JP2015507321A - 電子衝撃電荷結合素子（ｅｂｃｃｄ）、およびｅｂｃｃｄ検出器を用いた検出システム - Google Patents

電子衝撃電荷結合素子（ｅｂｃｃｄ）、およびｅｂｃｃｄ検出器を用いた検出システム Download PDF

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Abstract

集束ＥＢＣＣＤは、光電陰極とＣＣＤの間に位置する制御デバイスを含む。この制御デバイスは内部に複数の穴を有し、これらの複数の穴は、光電陰極の表面に対して垂直に形成され、これらの複数の穴のパターンは、ＣＣＤにおけるピクセルのパターンと整列される。各穴は、制御デバイスの光電陰極に面する表面に形成された少なくとも１つの第１電極に囲まれる。制御デバイスは、穴と穴の間に複数の畝を含んでよい。制御デバイスは、ＣＣＤピクセルの短い方の寸法の約半分以下だけ光電陰極から分離されてよい。複数の第１電極を設けてよく、この場合、各第１電極は所与の穴を囲み、ギャップによりその穴から分離される。

Description

関連出願
本願は、２０１１年１２月１２日に出願された米国特許仮出願第６１／５６９，６１１号（名称「Ｅｌｅｃｔｒｏｎ−Ｂｏｍｂａｒｄｅｄ ＣＣＤ Ａｎｄ Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｕｓｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ−Ｂｏｍｂａｒｄｅｄ ＣＣＤ Ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ」）に対する優先権を主張するものであり、この米国特許仮出願は、参照により本明細書に組み込まれる。
開示の背景
本開示は、きわめて低レベルの光を、高い空間分解能、高い量子効率、非常に良好な信号対雑音比、および高いダイナミックレンジで検出することのできる感光性アレイ検出器に関する。
電子衝撃電荷結合素子（ＥＢＣＣＤ）検出器は、当技術分野において公知である。図１Ａは、従来型ＥＢＣＣＤ１０１の図である。ＥＢＣＣＤ１０１は密封管１０５を含み、この密封管は、真空環境において感光性光電陰極１０４とＣＣＤ１０２を格納する。一般に、光電陰極１０４とＣＣＤ１０２の間のギャップは約１ｍｍか２ｍｍである。密封管１０５は、光電陰極１０４に隣接して位置するウィンドウを有するので、入射光１１０の存在下では、光電陰極１０４が入射光１１０からの光子を吸収でき、次いで１つまたは数個の電子１１２を放出することができる。
典型的な構成では、光電陰極１０４は、ＣＣＤ１０２に対して約−２０００Ｖ〜−１０，０００Ｖの負の電位に保たれる。このような電位差があるため、電子１１２はＣＣＤ１０２に向かって加速する。電子がＣＣＤ１０２に衝突すると、この電子は通常、ＣＣＤ１０２の半導体材料内に複数の電子正孔対を生成する。電子はＣＣＤ１０２に捕捉され、その後、ＣＣＤ１０２が検出器から読み出されるときに電流または電圧に変換される。
イメージ増強検出器も、当技術分野において公知である。イメージ増強管はＥＢＣＣＤと同様であるが、ＣＣＤの代わりに蛍光スクリーンと出力ウィンドウが存在する点が異なる。蛍光スクリーンからの光の捕捉は、ＣＣＤやＣＭＯＳイメージングデバイス等の外部のイメージ検出器で行うことができる。
光電子倍増管も、当技術分野において公知である。光電子倍増管は、非常に高い利得を有することができ、場合によっては、単一の捕捉光子を検出することもできる。しかし、個々の光電子倍増管は空間分解能を持たない。光電子倍増管アレイを製作することは可能であるが、大型で高価となり、空間分解能はミクロン単位でなくミリメートル単位の程度である。
マイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）検出器も、当技術分野において公知である。ＭＣＰは、単独でも使用できるが、カスケード状に配置して利得を増加させることもできる。図１Ｂは、カスケード状に配置された２つのＭＣＰ１４０、１４２を含む従来型ＭＣＰアセンブリ１２１の断面図である。典型的なＭＣＰは高抵抗性材料で作られ、厚さは１〜２ｍｍであり得る。ＭＣＰは、約６〜２０μｍの間隔を空けて並んだ直径約４〜１０μｍの小さな穴の配列を格納する。通常、二次電子の放出（以下に詳述）を確実に最大化する目的で、ＭＣＰ表面に対する垂線に対して、これらの穴を意図的に数度傾斜させる。図１Ｂが示す通り、ＭＣＰ１４０、１４２のそれぞれの穴が反対方向に傾斜して、カスケード状のＭＣＰの積み重ねを通過するイオンの直線経路を遮断するか、少なくとも最小化している。ＭＣＰ１４０の底面１４６は、その上面１４５に対して正の電位（例えば数百ボルト〜１または２ｋＶ）に保つことができる。ＭＣＰ１４２の電位は、ＭＣＰ１４０より正の電位に維持することができる。一般に、カスケード状に配置された複数のＭＣＰを使用する場合、入力から出力に進むにつれて、連続したＭＣＰの各々は、直前の電位よりも正の電位に維持される。
作動時は、電子１３１がいずれかの穴の壁部に衝突すると、二次電子が様々な方向に放出される。ＭＣＰの上面と底面の間に電位差があるので、これらの二次電子は下面に向かって加速する。二次電子の一部は、穴の壁部に衝突して、さらに二次電子を生成する。単一のＭＣＰ内で、このプロセスが複数回発生し得る。実際、単一の入射電子または入射光子から、様々な方向に移動する数百個、あるいは数千個もの二次電子が生成され得る。カスケード状に配置されたＭＣＰ１４０、１４２の場合、単一の入射電子または入射光子から、１００，０００個〜１，０００，０００個の二次電子１３２が生成され得る。ＭＣＰは、イメージ増強管または光電陰極付きＥＢＣＣＤ（入射光子エネルギーが十分であれば光電陰極無し）の中で使用できる。
不都合なことに、上記の検出器は空間分解能が低いため、半導体検査応用における用途が著しく限定されている。例えば、従来型ＥＢＣＣＤ検出器では、電子は、ＣＣＤに向かって加速しながら水平方向に広がる。半導体検査で使われるＵＶ光反応性の応用では、入射光子は約３．５ｅＶ以上のエネルギーを有する。光電陰極の仕事関数はわずか１ｅＶか２ｅＶであり得るため、１ｅＶまたは数ｅＶのエネルギーで電子が発生する。特に注目すべきことは、１ｅＶもの低エネルギーが約６×１０５ｍｓ−１の電子速度に対応することである。
電子は本質的にランダムな方向に放出されるので、大部分の電子は、相当な水平方向速度成分をもって放出される。１０６Ｖｍ−１の加速場勾配（１ｍｍのギャップの横断に１ｋＶ）下では、電子が光電陰極からＣＣＤまでの上記１ｍｍのギャップを渡るのに約１００ｐｓを要する。この１００ｐｓの間、典型的な電子１個は、その水平方向速度成分のため約５０μｍ横方向に動く。初期電子エネルギーに応じて水平速度がゼロ〜最大値に分布するので、約５０μｍ〜１００μｍの長さ尺度の画像ぶれが発生し得る。入射光の波長が短いほど初期光子エネルギーが大きくなり、この画像ぶれが増加する。
したがって、半導体産業がより短波長の検査へと移行すると、この画像ぶれがいっそう悪化することになる。３５５ｎｍの入射放射線でも、検出器において２０μｍの空間分解能を達成することはできない。２６６ｎｍの入射放射線では、画像ぶれは著しく悪化する。光電陰極とＣＣＤの間のギャップを狭くすれば、アーク放電または電気絶縁破壊のリスクが高まり、よってデバイスの信頼性が低下することになる。電圧差を増加させた場合も信頼性が低下し、加えて後述の機構の摩耗が加速する。
光電陰極とＣＣＤの間のギャップを小さくすれば、画像ぶれは減少する。しかし、薄化ＣＣＤは、応力に起因する何十ミクロンもの反りを有する。ギャップをＣＣＤの反りより大幅に広くしなければ、様々な場所の様々なギャップに起因して生じる電場変動により、様々な場所で画像の歪みが生じることになる。
