために調節され得る。広義的及び一般的に、導波路内のプローブビームの群速度は、導波路の最も広い横断寸法に幾分反比例的に依存する。屈折率の変調が、暗い縞の外乱から生じる信号を生成するように、光子検出器は、干渉計のダークポートに位置してもよい。

本開示の態様によれば、荷電粒子ビームセンサの提案されるアーキテクチャは、非相対論的荷電粒子ビームの設計軌道に近接して設置された１つ以上の電磁航跡場検出器の組であって、荷電粒子ビームに干渉することなく荷電粒子ビームの通過に応答して１つ以上の光信号を生成するように構成される、１つ以上の電磁航跡場検出器の組と、１つ以上の光信号を受容するように、及び１つ以上の対応する出力を生成するように構成される、１つ以上の光子検出器の組とを含んでもよい。いくつかの実装において、１つ以上の電磁航跡場検出器の組は、ビーム電流モニタリング、ビーム位置モニタリング、ビームエネルギー分光、またはビームプロファイルモニタリングの２つ以上の機能を実装する、複数機能ビームモニタを実装するように構成される。

本開示の別の態様によれば、１つ以上の電気光学材料の組が、荷電粒子ビームの設計軌道に近接して設置される。１つまたは放射線源及び偏光子／分析器構成は、ビームの荷電粒子の通過、及び電気光学効果によるその電磁航跡場のＥＯ材料に対する効果を探査するように構成されてもよい。電気光学材料の屈折率に影響する電子の結果として、プローブビームの位相または偏光の変化を記録する、１つ以上の光子検出器（複数を含む）は、電子の通過を検出するために、偏光子／分析器構成の光学系ダークポートに結合されてもよい。

上記要素の正確な構成及び幾何学的構造は、標的となる検出用途に依存する。

より高いビーム電流の場合、パルスまたはＣＷ荷電粒子ビームのビーム密度が、２つのＥＯ結晶、及び荷電粒子ビームが通過する結晶間のギャップにわたりプローブビームを通過させることにより、横断方向で画像化され得る。

本開示の態様によれば、電気光学装置は、インラインビーム電流モニタとして動作するように構成され得る。１つのそのような構成において、電気光学結晶の対が、反対側からの荷電粒子ビーム軌道に面するように設置される。光プローブビームは、両方の結晶を横断し、それらの屈折率を探査する。２つの結晶間のギャップを通る荷電粒子の通過を検出するために、偏光子−分析器光学系構成が使用され得る。２つの結晶の構成は、電気光学信号の大きさの依存性がビーム位置により最小限化されるように選択され得る。

検出された光学位相シフト（干渉計による、または偏光回転による）は、荷電粒子ビーム電流の量に比例し、一次ビームにおけるノイズをキャンセルするために展開され得る。この検出法は、レーザ光子ビームショットノイズにより制限され、これは、検出イベント当たりの光子の数が検出イベント当たりの荷電粒子の数より多い場合、荷電粒子ビームショットノイズより小さくすることができる。したがって、これは、電子ビームショットノイズのノイズキャンセレーション法を提供することができ、処理能力の増加を可能とし得る（一次ビーム電流が測定されるため、ピクセル当たりより少ない電子が必要とされる）。

本開示の別の態様によれば、電気光学装置は、ビーム位置モニタ（ＢＰＭ）として動作するように構成され得る。荷電粒子ビームが通過する真空ギャップのいずれかの側のＥＯ材料内で生じる電気光学回転の信号は、各材料において別個に読み取られ、差し引かれる。得られる信号は、２つの結晶に対する荷電粒子ビームの位置に直線的に依存する。したがって、処理信号はビームの重心の位置に対応する。一方、信号の合計もまた、ビーム電流読み取りを提供する。ｘ及びｙ方向に沿って配向した結晶の対を使用することにより、荷電粒子ビームの中心の位置は、ビームを停止させることなく読み取られ得る。

本開示の別の態様によれば、電気光学装置は、ビームプロファイルモニタとして動作するように構成され得る。１つのそのような構成において、荷電粒子ビームは、２つのＥＯ結晶間のギャップを一方向に横断し、平行光プローブビームは、両方の結晶を通って、及びギャップにわたって垂直方向に移動する。平行プローブビームは、ＥＯ結晶の１つの面を検出器アレイ上に画像化するような様式で（例えば、偏光子−分析器モードで、及びダークポート構成で）、検出器アレイに輸送される。結晶面近くのビーム電流密度は、ビーム電流密度に比例する空間依存性偏光回転を生成する。結晶面におけるこの空間依存性偏光回転は、光検出器アレイ上に画像化される。プローブビームの浅い焦点深度を可能とするために、かつビームプロファイルを画像化するために、四重極（線集束）ビーム輸送スキームが、荷電粒子ビームに対して使用され得る。

本開示の別の態様によれば、電気光学装置は、エネルギー分光器として動作するように構成され得る。１つのそのような構成において、分散面（シケイン等）で行われるビーム電流モニタリングは、ビームのエネルギースペクトルを生成し、ビームエネルギージッターが存在する場合、この読み取りから構築されたモニタは、ビームエネルギーを安定化するためのビーム制御電子装置へのサーボ信号として機能し得る。ＥＯ導波路の群速度を電子速度に一致させることが必要である場合、また導波路が一定の物理的寸法を有する場合、エネルギー分光器は、ビーム速度当たり１つの導波路のみを許容し得る。そのような場合、エネルギー分光器は、異なる群速度に対応するように異なる寸法のいくつかの導波路を含有するＸ−Ｙ構成と同様に、複数導波路構成を使用し得る。

本開示の別の態様によれば、電気光学装置は、電子のビーム、または任意の他の荷電粒子ビーム（例えば、イオン、ミューオン、陽電子）に関して上で議論されたように動作するように構成され得る。

方法のいくつかの代替の実装において、他の可能な擬似非放射スキームは、導電性プレートの近くの組による自由電子の画像電荷の形成を含む（古典的なビーム位置モニタまたはＢＰＭ）。画像電荷から生成された電流パルスは、モニタリングされているビーム電流と比較して非常に小さいが、パルスは検出され得、十分な電子増幅が、電気的に増幅される必要がある。

この新たな測定法により、電子ビームは破壊されない。その結果、方法は、デューティ比に影響しないビームサーボメカニズムを提供し、処理能力を改善することができる。さらに、ノイズキャンセレーション、及び取得された画像の対応する信号対ノイズにおけるこの方法の応用は、このＩＰ用途の主要な推進力である。この方法は、既存のＳＥＭプラットフォームの基礎的アーキテクチャを改変することのない信号対ノイズの改善の可能性を提供する。その結果、及び単一の電子を検出するのに十分な感度のＥＯ検出スキームにより、ショットノイズキャンセレーションの応用、また画像面における所与のビーム電流に対して、信号対ノイズにおける対応する代替として、ＳＩＮを固定したままとすることができ、ピクセル当たりのビーム線量を低下させることができ、より高い処理能力、及びより低いビーム電流によるより良好な解像度の可能性がもたらされる（より低いクーロン相互作用、より大きなＮＡビームからの逸脱等）。

