DE112016002299T5 - Photokathode mit feldemitter-anordnung auf einem siliziumsubstrat mit borschicht - Google Patents

Photokathode mit feldemitter-anordnung auf einem siliziumsubstrat mit borschicht Download PDF

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John Fielden
Yinying Xiaoli
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Abstract

Eine Photokathode verwendet eine Feldemitteranordnung (FEA), die integral auf einem Siliziumsusbtrat gebildet ist, um die Emission von Photoelektronen zu erhöhen, und eine dünne Borschicht, die unmittelbar auf der Ausgangsoberfläche der FEA angeordnet ist, um Oxidation zu verhindern. Die Feldemitter sind durch Vorsprünge gebildet, die verschiedene Formen (z. B. Pyramiden oder abgerundete Whisker) haben und in einem zweidimensionalen periodischen Muster angeordnet sind, und können dazu ausgebildet sein, in einem Sperrrichtungsbetrieb zu arbeiten. Eine optionale Gate-Schicht ist vorgesehen, um Emissionsströme zu steuern. Eine optionale zweite Borschicht ist auf der beleuchteten (oberen) Oberfläche gebildet, und eine optionale Schicht aus Antireflektionsmaterial ist auf der zweiten Borschicht gebildet. Ein optionales externes Potenzial wird zwischen den gegenüberliegenden beleuchteten und Ausgangsoberflächen erzeugt. Eine optionale Kombination aus n-Typ-Silizium-Feldemitter und p-i-n-Photodioden-Schicht wird durch ein spezielles Dotierungsschema und das Anlegen eines externen Potenzials gebildet. Die Photokathode bildet einen Teil von Sensor- und Inspektionssystemen.

Description

  • Prioritätsanmeldung
  • Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der provisorischen US-Patentanmeldung 62/164,975, eingereicht am 21. Mai 2015, mit dem Titel „PHOTOCATHODE INCLUDING FIELD EMITTER ARRAY ON A SILICON SUBSTRATE WITH BORON LAYER”, welche hierin durch Verweis zur Gänze aufgenommen wird.
  • Verwandte Anmeldungen
  • Diese Anmeldung ist verwandt mit der US-Patentanmeldung 14/198,175 (veröffentlicht als 2014/0291493) mit dem Titel „Photomultiplier Tube, Image Sensor, and an Inspection System Using a PMT or Image Sensor, eingereicht durch Chuang et al. am 5. März 2014, und mit US-Patentanmeldung 13/947,975 (veröffentlicht als 2014/0034816), mit dem Titel „Photocathode Including Silicon Substrate with Boron Layer”, eingereicht durch Chuang et al. am 22. Juli 2013. Beide Anmeldungen werden hierin durch Verweis aufgenommen.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Detektoren (Sensoren) für schwaches Licht, die im Zusammenhang mit Inspektionssystemen für Halbleiterwafer, Retikel oder Photomasken verwendet werden, und betrifft spezieller Photokathoden, die in den Sensoren für derartige Inspektionssysteme verwendet werden.
  • Beschreibung verwandter Lehre
  • Photokathoden sind negativ geladene Elektroden, welche typischerweise in Geräten zum Nachweis von Licht, etwa Photomultipliern, Bildverstärkern und Elektronenbeschuss-CCDs (EBCCDs) verwendet werden. Photokathoden umfassen eine lichtempfindliche chemische Verbindung, die, wenn sie von einem Lichtquant (Photon) getroffen wird, durch den photoelektrischen Effekt ein (oder mehrere) Elektronen in Antwort auf jedes absorbierte Photon erzeugt. Die in modernen Photokathoden verwendete lichtempfindliche Verbindung umfasst typischerweise Alkalimetalle, weil deren niedrige Austrittsarbeiten es Elektronen ermöglichen, einfach aus der Photokathode zu entweichen, zur Detektion durch andere Strukturen des übergeordneten Bildsensorgeräts. Zusammengesetzte Halbleiter wie GaAs und InGaAs werden ebenfalls verwendet, um Photokathoden herzustellen, insbesondere für infrarotempfindliche Geräte. In der Vergangenheit wurden Silizium-Photokathoden hergestellt, gelangten jedoch nicht zu signifikanter kommerzieller Verwendung, weil, obwohl Silizium effizient beim Erfassen von Licht ist, wenige der erzeugten Elektronen in der Lage sind, aus dem Silizium zu entweichen, was zu einer niedrigen Gesamteffizienz führt.
  • Photokathoden werden allgemein in zwei große Gruppen eingeteilt: Transmissions-Photokathoden und Reflektions-Photokathoden. Eine Transmissions-Photokathode wird typischerweise auf der Oberfläche eines Fensters (z. B. Glas) gebildet, die der Quelle des zu messenden Lichts zugewandt ist, und aus der Photokathode austretende Elektronen treten zur Detektion durch die Ausgangsoberfläche der Photokathode hindurch (d. h. die Elektronen bewegen sich von der Lichtquelle weg). Eine Reflektions-Photokathode wird typischerweise auf einer durch eine undurchsichtige Metallelektrode gegebenen Basis gebildet, wobei die Elektronen aus derselben „beleuchteten” Oberfläche austreten, in die das Licht eindringt. Obwohl Reflektions-Photokathoden einige der Zielkonflikte zwischen Photokathoden-Dicke und -Empfindlichkeit, die weiter unten diskutiert werden, entschärfen, sind sie nicht für die Verwendung in abbildenden Geräten wie Bildverstärkern und EBCCD-Geräten geeignet (obwohl sie für die Verwendung in einigen Photomultiplier-Konfigurationen geeignet sein können). Daher bezieht sich in der nachfolgenden Diskussion der Begriff „Photokathode” nur auf Transmissions-Photokathoden, soweit nicht anders angegeben.
  • Photokathoden werden typischerweise auf einem geeigneten Gehäuse (z. B. einer Vakuumröhre) eines geeigneten übergeordneten Sensors gebildet oder montiert, und das Sensorgehäuse wird so angeordnet, dass die beleuchtete Oberfläche einer Ziel-Lichtquelle zugewandt ist (d. h. so, dass die Photokathode zwischen der Lichtquelle und den Elektronenmessstrukturen des übergeordneten Sensors positioniert ist). Werden Photonen von einer Photokathode absorbiert, laufen im Durchschnitt ungefähr 50% der erzeugten Elektronen zu der beleuchteten Seite der Photokathode (d. h. der der Lichtquelle zugewandten Seite, durch welche die Photonen in die Photokathode eintreten). Die anderen 50% der Photoelektronen laufen zu der Ausgangsoberfläche der Photokathode und werden, falls die Photoelektronen genügend Energie haben, zu den Elektronenmessstrukturen des Sensors hin emittiert. Wenn ein Elektron von der Ausgangsoberfläche der Photokathode emittiert wird, wird es normalerweise von elektrischen Feldern innerhalb des übergeordneten Sensors zu einer Anode beschleunigt und erzeugt dabei entsprechende messbare Spannungen oder Ströme, die den Einfang eines oder mehrerer Photonen anzeigen.
  • Photomultiplier sind Vakuum-Photoröhren, die eine Photokathode, eine Anode und eine Reihe von Dynoden (Elektroden) beinhalten, wobei sich jede Dynode auf einem positiveren elektrischen Potenzial als ihr Vorgänger befindet, wobei die Anode sich auf einem positiven Potenzial befindet, das höher ist als das der letzten Dynode. Ein von der Photokathode emittiertes Photoelektron wird von dem elektrischen Feld Photokathode-Dynode beschleunigt und normalerweise auf eine Dynode treffen, was zur Emission mehrerer Sekundärelektronen führt, die von dem nachfolgenden elektrischen Feld Dynode-zu-Dynode beschleunigt werden. Beinahe alle diese Sekundärelektronen treffen auf eine weitere Dynode und erzeugen noch mehr Elektronen. Schließlich treffen die Elektronen bei der Anode ein, normalerweise nach mehreren Verstärkungsstufen durch mehrere Dynoden. Ein Photomultiplier erzeugt daher einen Strompuls (d. h. eine Ladung), jedes Mal wenn ein Photon absorbiert wird und ein Photoelektron in die richtige Richtung emittiert. Da die erzeugte Ladung gleich der Ladung vieler Elektronen ist, ist es, wenn die Verstärkung hoch genug ist, möglich, eine Ladung zu erzeugen, die oberhalb des Rauschniveaus der Elektronik liegt. Photomultiplier können daher äußerst empfindliche Detektoren für Licht im ultravioletten, sichtbaren und nahinfraroten Bereich des elektromagnetischen Spektrums sein. Diese Detektoren vervielfachen den von einfallendem Licht erzeugten Strom um einen Faktor bis zu 100 Millionen, in mehreren Dynodenstufen, und ermöglichen (zum Beispiel) den Nachweis einzelner Photonen, wenn der eintreffende Lichtfluss sehr niedrig ist.
  • Ein Bildverstärker ist eine weitere Art eines Vakuumröhrensensorgeräts, das einen Leuchtstoff verwendet, um die Intensität detektierten Lichts in einem optischen System zu erhöhen, um zum Beispiel die visuelle Abbildung von Prozessen bei geringem Lichtniveau zu ermöglichen, oder für die Umwandlung nichtsichtbarer Lichtquellen wie Nahinfrarot oder kurzwelliges Infrarot in den sichtbaren Bereich. In typischen Bildverstärkern werden die von einer Photokathode emittierten Photoelektronen zu einer transparenten Anode beschleunigt, die mit dem Leuchtstoff beschichtet ist, so dass die Photoelektronen mit hoher Energie (typischerweise ungefähr 1 keV bis ungefähr 20 keV) auf den Leuchtstoff treffen und den Leuchtstoff veranlassen, viele Photonen zu erzeugen. In manchen Bildverstärkern ist eine Mikrokanalplatte zwischen der Photokathode und dem Leuchtstoff angeordnet, um mehrere Sekundärelektronen aus jedem Photoelektron zu erzeugen. Selbst ohne eine Mikrokanalplatte können am Ausgang eines Bildverstärkers mehrere Photonen für jedes absorbierte Photon erzeugt werden. Die emittierten Photonen werden von einer Optik (etwa einem faseroptischen Bündel oder Linsen) zu einem Bildsensor geführt. Da jedes absorbierte Photon viele Ausgangsphotonen erzeugen kann, können sehr niedrige Lichtniveaus detektiert und gemessen werden, möglicherweise sogar einzelne Photonen unter bestimmten Bedingungen.
  • Ein EBCCD ist ein weiterer Sensor, der in einer zu einem Bildverstärker ähnlichen Weise arbeitet. An Stelle eines Leuchtstoffschirms als Ausgang wird ein Bildsensor, etwa ein CCD, verwendet, um die Elektronen zu detektieren, die von einer Photokathode emittiert und durch ein elektrisches Feld beschleunigt werden. In einem EBCCD wird typischerweise eine Potenzialdifferenz von ungefähr 2 kV oder mehr verwendet, um das elektrische Feld zwischen der Photokathode und dem CCD zu erzeugen, durch welches von der Photokathode emittierte Photoelektronen beschleunigt werden und das CCD mit hoher Energie treffen, wobei sie viele Elektronen innerhalb des CCD erzeugen, die dann erfasst werden. Da für jedes detektierte Photon mehrere Elektronen erzeugt werden, sind das Ausleserauschen und das Dunkelrauschen des CCD weniger wichtig, als sie es für die direkte Detektion von Photonen wären. Im Vergleich mit einem Bildverstärker vermeidet das EBCCD die Kosten für die Optik, die erforderlich ist, um das Licht von dem Leuchtstoff zu dem Bildsensor zu übertragen, und vermeidet ebenso die Verschlechterung der Bildauflösung, die durch diese Optik verursacht wird.
  • 12 zeigt ein herkömmliches EBCCD 50, das ein Gehäuse 52 mit einem Fenster 53, eine auf einer inneren Oberfläche des Fensters 53 angeordnete Photokathode 54 und ein Charge-Coupled-Device (CCD) 55 umfasst, das an einem unteren Ende des Gehäuses 52 angeordnet ist, so dass die Photokathode 54 von dem CCD 55 durch eine Vakuumlücke 56 getrennt ist. Ein elektrisches Feld wird zwischen der Photokathode 54 und dem CCD 55 erzeugt, indem eine Spannung an die Photokathode angelegt wird, die negativ bezüglich der des CCD ist. Ein eintreffendes Photon 61 tritt durch das Fenster 53 ein und wird von der Photokathode 54 absorbiert, was zur Erzeugung eines Photoelektrons führt. Falls ein Photoelektron 62 ausreichend Energie hat, um durch die Ausgangsseite der Photokathode 54 (d. h. in der Figur nach unten) zu entweichen, tritt es in Lückenbereich 56 ein. Da sich das CCD 55 auf einem positiven Potenzial, normalerweise von 2 kV oder mehr, relativ zu der Photokathode 54 befindet, wird das Photoelektron 62 zu dem CCD 55 beschleunigt, so dass es eine Energie größer als ungefähr 2 keV erlangt, wodurch Photoelektronen typischerweise mehrere Elektronen innerhalb des CCD 55 erzeugen. Die innerhalb des CCD 55 erzeugten Elektronen werden dann zu einem Verarbeitungssystem (nicht gezeigt) transmittiert (z. B. über die Pins 57), das dazu ausgebildet ist, ein assoziiertes Bild oder andere mit den detektierten Photoelektronen assoziierte Daten zu erzeugen.
