JP2016518683A - 光電子増倍管（ｐｍｔ）、イメージセンサ、及びｐｍｔ又はイメージセンサを用いた検査システム - Google Patents
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Abstract
半導体光電陰極とフォトダイオードを含む光電子増倍管。特に、該フォトダイオードはｐ−型にドープされた半導体層と、該ｐ−型にドープされた半導体層の第一の表面に形成されてダイオードを形成するｎ-型にドープされた半導体層と、該ｐ−型にドープされた半導体層の第二の表面に形成された純ホウ素層とを含んでいる。半導体光電陰極とフォトダイオードの間のギャップはおよそ１ｍｍ未満であるか、あるいはおよそ５００μｍ未満である。半導体光電陰極は窒化ガリウム、例えば一つ以上のｐ−型にドープされた窒化ガリウム層、を含んでいる。他の実施形態において、半導体光電陰極はケイ素を含んでいてもよい。この半導体光電陰極は更に少なくとも一つの表面に純ホウ素被覆を含んでいてもよい。
Description
優先権出願
本発明は、本明細書に参照として組み込まれる、「ＰＭＴ、イメージセンサ、及びＰＭＴ又はイメージセンサを用いた検査システム」の名称で２０１３年４月１日出願の米国特許仮出願番号６１／８０７，０５８の優先権を主張する。
本発明は、本明細書に参照として組み込まれる、「ＰＭＴ、イメージセンサ、及びＰＭＴ又はイメージセンサを用いた検査システム」の名称で２０１３年４月１日出願の米国特許仮出願番号６１／８０７，０５８の優先権を主張する。
本出願は、「電子衝撃電荷結合素子（ＥＢＣＣＤ）およびＥＢＣＣＤ検出器を用いた検査システム」の名称で２０１２年１２月１０日出願の米国特許仮出願番号１３／７１０，３１５、「電子衝撃ＣＣＤおよび電子衝撃ＣＣＤ検出器を用いた検査システム」の名称で２０１２年６月１２日出願の米国特許仮出願番号６１／６５８，７５８、「ホウ素層を持つ裏面照射型センサ」の名称で２０１３年３月１０日出願の米国特許仮出願番号１３／７９２，１６６、及び「ホウ素層を持つケイ素基板を含む光電陰極」の名称で２０１３年７月２２日出願の米国特許仮出願番号１３／９４７，９７５に関する。上記の全ての出願は本明細書に参照として組み込まれる。
アルカリ金属光電陰極と赤外感光性ＩＩＩ−Ｖ族半導体（ＧａＡｓ等）光電陰極を用いた光電子増倍管（ＰＭＴｓ）と電子衝撃電荷結合素子（ＥＢＣＣＤｓ）は、当該分野において赤外と可視光波長で用いられることが知られている。唯一アルカリ金属光電陰極のみが紫外線波長用に広く使われることが分かっている。
図１は、光電陰極１０２, 集束電極１０４, 複数のダイノード１０５（説明用に３つ示されているが、より一般的な個数は５〜１２の間である）、と陽極１０６を含むよく知られているＰＭＴ１００を図示している。各ダイノード １０５は、先のダイノード１０５（または、第一のダイノード用の光電陰極 １０２）に比して僅かに正の電位に保たれている。陽極 １０６は最後のダイノードに比して更に正の電位に保たれている。
入射光子１０１が光電陰極１０２に吸収された時、当然、一つ以上の電子１０３が光電陰極１０２から出射する可能性が高い（典型的には、実用装置においておよそ１０％から５０％の間である）。集束電極１０４は電子１０３を偏向させそれによって、ほとんどの電子を第一のダイノード１０５に打ち当てる。電子１０３がダイノード１０５に当たった時、通常多数（典型的には、およそ１０個）の二次電子がダイノード１０５から出射する。図１は、当たるものより多くの点線が各ダイノード１０５から出ていることでこの出射を表している。あるダイノードから出射したほとんどの電子が次のダイノードに当たっている。増幅されたシグナルが陽極１０６に当たるまで、これが何回も繰り返される。このように、ＰＭＴにダイノード１０５が多ければ多いほど、利得はより高くなるが、一つの光子に対する装置の応答時間がより長くなる。あるダイノードからの幾つかの電子は次のダイノードではなく他のダイノードまたは陽極１０６に打ち当たるので、より多くのダイノード１０５は一つの光子に呼応するより広い電子パルスをも意味し、それゆえより遅い装置を意味する。
図１は、光電子が光電陰極の光子の入射側とは反対の側から出射される透過型光電陰極を図示しているが、光電子が光電陰極の入射光子と同じ側から出射される反射型光電陰極も当該分野においては知られている。
およそ３５０ｎｍ以下のＵＶ波長はおよそ３．５ｅＶ以上の光子エネルギーに対応している。高エネルギー光子が光電陰極１０２に吸収された場合、１又は数ｅＶのエネルギーを持つ電子１０３が発生する。光電陰極１０２から離れ電界によって加速された後、これらの電子はダイノード１０５と陽極１０６（電子衝撃イメージセンサにおけるイメージセンサ）へと向かう。電子１０３は、その初期の運動エネルギーによる速度の幅と方向の広がり故に、次の表面へ向かう時横に広がる。更に、これらの光電子は異なる時間に表面に到達する。