図１は、本開示の態様に従って使用されるような電気光学デバイスの背景となる基本的概念を示す。電気光学（ＥＯ）デバイスにおいて、材料の光学特性は、材料における電場の変化に応答して変化する。電子等の荷電粒子は電場を生成するため、電気光学材料は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の場合のように、連続ビーム内の電子を検出するために使用することができる。

具体的には、図１に見られるように、電子ｅは、近くの電気光学材料ＥＯＭと相互作用する電磁場Ｅを伴う。線形電気光学材料の場合、その屈折率は、電子の遅延場の電場成分に対して線形である変化を受ける。この効果は、一般にポッケルス効果と呼ばれる。電気光学材料を横断する放射線Ｒのビーム（例えばレーザビーム）は、通過する荷電粒子ビームの電場から生じる屈折率の変化に起因して、位相変化（光遅延）を受ける。位相変化は、電場に比例し、一方電場は、粒子ビーム内の電荷または電流に比例する。本開示の態様は、荷電粒子ビームに近接した電気光学媒体を横断するプローブレーザビームの位相変化を検出することにより、わずかな単一の自由非相対論的電子の通過を検出することに関する。

屈折率
は、以下により与えられる：

位相変化は、以下により与えられる：

電気光学材料は、荷電粒子加速器内のビームパルスを測定するために使用されている。図２は、そのような目的に使用される装置２００の種類を概略的に示している。装置２００において、ＥＯ媒体２０２は、荷電粒子ビーム２０１の経路に沿って設置される。レーザＬからの放射線Ｒのビームは、マッハ・ツェンダー干渉計２０４内で参照ビーム２０３及びプローブビーム２０５に分割される。プローブ及び参照ビームは、荷電粒子ビーム２０１の移動方向に対し垂直な方向でＥＯ媒体２０２を横切り通過する。参照ビーム２０３は、第１のビームスプリッタ２０６から第１のミラー２０８まで、及び第１のミラーから第２のビームスプリッタ２１０までの経路を辿る。プローブビーム２０５は、第１のビームスプリッタ２０６から第２のミラー２１２まで、及び第２のミラーから第２のビームスプリッタ２１０までの経路を辿り、そこで参照及びプローブビームからの光は再結合して干渉する。光の一部は、ダークポートに位置する光検出器２１４に送られ、光の一部は、ブライトポートのビームダンプ２１６に移動する。干渉計２０４は、参照ビームとプローブビームとの間の位相擾乱の差の非存在下で、暗い干渉縞がダークポートに存在するように配列される。プローブビームの近くを通過するビーム２０１からの荷電粒子のパルスは、ＥＯ媒体２０２における電気光学効果に起因して、位相擾乱を引き起こす。位相擾乱は光検出器２１４により記録され、これは、入力ビーム電荷または電流に比例するビーム信号Ａを生成する。

荷電粒子２０１のビームは、標的２１８に衝突して二次粒子２２１を生成するが、これは、例えば二次電子、ビームからの後方散乱粒子、二次イオン、オージェ電子、またはＸ線であってもよい。二次粒子２２１は、検体信号Ｂを生成する二次粒子検出器２２２により検出される。ビーム信号Ａ及び検体信号Ｂは、信号プロセッサ２２４に結合され、これは、ビーム信号Ａに対する検体信号Ｂの比に比例する出力信号２２５を生成する。これは、入力粒子ビーム電流の大きさに対して検体信号Ｂを正規化する。したがって、出力信号２２５は、荷電粒子ビームと標的との間の相互作用の変動に対してより感度が高く、荷電粒子ビームの強度の変動に対しては比較的感度が低い。

図２に示される構成は、比較的強いパルス荷電粒子ビームの測定に好適である。例えば、粒子加速器において、１アンペア以上の平均ビーム電流及びフェムト秒（１０^−１５秒）のオーダーのパルス幅が一般的である。平均電流１アンペアの電子ビームにおいて、１秒当たり約６．２４×１０^１８個の電子が所与の点を通過する。半導体産業において材料特性決定に一般的に使用される荷電粒子システム、例えばＳＥＭシステム、オージェ電子分光システム及びエネルギー分散Ｘ線分光（ＥＤＸ）システムにおいて、ビーム電流は連続的であり、はるかにより小さい（例えば１０^−９アンペアの桁）。そのような低い電流は、典型的には、対象となる時間スケールにわたり、比較的少数の荷電粒子の通過を伴う。十分に低い電流の場合、ビーム電流の変動は、ショットノイズが主であり、これは、ビーム２０１内の荷電粒子の離散的性質に起因する統計的変動により生じる。例えば、二次粒子検出器２２２の電子回路がナノ秒未満の時間スケールで動作する場合、及びビーム２０１における平均電流が１６ナノアンペアである場合、ナノ秒毎にわずか約１００個の電子が標的２１８に衝突する。ポアソン統計によれば、任意のナノ秒における実際の電子の数は、約１０電子ｒｍｓだけ変動し得る。そのような小さい電流がそのような時間スケールにわたり観察される場合、ショットノイズは平均ビーム電流の１／１０となる。

本開示の一態様によれば、電気光学の原理に基づく代替の装置が、荷電粒子ビームシステムにおける低いビーム電流でのショットノイズの効果を説明するために使用され得る。図３に見られるように、代替の装置３００は、光源Ｌ（例えばレーザ）、電気光学材料３０２、偏光ビームスプリッタ３０４、及び光検出器３１４を含む。レーザＬは、放射線Ｒの偏光ビームを生成する。偏光方向は、放射線Ｒが荷電粒子ビーム３０１に対し垂直な方向に電気光学材料３０２を通過する前に、放射線を遅延波長板Ｗに通過させることにより調節され得る。偏光ビームスプリッタ３０４（例えば、グラン−トムソンプリズムまたは他の偏光ビームスプリッタ）は、次いで放射線Ｒを、通常は互いに垂直な異なる偏光の２つのビームＲ_１、Ｒ_２に分割する。初期偏光（すなわち、ＥＯ材料３０２に進入する前の放射線Ｒの偏光）を有する放射線Ｒ_１は、偏光ビームスプリッタを通過してビームダンプ３１６に達する。初期偏光の放射線に対し垂直な偏光を有する放射線Ｒ_２は、光検出器３１４に向けて反射される。装置３００は、最初に、荷電粒子ビーム３０１の非存在下で、ＥＯ材料が放射線Ｒの偏光を変調せず、したがって、光検出器３１４に到達する垂直偏光の放射線Ｒ_２が存在しないように構成される。換言すれば、光検出器３１４はダークポートにあり、検出器信号は、ビーム３０１の非存在下で名目上ゼロ（またはある他の一定値）である。