  • Photokathoden nach dem Stand der Technik erfordern schwierige Abwägungen zwischen miteinander in Konflikt stehenden Erfordernissen, die mit der Absorption von Photonen und der Emission von Photoelektronen assoziiert sind. Eine gute Photokathode muss eine hohe Wahrscheinlichkeit haben, bei interessierenden Wellenlängen Photonen zu absorbieren, und eine hohe Wahrscheinlichkeit, aus diesem absorbierten Photon ein (oder mehrere) Photoelektronen zu erzeugen. Eine gute Photokathode braucht ebenso eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass jegliches von einem absorbierten Photon erzeugte Photoelektron aus der Photokathode entweicht. Eine dickere Photokathode erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass ein einfallendes Photon absorbiert wird, aber erhöht ebenso die Wahrscheinlichkeit, dass das resultierende emittierte Photoelektron rekombiniert (d. h. verlorengeht), ehe es entweicht. Genauer erfolgen Rekombinationen normalerweise an Defekten oder Verunreinigungen in dem Material, das eine Photokathode bildet, so dass, je größer die Distanz ist, die das Photoelektron durch das Photokathodenmaterial laufen muss, desto größer die Wahrscheinlichkeit ist, dass es auf einen Defekt oder eine Verunreinigung trifft und rekombiniert wird. Das Material muss eine niedrige Austrittsarbeit haben, da nur Photoelektronen mit Energie nahe bei oder größer als die Austrittsarbeit eine vernünftige Wahrscheinlichkeit haben, zu entweichen.
  • Typische Photokathoden werden für einen relativ engen Wellenlängenbereich optimiert. Beispielsweise sind UV-Wellenlängen in der Halbleiterindustrie besonders nützlich zur Detektion kleiner Partikel und Defekte auf Halbleiterwafern, da im Allgemeinen die von einem kleinen Partikel gestreute Menge an Licht, neben anderen Faktoren, von dem Verhältnis der Größe von Partikel oder Defekt zu der Wellenlänge abhängt. Die meisten Photokathodenmaterialien absorbieren UV-Licht stark. Eine für UV-Wellenlängen optimierte Photokathode nach dem Stand der Technik muss normalerweise dünn sein, da UV-Photonen nahe der beleuchteten Oberfläche absorbiert werden. Wenn die Photokathode nicht dünn ist, kann das Photoelektron eine geringe Wahrscheinlichkeit haben, von der Ausgangsoberfläche der Photokathode zu entweichen. Typischerweise erzeugen nur Photoelektronen, die auf der dem Leuchtstoff oder dem Bilddetektor zugewandten Seite der Photokathode entweichen, ein Ausgangssignal. Solch eine dünne, für UV-Wellenlängen optimierte Photokathode hat typischerweise eine geringe Empfindlichkeit bei sichtbaren und infraroten Wellenlängen, da ein signifikanter Anteil der einfallenden Photonen bei längeren Wellenlängen ohne Absorption durch die Photokathode läuft.
  • Eine weitere Beschränkung von Photokathoden nach dem Stand der Technik ist, dass die Energie des emittierten Photoelektrons mit der Wellenlänge des absorbierten Lichts variiert und mehrere eV betragen kann, wenn ein UV-Photon absorbiert wird. Da die Richtung, in die das Photoelektron ausgesandt wird, zufällig ist, führt diese Energie des Elektrons zu einer Signalverbreiterung in einer horizontalen Richtung.
  • Ferner hängt die Verbreiterung von der Wellenlänge des absorbierten Photons ab, und ist für kürzere Wellenlängen größer. In einer dicken Photokathode erleidet ein Photoelektron normalerweise mehrere Kollisionen, bevor es emittiert wird, und hat eine höhere Wahrscheinlichkeit dafür, eine Energie zu haben, welche nahe zu der durch die Temperatur der Photokathode bestimmten ist (d. h. es ist wahrscheinlicher, dass das Elektron thermalisiert ist). Wenn jedoch ein Elektron mehrere Kollisionen innerhalb einer Photokathode erleidet, ist es wahrscheinlich, dass es rekombinert und verlorengeht, aufgrund des hohen Aufkommens an Defekten innerhalb und/oder auf der Oberfläche von Photokathodenmaterialien nach dem Stand der Technik. Daher wäre eine reduzierte Verbreiterung in der Energie mit dem Nachteil einer erheblich reduzierten Empfindlichkeit verbunden (die meisten der einfallenden Photonen würden kein Signal mehr erzeugen).
  • Einkristallines (monokristallines) Silizium scheint viele der eben beschriebenen Nachteile zu überwinden. Silizium absorbiert alle Wellenlängen kürzer als ungefähr 1,1 um. Siliziumkristalle können mit sehr hoher Reinheit und sehr wenigen Kristalldefekten gezogen werden. Die Rekombinationslebensdauer von Elektronen in einkristallinem Silizium hoher Qualität kann etliche Mikrosekunden betragen, sogar Hunderte von Mikrosekunden in Material bester Qualität. Derart lange Rekombinationslebensdauern ermöglichen es Elektronen, die viele Mikrometer von der Oberfläche entfernt erzeugt wurden, zu einer Oberfläche zu wandern, bei einer geringen Wahrscheinlichkeit der Rekombination.
  • Trotz der vielen Vorteile wurde jedoch die Entwicklung von siliziumbasierten Photokathoden zum kommerziellen Einsatz durch zwei hauptsächliche Nachteile verhindert.
  • Ein Nachteil von Silizium ist, dass Silizium eine relativ hohe Austrittsarbeit hat (ungefähr 4,8 eV, Allan and Gobelli, „Work Function, Photoelectric Threshold, and Surface States of Atomically Clean Silicon”, Physical Review vol. 127 issue 1, 1962, Seiten 150–158), welche der Emission von durch die Absorption von Photonen erzeugten Photoelektronen entgegenwirkt. Die Austrittsarbeit eines Materials ist die Energiedifferenz zwischen einem Elektron beim Fermi-Niveau und einem beim Vakuumniveau (d. h. einem, das aus dem Material entwichen ist). Die relative große Bandlücke von Silizium bedeutet, dass thermalisierte Elektronen nicht aus Silizium entweichen können. Selbst UV-Photonen, die nahe der Oberfläche von Silizium absorbiert werden, erzeugen keinen großen Photostrom, da die Photoelektronen nicht genug Energie zum Entweichen haben. Beispielsweise erzeugt eine Photonenenergie von 6,5 eV ein Photoelektron mit einer Energie von ungefähr 3 eV (da bei solch einer Wellenlänge direkte Absorption wahrscheinlicher ist als indirekte Absorption). Ein Photoelektron mit einer Energie von ungefähr 3 eV ist nicht in der Lage, aus dem Silizium zu entweichen, aufgrund der Austrittsarbeit des Siliziums.
  • Ein zweites, ernsteres Problem bei der Verwendung von Silizium als ein Photokathodenmaterial ist, dass Silizium sehr leicht ein natives Oxid auf seiner Oberfläche bildet. Selbst in einem Vakuum wird sich schließlich ein natives Oxid bilden, da die geringen Mengen an Sauerstoff und Wasser, die im Vakuum vorhanden sind, mit der Oberfläche des Siliziums reagieren.
  • Die Grenzfläche zwischen Silizium und Siliziumdioxid hat Defekte (wegen freier Bindungen), an denen die Wahrscheinlichkeit der Rekombination eines Elektrons sehr hoch ist. Ferner ist die Bandlücke von Siliziumdioxid groß (ungefähr 8 eV) und erzeugt eine zusätzliche Barriere, die größer ist, als die Austrittsarbeit, die ein Elektron überwinden muss, um zu entweichen, selbst wenn das Oxid sehr dünn ist (natives Oxid auf einer sehr glatten Siliziumoberfläche ist typischerweise ungefähr 2 nm dick). Die Defektdichte an der Silizium-Oxid-Grenzfläche kann vermindert werden, indem das native Oxid entfernt und ein thermisches Oxid bei hoher Temperatur, etwa ungefähr 900–1000°C erzeugt wird. Solch eine Schicht kann stabil sein, wenn sie zu einer Dicke von ungefähr 1,5 nm bis 2 nm wachsen gelassen wird. Jedoch hat selbst ein thermisches Oxid guter Qualität eine signifikante Defektdichte an seiner Grenzfläche zu Silizium (typischerweise 109 bis 1011 Defekte pro cm2), und die große Bandlücke des Oxids verbunden mit einer minimalen Dicke von nahe 2 nm stellt immer noch eine signifikante Barriere für entweichende Elektronen dar, selbst wenn die Austrittsarbeit überwunden werden kann. Eine dünne Siliziumnitrid-Schicht kann verwendet werden, um das Wachsen einer nativen Oxidschicht auf Silizium zu verhindern, aber die Defektdichte an der Silizium-Siliziumnitrid-Grenzfläche ist höher als an der Silizium-Siliziumdioxid-Grenzschicht, und die Bandlücke für Siliziumnitrid (ungefähr 5 eV) ist groß genug, um die meisten Elektronen am Entweichen von der Oberfläche zu hindern. Aus diesen Gründen wurde Silizium niemals in signifikantem Ausmaß kommerziell als Photokathode verwendet.
  • Was daher gebraucht wird ist eine Photokathode, die einige, oder alle, der Beschränkungen des Stands der Technik überwindet.
  • Übersicht über die Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung ist auf eine Photokathodenstruktur gerichtet, die mehrere Feldemitter-Vorsprünge beinhaltet, welche integral an einer Ausgangsoberfläche eines monokristallinen oder polykristallinen Siliziumsubstrats ausgebildet (strukturiert) sind, und eine im Wesentlichen reine Borschicht (erste Schicht), die hermetisch zumindest an Spitzen-Bereichen (freien Enden) der Feldemitter-Vorsprünge gebildet ist. Die Einführung integraler Feldemitter-Vorsprünge auf die Ausgabeoberfläche umgeht die relativ hohe Austrittsarbeit des Siliziumsubstrats, indem die Feldverstärkung ausgenutzt wird, die sich ergibt, wenn die Vorsprünge als Feldemitter wirken, was geschieht, wenn das Substrat einem angelegten elektrischen Feld ausgesetzt wird, das stark genug ist, um die Potenzialbarriere an der Silizium-Vakuum-Grenzfläche zu reduzieren, so dass Photoelektronen diese Barriere an den Spitzen-Bereichen durchtunneln (quantenmechanisches Tunneln) können. Die sich ergebende Emissionsstromdichte kann mit einer modifizierten Version der Fowler-Nordheim-Theorie abgeschätzt werden, welche den Feldverstärkungsfaktor aufgrund der Feldemitter berücksichtigt (R. Fowler und L. Nordheim, „Electron emission in intense electric fields”, Proceedings of the Royal Society of London A, Vol. 119, No. 781, Mai 1928, Seiten 173–181). Ferner wird durch die Ausbildung der im Wesentlichen reinen Borschicht derart, dass sie zumindest die Spitzen-Bereiche der Feldemitter-Vorsprünge hermetisch versiegelt, die Oxidation der Ausgangsfläche der Feldemitter im Wesentlichen vollständig verhindert, wodurch die signifikante Barriere für das Entweichen von Elektronen, die bei herkömmlichen Herangehensweisen auftritt, vermieden wird. Somit bietet die vorliegende Erfindung, indem sie eine Photokathode mit Feldemitter-Vorsprüngen, die integral auf einem einkristallinen Siliziumsubstrat ausgebildet sind und durch eine im Wesentlichen reine Borschicht hermetisch geschützt sind, bereitstellt, eine Photokathode, welche die nützlichen Eigenschaften von Silizium hat (d. h. Absorption unter 1 μm Wellenlänge, Material mit hoher Reinheit/geringen Defekten und langen Elektronen-Rekombinationszeiten), während sie die negativen Aspekte vermeidet, welche zuvor die weitverbreitete kommerzielle Anwendung von siliziumbasierten Photokathoden verhindert haben.
  • Verschiedene herkömmliche Halbleiterverarbeitungstechniken werden optional eingesetzt, um die Performanz von Photokathoden zu optimieren, die gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt werden. Beispielsweise ist das Siliziumsubstrat vorzugsweise im Wesentlichen defektfreies monokristallines (einkristallines) Silizium mit einer Dicke im Bereich von ungefähr 10 nm bis ungefähr 100 μm, wobei die Dicke zum Teil von der Wellenlänge zu erfassenden Lichts abhängt. In einer bevorzugten Ausführungsform enthält das Siliziumsubstrat Fremdatome (z. B. implantierte n-Typ Fremdatome) mit Dotierungsniveaus, die so optimiert sind, dass, wenn die Photokathode einem geeigneten äußeren elektrischen Feld ausgesetzt wird, jeder Feldemitter-Vorsprung als ein Feldemitter in Sperrrichtungsbetrieb wirkt. Die Feldemitter-Vorsprünge werden durch Ätzen oder anderweitige Strukturierung des Siliziumsubstrats gebildet, derart, dass Bereiche des Siliziummaterials integrale Strukturen bilden, die relativ breite Basisbereiche haben, welche integral mit der Ausgangsoberfläche verbunden sind, und die sich über eine Höhendistanz von mindestens 100 nm über die Ausgangsoberfläche zu relativ schmalen Spitzen-Bereichen (freien Enden) erstrecken. Um eine optimale Wirkung der Feldemitter zu ermöglichen hat in einer Ausführungsform der Basisbereich jedes Feldemitter-Vorsprungs einen minimalen Durchmesser/eine minimale Breite von ungefähr 100 nm und einen Spitzen-Bereich mit einem maximalen Durchmesser/einer maximalen Breite von ungefähr 200 nm, und bevorzugt ungefähr 100 nm oder weniger. In den bevorzugten Ausführungsformen werden die Feldemitter-Vorsprünge unter Verwendung von Standard-CMOS-Herstellungstechniken (z. B. Abscheidung von Siliziumdioxid- oder von Siliziumnitrid-Maskenmaterial durch PECVD auf einer planaren Substratoberfläche, Strukturieren der Maske mittels bekannter photolithographischer Techniken und dann Ätzen des Siliziumsubstrats durch Öffnungen in der Maske um die Feldemitter-Vorsprünge zu bilden) hergestellt, so dass die Feldemitter-Vorsprünge in einem zweidimensionalen Feldmuster auf der Ausgangsoberfläche des Siliziumsubstrats angeordnet sind. Die Borschicht wird vorzugsweise mittels eines Hochtemperaturabscheidungsprozesses (z. B. zwischen ungefähr 600°C und 800°C) auf sauberem, glattem Silizium gebildet, in einer Weise, die eine Borschicht frei von Pinholes erzeugt, mit einer Dicke im Bereich von 1–5 nm (vorzugsweise ungefähr 2 bis 3 nm), wobei die Borschicht das Oxidationsproblem des Siliziums umgeht, indem es die gesamte Ausgangsoberfläche des Siliziumsubstrats zuverlässig hermetisch gegen Oxidation versiegelt. In alternativen Ausführungsformen werden die Feldemitter-Vorsprünge gebildet, indem verschiedene Formen hervortretender Strukturen verwendet werden, etwa abgerundete Whisker (zylindrische Pfosten mit runden Spitzen), abgerundete Kegel oder Pyramiden. Die oben erwähnten verschiedenen Techniken und Merkmale können separat oder in Kombination verwendet werden, um die Wirkung der Photokathode zu verbessern.