既存のＥＢＣＣＤ検出器に存在する別の制約は、真空中の残留ガスに存在する原子と電子が衝突したとき、あるいは電子がＣＣＤの表面または容積から原子を除去したときに、イオンが発生することである。電位差があるため、このイオンは加速して光電陰極に戻り、光電陰極と衝突する。これにより材料が消耗し、さらに電子が排出される。このように光電陰極が消耗する結果、寿命が短くなり、光電陰極の効率が低下する。
特に、光電陰極が薄くなるほど、光子が吸収されずに通過する確率が高くなる。しかし、非常に高い確率で電子が吸収されずに材料から脱出するように、光電陰極はすでに薄型に製造されている。そうでなければ量子効率が低下することになる。したがって、光電陰極の消耗は材料不良を招き得る。さらに、消耗時に発生する余分な電子により、信号レベルは上昇するが、信号対雑音比は低下する（すなわち、イオン生成は有意の数の電子を生成する偶発的事象であり、それにより非ガウス型雑音統計をもたらす）。
従来型ＥＢＣＣＤは、ＣＣＤに衝突する高エネルギー電子によりＣＣＤが損傷を受けることから、寿命も制限される。
ＣＣＤの非平坦性により、ＣＣＤの様々な領域で様々な電場勾配が発生し得る。このような電場勾配に差が生じる結果、光電陰極からＣＣＤに伝達されるイメージに小さな歪みが生じ、かつ／またはＥＢＣＣＤ検出器の利得に局所的変動が生じることがある。
光電陰極とＣＣＤの間の電圧差が大きいため、光電陰極面に少しでも衝突があれば、非常に大きな電場勾配が生じることになり、電界放射により自然に電子が発生し得る。このような電子が発生すれば、光がまったく存在しない場合でも、信号出力を伴う「ホットスポット」としてＥＢＣＣＤに現れる。
イメージ増強管は、概してＥＢＣＣＤよりイメージ分解能が低い。その理由は、リン光体からイメージ検出器への光の伝達で、さらなるぶれが加わるからである。より高い加速電圧を使用して横方向分解能が少し改善しても、この追加的ぶれで相殺されるのが通例である。イメージ増強管は、イメージ検出器を高エネルギー電子と高電圧アーク放電から保護できるが、リン光体のスパッタリンクが原因で、光電陰極の消耗と過剰雑音発生を解消するに至っていない。
光電子倍増管アレイは、横方向分解能が極度に制限され（分解能がｍｍ規模）、数百個や数千個もの検出器を含むアレイとして製作するには法外な費用を要する。
ＭＣＰは、二次電子が発生するために横方向分解能が低い。上記のように、二次電子は多ｅＶ数のエネルギーで生成されるので、水平方向速度成分は６×１０５ｍｓ−１の何倍もの大きさとなり得る。実際、二次電子がＣＣＤまたはリン光体に向けて横断する際の水平方向の広がりは、単一ＭＣＰでも１００μｍ以上になり得る（カスケード状の複数のＭＣＰではさらに大きくなる）。したがって、ＥＢＣＣＤまたはＭＣＰ無しイメージ増強管と比べて、二次電子の水平方向の広がりが一段と悪化する。その上、ＭＣＰは非常に高い利得を有する能力があるが、この利得は非常に雑音が大きい。個々の入射光子または電子から、様々な数の二次電子が生成され得る。
こうしたことから、量子効率を維持または改良すると同時に、改善された空間分解能、寿命、および信号対雑音比を有するＥＢＣＣＤが必要とされている。
電子衝撃電荷結合素子（ＥＢＣＣＤ）は、ウィンドウを有するアセンブリと、アセンブリの内側にあり、かつウィンドウに隣接する光電陰極と、アセンブリの内側にあり、かつ光電陰極から発せられた電子を収集するように位置付けられたＣＣＤデバイスと、を含む。ＥＢＣＣＤはさらに、光電陰極とＣＣＤの間に位置付けられた制御デバイスを含む。この制御デバイスは内部に複数の穴を有し、これらの複数の穴は、光電陰極の表面に対して垂直に形成され、これらの複数の穴のパターンは、ＣＣＤにおけるピクセルのパターンと整列される。各穴は、制御デバイスの光電陰極に面する表面に形成された少なくとも１つの第１電極に囲まれる。
光電陰極は、ウィンドウ上に施されたコーティングであってよい。ＣＣＤは、背面薄化ＣＣＤまたは時間遅延積分ＣＣＤを含んでよい。ウィンドウの外面は、反射防止コーティングを含んでよい。制御デバイスは、シリコン構造物または金属製構造物を含んでよい。
一実施形態では、制御デバイスは、穴と穴の間に複数の畝を含んでよい。制御デバイスは、ＣＣＤピクセルの短い方の寸法の約半分以下だけ光電陰極から分離されてよい。一実施形態では、複数の第１電極を設けてよく、この場合、各第１電極は所与の穴を囲み、ギャップによりその穴から分離される。別の一実施形態では、複数の環状電極と１つの表面電極が設けられ、この場合、環状電極の各々は、所与の穴から第１ギャップにより分離され、かつ表面電極から第２ギャップにより分離される。さらに別の一実施形態では、少なくとも１つの第２電極が制御デバイスの穴を囲み、この第２電極は、制御デバイスのＣＣＤに面する表面に位置付けられる。
ＥＢＣＣＤの操作方法も提供される。この方法は、ＥＢＣＣＤの光電陰極を、ＥＢＣＣＤのＣＣＤに対して負の電圧に保つことを含む。電子は、光電陰極からＣＣＤのピクセルに向かって進行しながら集束される。さらに、この集束を提供する制御デバイスの穴は、ＣＣＤのピクセルと整列される。
この方法は、制御デバイスの穴の内面を、光電陰極に対して正の電圧に保つことをさらに含む。一実施形態では、少なくとも１つの穴を囲む第１電極を、穴の内面とは異なる電圧に保つ。第１電極は、制御デバイスの光電陰極に面する表面に位置付けられる。特に、第１電極は、穴の内面に対して負の電圧に保たれる。別の一実施形態では、第２電極は、第１電極とは異なる電位に保たれる。第２電極は、制御デバイスの少なくとも１つの穴を囲み、ＣＣＤに面するように位置付けられる。さらに別の一実施形態では、光電陰極に最も近い制御デバイス表面のいくつかの領域が、光電陰極の電位と同様の電位、または光電陰極に対してわずかに負の電位に保たれる。
制御デバイスを有する集束ＥＢＣＣＤを含む暗視野検査システムが提供される。このシステムは、光を検査対象サンプルに方向付けるための光学系と、サンプルからの散乱光を収集し、収集した光を方向付けるための光学系と、収集した光を受け取るための本明細書に記載の集束ＥＢＣＣＤと、を含む。一実施形態では、このＣＣＤは時間遅延積分ＣＣＤである。この時間遅延積分ＣＣＤは、並行して読み出すことのできる多重読み出しレジスタを含んでよい。
半導体ウエハの検査方法も提供される。この方法は、ウエハの領域に光を当てることと、ウエハからの散乱光を収集することと、収集した光を集束ＥＢＣＣＤ検出器へと方向付けることと、を含む。一実施形態では、ＣＣＤは時間遅延積分を行う。この時間遅延積分は、多重レジスタを並行して読み出すことができる。
従来型ＥＢＣＣＤの図である。 カスケード状に配置された２つのＭＣＰを含む従来型ＭＣＰアセンブリの断面図である。 制御デバイスを含む代表的な集束ＥＢＣＣＤの図である。 代表的制御デバイスにおける４つの穴の上面図である。 別の制御デバイスの上面図である。ここでは、個々の電極が統合されて、制御デバイス上面の大部分を覆う単一の表面電極を形成している。 さらに別の制御デバイスの上面図である。この制御デバイスは、表面電極と各穴の間に設けられた内部電極を含む。 線分検出器ＥＢＣＣＤでの使用に適した代表的な制御デバイスの上面図である。 線分検出器ＥＢＣＣＤでの使用に適した別の代表的な制御デバイスの上面図である。 あるＥＢＣＣＤの３つの穴と、それぞれの代表的な等電位を示す断面図である。 図４Ｄ（１）と図４Ｄ（２）は、それぞれ、別の代表的制御デバイスの上面図と断面図である。 図４Ｃおよび４Ｄの代表的ＥＢＣＣＤの、光電陰極から様々な方向に進行する電子に対して算出された電子軌跡を示す図である。 別のＥＢＣＣＤの３つの穴と、それぞれの代表的な等電位を示す断面図である。 図４Ｆの代表的ＥＢＣＣＤの、光電陰極から様々な方向に進行する電子に対して算出された電子軌跡を示す図である。 反射屈折イメージングシステムに垂直入射レーザー暗視野照明を追加した図である。 別の表面検査装置の図である。この検査装置は、表面領域を検査するための照明システムと収集システムを含む。 別の表面検査装置の図である。この検査装置は、表面領域を検査するための照明システムと収集システムを含む。 暗視野パターン無しウエハ検査システムの光学系の図である。 法線、傾斜両方の照明ビームを用いて異常検出を実装するように構成された暗視野検査システムの図である。 複数のＥＢＣＣＤ検出器を含む別の暗視野ウエハ検査システムの図である。 パルス照明光源を用いて連続移動物体を検査または測定するように構成された、代表的な検査／測定システムの図である。