ビーム３０１がＥＯ材料３０２の近くを通過する場合、ビーム内の荷電粒子からの電場は、ＥＯ材料内で電気光学効果を誘発し、これがＥＯ材料から出る放射線Ｒの偏光の変化を引き起こす。偏光の変化の量は、ＥＯ材料３０２内の電場に依存し、この電場は一方で、対象となる時間スケールにわたるビーム３０１内の平均電流に依存する。偏光の変化により、放射線Ｒ_２の一部が光検出器３１４に向けて方向付けられ、その結果光検出器がビーム信号Ａを生成する。ビーム信号Ａは、荷電粒子ビーム３０１内の平均電流に比例する。限定としてではなく例示として、光検出器３１４は、標準的なケイ素ベース光検知器、光電子増倍管（ＰＭＴ）またはマルチチャネルプレート（ＭＣＰ）であってもよい。

荷電粒子ビーム３０１が標的３１８に衝突すると、二次粒子３２１、例えば二次電子、ビームからの後方散乱粒子、二次イオン、オージェ電子、またはＸ線が生成される。二次粒子３２１は、二次粒子検出器３２２により検出され、これは結果として検体信号Ｂを生成する。例示として、二次粒子検出器３２２は、ＰＩＮダイオード検出器またはＭＣＰもしくはＰＭＴと組み合わされたシンチレータであってもよい。ビーム信号Ａ及び検体信号Ｂは、信号プロセッサ３２４に結合され、これは、ビーム信号Ａに対する検体信号Ｂの比に比例する出力信号３２５を生成する。これは、荷電粒子ビーム３０１内の平均電流の大きさに対して検体信号Ｂを正規化する。したがって、出力信号３２５は、荷電粒子ビームと標的との間の相互作用の変動に対してより感度が高く、ショットノイズに起因する荷電粒子ビーム３０１の強度の変動に対しては比較的感度が低い。限定としてではなく例示として、信号プロセッサ３２４の機能は、ソフトウェアにおいて、例えば汎用コンピュータ上に実装された実行可能な命令により、またはハードウェアにおいて、例えば特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）またはフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）等のプログラム可能な回路により実装されてもよい。

図２に示される干渉計において、プローブビーム及び参照ビームは、荷電粒子ビーム２０１の方向に対し垂直な方向に電気光学材料を通過する。これは、粒子加速器の場合のように大きなビーム電流に対して機能し得るが、ビーム信号Ａは、ＳＥＭ等の低ビーム電流用途には小さすぎて有用ではない可能性がある。この理由は、図４を参照することにより理解され得る。

図４Ａにおいて、荷電粒子ビーム４０１は、電気光学（ＥＯ）材料４０２の近くの光軸Ａに対し平行な経路Ｐを辿る。荷電粒子経路は、軸Ａからｘの距離にあり、近くのＥＯ材料４０２の表面は、軸からａの距離にある。レーザ放射線Ｒのビームは、軸Ａ及び経路Ｐに対し垂直にＥＯ材料４０２を横切るように方向付けられる。例示として、非相対論的速度で自由空間を移動する電子で構成される荷電粒子ビーム４０１を考える。

軸Ａから任意の距離ｘ’において、自由空間内の非相対論的電子からの電場Ｅ_ｘ（ｘ’）は、
により与えられ、式中、ｅは、電子上の電荷（１．６×１０^−１９クーロン）であり、ε_０は、自由空間の誘電率（８．８５×１０^−１２Ｃ^２／Ｎ・ｍ^２）である。低電流及び中程度の電圧、例えば約１ナノアンペア（ｎＡ）及び約１０ｋＶにおいて、ビーム内の電子は、十分に遠く離れており、線電荷とは対照的に単一の点電荷として扱うことができる。

三方晶系ＥＯ結晶の形態のＥＯ材料４０２において、屈折率ｎ_ｚ（ｘ’）は、以下のように場Ｅ_ｘ（ｘ’）に依存する：
式中、ｎ_０は、常光線（すなわち、図４Ａに示されるＥＯ材料４０２の結晶軸Ｃに沿って方向付けられる光線）に対する材料の屈折率であり、ｒ_５１は、結晶軸Ｃの方向に移動する光子の関連した電気光学係数である。

真空波長λの放射線Ｒの場合、累積位相変化φは、以下により与えられる。

数値例として、ＥＯ材料が、ｒ_５１＝４２ｐｍ／Ｖ及びｒ_３３＝１４００ｐｍ／Ｖ、ｎ_０＝２．３１２、ｎ_ｅ＝２．２７３であるニオブ酸カリウムタンタルリチウム（ＫＴａＬｉＮｂＯ_３）であると仮定する。さらに、ａ＝５μｍ、λ＝５３２ｎｍであると仮定する。その結果、単一の自由電子により誘発される位相シフトは、約０．８μｒａｄである。

また、Ｉ_ｄａｒｋが約φ^２Ｉ_{ｌａｓｅｒ}及びＰ_{ｌａｓｅｒ}＝１０Ｗ、または５×１０^４光子／光学サイクルであり、レーザがビームウエストω_０＝５μｍを有する、ダークポートのモニタリングを仮定する。１０ｋｅＶの電子（ν約０．２ｃ）の場合、走行時間は約８ｆｓまたは約４．５光学サイクルである。これは、電子イベント当たり約１．４×１０−７信号光子に等しい。したがって、この効果は、おそらくＣＷレーザビームにより単一電子を検出するには小さすぎる。

しかしながら、本開示のある特定の態様によれば、レーザ放射線Ｒが、荷電粒子ビーム４０１に最も近いＥＯ材料の表面に沿って、ビームを構成する荷電粒子の移動方向に対し事実上平行な方向に方向付けられる場合、信号は劇的に増加され得る。図４Ｂは、図４Ａに示される構成と同様の構成を概略的に示すが、但し、レーザビーム放射線Ｒは、ＥＯ媒体４０２の表面に沿って、荷電粒子ビーム４０１の移動方向に対し平行な方向に沿って方向付けられている。図４Ｂに示される方向でＥＯ媒体４０２を通過する放射線Ｒに対する位相変化φは、非相対論的荷電粒子の電場、ならびにＥＯ媒体の材料特性及び寸法から計算され得る。

非相対論的電子からの電場は、再び以下により与えられる：

図４Ｂに示される様式で結晶軸Ｃに対し垂直に三方晶系結晶を横断する放射線の場合、屈折率変化ｎ_ｘ（ｘ’）は、
により与えられ、式中、ｎ_０は、常光線（すなわち、図４Ａに示されるＥＯ材料４０２の結晶軸Ｃに対し垂直に方向付けられる光線）に対する材料の屈折率であり、ｒ_３３は、ＥＯ材料中をこの方向に移動する光子の関連した電気光学係数である。累積位相変化φは、
により与えられ、式中、ｌは、荷電粒子ビーム４０１の経路に沿ったＥＯ材料４０２の長さである。