  • Gemäß verschiedener alternativer spezifischer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden zusätzliche Schichten und Strukturen verwendet, um die nützlichen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Photokathodenstruktur weiter zu steigern. In einigen Ausführungsformen werden eine oder mehrere Gate-Strukturen (Steuerelektroden) auf der Ausgangsoberfläche angeordnet und auf oder geringfügig unterhalb der Höhe der Feldemitter-Spitzen-Bereiche platziert, um eine schnelle und genaue Steuerung des Emissionsstroms zu erzielen. In manchen Ausführungsformen wird eine zweite Borschicht (dritte Schicht) auf der beleuchteten (ersten) Oberfläche des Siliziumsubstrats gebildet, um weiter Oxide und Defekte zu vermeiden, die die Absorption von Photonen vermindern können. In einer anderen Ausführungsform wird eine Schicht aus einem Antireflektionsmaterial (vierte Schicht) auf der zweiten Borschicht (dritten Schicht) angeordnet, um die Absorption von Photonen weiter zu verstärken. In einigen Ausführungsformen werden ein metallischer oder leitender Rahmen oder ein metallisches oder leitendes Gitter und eine Spannungsquelle verwendet, um eine externe Potenzialdifferenz zwischen der beleuchteten Oberfläche und der Ausgangsoberfläche des Siliziumsubstrats zu erzeugen, um Elektronen zu veranlassen, sich vorzugsweise zur Ausgangsoberfläche hin zu bewegen. In einigen Ausführungsformen beinhaltet die Photokathode eine Kombination aus n-Typ-Silizium-Feldemitter und p-i-n-Photodiodenstruktur, die in einem Lawinenvervielfältigungszustand arbeitet, wenn eine hohe Spannung (z. B. in der Größenordnung einiger Zehn oder einiger weniger Hundert Volt zwischen der beleuchteten Oberfläche und der Ausgangsoberfläche des Substrats angelegt wird. Diese Lawinenverstärkung erhöht die effektive Quanteneffizienz und verbessert so die Wirkung der Photokathode. In wiederum anderen Ausführungsformen wird Bor (oder ein anderes p-Typ-Fremdatom) durch die beleuchtete Oberfläche diffusiv in das Siliziumsubstrat eingebracht, um einen p-Typ-dotierten Bereich zu bilden, um einen Potenzialgradienten zu erzeugen, der Elektronen von der beleuchteten Oberfläche wegtreibt, wo sie rekombinieren und verloren gehen könnten.
  • Gemäß alternativer spezifischer Ausführungsformen werden die erfindungsgemäßen Photokathodenstrukturen der vorliegenden Erfindung in verschiedene Sensorstrukturen aufgenommen, um Sensoren bereitzustellen, die eine höhere Nachweisfähigkeit für schwaches Licht haben. Zusätzlich zu der Photokathode (welche zu einer Empfangsoberfläche des Sensors benachbart positioniert wird) beinhalten diese Sensorstrukturen ein Detektionsgerät (z. B. einen CCD- oder CMOS-Bildsensor), das eine Detektionsoberfläche hat, die der Ausgangsoberfläche der Photodiode zugewandt ist und von der Borschicht auf der Ausgangsoberfläche des Substrats durch eine dazwischenliegende Lücke beabstandet ist, wobei das Detektionsgerät dazu dient, Photoelektronen zu detektieren, die durch die Ausgangsoberfläche der Photokathode emittiert wurden, und elektrische Signale zu erzeugen, die die Erfassung von Photoelektronen anzeigen. In einigen Sensor-Ausführungsformen ist die Sensorstruktur eine Elektronenbeschuss-Charge-Coupled-Device (EBCCD), das ein Fenster auf der Photokathode haben kann (oder nicht). In anderen Ausführungsformen der Erfindung ist der Sensor ein Bildverstärker, der ein Fenster auf der Photokathode haben kann (oder nicht). In wiederum anderen Ausführungsformen der Erfindung ist der Sensor ein Photomultiplier, der ein Fenster auf der Photokathode haben kann (oder nicht).
  • In einigen Sensor-Ausführungsformen ist eine zweite Borschicht auf der beleuchteten Oberfläche der Photokathode gebildet, um die Oxidbildung auf der beleuchteten Oberfläche zu verhindern, und eine Schicht aus einem Antireflektionsmaterial ist über der zweiten Borschicht vorgesehen, um die Effizienz des Photoneneinfangs zu verbessern. In einigen dieser Ausführungsformen ist die Schicht aus Antireflektionsmaterial zwischen einem Fenster und der Photokathode angeordnet, aber in anderen Ausführungsformen dient die Schicht aus Antireflektionsmaterial auch als die Empfangsoberfläche des Sensors (d. h. der Sensor hat kein Fenster über der beleuchteten Oberfläche der Photokathode), was die Effizienz des Photoneneinfangs durch den Sensor weiter erhöht. In anderen Sensor-Ausführungsformen, die ein Fenster über der beleuchteten Oberfläche der Photokathode beinhalten, ist eine Schicht Antireflektionsmaterial auf dem Fenster vorgesehen, um die Effizienz des Photoneneinfangs zu verbessern.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung beinhaltet ein Sensor, der die Photokathode der vorliegenden Erfindung beinhaltet, auch ein Detektionsgerät auf Siliziumbasis, das eine zusätzliche Borschicht auf seiner Empfangsoberfläche hat (d. h. der Oberfläche des Detektionsgeräts, die der Photokathode zugewandt ist). Zum Beispiel wird in Fällen, in denen der Sensor ein Elektronenbeschuss-CCD (EBCCD) ist und das Detektionsgerät ein CCD ist (welche typischerweise auf Siliziumsubstraten ausgebildet sind), eine Borschicht direkt auf der Empfangsoberfläche des CCDs während der Herstellung ausgebildet, um die Effizienz des Elektroneneinfangs des Sensors zu verbessern, indem die Ausbildung einer Siliziumdioxidschicht auf der Empfangsoberfläche des CCDs verhindert wird. In anderen Ausführungsformen beinhaltet der Sensor einen CMOS-Detektor (d. h. an Stelle eines CCD), und die zusätzliche Borschicht ist auf der Empfangsoberfläche des CMOS-Detektors ausgebildet.
  • In anderen Ausführungsformen der Erfindung werden Sensoren, die die erfindungsgemäße Photokathode beinhalten, in Inspektionssystemen für Wafer, Retikel oder Photomasken verwendet. Insbesondere beinhalten die erfindungsgemäßen Systeme eine Beleuchtungsquelle (z. B. ein Lasersystem), um Licht auf eine Probe/einen Wafer zu transmittieren, einen oder mehrere Sensoren (z. B. einen Photomultiplier, einen Bildverstärker oder ein EBCCD), die eine beliebige der hierin beschriebenen Photokathoden verwenden, um Photonen zu detektieren, die durch die Probe/den Wafer hindurch laufen oder durch die Probe/den Wafer reflektiert werden, und ein zugeordnetes optisches System, um das Licht/die Photonen von der Beleuchtungsquelle zu der Probe (Wafer, Retikel oder Photomaske) und von der Probe zu dem Sensor zu führen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die Erfindung wird als Beispiel und nicht als Einschränkung in den Figuren der beigefügten Zeichnungen veranschaulicht, in denen:
  • 1 eine Seitenansicht im Querschnitt ist, die eine Photokathode zeigt, welche eine Feldemitter-Anordnung beinhaltet, die auf einem Siliziumsubstrat ausgebildet ist, gemäß einer vereinfachten verallgemeinerten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 2A und 2B vergrößerte teilweise Seitenansichten im Querschnitt und teilweise perspektivische Ansichten sind, die eine Siliziumphotokathode gemäß einer ersten spezifischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen;
  • 3 eine vergrößerte teilweise Seitenansicht im Querschnitt ist, die eine Photokathode gemäß einer weiteren beispielhaften spezifischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 4A, 4B, 4C, 4D, 4E und 4F Querschnittsansichten sind, die Photokathoden gemäß zusätzlicher beispielhafter spezifischer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigen;
  • 5 ein Energiediagramm ist, das beispielhafte Elektronenenergieniveaus innerhalb des Siliziumsubstrats einer gemäß der vorliegenden Erfindung gebildeten Photokathode zeigt;
  • 6(A), 6(B) und 6(C) Seitenansichten im Querschnitt sind, die beispielhafte Sensoren zeigen, die die Photokathode gemäß alternativen spezifischen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beinhalten;
  • 7 ein vereinfachtes Diagramm ist, das ein Inspektionssystem gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 8(A), 8(B), 8(C) und 8(D) vereinfachte Diagramme sind, die Inspektionssysteme gemäß zusätzlicher Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigen;
  • 9 ein vereinfachtes Diagramm ist, das ein weiteres Inspektionssystem gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 10 ein vereinfachtes Diagramm ist, das ein weiteres Inspektionssystem gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 11 ein vereinfachtes Diagramm ist, das ein weiteres Inspektionssystem gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
  • 12 eine Seitenansicht im Querschnitt ist, die einen konventionellen Sensor zeigt.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbesserung für Sensoren für geringe Lichtniveaus für Halbleiterinspektionssysteme. Die folgende Beschreibung wird angeführt, um es dem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung herzustellen und zu verwenden, so wie sie im Kontext einer spezifischen Anwendung und ihrer Erfordernisse vorgesehen ist. So wie hierin verwendet sollen Richtungsangaben wie „oberste”, „unterste”, „über”, „unter”, „obere”, „aufwärts”, „untere”, „nach unten” und „abwärts” relative Positionen zum Zwecke der Beschreibung angeben, und nicht ein absolutes Bezugssystem angeben. Verschiedene Modifikationen der bevorzugten Ausführungsform werden dem Fachmann offensichtlich sein, und die hierin definierten allgemeinen Prinzipien können auf andere Ausführungsformen angewendet werden. Daher soll die vorliegende Erfindung nicht auf die spezifischen gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen beschränkt werden, sondern es soll ihr der breiteste Umfang zugemessen werden, der mit den hierin offenbarten Prinzipien und neuen Merkmalen konsistent ist.
  • 1 zeigt in Querschnittsansicht eine Photokathode 100 gemäß einer verallgemeinerten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Photokathode 100 beinhaltet allgemein ein Siliziumsubstrat 101 mit einer aufwärts weisenden beleuchteten (obersten/ersten) Oberfläche 102 und einer gegenüberliegenden, abwärts weisenden Ausgangsoberfläche (untersten/zweiten Oberfläche) 103, einer Anordnung von Feldemitter-Vorsprüngen 104, welche integral auf der Ausgangsoberfläche 103 ausgebildet sind (d. h. in das Siliziummaterial strukturiert und von Teilen des Siliziummaterials gebildet) und sich von der Ausgangsoberfläche 103 aus erstrecken, und eine im Wesentlichen reine Borschicht 110, welche auf der Ausgangsoberfläche 103 hermetisch über den Feldemitter-Vorsprüngen 104 angeordnet ist. Mit dieser Anordnung arbeitet die Photokathode 100 ähnlich wie herkömmliche Photokathoden, insoweit, dass, wenn sie geeignet angeordnet und einem geeigneten elektrischen Feld EF ausgesetzt wird, Photonen P, die in das Siliziumsubstrat 101 durch die beleuchtete (obere) Oberfläche 102 eintreten, absorbiert werden und Photoelektronen PE erzeugen, die dann durch die Ausgangsoberfläche 103 emittiert werden. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Ausgangsoberfläche 103 derart funktionell ausgebildet, dass, wenn das elektrische Feld EF anliegt, die Feldemitter-Vorsprünge 104 als eine Feldemitter-Anordnung (FEA) arbeiten, die die Wahrscheinlichkeit, dass ein gegebenes im Substrat 101 erzeugtes Photoelektron PE von der Ausgangsoberfläche 103 emittiert wird, beträchtlich erhöht. Gemäß einem anderen Aspekt dient die Borschicht 110 dazu, die Feldemitter-Vorsprünge 104 vor Oxidation zu schützen, was zuverlässigen Betrieb der Photokathode 100 über eine lange Zeit ermöglicht. Ferner haben die Erfinder festgestellt, dass Bor im Wesentlichen transparent für niederenergetische Elektronen ist, was Bor zu einem idealen hermetischen Versiegelungsmaterial für siliziumbasierte Photokathoden macht.