イメージセンサにおいては、異なる時間の到達により、像がぼやける。ＰＭＴ１００においては、少なくとも部分的に、電子の到達時間の広がりによって、一つの吸収された光子が時間的に広がった電流パルスを引き起こすことから、異なる時間の到達はＰＭＴの応答を遅らせる。ＰＭＴ１００の更なる不利な点は、単一光子を検出するために、多段での利得（ダイノード１０５）が必要とされそれによって一つの光子からの信号が暗騒音より大きくなることである。多数のダイノードは更にＰＭＴ１００の応答時間を遅らせる。更に、もっともありふれた光電陰極で単一光子を検出するには、暗電流が低いレベルに落ち着く前に、明るい光による露光後暗順応時間を要する。幾つかの光電陰極は、暗電流を単一光子の確かな検出を可能にするレベルにまで減少させるために冷却を必要とする。
それ故、低エネルギー幅の電子を発生させる、ＵＶ波長で高い量子効率を持つ光電陰極が必要とされる。また、この効率的かつ低電子エネルギー幅を持つ光電陰極を組み込んでいるＰＭＴも必要とされている。 更に、単一光子に対する感度を持ち、応答が早く、強い光から素早く完全に感度を回復するＰＭＴも必要とされている。更にまた、電子衝撃電荷結合素子（ＣＣＤ）あるいは電子衝撃ＣＭＯＳイメージセンサなどの高い量子効率、高い空間分解能、低い雑音を持つ電子衝撃イメージセンサも必要とされている。また、高効率、低雑音ＰＭＴ、ＥＢＣＣＤ、または電子衝撃ＣＭＯＳイメージセンサを組み込んだ、ＵＶ波長を用いた暗視野ウエハ、フォトマスク、又はレクチル検査システムも必要とされている。
効率的かつ低電子エネルギー幅の光電陰極を組み込んだ光電子増倍管について述べる。この光電子増倍管は半導体光電陰極とフォトダイオードを含んでいる。特に、該フォトダイオードはｐ−型にドープされた半導体層、ダイオードを形成するためｐ−型にドープされた半導体層の第一の表面に形成されたｎ−型にドープされた半導体層、とｐ−型にドープされた半導体層の第二の表面に形成された純ホウ素層を含んでいる。半導体光電陰極とフォトダイオードとのギャップはおよそ１ｍｍ未満または５００μｍ未満である。
ある実施形態において、半導体光電陰極は窒化ガリウムを含んでいてもよい。例えば、該半導体光電陰極はｐ−型にドープされた窒化ガリウム層を含んでいる。他の実施形態において、該半導体光電陰極はケイ素を含んでいてもよい。そのような半導体光電陰極は少なくとも一つの表面に純ホウ素膜を更に含んでいてもよい。
サンプルを検査するためのシステムも述べられている。このシステムは、光を発生するためのレーザシステムを含んでいる。第一の構成部分は光をサンプルに向ける。第二の構成部分はサンプルからの光を一つ以上の検知器に向ける。少なくとも一つの検知器は、ここで述べられているような効率的かつ低電子エネルギー幅の光電陰極を組み込んだ光電子増倍管を含んでいる。
ここで述べられているＰＭＴとイメージセンサはダイノードあるいはマイクロチャネルプレートを持たない当該分野の従来の装置より高い利得を持ち、またダイノードあるいはマイクロチャネルプレートを用いた当該分野の従来の装置より早い応答時間を持っている。ここで述べられているイメージセンサは、当該分野の従来の同様な利得を持つ装置より高い空間分解能を持つことができる。ここで述べられているＰＭＴとイメージセンサは当該分野の従来の装置より単純であり、それ故より安く製造でき、より長い操作寿命を持つ。
小さな欠陥が低いレベルの光を分散させる。より感度の高い検知器は、暗視野検査システムによるより小さな欠陥又は粒子の検出を可能にする。より優れた空間分解能を持つ検知器は、暗視野検査システムによるより小さな欠陥又は粒子の検出を可能にする。より速い応答時間を持つ検知器は、システムの早い操作と検査時間の削減を可能にし、それによって、エンドユーザに対してシステムの価値を上げることになる。
図２は、排気され密閉された管に光電陰極２０２、任意の集束電極２０４及びフォトダイオード２０５の全てを含んでいるＰＭＴ２００を図示する。特に、フォトダイオード２０５は、光電陰極２０５に面する表面に薄い（例えば、およそ２ｎｍから２０ｎｍの厚さ）純ホウ素膜を持っている。フォトダイオード２０５は光電陰極２０２に比して正の電位に保たれている。例えば、ある実施形態において、フォトダイオード２０５は大地電位に近い電位であり、一方光電陰極２０２はフォトダイオード２０５に比して負の電位である（たとえば、およそ１００Ｖ〜およそ５００Ｖの間の負の電位）。入射光子２０１は光電陰極２０２に吸収され、おそらく光電陰極２０２から電子の射出を引き起こす。光電陰極２０２とフォトダイオード２０５の間の電位の差によって、電子２０３はフォトダイオード２０５に向かって加速される。フォトダイオード２０５（詳細は以下に述べる）の表面の純ホウ素膜によって、フォトダイオード２０５に打ち当たった電子はいずれも、ほぼ１００％の確率で吸収され、複数の電子をフォトダイオード２０５内に発生させる。
幾つかの実施形態において、光電陰極２０２とフォトダイオード２０５とのギャップは数ミリメートルである。幾つかの望ましい実施形態において、光電陰極２０２とフォトダイオード２０５とのギャップはおよそ１ｍｍあるいは数百ミクロンである。
幾つかの実施形態において、集束電極２０４は、光電陰極２０２から出射された電子２０３をフォトダイオード２０５の方に確実に向かわせるために用いてもよい。集束電極２０４は、光電陰極２０２とフォトダイオード２０５とのギャップがおよそ１ｍｍより大きい時に特に有用である。幾つかの実施形態において、光電陰極２０２とフォトダイオード２０５とのギャップがおよそ１ｍｍ以下の場合、集束電極２０４は必要ではない。集束電極２０４は、シリンダー状、メッシュ又はその他の電極構造を持っている。