再び、ＥＯ材料４０２が、ｒ_３３＝１４００ｐｍ／、及びｎ_ｅ＝２．２７３であるＫＴａＬｉＮｂＯ_３であると仮定する。数値例として、ａ＝５μｍ、ｌ＝１ｍｍ、λ＝５３２ｎｍ、Ｐ_{ｌａｓｅｒ}＝１０Ｗ、または５×１０^４光子／光学サイクルを仮定する。また、Ｉ_ｄａｒｋが約φ^２Ｉ_{ｌａｓｅｒ}であるダークポートのモニタリングを仮定する。

結果として、単一の自由電子により誘発される位相シフトは、φ約５．５ｍｒａｄである。ビーム４０１内の電子との最大相互作用を有するレーザパルスの長さは、約２ａまたは１０μｍである。これは、走行時間２ａ／ｖ_ｇ約１６６ｆ秒または６２光学サイクルに対応し、ｖ_ｇは、ＥＯ材料４０２内の放射線Ｒの群速度である。これは、電子イベント当たり約９３信号光子に等しい。効果は小さいが、ＣＷレーザビームによる単一電子の検出が可能となる。

本開示の態様は、図４Ｂに示される動作原理に基づく実装を含む。具体的には、図５は、図２に描写されたシステム２００に幾分類似した干渉計ベースの荷電粒子ビーム測定システム５００の例を描写している。システム５００において、荷電粒子ビームの荷電粒子５０１は、誘電スラブ導波路ＷＧから距離ｗだけ近接して真空チャネル内を移動する。チャネルは、干渉する（例えば接触する）ことのない荷電粒子５０１のビームの通過を許容するのに十分広い。導波路ＷＧは、クラッディングとして機能する基板Ｓと抵抗性コーティング５０３との間に挟まれたＥＯ材料５０２のスラブを含む。抵抗性コーティング５０３は、壁の上に静電荷が蓄積しないように、ＥＯモニタの壁に衝突する迷走荷電粒子からの電荷を消散させる。基板Ｓは、ＥＯ材料５０２とは異なる屈折率を有する。限定としてではなく例示として、基板Ｓは、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）で作製されてもよく、ＥＯ材料５０２は、ニオブ酸カリウムタンタル（ＫＴａＮｂＯ_３）であってもよい。導波路ＷＧは、干渉計、例えばマッハ−ツェンダー干渉計のプローブアームを形成する。図５に描写される例において、干渉計は、部分的に光ファイバにより実装される。代替の実装は、自由空間光学構成要素を使用し得る。

レーザＬ等の源からの放射線Ｒは、自由空間光学系５０５を使用して導波路ＷＧ内に結合され得る。限定としてではなく例示として、レーザＬは、５３２ｎｍの真空波長により特徴付けられる放射線Ｒのビームを生成する連続波（ＣＷ）レーザであってもよい。好適なレーザの市販の例は、Ｓａｎｔａ ＣｌａｒａのＣｏｈｅｒｅｎｔ，Ｉｎｃ．製Ｖｅｒｄｉ ２０Ｗ光励起半導体レーザ（ＯＰＳＬ）レーザ、及びＯｘｆｏｒｄ、ＭａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓのＩＰＧ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓから入手可能な１００Ｗファイバレーザを含む。

放射線の反結合を防止するために、レーザＬと光学系５０５との間に光アイソレータ５０７が設置されてもよい。第１のビームスプリッタ５０６は、放射線Ｒを、導波路ＷＧ内に結合されるプローブビーム、及び干渉計の参照アーム内に結合される参照ビームに分割する。限定としてではなく例示として、プローブビームは、自由空間光学系の第２の組５０９及び第１の格子結合器Ｇ１を使用して、導波路内に結合され得る。プローブビームは、同様の様式で、例えば、第２の格子結合器Ｇ２及び自由空間光学系の第３の組５１１を使用して、導波路ＷＧから結合され得る。プローブビームは、導波路ＷＧのＥＯ材料５０２を通って、導波路に近い意図される荷電粒子軌道の一部の移動方向に対し事実上平行な方向に移動する。放射線Ｒの波長及び導波路ＷＧの特性は、ＥＯ材料５０２内のプローブビームの群速度が、荷電粒子速度の調節の範囲内まで、近くの荷電粒子５０１の速度にほぼ等しくなるように選択される。荷電粒子速度は、例えば、荷電粒子のビームを生成するシステム内で適切な電圧を調節することにより、プローブビームの群速度に厳密に一致させてもよい。

プローブビームが導波路ＷＧから結合された後、第２のビームスプリッタ５１０は、参照ビーム及びプローブビームを組み合わせる。組み合わされたビームの一部は、（例えば光ファイバにより）ダークポート検出器５１４に結合され、組み合わされたビームの一部は、任意選択でブライトポート検出器５１６に結合されてもよい。参照アームは、ダークポート検出器５１４での信号を最適化するために、可変減衰器ＶＡ、粗遅延（例えば、光ファイバの長さ）、及び可変位相制御ＶＰを任意選択で含んでもよい。可変位相制御ＶＰは、好適な非線形光学材料、例えばニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）を使用してもよい。位相調節は、非線形光学材料の温度を調節することにより実行され得る。システム５００の動作は、上述のシステム２００の動作に類似するが、干渉計のプローブアームにおける導波路構成の結果としてより高い感度を有する。

図５に示される種類のシステムの性能は、図６及び図７を参照することにより理解され得る。図６において描写されるグラフは、図５に示される種類の導波路電子検出器における単一電子の検出からの予測パルスプロファイルを示す。予測パルスは、約２００ｆｓの幅である。図７に示されるグラフは、ＥＯ材料としてＫＴａＮｂＯ_３を使用して、プローブ放射線の波長の関数としての電子当たりの光子の数を推定している。グラフから、５３２ｎｍにおける電子当たりの光子の予測数は約１７０光子／電子であることが決定され得る。

図５に示される導波路設計はまた、図３において描写される検出器アーキテクチャの種類にも適用され得る。図８は、そのようなシステム８００の例を示す。このシステム８００において、荷電粒子８０１のビームは、誘電スラブ導波路ＷＧの近くの真空チャネル内を移動する。導波路ＷＧにおいて、ＥＯ材料８０２のスラブは、クラッディングとして機能する基板Ｓと抵抗性コーティング８０３との間に挟まれている。基板及びクラッディングは、例えば図５を参照して上述されたように、ＥＯ材料８０２とは異なる屈折率を有する。レーザＬ等の源からの放射線Ｒは、例えば自由空間光学系８０５及び光アイソレータ８０７を使用して、偏光を維持するファイバＦ内に結合され得る。自由空間光学系の第２の組８０９及び第１の格子Ｇ１は、放射線Ｒの少なくとも一部を、プローブビームとして導波路ＷＧ内に結合する。導波路ＷＧに入る放射線Ｒの入射偏光は、例えば波長板Ｗにより制御され得る。プローブビームは、例えば、第２の格子結合器Ｇ２及び自由空間光学系の第３の組８１１を使用して、導波路ＷＧから結合され得る。放射線Ｒの波長及び導波路ＷＧの特性は、ＥＯ材料８０２内のプローブビームの群速度が、荷電粒子速度の調節の範囲内まで、近くの荷電粒子８０１の速度にほぼ等しくなるように選択され得る。荷電粒子速度は、例えば、荷電粒子のビームを生成するシステム内で適切な電圧を調節することにより、プローブビームの群速度に厳密に一致させてもよい。