  • Gemäß einer praktischen Ausführungsform wird das Siliziumsubstrat 101 vorzugsweise unter Verwendung von monokristallinem Silizium (d. h. einem einzigen Siliziumkristall) implementiert, das p-Typ-dotiert ist (d. h. das p-Typ-Fremdatome 108 enthält) mit einem Dotierungsniveau von weniger als ungefähr 1019 cm–3, d. h. einem spezifischen Widerstand von ungefähr 0,005 Qcm oder höher. Da die Lebensdauer und Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger mit zunehmender Fremdatomkonzentration abnehmen, können Fremdatomkonzentrationen über ungefähr 1019 cm–3 verwendet werden, wenn das Silizium sehr dünn ist, etwa dünner als ungefähr 1 μm, wohingegen wenn das Silizium dicker als ungefähr 1 μm ist, Fremdatomkonzentrationen unterhalb von ungefähr 1019 cm–3 bevorzugt sein können. In anderen Ausführungsformen umfasst das Siliziumsubstrat 101 polykristallines Silizium oder vielkristallines Silizium. Abhängig von dem beabsichtigten Wellenlängenarbeitsbereich der Photokathode kann das Silizium zwischen ungefähr 10 nm und ungefähr 100 μm dick sein. Das Siliziumsubstrat 101 hat eine Bandlücke von ungefähr 1,1 eV, so dass Licht mit einer Vakuumwellenlänge kürzer als ungefähr 1,1 μm absorbiert wird. Die 1,1 eV-Bandlücke des Siliziumsubstrats 101 ist indirekt, so dass die Absorption von Wellenlängen im roten und infraroten Bereich des Spektrums schwach ist. Das Siliziumsubstrat 101 hat auch eine direkte Bandlücke von ungefähr 3,5 eV, so dass es Wellenlängen im tiefen UV stark absorbiert. Abhängig von der beabsichtigten Anwendung der Photokathode 100 hat das Siliziumsubstrat 101 eine Dicke T1 im Bereich von ungefähr 20 nm bis ungefähr 100 μm. Um beispielsweise eine hohe Wahrscheinlichkeit der Absorption eines Photons im infraroten Teil des Spektrums zu ermöglichen, wird das Siliziumsubstrat 101 mit einer Dicke T1 von ungefähr 10 μm oder einigen Zehn μm gebildet. Alternativ wird zur Absorption von UV-Wellenlängen das Siliziumsubstrat 101 mit einer Dicke T1 in einem Bereich von einigen 10 nm bis ungefähr 100 nm gebildet. In einer praktischen Ausführungsform hat das Siliziumsubstrat 101 eine Dicke T1 von ungefähr 1 μm, um wenigstens 85% der unreflektierten einfallenden Photonen über einen Wellenlängenbereich vom Vakuum-UV bis ungefähr 670 nm nahe dem roten Ende des sichtbaren Spektrums zu absorbieren. Umfasst das Siliziumsubstrat 101 eine monokristalline (einkristalline) Struktur, die unter Verwendung bekannter Techniken mit einer sehr niedrigen Dichte von Kristalldefekten und hoher Reinheit wachsen gelassen wird, so hat ein innerhalb des Siliziumsubstrats 101 erzeugtes Photoelektron eine potenzielle Lebensdauer von einigen Zehn oder Hundert Mikrosekunden (μs). Zusätzlich veranlasst die einkristalline Struktur Photoelektronen, viel ihrer Überschussenergie zu verlieren, und teilweise oder im Wesentlichen zu thermalisieren, mit einer geringen Wahrscheinlichkeit der Rekombination.
  • Gemäß bevorzugten praktischen Ausführungsformen werden die Feldemitter-Vorsprünge 104 auf dem Siliziumsubstrat 101 unter Verwendung von Standard-CMOS-Herstellungstechniken hergestellt. Jeder Feldemitter-Vorsprung 104 hat einen relativ breiten Basis-Bereich 105, der integral mit der Ausgangsoberfläche 103 verbunden ist, und erstreckt sich über eine Höhendistanz H1 von ungefähr 100 nm oberhalb der Ausgangsoberfläche 103 zu einem relativ schmalen Spitzen-Bereich 106 (freies Ende). In einer Ausführungsform hat der Basisbereich 105 eines jeden Feldemitter-Vorsprungs 104, um den optimalen Feldemitter-Betrieb zu ermöglichen, einen minimalen Durchmesser/eine minimale Breite D1 von ungefähr 100 nm, und der Spitzen-Bereich 106 hat einen maximalen Durchmesser/eine maximale Breite D2 von 200 nm, und bevorzugter von ungefähr 100 nm oder weniger. Während der Herstellung können Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid als ein Maskenmaterial verwendet werden und beispielweise durch PECVD abgeschieden werden, und Photolithographie kann zur Strukturierung verwendet werden. Sowohl Trockenätzen (etwa RIE, ICP und ECR) als auch Nassätzen können verwendet werden, um die Anordnung von in einem zweidimensionalen periodischen Muster (z. B. wie in 2B dargestellt, unten diskutiert) angeordneten Feldemitter-Vorsprüngen zu bilden. Ein wichtiger Parameter mit Einfluss auf die Feldemitter-Eigenschaften ist der Abstand (Pitch) P zwischen Emitter-Vorsprüngen 104. Es ist bekannt, dass nahe benachbarte Emitter den Feldverstärkungsfaktor aufgrund von Abschirmeffekten reduzieren, die zu einem ungenügenden Eindringen des elektrischen Feldes zwischen die einzelnen Emitter führen. Daher sollte, um die Feldabschirmeffekte zu minimieren und die Stromdichte der Feldemission zu optimieren, die Distanz zwischen vertikal ausgerichteten Emittern zwischen ungefähr zweimal und ungefähr zwanzigmal ihre Höhe liegen (siehe zum Beispiel R. Serbun, B. Bornmann, A. Navitski, C. Prommesberger, C. Langer, F. Dams, G. Müller und R. Scheiner, „Stable field emission of single B-doped Si-tips and linear current scaling of uniform tip arrays for integrated vacuum microelectronic devices”, Journal of Vacuum Science and Technology B, Vol. 31, No. 2, 2013, Seiten 02B101). Haben die Feldemitter-Vorsprünge beispielsweise eine nominelle Höhe H1 von 500 nm, sollte der Abstand P zwischen ungefähr 1 μm und ungefähr 10 μm liegen.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die Feldemitter dazu ausgebildet, in Sperrrichtungsbetrieb zu arbeiten, wie in einer p-n-Diode, in welchem durch das starke elektrische Feld an der Emitteroberfläche eine Verarmungszone erzeugt wird. In dieser Ausführungsform können Bereiche nahe den Spitzen der Feldemitter-Vorsprünge 104 mit einem n-Typ-Fremdatom (etwa Phosphor oder Arsen) dotiert werden, entweder vor oder nach der Bildung der Vorsprünge. Feldemission findet statt, wenn das angelegte elektrische Feld hoch genug ist, um die Potenzialbarriere auf der Silizium-Vakuum-Grenzfläche zu reduzieren, so dass das Elektron durch diese Barriere tunneln kann (quantenmechanisches Tunneln). In einem Halbleiter, in dem die Elektronenkonzentration durch das lokale Dotierungsniveau und das Potenzial bestimmt wird, ist es möglich, die Feldemitter in den Sperrrichtungsmodus zu versetzen. Die Emissionsstromdichte kann durch eine modifizierte Version der Fowler-Nordheim-Theorie abgeschätzt werden, welche den Feldverstärkungsfaktor aufgrund der Feldemitter berücksichtigt.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst die Borschicht 110 im Wesentlichen reines Bor, das direkt auf die Ausgangsoberfläche 103 aufgebracht wird, so dass zumindest die Spitzen-Bereiche 106 der Feldemitter-Vorsprünge 104 hermetisch versiegelt sind. So wie hierin verwendet, bedeutet der Ausdruck „im Wesentlichen reines Bor” Bor mit einer Reinheit von 95% oder höher, und der Ausdruck „direkt auf in Zusammenhang mit der Bor-zu-Silizium-Grenzfläche soll bedeuten, dass es keine zusammenhängenden dazwischenliegenden Schichten (z. B. Oxid- oder SiNx-Schichten) gibt, die die Ausgangsoberfläche der Feldemitter-Vorsprünge 104 und die Borschicht 110 trennen, abgesehen von einer möglichen dünnen Schicht (d. h. wenige Monolagen) von SiBx, das sich an der Si/B-Grenzfläche bilden kann. Man beachte auch, dass der Ausdruck „direkt auf nicht die Anwesenheit von unzusammenhängenden Oxid-Molekülen oder Bereichen zwischen einigen Bereichen des Bors und des Siliziums ausschließt, die sich unbeabsichtigt vor oder während der Ausbildung der Borschicht 110 bilden. In einer Ausführungsform wird die im Wesentlichen reine Borschicht 110 auf sauberem glattem Silizium bei hoher Temperatur (d. h. bei einer Temperatur höher als ungefähr 500°C, vorzugsweise zwischen ungefähr 600°C und 800°C) erzeugt, unter Verwendung von Techniken offenbart durch F. Sarubbi et al. „Chemical vapor Deposition of a-Boron Layers an Silicon for Controlled Nanometer-Deep p + n Junction Formation”, Journal of Electronic Materials, Vol. 39, No. 2, (February 2010), Seiten 162–173, ISSN 0361-5235, so dass das Bor eine Schicht frei von Pinholes und mit einer Dicke T2 im Bereich von ungefähr 1 nm bis 5 nm, vorzugsweise 2 bis 3 nm, bildet. Wie Sarubbi et al. auf Seite 163 der zitierten Referenz erläutern, ist es wichtig, alles native Oxid von dem Silizium zu entfernen, beispielsweise durch eine Nassreinigung gefolgt von einer in-situ Reinigung mit thermischem Wasserstoff, ehe das Bor abgeschieden wird. Abscheidung des Bors bei niedrigerer Temperatur ist ebenfalls möglich, obwohl die Beschichtung weniger gleichförmig sein kann, und eine Beschichtung dicker als 2 nm kann erforderlich sein, um zu gewährleisten, dass sie frei von Pinholes ist. Ein Vorteil der Herstellung der im Wesentlichen reinen Borschicht 110 auf diese Weise ist, dass die sich ergebende Borschicht frei von Pinholes, wenn sie auf eine saubere Siliziumoberfläche aufgebracht wird, als eine hermetische Versiegelung dient, die die Bildung von nativem Oxid auf der darunter liegenden Siliziumoberfläche verhindert. So wie hierin verwendet, bedeutet der Ausdruck „hermetisch angeordnet”, dass die Borschicht 110 in der oben dargelegten Weise gebildet wird, und der Ausdruck „zumindest auf dem Spitzen-Bereich” bedeutet, dass sich die hermetisch angeordnete Borschicht zumindest eine Distanz H2 von den Spitzen-Bereichen 106 entlang jedes Feldemitter-Vorsprungs 104 erstreckt, wobei die Distanz H2 zumindest 10% der Gesamthöhe H1 der Vorsprünge beträgt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Borschicht 110 hermetisch über einer Gesamtheit der Ausgangsoberfläche 103 angeordnet. Wie zuvor beschrieben, hat eine Siliziumdioxidschicht eine hohe Bandlücke und selbst dünne Schichten können einen signifikanten Anteil an Elektronen am Verlassen des Siliziums hindern. Borschicht 110 ermöglicht es somit selbst Elektronen mit niedrigen Energien, die Spitzenbereiche 106 während des Betriebs zu verlassen. Geräte nach dem Stand der Technik kamen nicht ohne Alkalimetall oder Alkalimetalloxid mit niedriger Austrittsarbeit, wie Cäsium oder Cäsiumoxid, aus. Obwohl bekannt ist, dass eine Alkalimetallschicht die Austrittsarbeit der Ausgangsoberfläche einer Photokathode verringern kann, indem an der Ausgangsoberfläche ein Element mit negativer Elektronenaffinität erzeugt wird, wird diese Schicht nach einer bestimmten Verwendungsdauer dünner, da das Alkalimetall die Ausgangsoberfläche verlässt. Durch das hermetische Anordnen der im Wesentlichen reinen Borschicht 110 auf der Ausgangsoberfläche 103 umgeht die sich ergebende Feldemitter-Anordnung der Photokathode 100 diese Einschränkung, und die Feldemitter-Vorsprünge 104 mit scharfen Spitzen sorgen für Feldverstärkung und höheren Emissionsstrom. Ferner konnten Geräte nach dem Stand der Technik nicht die Bildung einer Siliziumdioxidgrenzschicht zwischen dem Silizium und dem Material mit niedriger Austrittsarbeit vermeiden, selbst wenn die Siliziumschicht bei der Beschichtung frei von Oxid war. Das heißt, ohne eine undurchlässige Schutzschicht frei von Pinholes auf dem Silizium würde Sauerstoff schließlich zu der Siliziumoberfläche wandern und eine Oxidschicht bilden. Ein Vorteil, die hermetisch angeordnete im Wesentlichen reine Borschicht 110 auf der Ausgangsoberfläche 103 vorzusehen, ist, dass selbst eine sehr dünne (z. B. 1 nm) Borschicht frei von Pinholes undurchlässig für Sauerstoff ist und das Silizium vor Oxidation schützt. Ein weiterer Vorteil, die hermetisch angeordnete im Wesentlichen reine Borschicht 110 auf der Ausgangsoberfläche 103 mit einer Dicke im Bereich von 1 nm bis 5 nm vorzusehen, ist, dass die Dichte an Defekten und Grenzflächenfallen an der Silizium-Bor-Grenzfläche typischerweise niedriger ist, als an der Silizium-Siliziumdioxid-Grenzfläche, so dass die im Wesentlichen reine Borschicht 110 auch dazu dient, den Anteil an Elektronen zu reduzieren, die durch Rekombination an der Oberfläche verlorengehen, ehe sie emittiert werden können.
  • Gemäß alternativen spezifischen Ausführungsformen werden die Feldemitter-Vorsprünge 104 unter Verwendung verschiedener geometrischer Formen implementiert, etwa abgerundeten Whiskern, abgerundeten Kegeln oder Pyramiden, die in einem zweidimensionalen periodischen Muster auf der Ausgangsoberfläche 103 angeordnet sind.