好ましい実施形態において、光電陰極２０２はＧａＮ光電陰極またはホウ素被覆ケイ素光電陰極を含んでいる。Ｃｈｕａｎｇらによる２０１３年７月２２日出願の「ホウ素層を持つケイ素基板を含む光電陰極」の名称で米国特許出願１３／９４７，９７５（代理人、Ｄｏｃｋｅｔ ＫＬＡ−０４９ Ｐ３９６６）には、ここで述べられている改良されたＰＭＴに用いるのに適している代表的なホウ素被覆ケイ素光電陰極が述べられている。他の実施形態において、光電陰極２０２は一つ以上のアルカリ金属を含むか、又は当該分野で既知の他の光電陰極材料を含んでいてもよい。光電陰極２０２は、図２に示されているように透過型光電陰極でもよく、あるいは２反射型光電陰極でもよい。
図３Ａと図３Ｂは、ここで述べられているＰＭＴやイメージセンサシステムに用いるのに適した光電陰極の断面を図示する。
図３Ａは基板３０１上の複数の層を含むＧａＮ光電陰極３００の断面を図示する。基板３０１は、サファイア基板又は高濃度にｐ−型にドープされたＧａＮ基板（例えば、ドーピング濃度はおよそ１０１８原子／ｃｍ−３以上）であってもよい。好ましい実施形態において、基板３０１はおよそ１００ミクロンから６００ミクロンの間の厚さである。光電陰極３００が透過モードで用いられる場合は、基板３０１は優れた光学的品質でなければならずそれによって、対象の波長範囲で転送する。光電陰極３００が反射モードで用いられる場合は、基板の光学的品質はそれほど重要ではない。例えば、基板３０１がサファイア基板であり光電陰極３００が深ＵＶ波長用の透過モードで用いられる場合、非常に高い純度を持つサファイアを基板３０１ように用いるべきである。
幾つかの透過型光電陰極実施形態において、反射防止層３０９を基板３０１の第一の表面に堆積させてもよい。幾つかの実施形態において、反射防止層３０９はフッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、および／または酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）を含む一つ以上の層を持っていてもよい。
幾つかの実施形態において、バッファ層３０２が基板３０１の第二の表面に形成（成長あるいは堆積）されていてもよい。基板３０１がドープされた窒化ガリウム （ＧａＮ） 基板である場合、その場合はバッファ層は必要ではない。好ましい実施形態において、バッファ層３０２は、およそ５から２０ｎｍ厚さの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の層である。
バッファ層３０２（あるいは、もしバッファ層３０２がなければ基板３０１）の上面に, 複数のドープされたＧａＮ層３０３と３０４がある。第一のドープされたＧａＮ層３０３は、およそ１０１８原子／ｃｍ−３の高ドーピング濃度をもつｐ-型にドープされたＧａＮの層を含んでいる。第一のドープされたＧａＮ層３０３のための好ましいｐ-型ドーパントはマグネシウム（Ｍｇ）である。第二のｐ-型にドープされたＧａＮ層３０４はそれよりずっと低いドーパント濃度、例えば、ほぼ５×１０１６原子／ｃｍ−３を含んでいてもよい。幾つかの実施形態において、追加のｐ-型にドープされたＧａＮ層は層３０３と３０４の間に配置されていてもよい。これらの追加層各々は、層３０３から層３０４へ段階的にドーパント濃度の減少するように、層３０３と３０４のドーパント濃度の中間値を持っていなければならない。例えば、層３０３がおよそ１０１８原子／ｃｍ−３のドーパント濃度をもち層３０４がおよそ５×１０１６原子／ｃｍ−３のドーパント濃度をもっているなら、その場合およそ２×１０１７原子／ｃｍ−３のドーパント濃度をもっている層（図示せず）を層３０３と３０４の間に配置することができる。好ましい実施形態において、ｐ-型にドープされたＧａＮ層の厚さは互いに同様でなければならない。全てのｐ-型にドープされたＧａＮ層（例えば、もし正に２層が用いられる場合、層３０３と３０４のトータルの厚み）の厚みの総計は、量子効率を最大化させるために決定されるべきである。例えば、深ＵＶに最大の感度を持つ光電陰極用には、全てのｐ-型にドープされたＧａＮ層の厚みの総計はおよそ１８０ｎｍである。代表的なＧａＮ光電陰極は「より高い量子効率のためのＧａＮ光電陰極構造の最善化、"Optimizing GaN photo陰極 structure for higher quantum efficiency”, Optik, １２3, pp756-768 (２０1２)に記載されている。ある実施形態において、標準Ｃｓ：Ｏ活性層３０６を、電子を射出する光電陰極３００の表面に堆積してもよい。
図３Ｂはケイ素光電陰極３１０の断面を図示している。透過モードにおいて、光子３１８は光電陰極３１０の一つの表面に入射し、電子３１９が反対の表面か出射される。反射モードでは、光子３１８’は電子が出射される表面と同じ表面へ入射する。ある実施形態において、ケイ素光電陰極３１０は、ケイ素３１１、好ましくは単結晶ケイ素を含んでいる。幾つかの実施形態において、ケイ素光電陰極３１０は多結晶ケイ素を含んでいる。光電陰極の意図する操作波長範囲に依って、ケイ素３１１はおよそ１０ｎｍと１００ミクロンの間の厚みである。