プローブビームが、導波路ＷＧのＥＯ材料８０２を通って、導波路ＥＯに近い意図される荷電粒子軌道の一部の移動方向に対し事実上平行な方向に移動すると、プローブビームと荷電粒子８０１との間の相互作用が、プローブビームの偏光の変化を引き起こす。

プローブビームが導波路ＷＧから結合された後、偏光ビームスプリッタ８１０は、初期の偏光に対し垂直な偏光を有するプローブビーム放射線を、ダークポート検出器８１４に方向付ける。入射偏光と同じ偏光を有するプローブビーム放射線は、ブライトポート検出器８１６に結合され得る。参照ビーム及びプローブビームを組み合わせる。システム８００の動作は、図３に関して上述されたシステム３００の動作と同様であるが、プローブ放射線が荷電粒子に対し平行に、及び荷電粒子の速度と一致する群速度で移動する導波路構成の結果、より高い感度を伴う。

図９Ａ及び図９Ｂは、本開示のある特定の態様を組み込んだ荷電粒子ビームシステム９００の例を示す。この限定されない例において、システム９００は、電子源９１５、ビーム光学系要素９３５、静電または磁気レンズであってもよい液浸レンズ９０４を有する荷電粒子鏡筒９０２を有する、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）として構成される。鏡筒９０２は、本明細書においてビームドライバと呼ばれる電子装置９３６により制御され得る。ビームドライバ９３６は、電子源９１５、ビーム光学系要素９３５及び液浸レンズ９０４を制御し得る。この例において、ビーム光学系９３５は、源９１５から電子を抽出して、それを標的９０１の方向に移動する一次ビーム９０３に形成するための電場を生成する電圧で維持される、２つ以上の電気伝導性の円筒を含む。液浸レンズ９０４は、一次ビームを標的の表面で狭いスポットに集束する。

電気光学ビーム検出装置９４０は、一次ビーム９０３のウエスト近く、例えばビーム光学系９３５の要素の間に設置される。限定としてではなく例示として、装置９４０は、プローブアームが、ビームウエスト近くの電気光学材料のスラブに形成された光学導波路を含む、図５に示される種類の干渉計を含んでもよい。レーザＬは、装置９４０にプローブビーム及び参照ビームを提供し得る。プローブビームは、導波路内を一次ビーム９０３に対し事実上平行に移動し、参照ビームと組み合わされる。組み合わされたビームは、光子検出器９４２に結合され、これは装置９４０のダークポートに結合され得る。そのような場合、光子検出器９４２は、干渉計のダークポート干渉信号に比例する信号Ａを生成する。

代替の実装において、装置９４０は、図８に示される種類の偏光感知装置を含んでもよい。さらに、本開示の態様は、後述の理由により２つ以上のＥＯ検出器装置９４０が一次ビーム９０３の近くに設置された実装を含む。

電子ビーム筒９０２からの電子は、集積回路ウエハまたは試験ウエハであってもよい標的９０１の表面上に集束される。標的９０１は、ステージ９１８により支持される。電子は、例えば１つ以上の静電偏向板９０６により提供される偏向場により、標的９０１の表面にわたって走査され得る。ビーム走査装置ドライバ９０８を介して、電圧が偏向板９０６に提供される。いくつかの実装において、ビーム走査装置ドライバ９０８は、標的９０１にわたり電子ビームを走査するために、磁気コイルに電流を印加し得る。代替として、ステージ９１８は、標的９０１の面に対し平行なＸ−Ｙ平面に沿って、鏡筒９０２に対して１つ以上の方向に標的を移動させるように構成される、ステージ走査メカニズム９１１及びステージ走査装置ドライバ９１９を含んでもよい。いくつかの実装において、ステージ走査メカニズム９１１及びステージ走査装置ドライバ９１９は、ビーム走査装置ドライバ９０８が異なる方向（例えばＹ方向）でビームを走査する際に、ステージを１つの方向（例えばＸ方向）に移動させてもよい。代替として、ステージ走査装置ドライバ９１９は、鏡筒に対してビームが固定されたままである間にビームを標的にわたり走査するために、鏡筒９０２に対してＸ及びＹ方向の両方にステージを駆動してもよい。

標的９０１に衝突する電子は、後方散乱されるか、または二次電子放出を開始させる。電子ビーム筒は、標的９０１の表面から発生するそのような後方散乱または二次電子９１７（または他の二次粒子）の一部を収集する。収集された電子９１７は二次粒子検出器９１０に突き当たり、これが、後方散乱または二次電子放出の量に比例する二次信号Ｂを生成する。信号は、増幅器９１２により増幅され得る。増幅された信号ならびにビーム走査装置ドライバ９０８及び／またはステージ走査装置ドライバ９１９からの信号は、画像生成器９１４により組み合わされ、標的９０１の表面の拡大画像が生成される。画像生成器９１４により生成された画像は、例えば修正された表面の品質の程度または結果的な形成された構造の形状及びサイズを決定するために、画像分析器９１６により分析されてもよい。

本開示の態様によれば、二次粒子検出器９１０（または増幅器９１２）からの二次信号Ｂ、及び光子検出器９４２からの光子信号Ａは、一次ビーム９０３におけるノイズの効果をキャンセルするために、信号プロセッサ９４４に結合されてもよい。限定としてではなく例示として、信号プロセッサ９４４は、光子信号Ａに対する二次粒子信号Ｂの比に比例する出力を生成し得る。

代替の実装において、システムの性質に依存して、電子以外のエネルギー粒子（例えば、イオン、中性子、紫外線、またはＸ線）の源が、電子源９１５の代替として使用されてもよい。さらに、エネルギー粒子源は、荷電粒子鏡筒９０２とは別個であってもよく、及び／またはその外側に位置してもよい。例えば、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）においては、一次エネルギー粒子は、標的からの二次電子の放出を開始させるＸ線であってもよい。紫外線光電子分光法（ＵＰＳ）においては、一次エネルギー粒子は、同様に標的からの二次電子の放出を開始させる紫外線光子であってもよい。また、代替の実装において、他の種類の荷電粒子（例えば、陽イオンまたは陰イオン）が標的から後方散乱され、または標的により放出されて、鏡筒９０２を上方に通過して、二次粒子検出器９１０に突き当たってもよい。例えば、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）においては、一次粒子はエネルギー性イオンであり、二次荷電粒子は、一次イオンによるエネルギー衝撃の結果標的から叩き出された、標的材料のイオン化された原子である。