図面の詳細な説明
集束ＥＢＣＣＤにより、量子効率を維持または改良すると同時に、空間分解能、寿命、および信号対雑音比が改善された。図２は、集束ＥＢＣＣＤ２０１の図である。ＥＢＣＣＤ２０１は密封管２０５を含み、この密封管は、真空環境において感光性光電陰極２０４とＣＣＤ２０２を格納する。密封管２０５の上面はウィンドウ２０７を含む。ウィンドウ２０７は、対象の波長において透明である。ＵＶ感応性ＥＢＣＣＤ検出器の場合、このウィンドウは、好ましくは、極めて純度の高いグレードの石英、溶融シリカ、またはアルミナ（サファイア）を含む。いくつかの好適な実施形態では、ウィンドウの外面はＵＶ反射防止コーティングで被覆される。このコーティングは、低指数物質（例えばフッ化マグネシウム（ＭｇＦ２））で作られた単層でもよく、あるいは多層コーティングでもよい。
光電陰極２０４は、ウィンドウ２０７に直接隣接して配置される。あるいは、ウィンドウ２０７のコーティングとして実装してもよい。光電陰極の材料は、光電子倍増管、イメージ増強管、またはＣＣＤ検出器用として当技術分野で公知の任意の光電陰極材料と実質的に同様であってよい。好適な実施形態では、光電陰極２０４は、１つ以上のアルカリ金属（例えばセシウム）を含んでよく、あるいは、半導体（例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ））を含んでよい。光電陰極２０４は、ＣＣＤ２０２に対して負の電圧２０３に保たれる。いくつかの実施形態では、負の電圧２０３は約１０００Ｖであってよい。他の実施形態では、負の電圧２０３は数百ボルトまたは数十ボルトであってよい。
ＣＣＤ２０２は、密封管２０５の底面近くに配置され、その背面に最初に電子が衝突する向きにされた薄化ＣＣＤ（すなわち背面薄化ＣＣＤ）である。背面薄化ＣＣＤは通常、例えば厚さ約５００μｍのシリコン基板の上面にトランジスタその他のデバイスを形成することにより形成される。ドーピングを用いて、ｐ型、ｎ型両方のデバイスを作製することができる。このようなデバイスは、厚さの異なる種々な材料で形成されるので、ＣＣＤに到達する電子の一部は、厚みのあるシリコンの他、これらのデバイスによっても遮断または吸収されることがある。したがって、電子が背面に衝突したときに可能な限り多くの電子を確実に検出できるようにするため、シリコンのかなりの部分が除去される。標準的な実施形態では、結果として得られるシリコンの厚さは２５μｍ程度である。
不都合なことに、シリコンが露出していると、そこに天然酸化物が形成される。この天然酸化物は、電子がシリコンに進入するのを阻害することもある。したがって、一実施形態では、ＣＣＤを用いた検出の強化を促進する目的で、コーティングしなければ天然酸化物が堆積するシリコン露出部にホウ素コーティングを施すことができる。この保護コーティングについては、２０１２年６月１２日に出願された米国特許仮出願第６１／６５８，７５８号に詳述されている（この文献は、参照により本明細書に組み込まれる）。いくつかの実施形態では、ＣＣＤ２０２は時間遅延積分（ＴＤＩ）ＣＣＤである。いくつかの好適な実施形態では、ＣＣＤ２０２は接地電位近くに保たれる。
集束を提供し、ゆえに性能を改善するため、ＥＢＣＣＤ２０１はさらに、制御デバイス２１０を含む。制御デバイス２１０は１つ以上の制御信号２１２（例えば制御電圧）で制御される。一実施形態では、制御デバイス２１０は光電陰極２０４とＣＣＤ２０２の間に配置される。別の一実施形態では、制御デバイス２１０はＣＣＤ２０２に取り付けられる。
制御デバイス２１０は、光電陰極２０４からＣＣＤ２０２に向けて進行する電子を有利に集束させて、電子の水平方向の広がりを最小化することができる。いくつかの実施形態では、制御デバイス２１０は、大きな水平速度成分を有する一部の電子を、集束でなく遮断することができる。この集束を提供するため、制御デバイス２１０は、貫通穴（すなわち開口）の配列を有する。一実施形態では、これらの穴のパターンはＣＣＤ２０２のピクセルのパターンと整列される。例えば、ＣＣＤ２０２が２０μｍ×２０μｍの正方形ピクセルを含む場合、制御デバイス２１０は、２０μｍ×２０μｍのグリッド上に直径約１０μｍの穴の配列を含んでよい。いくつかの実施形態では、制御デバイス２１０の厚さは約２５μｍ〜２００μｍであってよい。穴の配列とＣＣＤ２０２のピクセルの配列の整列を可能にするため、制御デバイス２１０は、整列機能をさらに含んでよい。同様に、制御デバイス２１０との整列を容易にするため、ＣＣＤ２０２の片面または両面に整列マークを組み込んでもよい。
いくつかの実施形態では、制御デバイス２１０は金属板または金属箔を含んでよい。他の好適な実施形態では、制御デバイス２１０は、シリコン結晶またはシリコンウエハを含んでよい。制御デバイス２１０内の穴の製作は、レーザードリル加工（例えば金属製材料の場合）またはフォトリソグラフィとエッチング（例えば半導体材料の場合）により行ってよい。半導体技術を用いて制御デバイス２１０を製作する実施形態では、穴以外の要素を、制御デバイスの中および表面に形成することもできる。例えば、電極、ドーピング領域、電圧制御デバイス、および検出デバイスを、制御装置２１０の表面または中に形成してよい。
上記の通り、マイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）は二次電子を発生させ、この二次電子はデバイスの利得を増加させるが、デバイスの空間分解能を低下させる。対照的に、制御デバイス２１０は、電子の大部分をＣＣＤ２０２のピクセルに向けて集束させ、同時に、相当な水平速度成分を有する電子は遮断するか向きをそらす。いくつかの好適な実施形態では、光電陰極２０４と制御デバイス２１０上面の間の電位差が小さいので（例えば数ボルトまたは数十ボルト）、制御デバイス２１０の制御電極に実際に電子が衝突しても、二次電子はまったく発生しないか、ごく少数しか発生しない。
光２３０がＥＢＣＣＤ２０１に入射すると、１つ以上の電子２２０が光電陰極２０４から発せられる。これらの電子は実質的に全方向に放出され、光電陰極２０４と制御デバイス２１０間の電位差により、制御デバイス２１０に向かって加速する。制御デバイス２１０の穴により、電子は制御デバイス２１０内で実質的に平行にされる。したがって、制御デバイス２１０から現れた電子は、ＣＣＤ２０２に対して実質的に垂直に進行する。これにより、所与の穴を通って進行する大部分の電子が、対応する（および整列された）ＣＣＤ２０２のピクセルに確実に到着し、これにより画像ぶれが実質的に低減される。
図３Ａは、代表的な制御デバイスにおける４つの穴３１０の上面図である。上記の通り、好ましくは、これらの穴は、ＣＣＤのピクセルのグリッドと一致するグリッド上に配置される。ただし、検出器が面検出器でなく線分検出器の場合、１列のみの穴を配置してよい。好適な実施形態では、穴の直径はＣＣＤピクセルのサイズの約半分である。非限定的な例として、ＣＣＤのピクセルが２０μｍ×２０μｍである場合、いくつかの実施形態では、個々の穴の直径は約１０μｍであり得る。いくつかの実施形態では、制御デバイスの厚さは、穴の直径の約２．５〜２０倍の大きさである。例えば、ＣＣＤピクセルのサイズが約２０μｍ×２０μｍである場合、穴の直径は約１０μｍ、制御デバイスの厚さは約２５μｍ〜約２００μｍであり得る。穴の直径より穴の長さの方がはるかに長いので、穴を通過する電子は、比較的狭い角度範囲で進行することになる。
個々の穴３１０の周りを電極３１２が囲む。好適な実施形態では、穴３１０の内面は導電性であり、制御電圧に接続される。いくつかの実施形態では、（図２の電子２２０を表す矢印が示すように）穴３１０に向けて電子を引き付けるために、この電圧は光電陰極に対して正の電圧である。電子を穴３１０に向けるため、電極３１２は、穴３１０の内面とは異なる電圧にある。いくつかの実施形態では、電極３１２は、穴３１０の内面に対して負の電圧にある。いくつかの実施形態では、個々の穴３１０の周りに２つ以上の電極が設けられる。いくつかの実施形態では、制御デバイスの底面側の各穴の周りにも電極が設けられる。