透過モードの光電陰極として使用する意図の場合、光３１８が入射する側のケイ素表面は、任意に、反射防止（ＡＲ）層３１３で被覆されていてもよい。代表的なＡＲ層３１３はＭｇＦ２、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３及びＨｆＯ２などの透明あるいは半透明な材料の一つ以上の層を含んでいる。深ＵＶあるいは真空ＵＶ波長での操作を意図する幾つかの実施形態のために、薄い純ホウ素層３１２がＡＲ層３１３とケイ素３１１の間に存在してもよい。この純ホウ素層３１２はおよそ２ｎｍと４ｎｍの間の厚さである。
ケイ素３１１は電子が出射される表面が薄い純ホウ素層３１４で被覆される。純ホウ素層３１４は、好ましくはおよそ２ｎｍと２０ｎｍの間の厚さである。ある実施形態において、標準のＣｓ：Ｏ（セシウム：酸素）活性層３１６を、電子の出射する側の光電陰極表面に堆積してもよい。
ＰＭＴあるいは電子衝撃イメージセンサシステムにおいて用いるのに適している代表的なケイ素光電陰極構造は、前掲の「ホウ素層を持つケイ素基板を含む光電陰極」の名称で２０１３年７月２２日出願の米国特許出願１３／９４７，９７５に述べられている。
図４は、ここで述べられているＰＭＴにおいて用いるのに適しているフォトダイオード４００の断面を図示している。このダイオードは、ここではフォトダイオードとしてふれられているが、ここで述べられているＰＭＴにおいては、実際は、電子を検出し入射電子を電流に変換するよりはむしろ直接光子を検出していることを理解すべきである。構造、機能、結合された回路はフォトダイオードに用いられているものと同様であり、よってフォトダイオードとして参照するのが便利である。また、この断面は正確な縮尺率で描かれておらず、単に、ここで述べられているＰＭＴにおいて用いられているようにフォトダイオード装置の構造の重要な態様を図解する意図であることにも留意されたい。
フォトダイオード４００は、ｎ−型にドープされた半導体層４０３（陰極）と接するｐ−型にドープされた半導体層４０４（陽極）によって形成されたｐｎあるいはｐｉｎ接合を持っている。好ましい実施形態において、ｎ-型にドープされた半導体層４０３は、軽くｎ−型にドープされている（図４においてＮ−ドープとして示されている）。このｎ型ドーピングはリン、ヒ素、あるいは他のｎ−型のドーパントによってなされる。ｐ−型にドープされた半導体層４０４のためのｐ-型ドーピングはホウ素あるいはその他のｐ−型ドーパントによってなされる。純ホウ素層４０６はｐ−型にドープされた半導体層４０４の表面に形成される。幾つかの実施形態において、別々のｐ−型移入あるいはドーピング工程は不要である、というのも純ホウ素層４０６の堆積中に、ホウ素がｐ−型にドープされた半導体層４０４に十分拡散するからである。
電気的接続４０１は陽極と陰極とに作られる。陰極への低抵抗接触を持つため、高度にｎ-型にドープされた半導体層４０２（図４では、Ｎ＋ドープとして示されている）は、Ｎ-型にドープされた半導体層４０３の表面に形成されていてもよい。陽極への低抵抗接触を持つため、半金属（例えば、窒化チタン（ＴｉＮ））あるいは金属といった薄い（およそ１ｎｍとおよそ２０ｎｍの間の厚さ程度）導電材料を含むキャップ層４０８が、純ホウ素層４０６の表面に形成される。幾つかの実施形態において、キャップ層４０８は省略してもよい、というのもｐ−型にドープされた半導体層４０４の表面の導電率が十分であるからである。このことは、ＰＭＴが低光レベルでの操作を意図し、高光レベルに決して露光されない場合である、というのもこういった場合、フォトダイオード電流は常に比較的低いままにとどまっているからである。ＰＭＴがたとえたまにであっても高光レベルに露光された時、キャップ層４０８はフォトダイオード４００の陽極表面の帯電を減少させ、純ホウ素層４０６を入射電子４０９によるスパッタリングから防御する追加の利点をもたらすことができる。
ある実施形態において、厚い純ホウ素層４０６（例えば、約２ｎｍから２０ｎｍ）をｐ−型にドープされた半導体層４０４の上面に直接形成してもよい。純ホウ素層４０６は、低エネルギー電子をｐ−型にドープされた半導体層４０４に通すことができる。純ホウ素層４０６は、電子が入射しピンホールがないすべての範囲をカバーすることが重要なことであり、それによって、自然酸化物膜の半導体表面での成長を防止することができる。自然酸化物膜は電子に打たれた場合に力をため、低エネルギー電子を跳ね返す、それによってＰＭＴが低電位で作動する時フォトダイオードの感度を下げる。ＰＭＴの低電位での作動は重要である、なぜならそれによって光電陰極とフォトダイオードの間のギャップ、電子がこのギャップを超えるのにかかる時間が短いほどＰＭＴの応答時間が早まるのであるが、を小さくすることが可能になるからである。更に、光電陰極とフォトダイオード４００の電位の差が少ないと、純ホウ素層４０６とｐ−型にドープされた半導体層４０４への高エネルギー電子によって引き起こされるスパッタリングと損傷を最小限にできる。