いくつかの荷電粒子システムは、液浸レンズ９０４と二次粒子検出器９１０との間に、鏡筒９０２の一部として荷電粒子エネルギー分析器（例えば、円筒状ミラー分析器、Ｂｅｓｓｅｌボックス、平行板分析器）を含んでもよい。そのような分光計は、例えば標的９０１の化学分析のためのオージェ電子分光法（ＡＥＳ）の場合のように、二次電子のエネルギー選択に使用される。他のシステムは、例えばＳＩＭＳシステムの場合のように、質量により二次荷電粒子を選択するための質量分析計（例えば、磁気セクタ、ＲＦ四重極、またはＷｉｅｎフィルタ）を含む。

限定としてではなく例示として、画像は、ビーム走査装置をラスタパターンで駆動することにより生成されてもよく、一次ビームは、ビーム走査装置ドライバ９０８及びビーム偏向板９０６（または走査装置コイル）により、試料９０１にわたり１つの方向に走査し、ビーム位置の関数としての検出器信号が、当技術分野において周知であるように、画像の線に変換される。１つの方向（例えばＸ方向）におけるビームの走査の終わりに、ビーム位置は、わずかな量（例えば、試料上のビームスポットのサイズに相当する量）だけ異なる方向（例えばＹ方向）に調節されてもよく、画像の別の線を生成するために別の走査が行われてもよい。このプロセスを繰り返すことにより、試料の一部の画像が生成され得る。

代替の実施形態において、画像は、一次ビームを試料９０１にわたり１つの方向（例えばＸ方向）に走査し、ビーム位置の関数としての検出器信号を画像の線に変換することにより生成されてもよい。ステージ走査装置ドライバ９１９及びステージ走査メカニズムは、各線走査の終わりに、試料９０１をわずかな量だけ異なる方向（例えばＹ方向）に平行移動させてもよい。

二次検出器９１０は、接合及び空乏領域を有するダイオードデバイスであってもよい。限定としてではなく例示として、検出器９１０は、ＰＮ接合、ＰＩＮ接合であってもよい。代替の実装において、検出器９１０は、ＣＭＯＳ検出器（例えばＣＣＤ）、ケイ素系もしくはＩＩＩ〜Ｖ族検出器、マルチチャネルプレート、フォトダイオードアレイ、アバランシェフォトダイオード及び／またはショットキーダイオードであってもよい。一例において、検出器９１０は、正にドープされたＰ領域及び負にドープされたＮ領域を含むＰＮ接合ダイオードである。中性電荷の領域である空乏領域が、Ｐ領域とＮ領域との間に存在する。光子がデバイスに進入すると、結晶構造中の電子が励起される。光子のエネルギーが材料のバンドギャップエネルギーより大きい場合、電子は伝導帯内に移動し、電子が存在した価電子帯内に正孔をクレートする。これらの電子−正孔対は、デバイス全体で形成される。空乏領域内で生成されたものは、そのそれぞれの電子にドリフトする。これにより、Ｐ層における正電荷蓄積及びＮ層における負電荷蓄積が生じる。電荷の量は、検出器上に照射される光の量に正比例する。

ＳＥＭシステムに加えて、多くの他の荷電粒子システムが、本開示による二次荷電粒子検出デバイスを使用し得ることが留意されるべきである。システムの例は、集束イオンビーム（ＦＩＢ）、紫外線光電子分光法（ＵＰＳ）、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）、オージェ電子分光法（ＡＥＳ）、及び二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）を実装するように構成されるシステムを含み得るが、これらに限定されない。

図９Ｂのブロック図に示されるように、画像生成器９１４及び画像分析器は、コントローラ９２０の一部であってもよい。コントローラ９２０は、自給式マイクロコントローラであってもよい。代替として、コントローラ９２０は、制御システムバス９３０に結合された、中央処理装置（ＣＰＵ）９２２、メモリ９２４（例えば、ＲＡＭ、ＤＲＡＭ、ＲＯＭ等）及び周知のサポート回路９２８、例えば電源９２１、入力／出力（Ｉ／Ｏ）機能９２３、クロック９２６、キャッシュ９３４等を含むように構成された汎用コンピュータであってもよい。メモリ９２４は、システム９００の性能を促進するためにＣＰＵ９２２が実行する命令を含有してもよい。メモリ９２４内の命令は、プログラムコード９２５の形態であってもよい。コード９２５は、例えば、源９１５により生成される電子ビーム電圧及び電流、ビーム光学系９３５及び液浸レンズ９０４によるビームの集束、コイル９０６による電子ビームの走査、ステージ走査装置９１１によるステージ９１８の走査、ならびに従来の様式での検出器１１０からの信号による画像の形成を制御し得る。コード９２５はまた、画像の分析を実行してもよい。

コード９２５は、いくつかの異なるプログラミング言語、例えばＡｓｓｅｍｂｌｙ、Ｃ＋＋、ＪＡＶＡ（登録商標）または他のいくつかの言語のいずれか１つに適合し得る。コントローラ９２０はまた、コントロールシステムバス９３０に結合され得る任意選択の大容量記憶装置９３２、例えば、ＣＤ−ＲＯＭハードディスク及び／またはリムーバブル記憶装置、フラッシュメモリ等を含んでもよい。コントローラ９２０は、操作者（図示せず）からの入力の受容を提供するためにＣＰＵ９２２に結合される、ユーザインターフェース９２７、例えばキーボード、マウスまたはライトペンを任意選択で含んでもよい。コントローラ９２０はまた、処理装置９２２の制御下で図形表示及び／または英数字の形態で操作者に情報を提供するためのディスプレイユニット９２９を任意選択で含んでもよい。ディスプレイユニット９２９は、例えば、陰極線管（ＣＲＴ）またはフラットスクリーンモニタであってもよい。

コントローラ９２０は、メモリ９２４により保存及び検索されたデータ及びプログラムコード命令に応答して、Ｉ／Ｏ機能９２３を介して画像化デバイス走査装置ドライバ９０８、ｅビームドライバ９３５及び検出器９１０または増幅器９１２と信号を交換し得る。コントローラ９２０の構成または選択に依存して、走査装置ドライバ９０８、検出器９１０、増幅器９１２、光子検出器９４２、及び／または信号プロセッサ９４４は、調整回路を介してＩ／Ｏ機能９２３と連動することができる。調整回路は、ハードウェアまたはソフトウェアの形態で、例えばコード９２５内で実装され得る。また、いくつかの実装において、信号プロセッサ９４４の機能は、コード９２５内のソフトウェアで実装され得る。

ＥＯ検出器９４０のＥＯ導波路は、ビームに接触することなく一次ビーム９０３におけるビームウエストに可能な限り近くに設置されることが望ましい。図９Ｃは、軸平面内の所与のビーム形状に対する、開口サイズ及び導波路及び導波路の長さを決定するための数値例を示す。数値例は、１０^８Ａ／ｍ^２／ｓｒ／Ｖの低減された輝度及び１０ｎＡビーム電流を有する１０ｋＶの一次電子ビーム９０３を仮定している。