図３Ｂは、制御デバイスの別の実施形態の図である。ここでは、個々の電極（例えば、図３Ａに示す電極３１２）が統合されて、制御デバイス上面の大部分を覆う単一の電極３２２を形成している。いくつかの実施形態では、表面電極３２２と個々の穴３１０の間に小さなギャップ３２４が存在してよい。ギャップ３２４を形成するには、外側と内側で異なる電位を有する弱導電性要素を提供する不純物半導体（標準のドーパントを用いたｎ型またはｐ型のドーピング）を用いてよい。留意すべきことは、ギャップ３２４は絶縁体として形成されないことである。絶縁体として形成すると、電子を捕捉する傾向を有し、最終的に負に帯電するため、電子を穴３１０に引き付けるのでなく、電子を反発させることになる。
図３Ｃは、制御デバイスのさらに別の実施形態の図である。この実施形態では、表面電極３２２と個々の穴３１０の間に内側電極３３２が設けられる。内側電極３３２と表面電極３２２は小さなギャップ３３０で分離される。一実施形態では、内側電極３３２と穴３１０を小さなギャップ３２４で分離してよい。好適な実施形態では、ギャップ３２４（および本明細書で論じる他のギャップ）ならびに制御デバイス表面の他の実質的に非導電性の領域を軽くドーピングするか、弱導電材料でコーティングすることにより、これらの表面にぶつかる電子またはイオンから表面が帯電するのを回避する。
図４Ａは、線分検出器ＥＢＣＣＤでの使用に適した代表的な制御デバイスの上面図である。面検出器で使用する実質的に円形の穴の二次元配列の代わりに、実質的に長方形の穴４１０（またはスリット）の一次元配列を用いてよい。穴４１０の周りは、単一の表面電極４１２または複数の電極（図示せず）で囲まれる。個々の穴４１０と電極（単一または複数の電極）の間に小さなギャップ４１４を設けてよい。上述の通り、ギャップ４１４の材料を軽くドーピングして弱導電性にしてよく、これにより帯電が防止される。線分検出器のいくつかの実施形態では、穴４１０の幅は、ＣＣＤのピクセル幅の約半分である。これにより、線状配列に沿う方向の画像ぶれが最小化される。いくつかの実施形態では、穴４１０の縦の長さは、ＣＣＤのピクセルの縦の長さの約７５％〜９０％であり、これにより（線状配列の軸に対して垂直のぶれは重要性が低いので）電子の伝達が最大化される。
図４Ｂは、線分検出器ＥＢＣＣＤでの使用に適した別の代表的な制御デバイスの図である。この実施形態では、追加の電極４２０を個々の穴４１０の両側に配置するか、または穴の周りを囲む（図示せず）。
理解すべきことは、上記の例は単なる実例として示すものであり、本発明の範囲を限定すると解釈すべきでないことである。多くの様々な電極構成、ギャップ構成、および穴構成が可能であることが認識されるであろう。例えば、一実施形態では、２を超える数の電極が個々の穴を囲み、あるいは個々の穴に隣接する。このように、電極、ギャップ、および穴の様々な構成が本発明の範囲内にある。
図４Ｃは、ＥＢＣＣＤの代表的実施形態の穴３個部分の断面図である。この実施形態では、光電陰極４０４は約−６０Ｖの電位に保たれ、ＣＣＤ４０２は約０Ｖの電位に保たれる。また、線分検出器の実施形態であると仮定すると、ＣＣＤ４０２のピクセル幅が約１８μｍであるのに対し、ピクセルの縦の長さ（図４Ｃの平面に対して垂直の長さ）は、１８μｍより大きい（例えば約１００μｍ以上である）。制御デバイス４０３は穴４１０（例えばスリット）の配列を含み、これらの穴はＣＣＤ４０２のピクセルと整列される。個々の穴４１０の幅は約９μｍ（すなわち、ＣＣＤ４０２のピクセル幅の半分）である。この実施形態では、制御デバイス４０３の上端と光電陰極４０４の間のギャップは約１０μｍである。制御デバイスの厚さは約３０μｍである。この構成では、個々の穴４１０の上端の電位は実質的に−６０Ｖである。特に注目すべきことは、穴４１０が光電陰極４０４の表面に対して垂直に形成されることである。これにより、穴４１０の側壁に衝突する電子の数が最少化され、その結果、二次電子の発生が最少化される。
制御デバイス４０３の一部分の詳細を、図４Ｄ（１）（上面図）と図４Ｄ（２）の断面図に示す。図４Ｄ（１）と４Ｄ（２）に示す通り、制御デバイス本体４８４において、第１電極４１２と第２電極４４６が内の個々の穴４１０を囲んでいる。穴４１０の幅と比べて、第１電極４１２および第２電極４４６の幅ははるかに狭い（例えば、少なくとも１：７程度）。第１電極と第２電極の間には、比較的大きなギャップ４４４が存在する。例えば、ピクセルサイズが約１８μｍの場合、ギャップの大きさは約４μｍである。一実施形態では、ギャップ４４４は、微小導電性材料に露出してよい。例えば、領域４８２（全表面を図示）に示される通り、本体４８４の１つ以上の表面にドーピングまたは注入が施されてよい。あるいは、領域４８２は、本体４８４の表面に施された薄い抵抗性コーティングを含んでもよい。いくつかの実施形態では、電極４１２と４４６の間の本体４８４の表面のみ、ドーピング、注入、またはコーティングを施してよい。いくつかの実施形態では、電極４１２、４４６の一部または全部の下に微小導電性表面が広がるように（図４Ｄ（２）に図示）、先に本体４８４の表面にドーピング、注入、またはコーティングを施してから、電極４１２、４４６を付着させてよい。なお、本明細書に示す他の実施形態でも、電極の同様の実装を用いてよい。
電極４１２、４４６は、導電性トレース（図示せず）により外部電圧に接続される。この導電性トレースは上面の真下にあってよい。代表的な一実施形態では、電極４１２、４４６は、光電陰極に対してわずかに負の電圧に保たれる。例えば、光電陰極が約−６０Ｖの電位にあるとき、約−６５Ｖに維持される。ギャップ４４４が導電性材料に露出しているので、第１電極と第２電極の間には、ほぼ線形の電圧勾配が存在する。代替の実施形態では、電極４１２と４４６の間で、電位の異なる追加の電極を使用してよい。これにより、所望の電圧勾配への段階的近似が実現可能になる。一実施形態では、制御デバイス４０３の底面に第３電極４８１を形成してよく、この電極は−５Ｖの電位を有してよい。
前の図４Ｃを参照すると、制御デバイス４０３の底面４３０は、導電性材料で形成された表面電極を含んでよく、ＣＣＤ４０２に対して数ボルトだけ負の電圧に保持してよい。例えば、底面４３０を約−５Ｖの電圧に保持してよい。一実施形態では、底面４３０とＣＣＤ４０２の間のギャップは約２０μｍである。制御デバイス４０３の底面４３０とＣＣＤ４０２の間の電位差が小さいことの利点の１つは、ＣＣＤ４０２の非平坦性が電子軌跡に与える影響がごく軽微であり、あるピクセルに対応する光電陰極４０４の領域から放出される電子のうち、ＣＣＤ４０２の隣接ピクセルに到達する電子にはほとんど影響しないことである。一実施形態では、穴４１０の内面は、導電性材料（例えば不純物半導体、半金属材料等）を含む。上面と底面の間に電位差があるため、上面と底面の間の穴４１０の壁に沿って、ほぼ線形の電位勾配が生成される。
図４Ｃの線４３２は、上記の幾何学的配置と電圧に対してラプラスの方程式を解くことにより算出された、−５９Ｖの等電位を表す。線４３４は、−４Ｖの等電位を表す。その他の等電位線（ラベル表示せず）は、−５９Ｖ〜−４Ｖの電圧の５Ｖ間隔に対応する。
図４Ｅは、図４Ｃおよび４Ｄの代表的ＥＢＣＣＤの、光電陰極４０４から様々な方向に進行する電子に対して算出された電子軌跡を示す図である。各電子が約１ｅＶのエネルギーで光電陰極から離れると仮定して、線４５１は、光電陰極４０４の１ピクセルの中心近くを離れる電子がたどる近似的な軌跡を示す。大部分の軌跡（例えば軌跡４５１）は、対応するＣＣＤピクセルと整列した穴を用いてＣＣＤ４０２に到達する。少数の軌跡（例えば軌跡４５２）は隣の穴の方にそれるが、図示の通り、壁に当たる可能性が最も高い。少数（ラベル表示せず）は上面に到達する。少数（ラベル表示せず）は向きを変えて光電陰極４０２に戻る。図４Ｅに示す軌跡でＣＣＤ４０２の隣接ピクセルに到達する軌跡はほとんどないことから、制御デバイス４０３のない従来型ＥＢＣＣＤと比べて、この改良型ＥＢＣＣＤの分解能は（密な分布で示される通り）著しく優れている。その上、制御デバイス４０３または光電陰極４０４で停止する軌跡の数は、軌跡総数に対してごく少数であるため、このＥＢＣＣＤは高効率である。