純ホウ素層４０６の品質はフォトダイオードの最善の性能のために重要である。純ホウ素層の堆積に先立って、ｐ−型にドープされた半導体層４０４の表面から不純物や自然酸化物を取り除かなければならない。より詳細なホウ素堆積については、「制御されたナノメータ−深ｐ＋−ｎ接合形成のためのケイ素上のホウ素層の化学蒸着 "Chemical vapor deposition of a-boron layers on silicon for controlled nanometer-deep p+-n junction formation,"」Sarubbi et al., J. Electron . Material, vol. 39, pp. 162-173 (2010)に記載がある。好ましい実施形態において、フォトダイオード４００は、迅速な応答と低暗電流得るために、逆に偏奇させて（すなわち、陽極が陰極に比してわずかに負の電位である）作動させる。
図５は、代表的な電子衝撃イメージセンサシステム５０１を図示している。この実施形態において、組み立て全体が密閉された管５０５（例えば、標準の画像増強装置や電子衝撃ＣＣＤ（ＥＢＣＣＤ）と実質的に同様な密閉された管）に含まれている。管５０５の上面５０７、対象の波長に対して透明な窓を含んでいてもよい。紫外線感応性の電子衝撃イメージセンサ用には、この窓は好ましくは非常に純度の高い石英、溶融シリカ、あるいはアルミナ（サファイア）を含んでいる。幾つかの好ましい実施形態において、窓の外側表面はＵＶ反射防止コーティングで被覆されている。そのようなコーティングはＭｇＦ２などの低指数材料の単層であってもよくあるいは複層コーティングであってもよい。
窓の内側表面に光電陰極５０４が塗布されている、あるいは光電陰極５０４は内側表面にじかに隣り合わせて配置されている。光電陰極材料は、当該分野で知られている光電子増倍管、イメージセンサや従来のＥＢＣＣＤ検知器に用いられているいずれの光電陰極材料と実質的に同じである。好ましい実施形態において、光電陰極５０４はセシウムなどの一つ以上のアルカリ金属を含んでいるか/又はＧａＮ、ＧａＡｓあるいはケイ素半導体を含んでいる。光電陰極５０４は固体イメージセンサ ５０２,これは密閉された管５０５の底面近くに配置されているが、に比して負の電位に保たれている。幾つかの実施形態において、負の電位５０３は約５００Ｖであり、他の実施形態においては、数百ボルト又は約１０００Ｖであってもよい。好ましい実施形態において、負の電位５０３は１００Ｖと１５００Ｖの間である。
固体イメージセンサ５０２は、裏面に最初に電子がぶつかるように配向された薄型ＣＣＤあるいはＣＭＯＳイメージセンサである。固体イメージセンサ５０２の裏面側は、イメージアレイのエピ層に直接堆積させたホウ素の層を含んでいる。幾つかの実施形態において、耐熱金属などの導電材料の薄層（数ｎｍ）がセンサ表面の帯電を防ぐために堆積されている。チタン、タングステン、タンタル、ロジウム、ルテニウム、バナジウム、あるいはクロムなどの耐熱金属は、耐熱金属の硬度が電子によるスパッタリングに耐性があり、室温での酸化に比較的耐性があることから、非耐熱金属に比べ有利である。幾つかの実施形態において、固体イメージセンサ５０２は蓄積型（ＴＤＩ）ＣＣＤである。幾つかの実施形態において、固体イメージセンサ５０２は電子感応素子の一次元アレイを含んでいる。他の実施形態において、固体イメージセンサ５０２は電子感応素子の二次元アレイを含んでいる。幾つかの好ましい実施形態において、固体イメージセンサ５０２は大地電位近くに保たれている（図示）。
電子衝撃イメージセンサシステム５０１に光５１０が当たった時、一つ以上の光電子 ５２０が光電陰極５０４から放射される。これらの光電子は実質的にあらゆる方向に放射されるが、光電陰極５０４と固体イメージセンサ５０２の間の電位差によって固体イメージセンサ５０２の方へと加速される。好ましい実施形態において、光電陰極５０４ と固体イメージセンサ５０２の間のギャップは１ｍｍ未満である。幾つかの実施形態において、ギャップは約５００ミクロンである。
ここで述べられているいずれかの方法に従った一つの構造を持つか／または従って形成された固体イメージセンサ５０２を組み入れることで、電子が（イメージセンサ５０２の）ホウ素層を二酸化ケイ素層よりより容易く通過できるので、電子衝撃イメージセンサシステム５０１は光電陰極５０４と固体イメージセンサ５０２の間の僅かな電位差で作動できしかも高い利得をもっている。ホウ素をドープしたケイ素、珪化ホウ素、及びホウ素は全て少なくとも部分的に導電性ゆえ、電子衝撃下での表面の帯電は最小化ないし避けることができる。帯電に対する感度は、ここで述べられているようにホウ素層の上面に導電性あるいは金属層によって更に減ずることができる。
従来のＥＢＣＣＤセンサにおいて、光電陰極とイメージセンサの間のギャップは典型的には１〜２ｍｍである。そのように広いギャップは、電子が光電陰極から出た時の電子のエネルギーによって、光電陰極 からイメージセンサへ移動する際に電子の横運動をかなり可能にする。光電陰極とイメージセンサの大きな電位差 （典型的には、およそ２０００Ｖ以上）ゆえに、１〜２ｍｍあるいはそれ以上のギャップは必要である。光電陰極とイメージセンサの電位差の減少により、より狭いギャップの採用を可能にする。更に、低下された電子エネルギーは、固体イメージセンサ内で発生した電子の広がりをより抑えることを意味する。