  • 2A und 2B zeigen eine Photokathode 100A mit einem Substrat 101A mit einer planaren Eingangsoberfläche (oberen Oberfläche) 102A, einer Anordnung von pyramidenförmigen Feldemitter-Vorsprüngen 104A, die auf einer gegenüberliegenden Ausgangsoberfläche 103A integral ausgebildet sind, und einer im Wesentlichen reinen Borschicht 110A, welche in der oben beschriebenen Weise hermetisch auf der Ausgangsoberfläche 103A angeordnet ist. Jeder Feldemitter-Vorsprung 104A umfasst eine pyramidenförmige Struktur mit vier geneigten Wänden, die sich von einem relativ breiten festen Bereich (Basisbereich) 105A zu einem relativ schmalen Spitzen-Bereich 106A (freies Ende) erstrecken. In einer Ausführungsform wird die Pyramidenform der Feldemitter-Vorsprünge 104A durch anisotropes Ätzen des Siliziumsubstrats 101 erzielt, vorzugsweise so, dass der Ätzprozess Feldemitter-Vorsprünge 104A mit Neigungswinkeln α nahe bei 54,7° erzeugt (weil dieser Neigungswinkel dem Schnitt der (100)- und (111)-Ebenen in monokristallinem Silizium entspricht). Auch wenn die benachbarten pyramidenförmigen Feldemitter-Vorsprünge 104A als durch schmale Abschnitte relativ planarer Ausgangsoberfläche (unterer Oberfläche) 103 getrennt dargestellt sind, können in anderen Ausführungsformen diese schmalen planaren Abschnitte eliminiert werden, durch weiteres Ätzen des Siliziums bis die Umfänge benachbarter pyramidenförmiger Strukturen aneinander stoßen (d. h. die Ausgangsoberfläche 103A besteht im Wesentlichen vollständig aus Feldemitter-Vorsprüngen 104A). Auch wenn 2B die Anordnung aus Feldemitter-Vorsprüngen als auf einem Quadratgitter liegend darstellt, können die Vorsprünge auf einem anderen Gittermuster liegen, etwa auf einem hexagonalen Gitter.
  • 3 zeigt eine Photokathode 100B mit einem Substrat 101B mit einer planaren Eingangsoberfläche (oberen Oberfläche) 102B, einer Anordnung von voneinander beabstandeten Feldemitter-Vorsprüngen 104B, welche integral auf der gegenüberliegenden Ausgangsoberfläche 103B ausgebildet sind, und einer im Wesentlichen reinen Borschicht 110B, welche hermetisch auf der Ausgangsoberfläche 103B angeordnet ist. In dieser Ausführungsform sind die Feldemitter-Vorsprünge 104B als abgerundete Whisker geformt, mit ungefähr kreisförmigen Basisbereichen 105B und im Wesentlichen zylindrischen Zentralbereichen, die sich von der Ausgangsoberfläche 103B weg erstrecken, hin zu den abgerundeten Spitzen-Bereichen 106B. In einer alternativen Ausführungsform können die im Wesentlichen zylindrischen Zentralbereiche der Vorsprünge 104B geneigt sein, so dass sie abgerundete kegelförmige Strukturen bilden, vorzugsweise mit einem halben Öffnungswinkel von 0 Grad oder nahe 0 Grad. Es ist bekannt, dass abgerundete Whisker oder abgerundete Kegel mit einem halben Öffnungswinkel nahe 0 Grad eine größere Feldverstärkung als abgerundete Kegel oder Pyramiden mit einem halben Öffnungswinkel größer als 0 Grad liefern (siehe zum Beispiel T. Utsumi, „Vacuum microelectronics: What's new and exciting”, IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 38, No. 10, 1991, Seiten 2276–2283). Dem Fachmann bekannte Trockenätztechniken, etwa RIE, ECR und ICP können verwendet werden, um die Feldemitter-Vorsprünge 104B in der Form abgerundeter Whisker herzustellen.
  • 4A bis 4F zeigen erfindungsgemäße Photokathoden gemäß verschiedenen alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, in denen zusätzliche Schichten und Strukturen verwendet werden, um die nützlichen Eigenschaften der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Photokathodenstrukturen weiter zu verstärken. Die dargestellten beispielhaften Ausführungsformen sind nicht als erschöpfend gedacht, und Photokathoden, die Kombinationen der unten beschriebenen zusätzlichen Schichten und Strukturen beinhalten, sind ebenfalls möglich.
  • 4A zeigt in Querschnittsansicht eine Photokathode 100C mit einem Siliziumsubstrat 101C mit einer planaren Eingangsoberfläche 102C, einer Anordnung von Feldemitter-Vorsprüngen 104C, die auf einer gegenüberliegenden Ausgangsoberfläche 103C angeordnet sind, und einer Borschicht 110C, welche auf der Ausgangsoberfläche 103C über den Feldemitter-Vorsprüngen 104C angeordnet sind. Die Photokathode 100C unterscheidet sich von den zuvor beschriebenen Ausführungsformen darin, dass eine durchgehende Gate- oder Steuerelektrode 120C ungefähr auf Höhe der Spitzen-Bereiche 106C der Feldemitter-Vorsprünge 104C angeordnet und an der Ausgangsoberfläche 103 mittels dielektrischer Strukturen 121C befestigt ist. Die Gates 120C werden mit Steuerspannungen zwischen ungefähr 10 V und 100 V relativ zum Substrat betrieben, um eine schnelle und genaue Steuerung des Emissionsstroms von den Feldemitter-Vorsprüngen 104C während des Betriebs zu erzielen. Eine positive Extraktorspannung relativ zum Substrat 101C kann an die Gates 120C gelegt werden, um die Emission zu steigern, und negative Spannungen relativ zu dem Substrat können angelegt werden, um die Emission zu unterdrücken, falls erforderlich. Die Gate-Schicht aus Gates 120C und dielektrischen Strukturen 121C können mit Standard-CMOS-Herstellungstechniken hergestellt werden. In der dargestellten Ausführungsform sind die Gates 120C in einer Trioden-Konfiguration gebildet (d. h. alle Gates 120C sind in lediglich einer Gate-Schicht angeordnet). In anderen Ausführungsformen (nicht gezeigt) werden zwei oder mehr Gate-Schichten verwendet.
  • 4B zeigt eine Photokathode 100D mit einem Siliziumsubstrat 101D mit einer planaren Eingangsoberfläche 102D, einer Anordnung von Feldemitter-Vorsprüngen 104D, die auf einer gegenüberliegenden Ausgangsoberfläche 103D angeordnet sind, und einer (ersten) Borschicht 110-1D, welche auf der Ausgangsoberfläche 103D über den Feldemitter-Vorsprüngen 104D in der oben beschriebenen Weise angeordnet ist. Zusätzlich beinhaltet die Photokathode 100D eine zweite Borschicht 110-2D, die auf der nach oben gewandten (beleuchteten) Eingangsoberfläche 102D des Siliziumsubstrats 101D ausgebildet ist. Beide Borschichten 110-1D und 110-2D werden auf dem Substrat 101D unter Verwendung der oben mit Verweis auf die Bildung der Borschicht 110 (siehe 1) beschriebenen Techniken gebildet. Obwohl Bor bei UV-Wellenlängen absorbiert, wird durch die Ausbildung der zweiten Borschicht 110-2D mit einer Dicke T3 von ungefähr 5 nm oder weniger lediglich ein kleiner Teil der eintreffenden Photonen absorbiert. Ferner, da Bor in Silizium ein p-Typ-Fremdatom ist, neigt die Anwesenheit der zweiten Borschicht 110-2D dazu, Photoelektronen von der beleuchteten Oberfläche 102D wegzutreiben, was dazu dient, die Effizienz der Photokathode 100D zu verbessern, indem die Wahrscheinlichkeit reduziert wird, dass Elektronen an der beleuchteten Oberfläche 102D rekombinieren. Ein ähnliches Ergebnis kann erzielt werden, indem ein p-Typ-Fremdatom in einer sehr flachen Schicht an der Oberfläche 102D implantiert wird. Dementsprechend ist in einer alternativen Ausführungsform (nicht gezeigt) die beleuchtete Oberfläche 102D frei von Borrückständen, und Bor (oder ein anderes p-Typ-Fremdatom) wird in das Siliziumsubstrat 101D unter der beleuchteten Oberfläche 102D implantiert oder diffusiv eingebracht. Das bedeutet, obwohl die Borschicht 110-2D dazu dienen kann, die Bildung von Oxiden auf der beleuchteten Oberfläche 102D zu verhindern, braucht die Anwesenheit einer Oxidbeschichtung auf der beleuchteten Oberfläche 102D die Quanteneffizienz der Photokathode 100D nicht signifikant zu beeinträchtigen, und kann, bei geeigneter Wahl der Oxiddicke, die Reflektivität der beleuchteten Oberfläche 102D bei einer interessierenden Wellenlänge vorteilhaft reduzieren.
  • 4C zeigt eine Photokathode 100E mit einem Siliziumsubstrat 101E mit einer planaren (beleuchteten) Eingangsoberfläche 102E, einer Anordnung von Feldemitter-Vorsprüngen 104E, die auf einer gegenüberliegenden Ausgangsoberfläche 103E angeordnet sind, einer unteren (ersten) Borschicht 110-1E, die auf der Ausgangsoberfläche 103E über den Feldemitter-Vorsprüngen 104E angeordnet ist, und einer oberen (zweiten) Borschicht 110-2E, die auf der beleuchteten Oberfläche 102E angeordnet ist, alle in der oben beschriebenen Weise gebildet. Die Photokathode 100E unterscheidet sich von den zuvor diskutierten Ausführungsformen darin, dass sie ferner eine oder mehrere Schichten Antireflektionsbeschichtung 112E beinhaltet, die auf der oberen Borschicht 110-2E angeordnet sind. In beispielhaften spezifischen Ausführungsformen wird die Schicht Antireflektionsbeschichtung 112E unter Verwendung von Materialien gebildet, die für eine UV- und Tief-UV-Antireflektionsschicht nützlich sind, darunter (ohne aber darauf beschränkt zu sein) Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Magnesiumfluorid und Hafniumdioxid. Für Photokathoden, die eine hohe Quanteneffizienz bei UV-Wellenlängen benötigen, muss die Dichte von Defekten und gefangenen Ladungen bei und nahe der beleuchteten Oberfläche niedrig gehalten werden, da UV-Photonen nahe der beleuchteten Oberfläche absorbiert werden. Wie oben erwähnt, erzeugt jegliches dielektrische Material, das direkt auf die beleuchtete Oberfläche eines Siliziumsubstrats aufgebracht wird, Defekte und gefangene Ladungen an der Oberfläche und innerhalb des Dielektrikums und verringert die Quanteneffizienz der Photokathode insbesondere für Wellenlängen des tiefen UV, die nahe der Oberfläche absorbiert werden. Indem zunächst die obere Borschicht 110-2E als eine dünne Schicht (z. B. ungefähr 2 nm bis 5 nm) frei von Pinholes gebildet wird, bleibt die beleuchtete Oberfläche 102E im Wesentlichen frei von Defekten und gefangenen Ladungen, und die Photokathode 100D beinhaltet verstärkte hohe Quanteneffizienz, für die durch die Schicht Antireflektionsbeschichtung 112E gesorgt wird. Die obere Borschicht 110-2E kann auch, zumindest teilweise, das Siliziumsubstrat 101E gegen gefangene Ladungen in jeglichen zusätzlichen Schichten, die über der Schicht Antireflektionsbeschichtung 112E angeordnet sind, abschirmen.
  • 4D zeigt eine Photokathode 100F mit einem Siliziumsubstrat 101F mit einer planaren (beleuchteten) Eingangsoberfläche 102F, einer Anordnung von Feldemitter-Vorsprüngen 104F, die auf einer gegenüberliegenden Ausgangsoberfläche 103F angeordnet sind, einer unteren (ersten) Borschicht 110-1F, die auf der Ausgangsoberfläche 103F über den Feldemitter-Vorsprüngen 104F angeordnet ist, und einer oberen (zweiten) Borschicht 110-2F, die auf der beleuchteten Oberfläche 102F angeordnet ist, alle in der oben beschriebenen Weise gebildet. Die Photokathode 100F unterscheidet sich von den vorherigen Ausführungsformen darin, dass die Photokathode 100F leitende Strukturen 115-1F und 115-2F beinhaltet, die auf jeweils gegenüberliegenden Seiten des Substrats 101F angeordnet sind, und die, wenn sie mit einer geeigneten externen Spannungsquelle 130F verbunden werden, das Anlegen einer externen Potenzialdifferenz über das Siliziumsubstrat 101F ermöglichen, um die im Siliziumsubstrat 101F erzeugten Photoelektronen zu veranlassen, sich während des Betriebs der Photokathode 100F vorzugsweise zu der Ausgangsoberfläche 103F hin zu bewegen. In alternativen spezifischen Ausführungsformen umfassen die leitenden Strukturen 115-1F und 115-2F Metallränder, die um die Umfangskanten des Substrats 101F herum angeordnet sind, oder dünn verteilte Metallgitter, die jeweils auf der unteren Borschicht 110-1F und der oberen Borschicht 110-2F angeordnet sind, um eine gute elektrische Verbindung zu den gegenüberliegenden Oberflächen des Substrats 101F sicherzustellen. Weil das hochdotierte Silizium, das das Substrat 101F bildet, ein schwacher Leiter ist, dient die Erzeugung einer geeigneten Potenzialdifferenz (z. B. weniger als ungefähr 5 V) zwischen der beleuchteten Oberfläche 102F und der Ausgangsoberfläche 103F dazu, einen höheren Fluss an Photoelektronen durch die Ausgangsoberfläche 103F zu erzeugen.