図４Ｆは、別の代表的な制御デバイス４６０の断面図である。この実施形態では、制御デバイス４６０の上面の個々の穴４１０の間に畝４６２がある。この形状の違いを除き、このＥＢＣＣＤの寸法は、図４Ｃおよび４Ｄに関して記載されている寸法と同様であってよい。畝４６２の上端は、光電陰極４０４から約５μｍに位置してよい。このように距離が短いので、光電陰極に対する畝上端の電位差はわずか数ボルトでよく、例えば約−３Ｖでよい。畝４６２の利点の１つは、横向きに進行する電子を反射させる上で、正確な電圧がさほど重要でなくなることである。具体的には、制御デバイス４６０の上面が物理的に光電陰極４０４の近くに位置するので、上面の電圧が少し変化しても、電場勾配は、電子を反射するのに十分強力であることができる。この代表的な実施形態では、光電陰極４０４は約−６０Ｖの電圧に保たれる。制御デバイス４６０の上面には、各畝の中心の約−６３Ｖから、各穴４１０の端部近くの−６０Ｖへの電圧勾配が存在する。制御デバイス４６０の底面の電圧は約０Ｖであり、ＣＣＤ４０２は０Ｖの電圧にある。算出された等電位線４６４は約−５９Ｖの等電位を表し、等電位線４６６は約−４Ｖを表す。その他の中間の等電位線は、約５Ｖきざみを表す。好適な一実施形態では、畝４６２の上端を妥当に一定の曲率半径で丸みを付けて、強力な電場勾配を最小化する。
図４Ｇは、図４Ｆの代表的実施形態に対して算出された電子軌跡の一部を示す図である。線４７１は、光電陰極４０４から約１ｅＶのエネルギーで様々な方向に発せられた電子に対して算出された軌跡を示す。この軌跡を図４Ｅの軌跡と比べると、図４Ｆの制御デバイス構成の方がＣＣＤ４０２に到達する電子の分布がコンパクトであり、ゆえに分解能の向上を示していることが分かる。
上記の実施形態では、光電陰極の電圧がＣＣＤに対して約６０Ｖ負電圧であるが、制御デバイスの集束効果は制御デバイスと光電陰極間の電位差に大きく依存することが理解されるであろう。いくつかの実施形態では、光電陰極は約５００Ｖ、あるいは約１０００Ｖといった大きな負の電圧にされ、光電陰極と制御デバイスの間の電圧差は数ボルト以内、または数十ボルト以内に維持されてよい。この場合、制御デバイスの底部とＣＣＤの間に大きな電位差が存在し、これにより電子が高エネルギーへと加速してからＣＣＤに衝突する。制御デバイスの底部とＣＣＤの間に数百ボルト以上の電圧差が存在する場合、通常は、制御デバイスとＣＣＤの間を数百ミクロン離すことが望ましい。数百ミクロン離すことにより、ＣＣＤの非平坦性がＥＢＣＣＤの性能に及ぼす影響を低減することもできる。電子は、制御デバイスを離れるときに十分に平行にされるので、電子がより広範な角度で進行する従来型ＥＢＣＣＤの歪みと比べて、ＣＣＤの非平坦性から電場に生じる小さな歪みはさほど重要ではない。
上記で示した通り、様々な制御デバイス形状と電圧分布により、ＥＢＣＣＤの操作性能を確実に改善することが可能である。したがって、制御デバイスを含む改良型ＥＢＣＣＤは、上記の制御デバイス形状と電圧分布に限定されるのでなく、他の制御デバイス形状と電圧分布も含み得る。図４Ａ〜４Ｇは線形ＥＢＣＣＤ検出器の代表的実施形態を示しているが、これらの代表的構成を、二次元ＥＢＣＣＤ配列の検出器に応用することができる。
留意すべきことは、金属製制御デバイスでなく、シリコンＭＥＭＳデバイスを用いて制御デバイスを実装した方が、いくつかの利点を得られることである。具体的には、どちらの実施形態も、穴の配列を通過する電子を平行にさせることにより、従来のＥＢＣＣＤ検出器と比べて空間分解能を実質的に改善できるが、金属製制御デバイスは、水平方向速度成分が比較的大きく、これらの電子を吸収することがある。これにより、シリコンＭＥＭＳ制御デバイスを含むＥＢＣＣＤと比べて効率が低下する。シリコンＭＥＭＳ制御デバイスの場合、その電極構造と、各電極での適切な電圧の使用により、大部分の電子を穴に向けることができ、よって一段と多くの電子をＣＣＤに搬送することができる。
いくつかの実施形態では、制御デバイスを制御する１つ以上の制御電圧を調整して、ＥＢＣＣＤの利得を変化させることができる。原理上は、光電陰極の電圧を調整することでＥＢＣＣＤの利得を変えることが可能であるが、光電陰極の静電容量が大きいため、光電陰極の電圧を迅速に変化させるには、大電流が必要になると考えられる。制御デバイスの穴および／または１つ以上の電極の電圧を変えることにより、ＣＣＤに到達する電子の一部を減少させて、ＥＢＣＣＤの実効利得を低下させることが可能である。いくつかの実施形態では、この利得低下は、光電陰極の電圧を変える場合より低い駆動電流で実施できる。いくつかの実施形態では、標準の半導体製造手法を用いて、ＭＥＭＳデバイス上にトランジスタ、ダイオード、抵抗器等の能動回路を製作する。これらの能動回路により、電極電圧の局所制御が可能になり、このような電圧をより迅速に変更できるようになる。いくつかの実施形態では、ＥＢＣＣＤの様々な領域が様々な利得を有するように、上記の能動回路を用いて制御デバイスの様々なセクションの利得を変更する。いくつかの実施形態では、個々のピクセルまたはピクセル群の利得またはブランキングを制御することができる。
いくつかの実施形態では、制御デバイス下面とＣＣＤの間の電位差は小さい（例えば２０Ｖ以下）か、または実質的にゼロであってよい。制御デバイスの底部とＣＣＤの間に弱電場が存在するか電場がまったく存在しなければ、ＣＣＤの非平坦性が原因で、画像が著しく歪んだり、利得が局所的に著しく変動したりすることがなくなる。
いくつかの実施形態では、カスケード状に配置された２つの制御デバイスを用いてよい。この場合、第１制御デバイスの電位は、光電陰極の電位から１０ボルト以内または数十ボルト以内の範囲にあり、下流の第２制御デバイスは、ＣＣＤに近い電位（例えばＣＣＤに対して−２０Ｖ）にある。第１および第２制御デバイスの間に大きな電位差が存在してよい（例えば数十ボルト、数百ボルト、あるいは約１０００Ｖも可）。この構成では、光電陰極から発せられた電子を第１制御デバイスが集束して、平行にするのに対し、第２制御デバイスは、平行にされた電子を加速する。
いくつかの実施形態では、制御デバイスとＣＣＤの間の整列を、ＣＣＤピクセルサイズの少なくとも約２０％の精度で実施することが所望され得る。ＥＢＣＣＤの組み立て時に制御デバイスとＣＣＤの両方をシリコン上に製作する実施形態では、波長約１．２μｍ超の赤外線を使用して、２つのシリコンデバイス上の整列マークを検出することができる（この赤外線であればシリコンを貫通できるため）。ＣＣＤの底面（実際には、背面薄化工程前のＣＣＤ製造中はウエハの上面）上の整列マークまたは回路特徴物と、シリコンＭＥＭＳ制御デバイス上のマークを一致させることができ、これにより双方を確実に所望の精度に整列させることができる。
上記の制御デバイスは、電子を有利に平行にすることができるので、画像ぶれが減少する。画像ぶれが減ることから、いくつかの実施形態では、光電陰極に必要とされる負電圧の度合いが減少する。その上、制御デバイスは、ＣＣＤから光電陰極に戻って来るイオンの大部分を遮断することもできるので、光電陰極の摩耗率が低下する。さらに、イオンが実際に光電陰極に到達しても、そのエネルギーは比較的低く、材料の消耗が比較的少ないので、検出器の耐用寿命が長期化する。さらに、制御デバイスから放出される電子は（制御デバイスがない場合と比べて）低エネルギーでＣＣＤに衝突するので、ＣＣＤに与える損傷が少なくなる。その上、このような電子であれば、ＣＣＤからの物質のスパッタリングが減少するので、結果として生じるイオンが減り、検出器の寿命がさらに長期化する。