正規化されたビームの横断方向のエミッタンスε_Ｎは、以下により与えられる：

幾何学的な横断方向ビームエミッタンスは、
である。

ｚ軸のドリフトを有する（ｚ＝０で集束）ビームベータ関数の成長は、
である。

軸方向位置ｚの関数としての横断（Ｘ）方向のビームエンベロープの成長は、以下の等式
に従う。

焦点深度は、
である。

発散角は、
である。

Ｘ_０＝１μｍ焦点の場合、β＊＝２８ｍｍ及びａ＝３５μｒａｄである。

したがって、１ｍｍの長さ及び１０μｍの開口の導波路は、この例において、一次ビーム９０３と干渉（接触）しない。

上述のように、ＥＯ検出器９４０に関して、いくつかの異なる構成が存在する。このいくつかを、図１０Ａ及び図１０Ｂならびに図１１から図１３に関して以下で説明する。図１０Ａは、図５に示される種類の干渉計ＥＯ検出器１０４０の対が、ｚ軸方向に対し平行に移動する荷電粒子ビーム１００１の中心のｘ軸位置を検出するように構成される、装置１０００の上面図を示す。代替の実装において、ＥＯ検出器１０４０は、図８に示される種類の偏光検出器であってもよい。各ＥＯ検出器１０４０は、ビーム１００１の経路に対し平行に配向したＥＯ導波路ＷＧを含む。２つの導波路は、ビーム１００１が通過し得るギャップだけ離間している。光子検出器１０１４は、ＥＯ検出器１０４０（または偏光検出器）のダークポートに結合される。光子検出器１０１４からの信号は、信号プロセッサ１０２４に結合され得る。左及び右の光子検出器からの信号の合計は、ビーム電流に比例する。左及び右の光子検出器からの信号の間の差は、ｘ軸に沿ったビーム１００１の中心の位置に比例する。この差は、ビームが完全に中心出しされた場合にゼロに較正され得る。

図１０Ｂに示されるように、装置１０００は、導波路ＷＧがｙ軸に対するビーム１００１の中心の位置を感知するように配向されたＥＯ導波路検出器１０４０の第２の対を任意選択で含んでもよい。図１０Ｂにおいて、Ｚ方向は、図の面から飛び出した方向にある。

本開示の別の態様によれば、本明細書に記載のようなＥＯ検出器は、荷電粒子ビームエネルギースペクトルを測定するように構成され得る。図１１は、エネルギー分光器１１００の可能な設計の上面図を描写しており、ビームのエネルギースペクトルを捕捉するために、第８のＥＯ検出器が荷電粒子ビーム１１０１の軸の周りに配設されている。各ＥＯ検出器は、異なるビームエネルギー設定に対して群速度が一致した導波路を含む。簡単にするために、検出器の導波路部分ＷＧ_ａ、ＷＧ_ｂ、ＷＧ_ｃ、ＷＧ_ｄ、ＷＧ_ｅ、ＷＧ_ｆ、ＷＧ_ｇ、及びＷＧ_Ｈのみが示されている。検出器は、例えば図５または図８に示されるように動作するように構成され得る。いくつかの代替の実装は、例えば、ｘ位置センサに導波路ＷＧ_ａ及びＷＧ_ｅを、ならびにｙ位置センサに導波路ＷＧ_ｃ及びＷＧ_ｇを使用しながら、残りの導波路ＷＧ_ｂ、ＷＧ_ｄ、ＷＧ_ｆ、及びＷＧ_ｈをエネルギー検出器として使用した、ビーム位置感知及びエネルギー分光法の組み合わせを実装してもよい。エネルギー感知導波路ＷＧ_ｂ、ＷＧ_ｄ、ＷＧ_ｆ、及びＷＧ_ｈは、それらの導波路内の光プローブビームの群速度が、異なる対応するエネルギーの荷電粒子の速度と一致するように、異なる断面寸法を有してもよい。代替として、群速度を調節するために異なる周波数の放射線が使用されてもよい。

いくつかの実装において、荷電粒子ビームは、粒子エネルギーに従って異なるビームに空間的に分離されてもよく、別個のビームの電流が測定されてもよい。例示として、図１２は、荷電粒子ビーム１２０１がシケイン１２０２を使用して分散するシステム１２００を示す。シケインにおいて、第１の磁気セクタ１２０４は、荷電粒子ビーム１２０１を、その速度に従って異なる経路に屈曲及び空間的に分散させる。第２の磁気セクタ１２０６は、粒子の分散した経路を屈曲させて、それらを分散面で平行化する。ＥＯ検出器は、ＥＯ導波路ＷＧのアレイ１２０７が分散面における粒子の経路に対し平行となるように配設される。粒子が導波路アレイ１２０７を通過した後、２つの異なる磁気セクタ１２０８、１２１０は、粒子の分散した経路を屈曲させ、それらを再び狭いビームに収束させる。

アレイ１２０７における各導波路ＷＧは、その導波路内の光プローブビームの群速度が、分散面におけるその位置に対応する運動エネルギーを有する荷電粒子の速度に一致するように構成され得る。システム１２００のエネルギー分解能は、アレイ内の導波路の間隔及び分散面における分散値により設定される。

本開示の態様はまた、電気光学装置がビームプロファイルモニタとして動作するように構成される実装を含む。より高いビーム電流またはより長い信号積分においては、ＥＯ材料におけるプローブビームの位相シフトの画像化により空間ビームプロファイルを測定する画像化スキームが想定される。限定としてではなく例示として、図１３に示されるように、電気光学装置１３００において、荷電粒子ビーム１３０１は、２つのＥＯ結晶１３０２の間のギャップをｚ方向に横断し、放射線Ｒの偏光平行光プローブは、両方の結晶１３０２を通って、及びギャップにわたり垂直方向（例えば、図１３に示されるようなｘ方向）に移動する。図１３において、ｚ方向は、閲覧者に向かって図の平面に対し垂直である。平行プローブビームＲは、検出器アレイまで、ＥＯ結晶１３０２の１つの面を画像化する光学系１３０３を介し、偏光ビームスプリッタ１３０４を通して、検出器アレイ１３１４、例えば電荷結合素子（ＣＣＤ）アレイまたは同様のデバイス上に輸送される。ビームスプリッタ１３０４と検出器アレイ１３１４との間に画像増強管１３０５が配置されてもよい。限定としてではなく例示として、画像増強管１３０５は、ある種の電子増幅器であってもよい。電子増幅器の例は、ＭＣＰ及びＰＭＴデバイスを含み、これらは両方とも、増幅された電子信号を形成する電子雪崩により動作する。ビームスプリッタ１３０４は、検出器アレイ１３１４がダークポートにあるように、偏光子−分析器モードで分析器として機能するように構成され得る。結晶面近くのビーム電流密度は、ビーム電流密度に比例する空間依存性偏光回転を生成する。結晶面におけるこの空間依存性偏光回転は、光検出器アレイ１３１４上に画像化され、これが出力Ａを生成する。示された例において、ビーム電流密度のプロットが軸（ｚ）方向の関数を有するように出力Ａが解釈され得るように、プローブビームはｚ方向に分散される。代替の実装において、プローブビームＲは、ｙ方向に（すなわち、ビーム１３０１を含有するｘ−ｚ面に対し垂直な面に沿って）分散するような様式で平行化されてもよく、また出力Ａは、横断（ｙ）位置の関数としてのビーム電流密度のプロットとして解釈されてもよい。