  • 4E zeigt eine Photokathode 100G mit einem Siliziumsubstrat 101G mit einer planaren (beleuchteten) Eingangsoberfläche 102G, einer Anordnung von Feldemitter-Vorsprüngen 104G, die auf einer gegenüberliegenden Ausgangsoberfläche 103G angeordnet sind, einer unteren (ersten) Borschicht 110-1G, die auf der Ausgangsoberfläche 103G über den Feldemitter-Vorsprüngen 104G angeordnet ist, und einer oberen (zweiten) Borschicht 110-2G, die auf der beleuchteten Oberfläche 102G angeordnet ist, alle in der oben beschriebenen Weise gebildet. Die Photokathode 100G unterscheidet sich von den vorhergehenden Ausführungsformen darin, dass das Siliziumsubstrat 101G mit bekannten Techniken so behandelt wird, dass es einen p-dotierten Bereich 101G-P und einen n-dotierten Bereich 101G-N beinhaltet, die so ausgebildet sind, dass sich die beleuchtete Oberfläche 102G vollständig auf dem p-dotierten Bereich 101G-P befindet und sich die Ausgangsoberfläche 103G (einschließlich der Feldemitter-Vorsprünge 104G) vollständig auf dem n-dotierten Bereich 101G-N befindet. Man beachte, dass innerhalb des Substrats der p-dotierte Bereich 101G-P an den n-dotierten Bereich 101G-N stößt, so dass sich eine p-i-n-Photodiodenstruktur bildet, und so, dass der n-dotierte Bereich 101G-N die Feldemitter-Vorsprünge 104G während des Betriebs der Photodiode 100G als einen n-Typ-Silizium-Feldemitter wirken lässt. Zusätzlich werden leitende Strukturen 115-1G und 115-2G ähnlich den oben mit Bezug auf 4D beschriebenen verwendet, um eine gute elektrische Verbindung einer externen Spannungsquelle 130G über die gegenüberliegenden Oberflächen des Substrats 101G sicherzustellen. Mit dieser Anordnung arbeiten der n-Typ-Silizium-Feldemitter und die p-i-n-Photodiodenstruktur in einem Lawinenverstärkungszustand, wenn die Quelle 130G ein Hochspannungspotenzial (z. B. in der Größenordnung einiger weniger Zehn bis einiger Hundert Volt) zwischen der beleuchteten Oberfläche 102G und der Ausgangsoberfläche 103G anlegt. Diese Lawinenverstärkung erhöht die effektive Quanteneffizienz und verbessert daher die Arbeit der Photokathode 100G.
  • 4F zeigt eine Photokathode 100H mit einem Siliziumsubstrat 101H mit einer planaren (beleuchteten) Eingangsoberfläche 102H, einer Anordnung von Feldemitter-Vorsprüngen 104H, die auf einer gegenüberliegenden Ausgangsoberfläche 103H angeordnet sind, einer unteren (ersten) Borschicht 110-1H, die auf der Ausgangsoberfläche 103H über den Feldemitter-Vorsprüngen 104H angeordnet ist, und einer oberen (zweiten) Borschicht 110-2H, die auf der beleuchteten Oberfläche 102H angeordnet ist, alle in der oben beschriebenen Weise gebildet. Die Photokathode 100H unterscheidet sich von vorangehenden Ausführungsformen darin, dass p-Typ- und n-Typ-Fremdatome in das Substrat 101H diffusiv eingebracht werden, von der beleuchteten Oberfläche 102H aus oder von der Ausgangsoberfläche 103H aus oder von beiden aus, in einer Weise, die Bereiche 101H-1 und 101H-2 mit einer Gradientendotierung erzeugt, die relativ hohe Fremdatomkonzentrationen nahe der Siliziumoberfläche und relativ geringe Fremdatomkonzentrationen abseits der Oberfläche haben. Die Bereiche 101H-1 und 101H-2 mit Gradientendotierung sind derart ausgebildet, dass sie innerhalb des Siliziumsubstrats 101H erzeugte Photoelektronen zu den Spitzen 106H der Vorsprünge 104H lenken (tendenziell). In der dargestellten Ausführungsform wird der Bereich 101H-1 mit Gradientendotierung erzeugt, indem eine dünne Borsilicid-Schicht 127H zwischen der beleuchteten Oberfläche 102H und der oberen Borschicht 110-2H gebildet wird. Diese Anordnung lässt etwas von dem Bor aus der Borsilicid-Schicht 127H durch die beleuchtete Oberfläche 102H in das Siliziumsubstrat 101H diffundieren und so den Diffusions-Bereich 101H-1 mit p-Typ-Gradient bilden, der eine höhere Konzentration von p-Typ-Fremdatomen in Bereichen nahe der beleuchteten Oberfläche 102H hat, als in Bereichen, die im Substrat 101H weiter von der beleuchteten Oberfläche 102H entfernt angeordnet sind (wie durch die schattierte Fläche dargestellt), wodurch ein Potenzialgradient erzeugt wird, der dazu neigt, Elektronen von der beleuchteten Oberfläche 102H weg in das Substrat 101H zu treiben. In Ausführungsformen der Erfindung, die keine Borschicht auf der beleuchteten Oberfläche haben, wird ein p-Typ-Fremdatom, etwa Bor, von der beleuchteten Oberfläche aus in das Silizium implantiert oder diffusiv eingebracht, um den Diffusions-Bereich 101H-1 mit Gradient zu erzeugen. In ähnlicher Weise wird eine sehr dünne (eine oder einige wenige Monolagen) Borsilicid-Schicht 128H zwischen den Spitzen-Bereichen 106H der Feldemitter-Vorsprünge 104H und der unteren Borschicht 110H-1 gebildet, wobei etwas von dem Bor eine kurze Distanz in das Silizium diffundiert, um einen Diffusions-Bereich 101H-2 mit Gradient (angezeigt durch Schattierung) zu bilden. In einigen Ausführungsformen kann der Diffusions-Bereich 101H-2 mit Gradient andere p-Typ- oder n-Typ-Fremdatome umfassen, die in das Silizium implantiert wurden, um die Gradienten des elektrischen Feldes nahe den Spitzen-Bereichen 106H der Vorsprünge 104H zu modifizieren.
  • 5 ist ein beispielhaftes Energiediagramm, das die Feldemission von Elektronen für eine beispielhafte erfindungsgemäße Photokathode zeigt, die gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen gebildet ist. Die vertikale Richtung stellt Energie dar. Man beachte, dass diese Figur nicht maßstabsgetreu ist, verzerrt ist, und dass einige Aspekte übertrieben sind, um wesentliche Aspekte der Photokathode klarer darzustellen. Die gestrichelte Linie 402 stellt das Fermi-Niveau innerhalb der Photokathode dar. Die Linie 403 stellt die Obergrenze des Valenzbandes innerhalb des Halbleiters dar. Die Linie 404 stellt die Untergrenze des Leitungsbandes dar. Der Unterschied zwischen der Untergrenze des Leitungsbandes und der Obergrenze des Valenzbandes wird als Bandlücke bezeichnet. Für Silizium beträgt die Bandlücke ungefähr 1,1 eV, vermindert sich aber dort, wo die Fremdatom-Konzentration hoch ist. Die Strich-Punkt-Linie 405 stellt das Vakuumenergieniveau dar. Die kurzgestrichelte Linie 406 im Vakuumbereich stellt die Potenzialverteilung für den Feldemitter dar, wobei die Anode (nicht gezeigt) sich in einer großen Entfernung befindet, etwa eine Entfernung größer als einige Mikrometer. Die Position der Spitze eines Feldemitter-Vorsprungs ist mit 412 bezeichnet.
  • Die beleuchtete Oberfläche (nicht gezeigt) der Photokathode ist stark p-dotiert, entweder durch explizite Dotierung oder durch die Diffusion von Bor aus einer Oberflächenbeschichtung mit Bor (nicht gezeigt, da, falls vorhanden, nur wenige nm dick), oder durch eine Kombination der beiden Möglichkeiten. Aufgrund der starken p-Dotierung nahe der Oberfläche befindet sich das Fermi-Niveau gerade oberhalb der Obergrenze des Valenzbands. Beispielsweise kann bei hohen Niveaus der Dotierung mit Bor die Lücke zwischen dem Fermi-Niveau und der Oberkante des Valenzbandes nur ungefähr 0,05 eV betragen. Mit Abnahme der Fremdatom-Konzentration abseits der Oberfläche nimmt die Lücke zwischen dem Fermi-Niveau und der Obergrenze des Valenzbandes zu, was zu einem Herunterbiegen des Leitungsbandes und des Valenzbandes von der Oberfläche weg führt, wie durch Pfeil 420 angezeigt.
  • Wird durch Absorption eines Photons ein freies Elektron erzeugt, befindet sich dieses Elektron im Leitungsband. Das Elektron wird zunächst mit einer Energie erzeugt, die ungefähr gleich ist zu der Differenz zwischen der Photonenenergie und der Bandlücke.
  • In Silizium geht die Überschussenergie normalerweise schnell verloren, so dass das Elektron schnell eine Energie nahe der Untergrenze des Leitungsbandes erreicht. Da sich die Abwärtsneigung des Leitungsbandes nahe der beleuchteten Oberfläche befindet, bewegen sich jegliche nahe dieser Oberfläche erzeugten Elektronen schnell von dieser Oberfläche weg und es ist unwahrscheinlich, dass sie an irgendwelchen Defekten rekombinieren, die auf oder nahe der beleuchteten Siliziumoberfläche existieren. Da Photonen des tiefen UV mit hoher Wahrscheinlichkeit innerhalb weniger nm von der beleuchteten Siliziumoberfläche absorbiert werden, wird durch diese Dotierungsprofil nahe der Oberfläche eine hohe Quanteneffizienz der Photokathode bei Wellenlängen des tiefen UV ermöglicht.
  • Die Feldemission von Silizium-Feldemittern kann durch das bekannte Fowler-Nordheim-Tunneln beschrieben werden. Das lokale Feld an den Emitterspitzen wird um einen Feldverstärkungsfaktor gegenüber dem angelegten elektrischen Feld verstärkt. Mit Eindringen des äußeren elektrischen Feldes in den Halbleiter ändert sich die Trägerkonzentration im oberflächennahen Bereich, und sowohl das Leitungsband 404 als auch das Valenzband 403 verbiegen sich an der Emitteroberfläche, wie durch Bezeichnung 422 angezeigt.
  • Wenn das Leitungsband um eine Energie verbogen wird, die ausreicht, die Untergrenze des Leitungsbandes 404 unter das Fermi-Niveau 402 zu bringen, sammeln sich Elektronen in der Senke, wie bei 423 dargestellt. Das höchste gefüllte Niveau der Ansammlung stimmt mit dem Fermi-Niveau 402 überein, welches durch das Volumen des Halbleiters hindurch konstant bleibt. Das äußere Feld beschleunigt Elektronen, während sie sich auf die Photokathodenoberfläche 412 zu bewegen und ermöglicht es ihnen, die Oberfläche 412 mit ausreichend Energie zu erreichen, um eine hohe Wahrscheinlichkeit des Entweichens zu haben.
  • Für ein hohes angelegtes elektrostatisches Feld, etwa 107 V/cm, ist das Leitungsband des p-Typ-Feldemitters an der Oberfläche entartet, und es wird eine Raumladungszone zwischen dem p-Typ-Inneren und der n-Typ-Oberfläche erzeugt, in der das Fermi-Niveau 402 in der Mitte der Energielücke liegt. Dies führt zu einer minimalen Konzentration von Elektronen und Löchern in solch einer Zone, ähnlich dem Fall eines in Sperrrichtung beschalteten p-n-Übergangs.
  • In herkömmlichen Photokathoden auf Grundlage von Silizium liegt eine dünne Oxidschicht auf der Siliziumoberfläche vor. Dieses Oxid, wenn auch nur ungefähr 2 nm dick, stellt eine wesentliche Barriere für jegliche Elektronen dar, die zu entweichen versuchen. Die Bandlücke von Siliziumdioxid ist ungefähr 8 eV. Solch eine große Bandlücke führt zu einer lokalen Spitze im Leitungsband, die etliche eV höher ist als das Leitungsband innerhalb des Siliziums. Die Borschicht an der Photokathodenoberfläche hindert Sauerstoff oder Waser daran, die Siliziumoberfläche zu erreichen, und verhindert das Wachsen einer Oxidschicht, wodurch eine effiziente Photokathode ermöglicht wird.
  • 6(A) bis 6(C) sind vereinfachte Querschnittsansichten, die verschiedene Sensorstrukturen gemäß alternativen spezifischen Ausführungsformen zeigen, wobei jede der Sensorausführungsformen eine erfindungsgemäße Photokathodenstruktur gemäß mindestens einer der oben dargelegten Ausführungsformen beinhaltet, wodurch Sensoren bereitgestellt werden, die eine erhöhte Nachweisfähigkeit für schwaches Licht haben, die beispielsweise in Halbleiterinspektionssystemen verwendet werden kann. Auch wenn die in den 6(A) bis 6(C) gezeigten vereinfachten Sensorstrukturen mit Sensoren vom EBCCD-Typ konsistent sind, ist es klar, dass die dargestellten Sensorstrukturen ebenso auf andere Sensorstrukturen anwendbar sind (z. B. Bildverstärker- und Photomultiplier-Sensoren).
