JP2019050213A - ホウ素層を有するシリコン基板を含むフォトカソード - Google Patents

Abstract

【課題】受光面上に導かれる光子に反応して電気信号を発生させるためのフォトカソードを提供する。【解決手段】フォトカソード１００と、アセンブリ内に、フォトカソードによって放出される光電子を収集するように位置決めされた検出素子２１０であって、検出面を有し、フォトカソードによって放出される光電子を検出するように構成されるとともに、検出された光電子に反応して電気信号を発生させるように構成された検出素子２１０と、検出素子２１０の検出面が、介在するギャップ領域によってフォトカソード１００の第１層から分離するように、フォトカソードと検出素子との間に作動的に連結された筐体を備える。【選択図】図５（Ａ）

Description

本願は、２０１２年８月３日出願の”Photocathode With Low Noise And High Quantum Efficiency, High Spatial Resolution Low-Noise Image Sensor And Inspection Systems Incorporating an Image Sensor”と題された米国特許仮出願第６１／６７９２００号に対する優先権を主張する。

本発明は、一般に、半導体ウェハ、レチクル、又はフォトマスク検査システムと関連して用いられる低光感知検出器（センサ）に関し、特に、そのような検査システムのためのセンサにおいて用いられるフォトカソードに関する。

フォトカソードは、光電子増倍管、イメージインテンシファイア、及び電子衝撃型ＣＣＤ（ＥＢＣＣＤ）といった光検出素子において一般的に用いられる負帯電性電極である。フォトカソードは、光の量子（光子）によって衝撃を受けると、光電効果によって吸収された各光子に反応して１つ（又は複数）の電子を発生させる感光性化合物を備える。昨今のフォトカソードにおいて用いられる感光性化合物は通常、アルカリ金属を備える。アルカリ金属の低い仕事関数によって、ホスト画像センサ装置の他の構造による検出のために電子がフォトカソードから容易に抜け出ることができるためである。特に赤外線感光性装置のためのフォトカソードを生成するために、ＧａＡｓ及びＩｎＧａＡｓといった化合物半導体も用いられる。シリコン製のフォトカソードが過去に生成されてきたが、シリコンは光の捕捉において効率が良いが、発生した電子のうちの僅かしかシリコンから抜け出ることができず、全体の能率を低下させるので、目立った商業的使用は見られなかった。

フォトカソードは一般に、伝導フォトカソードと反射フォトカソードとの２つの大きなグループに分けられる。伝導フォトカソードは通常、測定される光の光源に面した窓（例えば、ガラス）の表面上に形成され、フォトカソードを出ていく電子は、検出のためにフォトカソードの出力面を通過する（すなわち、電子は光源から離れるように移動する）。反射フォトカソードは通常、同一の「被照射」面から光が入り電子が出ていく不透明な金属電極基盤上に形成される。反射フォトカソードは、以下で説明するフォトカソードの厚みと感度とのトレードオフの一部を簡単にするが、例えばイメージインテンシファイア及びＥＢＣＣＤ装置のような撮像装置における使用に適さない（しかしそれらは、一部の光電子増倍管構成における使用には適しうる）。従って、以下の説明において「フォトカソード」という用語は、例外が明記されない限り、伝導フォトカソードを指す。

フォトカソードは通常、適切なホストセンサの筐体（例えば、半導体又は真空管）に形成又は装着され、センサ筐体は、被照射面がターゲット光源に面するように（すなわち、フォトカソードが、ホストセンサの電子測定構造と光源との間に位置するように）位置付けられる。光子がフォトカソードによって吸収されると、発生した電子の平均約５０％が、フォトカソードの被照射側面（すなわち、そこを通って光子がフォトカソードに入る、光源に面した側面）に向かって移動する。残りの５０％の光電子は、フォトカソードの出力面へ移動し、光電子が十分なエネルギを有する場合、センサの電子測定構造へ向かって放出される。電子がフォトカソードの出力面から放出されると、それらは通常、ホストセンサ内の電界によってアノードへ向かって加速し、１つ又は複数の光子の捕捉を示す、対応する測定可能な電圧又は電流を生成する。