以下に詳述する通り、ウエハ、レチクル、およびフォトマスクの検査システムに、制御デバイスを有するＥＢＣＣＤを有利に含めることができる。散乱光レベルは表面粗さおよび表面上の粒子または欠陥のサイズに依存するので、制御デバイスを有するＥＢＣＣＤの利得制御を有利に使用して、様々な散乱光レベルを補正することができる。
図５は、反射屈折イメージングシステム５００に垂直入射レーザー暗視野照明を追加した図である。この暗視野照明は、ＵＶレーザー５０１と、照射ビームサイズおよび検査面プロファイルを制御するための適応光学系５０２と、機械収容部５０４内の開口およびウィンドウ５０３と、光軸に沿って法線入射するレーザーの方向をサンプル５０８の表面に向け直すためのプリズム５０５と、を含む。また、プリズム５０５は、サンプル５０８の表面形状からの鏡面反射と、対物レンズ５０６の光学的表面からの光路に沿った反射を、イメージ平面（または検出器）アレイ５０９の方向に向ける。対物レンズ５０６用のレンズは、反射屈折対物レンズ、集束レンズ群、およびズームチューブレンズの一般的形態で提供してよい。好適な一実施形態では、暗視野散乱信号が弱信号であり得ることから、制御デバイスを有する上記ＥＢＣＣＤ検出器を用いて、イメージ平面（または検出器）アレイ５０９を有利に実装することができる。上記の制御デバイスを有するＥＢＣＣＤは、この応用によく適している。その理由は、ＥＢＣＣＤの空間分解能が高いからであり、いくつかの実施形態では、検査対象ウエハ上のパターンに応じて変化する散乱光レベルに応答して、またはこれを見越して、ＥＢＣＣＤの利得を制御できるからである。２００７年１月４日に公開された米国特許出願公開第２００７／０００２４６５号に、システム５００のいくつかの態様がさらに詳しく記載されており、この文献は参照により本明細書に組み込まれる。
図６Ａは、別の表面検査装置６００の図である。この検査装置は、表面領域６１１を検査するための照明システム６０１と収集システム６１０を含む。図６Ａが示す通り、レーザーシステム６１５は、光ビーム６０２がレンズ６０３を通過する方向に向くように構成される。レンズ６０３は、その平面が表面６１１と実質的に平行になる向きにされ、その結果、表面６１１上のレンズ６０３の焦点面に照明線（ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ ｌｉｎｅ）６０５が形成される。加えて、光ビーム６０２と集束ビーム６０４は、非直行入射角で表面６１１に向かうように方向付けされる。特に、光ビーム６０２と集束ビーム６０４は、表面６１１に対する法線方向から約１度〜約８５度の角度で方向付けされてよい。このようにして、照明線６０５は、実質的に集束ビーム６０４の入射面の中にある。いくつかの実施形態では、照明線の長さは約１ｍｍ、２ｍｍ、または数ｍｍ、幅は１μｍ、２μｍ、または数μｍであり得る。いくつかの実施形態では、線状焦点の代わりに、照明を一連の個別の点に集束させてもよい。
収集システム６１０は、照明線６０５からの散乱光を収集するためのレンズ６１２と、レンズ６１２から入射した光をデバイス（例えば、上記制御デバイスを含むＥＢＣＣＤ検出器６１４）上に集束させるためのレンズ６１３を含む。この種の検査システムでは、ＥＢＣＣＤ検出器６１４の利得を動的に調整することが重要である。その理由は、ウエハのパターンが多様であることに起因して、ウエハの領域によって散乱光レベルと回折光レベル（およびフィルタ効率）が劇的に変わることがあるからである。
一実施形態では、ＥＢＣＣＤ検出器６１４は、線状配列の複数の検出器を含んでよい。この場合、ＥＢＣＣＤ検出器６１４内の線状配列の検出器を、照明線６１５と平行する向きにしてよい。一実施形態では、多重収集システムを含めることできる。この場合、各収集システムは、類似しているが向きの異なる構成要素を含む。例として、図６Ｂに、表面検査装置用の収集システム６２１、６２２、６２３の代表的配列を示す（この図は、簡単にするために、例えば照明システム６０１と同様の照明システムを表示していない）。２００９年４月８日に発行された米国特許第７，５２５，６４９号に、検査システム６０１のいくつかの態様がさらに詳しく記載されており、この文献は参照により本明細書に組み込まれる。
図７は、表面７０１上の異常の検査に使用できる表面検査システム７００の図である。この実施形態では、システム７００の実質的に固定された照明デバイス部分で表面７０１を照らすことができる。この照明デバイス部分は、レーザーシステム７２０により生成されたレーザービームを含む。レーザーシステム７２０の出力は、偏光光学系７２１、ビーム拡大器と開口７２２、およびビームを拡大し集束させるためのビーム形成光学系７２３を連続的に通過することができる。
次に、集束したレーザービーム７０２がビーム折り曲げ（ターニング）部品７０３とビーム偏向器７０４に反射され、ビーム７０５が表面７０１の方向に向けられて、表面を照らす。好適な実施形態では、ビーム７０５は表面７０１に対して実質的に法線すなわち垂直であるが、他の実施形態では、ビーム７０５は表面７０１に対して斜角であってよい。
一実施形態では、ビーム７０５は表面７０１に対して実質的に垂直すなわち法線であり、ビーム偏向器７０４は、表面７０１からのビームの鏡面反射をビーム折り曲げ部品７０３に向けて反射させる。これにより、ビーム偏向器は、鏡面反射が検出器に到達するのを防ぐシールドの働きをする。鏡面反射の方向は、表面７０１に対して法線をなす線ＳＲに沿っている。ビーム７０５が表面７０１に対して法線をなす一実施形態では、この線ＳＲは、照明ビーム７０５の方向と一致する。この共通の基準線または方向を、本明細書では検査システム７００の軸と称する。ビーム７０５が表面７０１に対して斜角である場合、鏡面反射ＳＲの方向とビーム７０５の入射方向は一致しない。この場合、表面法線の方向を示すＳＲ線を、検査システム７００の収集部分の主軸と称する。
小粒子により散乱した光はミラー７０６により収集され、開口７０７および検出器７０８の方に送られる。大型粒子により散乱した光はレンズ７０９により収集され、開口７１０および検出器７１１の方に送られる。留意すべきことは、大型粒子の一部から散乱する光は、収集されて検出器７０８にも送られ、同様に、小型粒子の一部から散乱する光は、収集されて検出器７１１にも送られるが、このような光は、各検出器が検出するように設計される散乱光と比べて、散乱光強度が相対的に低いことである。一実施形態では、パターン無しウエハ上の欠陥検出用として検査システムを構成してよい。一実施形態では、検出器７０８、７１１の１つ以上を、上記制御デバイスを有するＥＢＣＣＤにより実装することができる。２００１年８月７日に発行された米国特許第６，２７１，９１６号に、検査システム７００のいくつかの態様がさらに詳しく記載されており、この文献は参照により本明細書に組み込まれる。
図８は、法線、傾斜両方の照明ビームを用いて異常検出を実装するように構成された暗視野検査システム８００の図である。この実施形態では、レーザーシステムからレーザービーム８０１を供給できる。レンズ８０２が空間フィルタ８０３を通じてビーム８０１を集束させ、レンズ８０４がビームを平行にして、偏光ビームスプリッタ８０５に伝送する。ビームスプリッタ８０５は、第１偏光成分を法線照明チャンネルに渡し、第２偏光成分を傾斜照明チャンネルに渡す。ここで、第１成分と第２成分は直交する関係にある。法線照明チャンネル８０６では、第１偏光成分が光学系８０７により集束され、ミラー８０８に反射されて、サンプル８０９の表面に向かう。サンプル８０９により散乱した放射線は、放物面ミラー８１０により収集、集束され、光電子倍増管８１１に送られる。
傾斜照明チャンネル８１２では、第２偏光成分がビームスプリッタ８０５に反射されてミラー８１３に送られ、このミラーで反射したビームが半波長板８１４を通過し、光学系８１５により集束され、サンプル８０９に送られる。傾斜チャンネル８１２の傾斜照明ビームから生じサンプル８０９により散乱する放射線は、放物面ミラー８１０により収集、集束され、検出器８１１に送られる。一実施形態では、検出器８１１を、上記制御デバイスを有するＥＢＣＣＤにより実装することができる。好ましくは、検出器および照射スポット（法線照射チャンネルと傾斜照射チャンネルから表面８０９に照射されるスポット）は、放物線ミラー８１０の焦点位置にある。