  • 6(A) zeigt im Querschnitt einen Sensor 200A gemäß einer ersten Sensorausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Sensor 200A beinhaltet allgemein die Silizium-Photokathode 100, die oben beschrieben ist, ein Detektionsgerät 210 (z. B. einen CCD- oder CMOS-Bildsensor) und ein Gehäuse 202A, welches funktional mit Photokathode 100 und Detektionsgerät 210 verbunden ist, so dass eine Detektionsoberfläche 212 des Detektionsgeräts 210 von der unteren Borschicht 110 der Photokathode 100 durch einen dazwischenliegenden Lückenbereich 206 getrennt ist. Die Photokathode 100 ist benachbart zu einer Empfangsoberfläche 203A des Sensors 200A angeordnet und so angebracht, dass eine beleuchtete Oberfläche 102 von dem Detektionsgerät 210 abgewandt ist, wodurch die Photokathode 100 so ausgerichtet wird, dass sie Strahlung (z. B. Photonen P) empfängt und Photoelektronen PE über den dazwischenliegenden Lückenbereich 206 hinweg zu dem Detektionsgerät 210 emittiert. Wie oben mit Bezug auf 1 ausgeführt, ist die Photokathode 1 dadurch gekennzeichnet, dass sie Emitter-Vorsprünge 104 hat, welche integral auf der Ausgangsoberfläche 103 (zweiten Oberfläche) eines (z. B. monokristallinen) Siliziumsubstrats 101 ausgebildet sind, und eine Borschicht 110 (erste Schicht), die auf der Ausgangsoberfläche 103 angeordnet ist. Ähnlich den meisten CCD- und CMOS-Bildsensorgeräten beinhaltet das Detektionsgerät 210 Nachweisstrukturen zur Detektion von Photoelektronen PE und Schaltkreise zur Erzeugung eines elektrischen Signals S (z. B. über einen oder mehrere Ausgabe-Pins 217) in Antwort auf die detektierten Photoelektronen.
  • Gemäß einem Aspekt der dargestellten Ausführungsform ist die Photokathode 100 mit einem nichtleitenden oder einen hohen Widerstand aufweisenden Glas- oder Keramikfenster 204A verbunden, oder anderweitig hermetisch dicht daran angebracht, das, zusammen mit Seitenwand und anderen Bereichen des Gehäuses 202A eine Umhüllung bildet, deren Inneres evakuiert ist (d. h. der Lückenbereich 206 ist im Wesentlichen durch ein Vakuum gefüllt). In einer spezifischen Ausführungsform ist die Verbindung zwischen Fenster 204A und Photokathode 100 durch eine Siliziumdioxidschicht gebildet, welche um die Kante der Photokathode 100 herum angeordnet ist. In einigen Ausführungsformen kann das Siliziumsubstrat 101 der Photokathode 100 zwischen einigen Zehn bis einigen Hundert Mikrometer dick sein. Solche Dicken sind stark genug, der Kraft des Atmosphärendrucks von außen standzuhalten, ohne ein Fenster über der Photokathode. Zur Verwendung bei der Bildung des Fensters 204A geeignete Materialien beinhalten Quarzglas, Quarz, Aluminiumoxid (Saphir), Magnesiumfluorid und Calciumfluorid.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der ersten Sensorausführungsform beinhaltet der Sensor 200 leitende Strukturen (z. B. ähnlich den Gitterstrukturen, die oben mit Bezug auf 4D und 4E beschrieben worden sind), welche funktional auf oder benachbart zu der Photokathode 100 und dem Detektionsgerät 210 angeordnet sind, derart, dass, wenn eine geeignete Spannungsversorgung 220 funktional mit dem Sensor 200A verbunden wird, ein elektrisches Feld zwischen der Photokathode 100 und dem Detektionsgerät 210 erzeugt wird, das dazu dient, Elektronen 112, die von der Photokathode in den Lückenbereich 206 emittiert wurden, zu dem Nachweisgerät 210 hin zu beschleunigen. In einigen Ausführungsformen, wie oben mit Verweis auf 4D und 4E erklärt, wird die Ausgangsoberfläche 103 der Photokathode 100 durch eine zweite Spannungsquelle (nicht gezeigt) auf einem positiven Potenzial bezüglich der Beleuchtungsoberfläche 102 gehalten. Elektronen werden von der Photokathode 100 emittiert, wenn Strahlung (Photonen) absorbiert wird, und in den Lückenbereich 206 emittierte Photoelektronen werden zum Detektionsgerät 210 hin beschleunigt, weil die Photokathode 100 durch Spannungsquelle 220 auf einem negativen Potenzial bezüglich des Detektionsgeräts 210 gehalten wird. In bevorzugten Ausführungsformen liegt die von Spannungsquelle 220 erzeugte Potenzialdifferenz in einem Bereich von ungefähr 100 V bis ungefähr 1500 V.
  • 6(B) zeigt einen Sensor 200B gemäß einer zweiten Sensorausführungsform, der eine Photokathode 100D, ein Detektionsgerät 210B (z. B. CCD- oder CMOS-Bildsensor), das auf einem (zweiten) Siliziumsubstrat 211C ausgebildet ist, und ein Gehäuse 202, das die Photokathode 100B bei einem festen Abstand von dem Detektionsgerät 210B hält, beinhaltet. Wie oben mit Verweis auf 4C beschrieben, ist die Photokathode 100D dadurch gekennzeichnet, dass sie eine zweite Borschicht (dritte Schicht) 110-2, die direkt auf der beleuchteten Oberfläche 102 (ersten Oberfläche) des Siliziumsubstrats 101 angeordnet ist, und eine Schicht 112 (vierte Schicht) eines Antireflektionsmaterials, die auf der zweiten Borschicht 110-2 angeordnet ist, beinhaltet. In dieser Ausführungsform beinhaltet das Gehäuse 202B kein Fenster, das über der Photokathode 100 angeordnet ist, so dass die Empfangsoberfläche 203B des Sensors 200B durch eine äußere (obere) Oberfläche der Schicht 112 (vierten Schicht) Antireflektionsmaterial gebildet ist. Der Sensor 200B hat damit den Vorteil, empfindlicher zu sein (d. h. in der Lage zu sein, geringere Lichtmengen zu detektieren) als Sensoren mit einem Fenster, da es keine Verluste aufgrund von Reflektion oder Absorption durch das Fenster gibt. Somit hat der Sensor 200B eine relativ hohe Empfindlichkeit von Wellenlängen des nahen Infrarot bis zu Röntgenwellenlängen.
  • 6(C) zeigt einen Sensor 200C gemäß einer dritten Sensorausführungsform, der eine Photokathode 100 und ein Detektionsgerät 210C auf Siliziumbasis (z. B. einen CCD- oder CMOS-Bildsensor, der auf einem (zweiten) Siliziumsubstrat 211C gebildet ist), das an einem Gehäuse 202C in einer Weise ähnlich der oben mit Verweis auf 6(A) beschriebenen befestigt ist, beinhaltet.
  • Gemäß einem Aspekt der dritten Sensorausführungsform beinhaltet das Gehäuse 202C einen oberen Fensterbereich 204C, der über der Photokathode 100 angeordnet ist, und eine Schicht 207C von Antireflektionsmaterial ist auf dem Fenster 204C ausgebildet, um den Photoneneinfang durch Sensor 200C zu verbessern. In einer alternativen Ausführungsform ist eine weitere Schicht (nicht gezeigt) aus Antireflektionsmaterial zwischen der Photokathode 100 und Fenster 204C angeordnet (d. h. die Photokathode 100 ist beispielsweise durch Verwendung der Photokathode 100E implementiert, welche oben mit Verweis auf 4C beschrieben ist).
  • Gemäß einem anderen Aspekt der dritten Sensorausführungsform ist eine (dritte) Borbeschichtungsschicht 214C direkt auf einer Detektionsoberfläche 212 (oberen Oberfläche) des Bildsensors 210C gebildet, unter Verwendung der oben in Bezug auf Photokathode 100 beschriebenen Techniken, um eine effiziente Absorption von Elektronen, die von Photokathode 100 ausgesendet wurden, durch den Bildsensor 210C zu ermöglichen. In bevorzugten Ausführungsformen beträgt ein Lückenabstand G zwischen Photokathode 100 und Bildsensor 210C zwischen ungefähr 100 μm und ungefähr 1 mm. Da die Borbeschichtungsschicht 214C die Effizienz des Bildsensors 210C für niederenergetische Elektronen verbessert, können eine kleinere Beschleunigungsspannung und eine kleinere Lücke verwendet werden, als in Geräten nach dem Stand der Technik üblich ist. Der Vorteil der kleineren Beschleunigungsspannung und der kleineren Lücke ist, dass die räumliche Auflösung des Sensors verbessert und die Antwortzeit verringert wird (d. h. die maximale Betriebsfrequenz wird erhöht). Die Thermalisierung der Photoelektronen innerhalb der Siliziumphotokathode verbessert ebenfalls die räumliche Auflösung des Bildsensors.
  • In anderen Ausführungsformen der Erfindung wird ein Inspektionssystem für Wafer, Retikel oder Photomasken bereitgestellt, das eine Beleuchtungsquelle (z. B. ein Lasersystem) zum Übertragen von Licht (Photonen) auf eine Probe/einen Wafer, einen Sensor (z. B. einen Photomultiplier, einen Bildverstärker oder ein EBCCD), der eine beliebige der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Photokathoden verwendet, um Photonen zu detektieren, die durch die Probe/den Wafer laufen oder von der Probe/dem Wafer reflektiert werden, und ein zugeordnetes optisches System, um das Licht/die Photonen von der Beleuchtungsquelle zu der Probe (Wafer, Retikel oder Photomaske) und von der Probe zu dem Sensor zu führen, beinhaltet. Beispiele dieser Ausführungsformen werden in den 6 bis 10 gezeigt.
  • 7 zeigt Schlüsselkomponenten eines Inspektionssystems 300A mit Dunkelfeld- und Hellfeld-Inspektionsmodi. Die von dem System 300A verwendete Optik umfasst eine Objektivlinse 128 mit hoher numerischer Apertur und großem Gesichtsfeld, Tubuslinse 139 zum Einstellen oder Anpassen der Vergrößerung und einen Detektor 200, der eine Photokathode beinhaltet, die gemäß einer beliebigen der oben beschriebenen Ausführungsformen aufgebaut ist. Bei Betrieb im Dunkelfeld-Modus beinhaltet der Detektor 200 die erfindungsgemäße Photokathode in einer EBCCD- oder Bildverstärkeranordnung, ähnlich einer in einer der 6(A) bis 6(C) gezeigten. Weitere Details zu anderen Aspekten dieses Inspektionssystems finden sich im US-Patent 7,345,825 , welches hierin durch Verweis zur Gänze aufgenommen wird.
  • 8(A) bis 8(D) zeigen Aspekte von Dunkelfeld-Inspektionssystemen, welche die erfindungsgemäße Photokathode gemäß anderen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beinhalten. In 8(A) beleuchtet Inspektionssystem 300B-1 Linie 18 mit Licht 14, welches durch Optik 11, welche Linse oder Spiegel 12 umfasst, auf die Oberfläche 20 des inspizierten Wafers oder der inspizierten Photomaske (Probe) geführt wird. Sammeloptik 21 richtet gestreutes Licht von dieser Linie auf Sensor 200 unter Verwendung von Linsen und/oder Spiegeln wie etwa 22a und 22b. Die optische Achse 28 der Sammeloptik liegt nicht in der Beleuchtungsebene der Linie 18. In manchen Ausführungsformen ist die Achse 28 ungefähr senkrecht zu der Linie 18. Sensor 200 ist ein Array-Sensor, etwa ein linearer Array-Sensor, der die erfindungsgemäße Photokathode beinhaltet, beispielsweise gemäß einer beliebigen der in einer der 6(A), 6(B) und 6(C) gezeigten Ausführungsformen. Die 8(B), 8(C) und 8(D) zeigen alternative Anordnungen mehrerer Dunkelfeld-Sammelsysteme (300B-2, 300B-3 und 300B-4), welche Detektoren 200 mit der erfindungsgemäßen Photokathode in Kombination mit Linienbeleuchtung wie der in 8(A) gezeigten beinhalten. Mehr Details dieser Inspektionssysteme sind im US-Patent 7,525,649 zu finden, welches hierin durch Verweis zur Gänze aufgenommen wird. US-Patent 6,608,676 , welches ebenfalls hierin durch Verweis zur Gänze aufgenommen wird, beschreibt ebenfalls Linienbeleuchtungssysteme, die für die Inspektion unstrukturierter oder strukturierter Wafer geeignet sind.
  • 9 zeigt ein Inspektionssystem 300C für unstrukturierte Wafer, welches die erfindungsgemäße Photokathode gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet. Licht von Laser 1014 wird mittels Polarisatoroptik 1016, Strahlformungsoptik 1020 und Umlenkspiegeln wie etwa 1022 und 1024 auf Wafer 1012 gerichtet. Von dem Wafer gestreutes Licht wird von Spiegeln und Linsen wie etwa 1038 und 1032 erfasst und zu Detektoren 200-1 und 200-2 geleitet, welche eine Photokathode beinhalten, die gemäß einer beliebigen der oben beschriebenen Ausführungsformen aufgebaut ist. In einigen Ausführungsformen umfassen die Detektoren 200-1 und 200-2 Photomuliplier-Röhren, die die erfindungsgemäße Photokathode beinhalten. Mehr Details zu Inspektionssystemen für unstrukturierte Wafer sind im US-Patent 6,271,916 zu finden, welches hierin durch Verweis zur Gänze aufgenommen wird.