光電子増倍管は、フォトカソード、アノード、及び一連のダイノード（電極）を含む真空光電管であり、各ダイノードは、連続的に前のダイノードよりも正の電位であり、最後のダイノードよりも高い正電位のアノードを伴う。フォトカソードから放出される光電子は、フォトカソードのダイノード電界によって加速され、大抵、ダイノードに衝突し、それによって後続のダイノード対ダイノードの電界によって加速される複数の二次電子が放出される。これらの二次電子のほぼ全てが別のダイノードに衝突し、更なる電子を発生させる。大抵は複数のダイノードによる複数の増幅段階を経て、最終的に電子はアノードに到達する。従って光電子増倍管は、光子が吸収される度に電流のパルス（すなわち、電荷）を発生させ、適切な方向に光電子を放出する。発生した電荷は多数の電子における電荷と等しいので、利得が十分に高い場合、電子工学のノイズレベルを上回る電荷を発生させることが可能になる。そのため光電子増倍管は、電磁スペクトルの紫外域、可視域、及び近赤外域における光の非常に感度の高い検出器になりうる。これらの検出器は、複数のダイノード段階において、入射光によって生成された電流を１億回分（すなわち、１６０ｄＢ）増幅し、入射光束が非常に低い場合に、（例えば）個々の光子が検出されることを可能にする。

イメージインテンシファイアは、例えば低光プロセスのビジュアル撮像を容易にするため、あるいは、例えば近赤外線すなわち短波長赤外線のような非可視光源を可視に変換するための光学系において検出される光の強度を増加させるために蛍光体を用いる、別の種類の真空管センサ装置である。典型的なイメージインテンシファイアにおいて、フォトカソードから放出された光電子は、高いエネルギ（通常、約１ｋｅＶから約２０ｋｅＶ）を伴って光電子が蛍光体に衝突し、その結果蛍光体が多数の光子を発生させるように、蛍光体に覆われた透明アノードに向かって加速される。いくつかのイメージインテンシファイアにおいて、各光電子から複数の二次電子を発生させるために、フォトカソードと蛍光体との間にマイクロチャネルプレートが配置される。マイクロチャネルプレートがない場合でも、吸収された各光子についてイメージインテンシファイアの出力において複数の光子が発生しうる。放出された光子は、（例えば光ファイバ束又はレンズのような）光学部材によって画像センサへ導かれる。吸収された各光子は、多数の出力光子を発生させることができるので、非常に低い光レベルが検出及び測定され、いくつかの条件下では１つの光子の可能性すらある。

ＥＢＣＣＤは、イメージインテンシファイアと同様に作動する別のセンサである。出力として蛍光体スクリーンの代わりに、例えばＣＣＤのような画像センサが、フォトカソードから放出され電界によって加速された電子を検出するために用いられる。ＥＢＣＣＤにおいて、フォトカソードとＣＣＤとの間の電界を発生させるために約−２ｋＶ以上の電位差を用いることが一般的であり、それによって、フォトカソードによって放出された電子が加速し、高いエネルギでＣＣＤに衝突し、その後捕捉される多数の電子をＣＣＤ内部で発生させる。検出される各光子について複数の電子が発生するので、ＣＣＤの読出し及びダークノイズは、光子の直接的な検出に関する場合よりも重要ではない。イメージインテンシファイアと比べると、ＥＢＣＣＤは、蛍光体から画像センサへ光を伝導するために必要な光学部材にかかる費用が省かれ、それら光学部材によって生じる画像解像度の低下も回避される。

図１１は、窓５３、窓５３の内側表面に配置されたフォトカソード５４、及び、フォトカソード５４が真空ギャップ５６によってＣＣＤ５５から分離されるように筐体５２の下端部に配置された電荷結合素子（ＣＣＤ）５５を含む筐体５２を備える従来のＥＢＣＣＤ５０を示す。ＣＣＤの電圧に対して負である電圧をフォトカソードに加えることによって、フォトカソード５４とＣＣＤ５５との間に電界が生じる。入来する光子６１が窓５３を通って入り、フォトカソード５４によって吸収されることによって、光電子が発生する。光電子６２が、フォトカソード５４の出力側面を通って（すなわち、図面内の下方へ）抜け出るために十分なエネルギを有する場合、光電子６２はギャップ領域５６へ入る。ＣＣＤ５５は、フォトカソード５４に対して通常２ｋＶ以上の正電位にあるので、光電子６２は、約２ｋｅＶを上回るエネルギに達するようにＣＣＤ５５に向かって加速し、それによって光電子は一般に複数の電子をＣＣＤ５５の内部で発生させる。ＣＣＤ５５の内部で発生した電子はその後、検出された光電子に関連する画像又は他のデータを発生させるように構成された処理システム（図示せず）へ（例えば、ピン５７によって）伝導される。