イメージセンサ５０２に到達する電子の低エネルギーは、表面からの原子の切除の可能性を低くあるいはゼロにすることを意味している。更に、固体イメージセンサ５０２に到達する電子のエネルギーはケイ素からＸ線を発生させるのに十分でなく、それによって、イメージセンサ５０２の近傍ピクセルに偽信号の発生を避けることができる。
密閉された管５０５に作り出された真空中に残留するガス原子への低エネルギー電子の衝突は、高エネルギー電子と比べ、ほとんどイオンを発生させない。更に、光電陰極５０４とイメージセンサ ５０２の間の低い電位差故に、これらのイオンは、光電陰極に当たるとき、運動エネルギーがより低く、光電陰極材料の切除がより少ない。
更に詳細なイメージセンサシステム５０１は「ホウ素層を持つ裏面照射型センサ"Back-illuminated sensor with boron layer"」の名称で２０１３年３月１０日に出願され、２０１３年１０月１０日に公開された米国特許出願２０１３／０２６４４８１に述べられている。加えて、イメージセンサシステム５０１に組み込むことができる電子衝撃イメージセンサの詳細は、「ＥＢＣＣＤ検出器を用いた電子衝撃電荷結合素子および検査システム “Electron-bombarded charge-coupled device and 検査 systems using EBCCD detectors”」の名称で２０１２年１２月１０日出願され２０１３年６月１３日に公開された米国特許出願２０１３／０１４８１１２に述べられている。両出願は、本明細書に参照として組み込まれる。
図６はイメージセンサシステム５０１（図５）に用いるのに適している代表的な背面薄化イメージセンサ６００の断面を図示する。ある実施形態において、エピタキシ（エピ）層６０２は基板６０１の表側に形成される。ある実施形態において、基板６０１はｐ＋（すなわち、高度にｐ-型にドープされた）基板であり、エピ層６０２はｐ−（すなわち、ｐ-型ドーパントが低濃度である層）エピ層である。ゲート酸化層６０３や窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）ゲート層６０４などの一つ以上の誘電層はエピ層６０２上に形成されていてもよい。イメージセンサ技術のタイプに依るが、各誘電層は一、二、あるいは三層であってもよい。表側の回路要素６０５はゲート層６０４上に形成されていてもよい。表側の回路要素６０５は、エピ層６０２の埋め込みあるいはドーピング部分を含んでおり、ゲート層６０３と６０４のパターニングを含んでいる。表側金属（すなわち、相互接合）６０７は、表側回線要素６０５上に形成することができる。
図６に示されているように、基板６０１は、少なくともある領域において、その裏側表面から薄化でき、それによって電子はエピ層６０２に直接打ち当たることができる。ある実施形態において、純ホウ素層６０６（例えば、およそ２ｎｍ〜２０ｎｍの厚み）は薄葉化された基板６０１上に形成され、エピ層６０２の部分に露出される。幾つかの実施形態において、キャップ層６０８を純ホウ素層６０６上に形成してもよい。キャップ層３０８は、およそ１ｎｍ〜およそ２０ｎｍの間の厚みの金属あるいは半金属の層などの、薄い導電膜３０８を含んでいてもよい。
イメージセンサ６００及びイメージセンサ６００の製造方法のより詳細かつ選択的実施形態については、「ホウ素層を持つ裏面照射型センサ"Back-illuminated sensor with boron layer"」の名称で２０１３年３月１０日に出願された米国特許出願１３／７９２，１６６に述べられている。
図７Ａと７Ｂは、ここで述べられているＰＭＴあるいはイメージセンサと共に用いるのに適した複数の収集システムを持つ代表的な暗視野検査システムを図示している。
図７Ａは、サンプル表面７１１の領域を検査するための照明システム７０１と収集システム７１０を含む典型的な表面検査装置７００を図示している。図７Ａに示されているように、レーザシステム７２０は光線７０２をレンズ７０３を通して当てる。レンズ７０３は、その主面が表面７１１に実質的に平衡になるように配置され、結果として照明ライン７０５が、レンズ７０３の焦平面の表面７１１上に形成される。加えて、光線７０２と集束ビーム７０４は、非―直交の入射角で表面７１１に向けられる。特に、光線７０２と集束ビーム７０４は、垂直方向からおよそ１度から８５度の間の角度で表面７１１に向けられる。このように、照明ライン７０５は実質的に集束ビーム７０４の入射面にある。
収集システム７１０は、照明ライン７０５からの散乱した光を収集するためのレンズ７１２とレンズ７１２から来た光を装置７１４に集束させるためのレンズ７１３を含んでいる。装置７１４は、光感応性検出器のアレイ（ＰＭＴアレイなど）または電子衝撃イメージセンサを含んでいる。好ましい実施形態において、ＰＭＴあるいは電子衝撃イメージセンサは、ここで述べられているホウ素に被覆されたフォトダイオードあるいはホウ素に被覆されたイメージセンサなどのホウ素に被覆された検出器を含んでいる。好ましい実施形態において、ＰＭＴあるいはイメージセンサは、さらにここで述べられているＧａＮまたはケイ素光電陰極を含んでいてもよい。装置７１４内の検出器の一次元アレイは照明ライン７１５に平衡に配置することができる。ある実施形態において、複数の収集システムを含んでいてもよいが、ここで各収集システムは同様の構成要素を含んでおり配置の点で違っている。