  • 10 zeigt ein Wafer-Inspektionssystem 300D mit Flutbeleuchtung gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein Bereich eines Wafers (einer Probe) wird durch eine Lichtquelle außerhalb der optischen Achse beleuchtet. Von dem Wafer gestreutes Licht wird durch das Sammelobjektiv gesammelt, durchläuft eine oder mehrere Blenden, Strahlteiler und Polarisatoren und wird dann auf einen oder mehrere Bildsensoren 200-1 und 200-2 gerichtet, welche eine Photokathode beinhalten, die gemäß einer beliebigen der oben beschriebenen Ausführungsformen aufgebaut ist. In einigen Ausführungsformen umfassen Bildsensoren 200-1 und 200-2 ein EBCCD oder einen Bildverstärker, der die erfindungsgemäße Photokathode beinhaltet. Mehr Details dieses Inspektionssystems sind in der anhängigen US-Patentanmeldung 13/544,954 (veröffentlicht als 2013/0016346) mit dem Titel „Wafer Inspection” von Romanovsky et al. zu finden, welche hierin durch Verweis zur Gänze aufgenommen wird. In diesen Ausführungsformen eines Inspektionssystems bewegt sich der Wafer vorzugsweise beständig während der Inspektion. Der Bildsensor, der in dieser Ausführungsform der Erfindung verwendet wird, kann vorteilhaft jede Technik beinhalten, die beschrieben ist in der anhängigen US-Patentanmeldung 13/710,315 (veröffentlicht als 2013/0148112) mit dem Titel „Electron-Bombarded Charge-Coupled Device And Inspection Systems Using EBCCD Detectors” und in der anhängigen US-Patentanmeldung 14/096,911 (veröffentlicht als 2014/0158864) mit dem Titel „Method and apparatus for high-speed acquisition of moving images using pulsed illumination”, die beide hierin durch Verweis zur Gänze aufgenommen werden.
  • 11 zeigt ein Waferinspektionssystem 300E gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Inspektionssystem 300E beinhaltet ein Beleuchtungssubsystem 110E, das schiefwinkelige Beleuchtung und im Wesentlichen senkrechte Beleuchtung durch das gezeigte optische System bereitstellt, welches das gestreute Licht sammelt und dieses Licht durch verschiedene Blenden und polarisierende Strahlteiler auf mehrere Sensoren 200-1 bis 200-5 richtet, welche die erfindungsgemäße Photokathode gemäß einer beliebigen der oben beschriebenen Ausführungsformen beinhalten. Weitere Details zu Waferinspektionssystem 300E und anderen Aspekten von Waferinspektionssystemen, welche vorteilhaft Detektoren nutzen können, die die hierin offenbarten Photokathoden beinhalten, finden sich in US-Patentanmeldung 13/822,281 mit dem Titel „Wafer Inspection”, eingereicht am 7. Dezember 2011 durch Zhao et al., welche hierin durch Verweis aufgenommen wird.
  • Bildverstärker und Elektronenbeschuss-CCDs nach dem Stand der Technik müssen einen Kompromiss eingehen zwischen Empfindlichkeit und spektraler Bandbreite. Bestenfalls ist eine gute Empfindlichkeit nur für einen engen Wellenlängenbereich möglich. Diese Erfindung, indem sie die Verwendung von Silizium als Photokathode möglich macht, ermöglicht hohe Empfindlichkeit über einen breiteren Wellenlängenbereich. Ferner können, aufgrund der hohen Effizienz und der hohen Stromemission der erfindungsgemäßen Photokathode, Bildverstärker, Photomultiplier und Elektronenbeschuss-CCDs in manchen Ausführungsformen mit niedrigeren Beschleunigungsspannungen arbeiten, was wiederum die Gerätelebensdauer verbessert und die maximale Betriebsfrequenz und/oder die räumliche Auflösung erhöht.
  • Silizium-Photokathoden nach dem Stand der Technik haben eine Oxidschicht auf jeder Oberfläche, was das Entweichen von Photoelektronen behindert und zu niedriger Effizienz führt. Durch Bildung einer Borschicht auf der Ausgangsoberfläche des Siliziums können Elektronen einfacher entweichen, was zu höherer Effizienz führt. Die Feldemitter-Anordnung auf der Oberfläche steigert die Effizienz weiter.
  • Ein Bildsensor, der die erfindungsgemäße Photokathode mit einem mit Bor beschichteten CCD- oder CMOS-Bildsensor kombiniert, weist höhere Quanteneffizienz in der Photokathode kombiniert mit der erhöhten Empfindlichkeit des mit Bor beschichteten CCD auf.
  • Dunkelfeld-Inspektionssysteme, die Detektoren mit der erfindungsgemäßen Photokathode beinhalten, weisen eine Kombination aus hoher Effizienz, sehr niedrigem Rauschniveau und hoher Geschwindigkeit des Betriebs auf, welche mit gewöhnlichen Bild- und Lichtsensoren nicht erreichbar ist.
  • Auch wenn die vorliegende Erfindung im Hinblick auf bestimmte spezifische Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist dem Fachmann klar, dass die erfindungsgemäßen Merkmale der vorliegenden Erfindung auch auf andere Ausführungsformen anwendbar sind, welche alle innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung liegen sollen.

Claims (27)

  1. Photokathode umfassend: ein Siliziumsubstrat mit gegenüberliegenden ersten und zweiten Oberflächen und mit einer Vielzahl integraler Feldemitter-Vorsprünge, wobei jeder Feldemitter-Vorsprung einen festen Bereich hat, der integral mit dem Siliziumsubstrat verbunden ist, und sich von der zweiten Oberfläche zu einem Spitzen-Bereich erstreckt, und eine im Wesentlichen reine Borschicht, welche hermetisch zumindest auf dem Spitzen-Bereich jedes Feldemitter-Vorsprungs angeordnet ist.
  2. Photokathode nach Anspruch 1, wobei das Siliziumsubstrat ferner Fremdatome umfasst, derart, dass während des Betriebs der Photokathode jeder der Feldemitter-Vorsprünge als ein Feldemitter in Sperrrichtungsbetrieb wirkt.
  3. Photokathode nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl der Feldemitter-Vorsprünge in einem zweidimensionalen periodischen Muster auf der zweiten Oberfläche angeordnet ist.
  4. Photokathode nach Anspruch 1, wobei die im Wesentlichen reine Borschicht eine Dicke im Bereich von ungefähr 1 nm bis 5 nm hat.
  5. Photokathode nach Anspruch 1, wobei jeder Feldemitter-Vorsprung eine pyramidenförmige Struktur umfasst.
  6. Photokathode nach Anspruch 1, wobei jeder Feldemitter-Vorsprung eine abgerundete kegelförmige Struktur oder eine abgerundete whiskerförmige Struktur umfasst.
  7. Photokathode nach Anspruch 1, ferner zumindest eine Gate-Struktur umfassend, welche über der Ausgangsoberfläche angeordnet und benachbart zu und beabstandet von dem Spitzen-Bereich zumindest eines der Vielzahl der Feldemitter-Vorsprünge positioniert ist.
  8. Photokathode nach Anspruch 1, ferner eine zweite im Wesentlichen reine Borschicht umfassend, welche unmittelbar auf der ersten Oberfläche des Siliziumsubstrats angeordnet ist.
  9. Photokathode nach Anspruch 8, ferner eine Antireflektionsschicht umfassend, welche auf der zweiten im Wesentlichen reinen Borschicht angeordnet ist.
  10. Photokathode nach Anspruch 1, ferner leitende Strukturen umfassend, welche dazu ausgebildet sind, eine externe Potenzialdifferenz über das Siliziumsubstrat anzulegen.
  11. Photokathode nach Anspruch 4, wobei die erste Oberfläche vollständig auf einem p-dotierten Bereich des Siliziumsubstrats befindlich ist, und die zweite Oberfläche und die Vielzahl an Feldemitter-Vorsprüngen vollständig auf einem n-dotierten Bereich des Siliziumsubstrats befindlich sind, und wobei der p-dotierte Bereich und der n-dotierte Bereich dazu ausgebildet sind, eine p-i-n-Photodiode zu bilden, die in einem Lawinen-Vervielfachungs-Zustand arbeitet, wenn eine externe Potenzialdifferenz von mindestens 100 Volt über das Siliziumsubstrat angelegt wird.
  12. Photokathode nach Anspruch 1, wobei das Siliziumsubstrat eine p-Typ-Gradientendiffusionsregion beinhaltet, welche sich von der ersten Oberfläche auf die zweite Oberfläche hin erstreckt, derart, dass die p-Typ-Gradientendiffusionsregion eine höhere Konzentration an p-Typ-Fremdatomen in nahe der ersten Oberfläche befindlichen Bereichen des Siliziumsubstrats hat als in Bereichen des Siliziumsubstrats, welche entfernt von der ersten Oberfläche befindlich sind.
  13. Sensor zur Erzeugung eines elektrischen Signals in Antwort auf Photonen, die auf eine Empfangsoberfläche des Sensors gerichtet sind, wobei der Sensor umfasst: eine Photokathode, welche zu der Empfangsoberfläche benachbart angeordnet und dazu ausgebildet ist, in Antwort auf die Photonen, die durch die Empfangsoberfläche und in die Photokathode laufen, Photoelektronen zu emittieren, wobei die Photokathode beinhaltet: ein Siliziumsubstrat mit gegenüberliegenden ersten und zweiten Oberflächen und mit einer Vielzahl integraler Feldemitter-Vorsprünge, wobei jeder Feldemitter-Vorsprung einen festen Bereich hat, der integral mit dem Siliziumsubstrat verbunden ist, und sich von der zweiten Oberfläche zu einem Spitzen-Bereich erstreckt, und eine im Wesentlichen reine Borschicht, welche hermetisch zumindest auf dem Spitzen-Bereich jedes Feldemitter-Vorsprungs angeordnet ist; ein Detektionsgerät mit einer Detektionsoberfläche, welche der zweiten Oberfläche der Photokathode zugewandt ist, wobei das Detektionsgerät dazu ausgebildet ist, die von der Photokathode emittierten Photoelektronen zu detektieren und das elektrische Signal in Antwort auf die detektierten Photoelektronen zu erzeugen; und ein Gehäuse, das funktional mit der Photokathode und dem Detektionsgerät verbunden ist, derart, dass die Detektionsoberfläche des Detektionsgeräts von der zweiten Schicht 110 der Photokathode durch einen dazwischenliegenden Lückenbereich getrennt ist.
  14. Sensor nach Anspruch 13, wobei das Siliziumsubstrat ferner implantierte Fremdatome beinhaltet, derart, dass während des Betriebs der Photokathode jeder Feldemitter-Vorsprung als ein Feldemitter in Sperrrichtungsbetrieb wirkt.
  15. Sensor nach Anspruch 14, wobei die Vielzahl der Feldemitter-Vorsprünge in einem zweidimensionalen periodischen Muster auf der zweiten Oberfläche angeordnet ist.
  16. Sensor nach Anspruch 13, wobei die im Wesentlichen reine Borschicht eine Dicke im Bereich von ungefähr 1 nm bis 5 nm hat.
  17. Sensor nach Anspruch 13, wobei der Sensor eines der folgenden Elemente umfasst: Bildverstärker, Elektronen-Beschuss-Charge-Coupled-Device (EBCCD), Photomultiplier.
  18. Sensor nach Anspruch 13, wobei jeder Feldemitter-Vorsprung eine abgerundete kegelförmige Struktur oder eine abgerundete whiskerförmige Struktur umfasst.
  19. Sensor nach Anspruch 13, wobei jeder Feldemitter-Vorsprung eine pyramidenförmige Struktur umfasst.
  20. Sensor nach Anspruch 13, ferner zumindest eine Gate-Schicht umfassend, welche ungefähr auf der gleichen Höhe wie die Feldemitter-Spitzen angeordnet ist.
  21. Sensor nach Anspruch 13, ferner eine zweite im Wesentlichen reine Borschicht umfassend, welche unmittelbar auf der ersten Oberfläche des Siliziumsubstrats angeordnet ist.
  22. Sensor nach Anspruch 21, ferner eine Antireflektionsschicht umfassend, welche unmittelbar auf der zweiten im Wesentlichen reinen Borschicht angeordnet ist.
  23. Sensor nach Anspruch 22, wobei die Empfangsoberfläche des Sensors eine äußere Oberfläche des Antireflektionsmaterials umfasst.
  24. Sensor nach Anspruch 13, wobei die Empfangsoberfläche eine Schicht Antireflektionsmaterial umfasst, welche auf einer ersten Oberfläche eines Fensters angeordnet ist, und das Siliziumsubstrat auf einer gegenüberliegenden zweiten Oberfläche des Fensters angeordnet ist.
  25. Sensor nach Anspruch 13, wobei das Detektionsgerät ein zweites Siliziumsubstrat umfasst und eine Borschicht beinhaltet, welche unmittelbar auf der Detektionsoberfläche des zweiten Siliziumsubstrats angeordnet ist.
  26. Inspektionssystem umfassend: eine Beleuchtungsquelle, dazu ausgebildet, gerichtete Photonen zu transmittieren; einen Sensor, dazu ausgebildet, umgelenkte Photonen zu detektieren, und ein optisches System, dazu ausgebildet, die gerichteten Photonen von der Beleuchtungsquelle zu einer Probe zu leiten und umgelenkte Photonen von der Probe zu dem Sensor zu leiten, wobei der Sensor umfasst: eine Photokathode, dazu ausgebildet, in Antwort auf die umgelenkten Photonen Photoelektronen zu emittieren, wobei die Photokathode beinhaltet: ein Siliziumsubstrat mit gegenüberliegenden ersten und zweiten Oberflächen und mit einer Vielzahl integraler Feldemitter-Vorsprünge, wobei jeder Feldemitter-Vorsprung einen festen Bereich hat, der integral mit dem Siliziumsubstrat verbunden ist, und sich von der zweiten Oberfläche zu einem Spitzen-Bereich erstreckt, und eine im Wesentlichen reine Borschicht, welche hermetisch zumindest auf dem Spitzen-Bereich jedes Feldemitter-Vorsprungs angeordnet ist; und ein Detektionsgerät mit einer Detektionsoberfläche, welche durch eine Lücke von der zweiten Oberfläche der Photokathode getrennt ist, wobei das Detektionsgerät dazu ausgebildet ist, die von der Photokathode emittierten Photoelektronen zu detektieren und ein elektrisches Signal in Antwort auf die detektierten Photoelektronen zu erzeugen.
  27. Inspektionssystem nach Anspruch 26, wobei der Sensor eines der folgenden Elemente umfasst: Bildverstärker, Elektronen-Beschuss-Charge-Coupled-Device (EBCCD), Photomultiplier.
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