プローブビームの浅い焦点深度を可能とするために、かつビームプロファイルを画像化するために、線集束（例えば四重極）ビーム輸送スキームが、荷電粒子ビーム１３０１に対して使用され得る。他の代替の実装において、図１２に関して上述したもの等の平行ＥＯ導波路のアレイを使用する検出器装置が、同じビームプロファイルモニタリング機能を達成し得る。

当業者には、上述の種類の装置の機能、例えばビーム電流モニタリング、ビーム位置モニタリング、ビームエネルギー分光法、またはビームプロファイルモニタリングの２つ以上が、１つ以上のＥＯまたは他の航跡場荷電粒子検出器を使用する複数機能モニタにおいて実装され得ることが認識される。

上述の実装は、結晶中の二次効果を用いて自由電子の非放射場成分をモニタリングするように構成される。しかしながら、本開示の態様は、そのような実装に限定されない。いくつかの代替の実装において、電気光学的相互作用以外の航跡場ビーム相互作用メカニズムが使用されてもよい。限定としてではなく例示として、使用され得る放射メカニズムは、荷電粒子ビーム（例えば電子ビーム）が、交互方向の横断磁場を生成する磁石のアレイの間を通過する、アンジュレータによる放射線の生成を含む。他の代替の実装は、荷電粒子（例えば電子）が均質な誘電体媒質をその媒質内の光の位相速度より大きい速度で通過した時に電磁放射線が放出される、チェレンコフ効果を使用し得る。さらに他の代替の実装は、荷電粒子を、不均質媒質、例えば２つの異なる媒質間の境界等に通過させることによる遷移放射線の生成に基づいてもよい。さらに他の代替の実装は、荷電粒子のエネルギービームを格子または他の光子構造近くに通過させることによる、スミス−パーセル効果による放射線の生成に基づいてもよい。上述のメカニズムのうち、スミス−パーセルは、おそらくは最も効率的なメカニズムであり、非相対論的電子ビームから観察されている。放射スキームの主な問題は、自由電子が光子を放射する効率であり、これは、最も効率的な光子構造であっても、結合係数は１未満の大きさのオーダーであるためである。したがって、それを探査する典型的なＳＥＭビーム電流及び任意の合理的なサイズの格子構造（例えば格子）では、得られる光子電流及び信号は比較的小さくなる。

さらなる例示として、探査レーザビームが十分に大量の出力を有する場合、レーザビームによる荷電粒子ビームの放射探査もまた、電気光学効果または他の航跡場効果の代わりにコンプトン散乱により行われてもよい。コンプトン散乱は、準自由荷電粒子、例えば電子による光子の非弾性散乱を指す。そのような散乱は、光子（Ｘ線またはガンマ線光子であってもよい）のエネルギーを減少させる。エネルギーの増加は、波長の増加として観察され得る。

例えば、光子−電子散乱断面におけるクライン−ニシアの式の低エネルギー限界は、以下により与えられる：

ウエストｗ_０を有するレーザビームの焦点を通過する自由電子の走行時間ｔは、約１／２μｍであり、ｌ＝５３２ｎｍであり、約４ｋＶの電子運動エネルギーを仮定すると、電子速度は約０．２ｃであり、ｃは、真空中の光の速度である。

したがって、
である。

このレーザビームの光子散乱イベントの確率Ｔは、電子断面の比率であり、それを探査するレーザ集束領域は、以下により与えられる：

したがって、自由電子当たり１つの散乱光子を生成するのに必要なＣＷ出力は、
である。

上記は、本発明の好ましい実施形態の完全な説明を含むが、様々な代替、修正及び均等物を使用することができる。したがって、本発明の範囲は、上記説明を参照して決定されるべきではないが、その代わり、添付の特許請求の範囲を、その完全な均等物の範囲と共に参照して決定されるべきである。

添付の特許請求の範囲は、手段＋機能（ｍｅａｎｓ−ｐｌｕｓ−ｆｕｎｃｔｉｏｎ）の限定が、〜する「ための手段」という語句を使用して所与の請求項に明示的に列挙されていない限り、そのような限定を含むものとして解釈されるべきではない。特定の機能を実行する「ための手段」を明示的に述べていない請求項におけるいかなる要素も、３５ＵＳＣ§１１２、¶６に指定されるような「手段」または「ステップ」の項として解釈されないものとする。特に、本明細書の請求項における「〜のステップ」の使用は、３５ＵＳＣ§１１２、¶６の規定を行使することを意図しない。

Claims (4)

1. ａ）荷電粒子ビームの設計軌道に近接して設置された１つ以上の電気光学（ＥＯ）材料の組と、
   ｂ）電磁放射線のビームを受容するように、かつ、前記荷電粒子の電磁場の電気光学効果に起因する、前記ビームからの前記荷電粒子の通過により生じる前記１つ以上のＥＯ材料の屈折率の変化を探査するように構成される、１つ以上の光プローブの組と、
   ｃ）前記１つ以上の光プローブに結合された１つ以上の光子検出器の組であって、前記組における各光子検出器は、前記１つ以上のＥＯ材料の前記組の対応するＥＯ材料の屈折率の前記変化に対応する光子信号を生成するように構成される、１つ以上の光子検出器の組と
   を備え、
   電磁放射線のビームは、前記荷電粒子ビームの設計軌道に対して垂直な方向に前記ＥＯ材料を横切って通過する、システム。
2. １つ以上の光子検出器の前記組は、１つ以上の光プローブの前記組の特定の光プローブのダークポートに結合された光子検出器を含む、請求項１に記載のシステム。
3. １つ以上の光プローブの前記組の前記光プローブは、第１の偏光の電磁放射線の前記ビームからの放射線を、１つ以上の電気光学（ＥＯ）材料の前記組の特定のＥＯ材料内に方向付けるように構成され、前記特定の光プローブは、前記特定のＥＯ材料内を移動した電磁放射線の前記ビームの少なくとも一部を受容するように、かつ、前記第１の偏光に対し垂直である第２の偏光の放射線を、１つ以上の光子検出器の前記組の特定の光子検出器に方向付けるように構成される、偏光ビームスプリッタを含む、請求項２に記載のシステム。
4. １つ以上の光プローブの前記組は、電磁放射線の前記ビームの少なくとも一部を、１つ以上のＥＯ材料の前記組の特定のＥＯ材料内の導波路構造に結合するように構成され、前記導波路構造は、前記導波路構造における電磁放射線の前記一部の群速度が、荷電粒子の速度の調節の範囲内まで、前記荷電粒子ビーム内の前記荷電粒子の前記速度にほぼ等しくなるように構成される、請求項１に記載のシステム。