従来技術によるフォトカソードは、光子の吸収と光電子の放出とに関連する、相反する要件の間の困難なトレードオフを必要とする。好適なフォトカソードは、関連する波長において光子を吸収する高い確率と、吸収された光子から１つ（又は複数）の光電子を発生させる高い確率とを有する必要がある。好適なフォトカソードはまた、吸収された光子によって発生したあらゆる光電子がフォトカソードから抜け出る高い確率を有する必要もある。分厚いフォトカソードは、入射光子が吸収される確率を高めるが、その結果放出された光電子が抜け出る前に再結合される（すなわち、失われる）確率も高める。具体的には、再結合は通常、フォトカソードを形成する材料における欠陥又は不純物において生じるので、光電子がフォトカソード材料を通って移動しなければならない距離が長くなると、光電子が欠陥又は不純物に遭遇し、再結合する確率が高くなる。材料は、材料の仕事関数に近いか、又はそれを上回るエネルギを有する光電子のみが材料を抜け出る妥当な確率を有するという理由から、低い仕事関数を有さなければならない。

一般的なフォトカソードは、比較的狭い範囲の波長に関して最適化される。例えば、一般に小さな粒子から散乱する光の量は、他の要因よりもとりわけ粒子又は欠陥のサイズと波長との比に依存するため、紫外線波長は、小さな粒子及び半導体ウェハの欠陥を検出するための半導体製造業において特に有用である。ほとんどのフォトカソード材料が紫外線を強力に吸収する。従来技術による、紫外線波長に関して最適化されたフォトカソードは通常、被照射面の近くで紫外線光子が吸収されるために、薄い必要がある。フォトカソードが薄くない場合、光電子は、フォトカソードの出力面から抜け出る確率が低くなりうる。一般に、蛍光体又は画像検出器に面したフォトカソードの側面において抜け出る光電子のみが出力信号を発生させることになる。紫外線波長に関して最適化されたそのような薄いフォトカソードは、長い波長における入射光子のうちの大半が吸収されずにフォトカソードを通過することにより、一般に可視波長及び赤外波長における低い感度を有することになる。

従来技術によるフォトカソードの別の制限は、放出された光電子のエネルギが、吸収された光の波長によって変化し、紫外線光子が吸収される場合、数ｅＶになりうる点である。光電子が放出される方向はランダムであるので、この電子エネルギは、水平方向における信号の拡散をもたらす。更に、拡散は、吸収された光子の波長によって変化し、波長が短いほど大きくなる。厚いフォトカソードにおいて、光電子は通常、放出される前に複数の衝突を受け、フォトカソードの温度によって決定されるエネルギに近いエネルギを有する可能性が高くなる（すなわち、電子が熱化される可能性が高い）。しかし、電子がフォトカソード内で複数の衝突を受けると、電子は、従来技術によるフォトカソード材料の表面上の及び／又はその内部の高レベルの欠陥によって再結合し失われる可能性が高い。従って、エネルギ拡散の低減は、実質的な感度の低下という代償を払うことになる（ほとんどの入射光子がもはや信号を生成しないことになる）。

１つの結晶の（単結晶）シリコンは、今説明した欠点の多くを克服するように思われる。シリコンは、約１．１μｍよりも短い波長の全てを吸収する。シリコン結晶は、非常に高い純度及び非常に少ない結晶欠陥を伴って成長しうる。高品質の単結晶シリコンにおける電子の再結合寿命は長いマイクロ秒数を有し、最高品質の材料においては何百マイクロ秒にもなりうる。そのような長い再結合寿命によって、表面から何ミクロンも離れて発生した電子が、低い再結合の可能性を伴って表面まで移動することが可能になる。

しかし、多くの利点があるにも関わらず、商用目的のシリコンベースのフォトカソードの開発は、２つの主な欠点によって妨げられてきた。

シリコンの１つの欠点は、光子の吸収によって発生する光電子の放出を妨害する比較的高い仕事関数（アレン（Allen）及びゴベルリ（Gobelli）著、「原始的に清浄なシリコンの仕事関数、光電子閾値、及び表面状態」（”Work Function, Photoelectric Threshold, and Surface States of Atomically Clean Silicon”）、１９６２年１月発行のフィジカル・レビュー１２７巻、１５０−１５８頁、によると約４．８ｅＶ）を有することである。材料の仕事関数は、フェルミ準位における電子と真空準位における（すなわち、材料から抜け出た）電子との間のエネルギ差である。シリコンの比較的大きいバンドギャップは、熱化された電子がシリコンから抜け出ることができないことを意味する。シリコンの表面近くで吸収された紫外線光子でさえ、光電子が抜け出るために十分なエネルギを有さないために、多くの光電流を生成しない。例えば、６．５ｅＶの光子エネルギは、（直接的な吸収は、そのような波長における間接的な吸収より起こりやすいので）約３ｅＶのエネルギを有する光電子を生成する。約３ｅＶのエネルギを有する光電子は、シリコンの仕事関数により、シリコンから抜け出ることができない。