例えば、図７Ｂは、表面検査装置用の収集システム７３１、７３２、及び７３３（ここでこの照明システム、例えば、照明システム７０１のものと同様であるものは、単純化のため図示していない）の代表的なアレイを図示している。収集７３１における第一の光学系は表面７１１から第一の方向へ散乱した光を収集する。収集システム７３２の第二の工学系は表面７１１から第二の方向へ散乱した光を収取する。収集システム７３３の第三の工学系は表面７１１から第三の方向へ散乱した光を収取する。第一、第二、及び第三の経路は表面７１１に対する反射角が異なっている。サンプルを支えている発着場７３５は、光学系と表面７１１の間で相対的動きを引き起こすために用いることが 出来それによってすべての表面を走査することが出来る。収集システム７３１、７３２、及び７３３のうち少なくとも一つはここで述べられているような光感応性検知器のアレイ（ＰＭＴのアレイなど）あるいは電子衝撃イメージセンサを含んでいる。２００８年４月２８日に発行されており、本明細書に参照として組み込まれている米国特許７，５２５，６４９に、表面検査装置７００及び他の複数の収集システムが更に詳細に述べられている。
図８は、表面８０１の異常を検査するために用いられる代表的な表面検査システム ８００を図示している。この実施形態において、表面８０１は、レーザビームを発生するレーザシステム８３０の実質的に静止した照明装置によって照らすことができる。レーザシステム８３０の出力は連続的に偏光光学系８２１、ビームエクスパンダ開口８２２、及びビーム形成光学系８２３を通りビームを拡張し集束させる。
得られた集束したレーザビーム８０２は次にビーム折り畳み構成要素８０３とビーム偏向装置により反射され、ビームは表面８０１の方へと向けられる。他の実施形態において、ビーム８０５は、表面８０１に対して斜めの角度を持っていてもよいが、好ましい実施形態においては、ビーム８０５は実質的に、表面８０１に対して垂直あるいは直角である。
ある実施形態において、ビーム８０５は実質的に表面８０１に対して直角又は垂直であり、ビーム偏向装置８０４は、表面８０１からビーム回転構成要素８０３へとビームを鏡面反射させ、それによって鏡面反射が検知器（以下に述べる）へ到達することを防ぐシールドとして作用する。鏡面反射の方向は、サンプルの表面８０１に垂直であるラインＳＲに沿っている。ある実施形態において、ここではビーム８０５は表面８０１に対して垂直であるが、このラインＳＲはビーム８０５の方向と一致しているが、ここで、この通常の参照ライン又は方向は表面検査システム８００の軸と称されている。ビーム８０５ が表面８０１に対して斜めの角度である場合、鏡面反射ＳＲの方向はビーム８０５の入射方向と一致しないし、そのような例では、表面法線の方向を示すラインＳＲは表面検査システム８００の収集部分の主軸と称される。
小粒子によって散乱された光は鏡８０６によって収集され開口８０７及び検出器８０８の方向へと向かう。小粒子によって散乱された光はレンズ８０９によって収集され開口８1０及び検出器８１１へと向かう。収集され検出器８０８へと向かう散乱光をいくつかの大きい粒子が発生させ、同様に収集され検出器８１１へと向かう散乱光をいくつかの小粒子が発生させるが、そのような光は、各検出器が検出するように計画された散乱光の強度に比べると比較的弱いことに留意されたい。ある実施形態において、検出器８０８と８１１のいずれかあるいは両方とも、ここで述べられているＰＭＴ又はＰＭＴのアレイを含んでいてもよい。他の実施形態において、検出器８０８と８１１のいずれかあるいは両方とも、ここで述べられている電子衝撃イメージセンサを含んでいてもよい。ある実施形態において、検査システムはパターン化されていないウエファ上の欠陥を検出するために構成されていてもよい。本明細書に参照として組み込まれる、２０１１年８月７日発行の米国特許６，２７１，９１６に、表面検査システム８００が更に詳細に述べられている。
図９は、垂直および斜めの照明ビームを用いて以上を検出するように構成された代表的な検査システム９００を図示している。この構成において、レーザシステム９３０はレーザビーム９０１を供給する。レンズ９０２は空間フィルタ９０３を通してレーザビーム９０１を収束させ、レンズ９０４は該ビームをコリメートし偏光ビームスプリッタ９０５へと運ぶ。ビームスプリッタ９０５は第一の偏光された成分を垂直照明チャンネル９０６へ渡し、第二の偏光された成分を斜方照明チャンネル９１２へ渡すが、ここで第一および第二の成分は直交偏光されている。垂直照明チャンネル９０６において、第一の偏光された成分は光学系９０７で集束され、サンプル９０９の表面の方へ鏡９０８で反射される。サンプル９０９で散乱された放射は、放物面型鏡９１０によって収集され、検出器９１１へと集束される。検出器９１１はここで述べられているＰＭＴを含んでいる。