放物線ミラー８１０は、サンプル８０９からの散乱放射線を平行にして、平行ビーム８１６にする。次に、平行ビーム８１６は対物レンズ８１７により集束され、分析器８１８を通って検出器８１１に到達する。なお、放物面以外の形状を有するカーブミラー面を使用してもよい。器具８２０がビームとサンプル８０９の間の相対運動を提供できるので、サンプル８０９表面全体に渡って照射スポットが走査される。一実施形態では、ＥＢＣＣＤ検出器８１１からの出力をコンピュータ８３０が受信できる。２００１年３月１３日に発行された米国特許第６，２０１，６０１号に、検査システム８００のいくつかの態様が記載されており、この文献は参照により本明細書に組み込まれる。
図９は、複数のＥＢＣＣＤ検出器を含む別の暗視野ウエハ検査システム９００の図である。システム９００では、光源９０１が発した光ビームを照明光学系９０２が受け取る。一実施形態では、照明光学系９０２の中に、複数のビームスプリッタと、屈折光学要素に実質的に平行な出力光ビームを提供する複数の反射光学要素とが含まれていてよい。この場合、続いて屈折光学要素が複数の光ビームをサンプル９０３に集束させることができる。
光学収集サブシステム９０７は、散乱光収集器その他の要素（例えば、１つ以上の開口、スプリッタ、偏光要素、反射光学要素）を含み、サンプルからの散乱光を２つのイメージ検出器９０６に向けることができる。一実施形態では、光学収集サブシステム９０７は、屈折光学要素９０５をさらに含んでよい。屈折光学要素９０５は、光学収集サブシステム９０７の他の要素が散乱光をイメージ検出器９０６に向けて画像化するのを援助するように構成される。一実施形態では、イメージ検出器９０６の少なくとも一方は、制御デバイスを含む上記のＥＢＣＣＤ検出器を含むことができる。例えば、一実施形態では、一方の検出器を実質的な光散乱用に最適化し、別の検出器を実質的に低い光散乱用に最適化してよい。したがって、走査の一部の間、散乱光の一部分は実質的光散乱用に最適化された一方のイメージ検出器に向けられ、散乱光の別の部分は低光散乱用に最適化された別のイメージ検出器に向けられるように、光学要素を構成してよい。２０１１年７月１２日に出願された米国特許仮出願第６１／５０６，８９２号の優先権を主張している２０１２年７月９日に出願された米国特許出願第１３／５５４，９５４号に、より詳細にシステム９００のいくつかの態様が記載されている。この２つの特許出願は、参照により本明細書に組み込まれる。
図１０は、連続移動物体１００１（例えばウエハ、マスク、レチクル）を伴うパルス照明源１００６を使用するように構成された代表的な検査／測定システム１０００の図である。有利には、パルス照明１００６は長パルスを出力することができる。パルス照明１００６の代表的な光源は、Ｑスイッチレーザーまたはパルスランプを含むことができる。Ｑスイッチレーザーは、レーザーの光発振器内部の可変減衰器を使用して、極度に高いピーク出力で光パルスを生成する。この光パルスは、連続モードで作動する同一レーザーが生成する光パルスと比べて、出力がはるかに高い。パルスランプは、遠紫外線（ＤＵＶ）エキシマーまたは超紫外線（ＥＶＵ）源により実装可能である。好適な一実施形態では、パルス幅は、実施する時間遅延積分（ＴＤＩ）のライン周期（ｌｉｎｅ ｐｅｒｉｏｄ）に近いか、ライン周期より多少長い。
システム１０００では、ビームスプリッタ１００７がパルス照明源１００６からの照明パルスを対物レンズ１００４の方向に向け、この対物レンズが光を物体１００１へと集束させる。次に、物体１００１からの反射光がイメージセンサ１０１０の方向に向けられる。一実施形態では、上記のＥＢＣＣＤの実施形態のいずれかを用いてイメージセンサ１０１０を実装することができる。なお、光の方向付けと集束を行う他の周知の光学部品は、簡単にするため図１０には表示していない。イメージセンサ１０１０に連結されたプロセッサ１０２０は、パルス照明源１００６からの照明パルスと、イメージセンサ１０１０との間でやり取りする制御信号およびデータ信号とを同期させ、さらにイメージデータを分析するように構成される。上記の構成では、物体１００１は物体運動１００３を有し、イメージセンサ１０１０上のイメージはイメージ運動１００９を有する。
システム１０００の一態様によれば、物体運動１００３があるので、図の照明領域１００２ａ（例えば時間帯Ｎ）、前の照明領域１００２ｂ（例えば時間帯Ｎ−１）、前の照明領域１００２ｃ（例えば時間帯Ｎ−２）で示されるように、照明領域は物体１００１を横切って連続的に移動する。各照明領域１００２ａ、１００２ｂ、１００２ｃは、細長い長方形の領域であってよい（見やすくするため縮尺通りに表示していない）。留意すべきことは、明確にするため領域を分離して図示しているが、画像化範囲を１００％確保し、あるいは欠陥検出中に追加的な冗長性と性能を得る目的で、領域が部分的に重なってよいことである。
システム１０００の別の態様によれば、イメージセンサ１０１０は、照明パルス中にＴＤＩモード動作を実行できる。このＴＤＩモード動作中、イメージセンサのピクセルにより保存された電荷は第１方向にのみ移動する。システム１０００は、非照明中に分割読み出し動作も実行することができる。この分割読み出し動作中、イメージセンサの第１ピクセルにより保存された第１電荷は第１方向に移動し、イメージセンサの第２ピクセルにより保存された第２電荷は同時に第２方向に移動する。この第２方向は第１方向と反対方向にある。
このように、システム１０００は、ＴＤＩ読み出しモードの有益な特性と、パルスイメージアーキテクチャの高速読み出し能力とを有利に組み合わせることができる。システム１０００の他の態様については、２０１２年１２月１０日に出願された米国特許出願第６１／７３５，４２７号（名称「Ｍｅｔｈｏｄ Ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ Ｆｏｒ Ｈｉｇｈ Ｓｐｅｅｄ Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ Ｏｆ Ｍｏｖｉｎｇ Ｉｍａｇｅｓ Ｕｓｉｎｇ Ｐｕｌｓｅｄ Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ」）により詳細に記載されており、この文献は参照により本明細書に組み込まれる。
本発明の例示的実施形態を添付の図を参照しながら本明細書で詳細に記載したが、本発明は、これらの厳密な実施形態に限定されないものと理解される。上記の実施形態は、網羅的であるという意図はなく、開示される厳密な形態に本発明を限定するという意図もない。したがって、当業者には多くの修正および変形が明らかになるであろう。例えば、上記実施形態では制御デバイス内に円形の穴を表示しているが、他の実施形態では、楕円形や長方形の穴でよい。概して、この穴の形状とサイズは、ＣＣＤの対応する（そして整列される）ピクセルの形状とサイズに基づく。穴のコーナーが尖っていると電場勾配が増加し得るが、このことは、ＣＣＤが二次元ピクセル配列である用途には望ましくないと考えられる。しかし、ＣＣＤが一次元ピクセル配列である用途では、端のピクセルに衝突する電子は比較的少数となる。コーナーに衝突する電子が少なくなるので、望ましくない電場勾配に電子が遭遇する確率は最小になる。結果として、このような実施形態では、尖ったコーナーは容認可能となり得る。また、上記の通り、半導体技術を用いて制御デバイスを製作する場合には、制御デバイス内に電圧制御デバイスおよび／または検出デバイスを形成してよい。いくつかの実施形態では、電子軌跡に与える影響を最小にする目的で、これらのデバイスを、制御デバイス内でなく制御デバイスの底面（すなわちＣＣＤに面する側）に形成してよい。いくつかの実施形態では、電子検出器は、ＣＣＤでなくＣＭＯＳイメージセンサを含んでよい。したがって、本発明の範囲は、以下の請求項およびその均等物により定義されることが意図される。