斜方照明チャンネル９１２において、第二の偏光された成分は、ビームスプリッタ９０５によってビームを１／２波長板９１４を通して反射させる鏡９１３へと反射され、光学系９１５によってサンプル９０９へ集束される。斜方照明チャンネル９１２において斜方照明ビームから発生しサンプルで散乱された放射も放物面型鏡９１０によって回収されピンホール入口を持つ検出器へと集束される。ピンホールと照明スポット（垂直および斜方照明チャネルからサンプル９０９上の）は、好ましくは放物面型鏡９１０の焦点にある。放物面形以外に曲面化され鏡面化された表面を持つ形もまた用いることができる。
放物面型鏡９１０はサンプル９０９から散乱した放射を平行ビーム９１６へとコリメートする。平行ビーム９１６は、対物レンズ９１７によって分析器９１８を通して 検出器９１１へ集束される。検出器９１１は、ここで述べられている一つ以上のＰＭＴあるいは電子衝撃イメージセンサなどの一つ以上の光感応性検出器を含んでいてもよい。器具９２０はビームとサンプル９０９の間の相対的動きを提供しそれによりサンプル９０９の表面をスポットが走査することができる。本明細書に参照として組み込まれる、２００１年３月１３日発行の米国特許６，２０１，６０１に、検査システム９００が更に詳細に述べられている。
図１０は、垂直入射レーザ暗視野照明を代表的な反射屈折撮像システム１０００に加えて図を示す。暗視野照明は、ＵＶレーザ１００１、検査される表面における照明ビームの大きさ輪郭を制御するための適合光学系１００２、機械的ハウジング１００４の開口と窓１００３、及びレーザを垂直入射する光軸に沿ってサンプル１００８の表面に再入射させるプリズム１００５を含んでいる。プリズム１００５はまたサンプルの表面形からの鏡面反射及び対面レンズ１００６の光学的表面からの反射を画面１００９へ光路に沿って向けることもできる。対面レンズ１００６用のレンズは反射屈折対面レンズ、集束レンズ群、及びズームミングチューブレンズ部分品などの一般的な形で得ることができる。好ましい実施形態において、画面１００９は、ここで述べられている一つ以上のＰＭＴあるいは電子衝撃イメージセンサなどの一つ以上の光感応性検知器を含んでいる。１９９９年１２月７日発行の米国特許５，９９９，３１０および２００７年１月４日に出版された米国出版物２００７／０００２４６５に、反射屈折撮像システム１０００が更に詳細に述べられている。該特許および出版物は本明細書に参照として組み込まれる。
上述の構造、方法、およびシステムの種々の実施形態は、本発明の原理のみを図解するにすぎず、上述の特定の実施形態に本発明の範囲の限定を何ら意図するものではない。例えば、ＰＭＴの光電陰極あるいは電子衝撃イメージセンサは、当該分野で知られている何れかのタイプの光電陰極を含んでいてもよい。他の例において、ここで述べられているＰＭＴあるいは電子衝撃イメージセンサは、ここで述べられている特定のシステムに限らず、いずれの測定法あるいは検査システムにも組み入れることができる。更に別の例において、ここで述べられているＰＭＴあるいは電子衝撃イメージセンサを組み込んでいる検査システムは、ここで例示されているレーザ以外に、レーザ励起プラズ光源あるいはアークランプなどの広帯域光源を用いることもできる。このように、本発明は次の請求項とそれらと同義のものによってのみ制限される。
Claims (8)
- 半導体光電陰極及び
フォトダイオードであって、
ｐ−型にドープされた半導体層と、該ｐ−型にドープされた半導体層の第一の表面に形成されてダイオードを形成するｎ-型にドープされた半導体層と、
該ｐ−型にドープされた半導体層の第二の表面に形成された純ホウ素層と
を含むフォトダイオード
を含む光電子増倍管。 - 該半導体光電陰極が窒化ガリウムを含んでいる、請求項１に記載の光電子増倍管。
- 該半導体光電陰極が更に一つ以上のｐ−型にドープされた窒化ガリウム層を含んでいる、請求項２に記載の光電子増倍管。
- 該半導体光電陰極がケイ素を含んでいる、請求項１に記載の光電子増倍管。
- 該半導体光電陰極が更に少なくとも一つの表面に純ホウ素被覆を含んでいる、請求項４に記載の光電子増倍管。
- 該半導体光電陰極と該フォトダイオードの間のギャップがおよそ１ｍｍ未満である、請求項１に記載の光電子増倍管。
- 該半導体光電陰極と該フォトダイオードの間のギャップがおよそ５００μｍ未満である、請求項６に記載の光電子増倍管。
- サンプルを検査するためのシステムであって、該システムは
光を発生させるためのレーザシステム、
該光をサンプルに向かわせるための第一の構成要素、
一つ以上の検出器、及び
サンプルからの光を該一つ以上の検出器に向かわせるための第二の構成要素を含み、
少なくとも一つの検出器は光電子増倍管を含んでおり、該光電子増倍管は
半導体光電陰極及び
フォトダイオードであって、
ｐ−型にドープされた半導体層と、
該ｐ−型にドープされた半導体層の第一の表面に形成されてダイオードを形成するｎ-型にドープされた半導体層と、
該ｐ−型にドープされた半導体層の第二の表面に形成された純ホウ素層と
を含むフォトダイオード
を含んでいることを特徴とするサンプルを検査するためのシステム。
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