Claims (26)

  1. ウィンドウを含むアセンブリと；
    前記アセンブリの内側にあり、かつ前記ウィンドウに隣接する光電陰極と；
    前記アセンブリの内側にあり、かつ前記光電陰極から発せられた電子を収集するように位置付けられた電荷結合素子（ＣＣＤ）デバイスと；
    前記光電陰極と前記ＣＣＤの間に位置付けられ、内部に複数の穴を有する制御デバイスと；
    を含む、電子衝撃電荷結合素子（ＥＢＣＣＤ）であって、
    前記複数の穴は、前記光電陰極の表面に対して垂直に形成され、前記複数の穴のパターンは前記ＣＣＤにおけるピクセルのパターンと整列され、各穴は、前記制御デバイスの前記光電陰極に面する表面に形成された少なくとも１つの第１電極に囲まれる、
    電子衝撃電荷結合素子（ＥＢＣＣＤ）。
  2. 前記ＣＣＤは、前記少なくとも１つの第１電極に面する表面にホウ素コーティングを有する、請求項１に記載のＥＢＣＣＤ。
  3. 前記ＣＣＤは背面薄化ＣＣＤを含む、請求項１に記載のＥＢＣＣＤ。
  4. 前記ＣＣＤは時間遅延積分ＣＣＤを含む、請求項１に記載のＥＢＣＣＤ。
  5. 前記ウィンドウの外面は反射防止コーティングを含む、請求項１に記載のＥＢＣＣＤ。
  6. 前記制御デバイスはシリコン構造物を含む、請求項１に記載のＥＢＣＣＤ。
  7. 前記制御デバイスは金属製構造物を含む、請求項１に記載のＥＢＣＣＤ。
  8. 前記制御デバイスは、前記複数の穴の間に複数の畝をさらに含む、請求項１に記載のＥＢＣＣＤ。
  9. 前記制御デバイスは、ＣＣＤピクセルの短い方の寸法の約半分以下だけ前記光電陰極から分離するように位置付けられる、請求項１に記載のＥＢＣＣＤ。
  10. 前記少なくとも１つの第１電極は複数の第１電極を含み、前記第１電極の各々は、所与の穴を囲み、かつ前記所与の穴からギャップにより分離される、請求項１に記載のＥＢＣＣＤ。
  11. 前記少なくとも１つの第１電極は、複数の環状電極と、１つの表面電極と、を含み、前記複数の環状電極の各々は、所与の穴から第１ギャップにより分離され、かつ前記表面電極から第２ギャップにより分離される、請求項１に記載のＥＢＣＣＤ。
  12. 前記制御デバイスの前記穴を囲み、かつ前記制御デバイスの前記ＣＣＤに面する表面に位置付けられた少なくとも１つの第２電極をさらに含む、請求項１０に記載のＥＢＣＣＤ。
  13. 電子衝撃電荷結合素子（ＥＢＣＣＤ）を操作する方法であって、
    前記ＥＢＣＣＤの光電陰極を前記ＥＢＣＣＤのＣＣＤに対して負の電圧に保つことと；
    前記光電陰極から前記ＣＣＤのピクセルに向かって進行する電子を集束させることと；
    を含む、方法。
  14. 制御デバイスの穴を前記ＣＣＤの前記ピクセルと整列させることをさらに含み、前記制御デバイスは前記集束を提供する、請求項１３に記載の方法。
  15. 前記制御デバイスの前記穴の内面を、前記光電陰極に対して正の電圧に保つことをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
  16. 少なくとも１つの穴を囲む第１電極を、前記穴の前記内面とは異なる電圧に保つことをさらに含み、前記第１電極は、前記制御デバイスの前記光電陰極に面する表面に位置付けられる、請求項１５に記載の方法。
  17. 前記第１電極は、前記穴の前記内面に対して負の電圧に保たれる、請求項１６に記載の方法。
  18. 第２電極を前記第１電極とは異なる電位に保つことをさらに含み、前記第２電極は、前記制御デバイスの少なくとも１つの穴を囲み、かつ前記ＣＣＤに面するように位置付けられる、請求項１７に記載の方法。
  19. 前記光電陰極に最も近い前記制御デバイス表面のいくつかの領域を、前記光電陰極の電位と同様の電位、または前記光電陰極に対してわずかに負の電位に保つことをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
  20. 光を検査対象サンプルに方向付けるための光学系と；
    前記サンプルからの散乱光を収集し、収集した光を方向付けるための光学系と；
    前記収集した光を受け取るための電子衝撃電荷結合素子（ＥＢＣＣＤ）検出器と；
    を含む、暗視野検査システムであって、
    前記ＥＢＣＣＤ検出器は、
    ウィンドウを含むアセンブリと；
    前記アセンブリの内側にあり、かつ前記ウィンドウに隣接する光電陰極と；
    前記アセンブリの内側にあり、かつ前記光電陰極から発せられた電子を収集するように位置付けられたＣＣＤデバイスと；
    前記光電陰極と前記ＣＣＤの間に位置付けられ、内部に複数の穴を有する制御デバイスと；を含み、
    前記複数の穴は、前記光電陰極の表面に対して垂直に形成され、前記複数の穴のパターンは前記ＣＣＤにおけるピクセルのパターンと整列され、各穴は、前記制御デバイスの前記光電陰極に面する表面に形成された少なくとも１つの第１電極に囲まれる、
    暗視野検査システム。
  21. 前記ＣＣＤは時間遅延積分ＣＣＤである、請求項２０に記載の暗視野検査システム。
  22. 前記時間遅延積分ＣＣＤは、並行して読み取ることのできる多重読み出しレジスタを含む、請求項２１に記載の暗視野検査システム。
  23. 半導体ウエハの検査方法であって、
    前記ウエハの領域に光を当てることと；
    前記ウエハからの散乱光を収集することと；
    収集した光を電子衝撃電荷結合素子（ＥＢＣＣＤ）検出器へと方向付けることと；
    を含み、前記ＥＢＣＣＤ検出器は、
    前記ＥＢＣＣＤの光電陰極を前記ＥＢＣＣＤのＣＣＤに対して負の電圧に保つことと；
    前記光電陰極から前記ＣＣＤのピクセルに向かって進行する電子を集束させることと；
    を含む処理を行う、検査方法。
  24. 前記ＣＣＤは時間遅延積分を行う、請求項２３に記載の検査方法。
  25. 前記時間遅延積分は、並行して読み出される多重レジスタを使用する、請求項２４に記載の検査方法。
  26. 検査システムであって、
    前記検査システムは、パルス照明光源と；
    電子衝撃電荷結合素子（ＥＢＣＣＤ）検出器を含むイメージセンサと、を含み；
    前記ＥＢＣＣＤ検出器は、
    ウィンドウを含むアセンブリと；
    前記アセンブリの内側にあり、かつ前記ウィンドウに隣接する光電陰極と；
    前記アセンブリの内側にあり、かつ前記光電陰極から発せられた電子を収集するように位置付けられたＣＣＤと；
    前記光電陰極と前記ＣＣＤの間に位置付けられ、内部に複数の穴を有する制御デバイスと；を含み、
    前記複数の穴は、前記光電陰極の表面に対して垂直に形成され、前記複数の穴のパターンは前記ＣＣＤにおけるピクセルのパターンと整列され、各穴は、前記制御デバイスの前記光電陰極に面する表面に形成された少なくとも１つの第１電極に囲まれており；
    前記検査システムは、
    前記パルス照明光源からのパルス照明を連続移動物体へと方向付けるように、かつ前記物体からの反射光を前記イメージセンサへと方向付けるように構成された光学構成要素と；
    前記イメージセンサを操作するように構成されたプロセッサと；を含み、
    処理を行う構成は、
    照明パルス中に時間遅延積分（ＴＤＩ）操作を行うことと（ここで、ＴＤＩ操作中、前記イメージセンサのピクセルにより保存された電荷は第１方向にのみ移動する）；
    非照明中に分割読み出し操作を行うことと（ここで、前記分割読み出し中、前記イメージセンサの第１ピクセルにより保存された第１電荷は前記第１方向に移動し、前記イメージセンサの第２ピクセルにより保存された第２電荷は第２方向に同時に移動し、前記第２方向は前記第１方向と反対方向にある）、を含む、
    検査システム。
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