フォトカソード材料としてシリコンを用いることの第２のより深刻な問題は、シリコンは、その表面に自然酸化物を非常に生じ易いことである。真空状態でさえ、真空において存在する少量の酸素及び水分がシリコンの表面と反応すると、自然酸化物がやがて生じることになる。シリコンと二酸化シリコンとの間の境界面は、電子の再結合の可能性が非常に高い、（ダングリングボンドによる）欠陥を有する。更に、二酸化シリコンのバンドギャップは大きく（約８ｅＶ）、酸化物が非常に薄い場合ですら（非常に滑らかなシリコン表面上の自然酸化物は通常約２ｎｍの薄さである）、電子が抜け出るために克服しなければならない仕事関数を上回る更なる障害をもたらす。酸化物境界面に対するシリコンにおける欠陥密度は、自然酸化物を除去し、例えば約９００−１０００℃といった高温で熱酸化物を増大させることによって低減されうる。そのような層は、約１．５ｎｍから２ｎｍの厚さまで増大した場合、安定しうる。しかし、良質の熱酸化物は、シリコンとの境界面において著しい欠陥密度（通常、ｃｍ^２あたり１０^９から１０^１１の欠陥）を有し、２ｎｍ付近の最小限の厚みで結合した酸化物の高いバンドギャップはやはり、仕事関数を克服することができても電子が抜け出ることに対する著しい障害を与える。シリコンにおける自然酸化物層の増大を防ぐために薄い窒化シリコン層が用いられうるが、欠陥の密度は、二酸化シリコン境界面に対するシリコンよりも窒化シリコン境界面に対するシリコンにおいて高く、窒化シリコンに関するバンドギャップ（約５ｅＶ）は、大半の電子が表面から抜け出るのを妨げるのに十分なほど大きい。これらの理由により、シリコンは、フォトカソードとしての目立った商業的使用が見られなかった。

米国特許出願公開第２００６／００５５３２１号

従って、必要とされるのは、従来技術の制限の一部あるいは全部を克服するフォトカソードである。

本発明は、シリコン基板、シリコン基板の少なくとも出力面上に形成されたホウ素（第１）層、及びホウ素層の上に形成された低仕事関数（第２）層を含むフォトカソード構造に関する。シリコン基板は、捕捉するべき光の波長に部分的に依存する約１０ｎｍから約１００μｍの範囲の厚みを有する基本的に無欠陥の単結晶（１つの結晶の）シリコンであることが望ましい。ホウ素層は、１−５ｎｍ（好適には約２ｎｍ）の範囲内の厚みを有するピンホールフリーホウ素層を生成するように、清浄かつ滑らかなシリコンの上に（例えば、約６００℃から８００℃の間の）高温堆積処理を用いて形成されることが望ましく、それによって、ホウ素層は、酸化に対してシリコン表面を確実に密封することによってシリコンの酸化の問題を回避する。低仕事関数材料（例えば、セシウムのようなアルカリ金属か、あるいは酸化セシウムのようなアルカリ金属酸化物のいずれか）がその後、シリコン基板からの電子の放出を可能にするためにホウ素層の上に堆積され、それによって低仕事関数材料層は、負電子親和素子を効率的に生成することによってシリコンの比較的高い仕事関数の問題を回避する。このように、単結晶シリコン基板の上に形成された滑らかなホウ素層及び低仕事関数材料層の両方を有するフォトカソードを生成することによって、本発明は、シリコンベースのフォトカソードの広範な商業的使用を妨げていたマイナス面を回避しつつ、シリコンの有益な性質（すなわち、サブ−１μｍ波長の吸収、高い純度／少ない欠陥の材料、及び長い電子再結合時間）を提供する。

本発明の様々な他の実施形態によると、創意的なフォトカソード構造の有益な性質を更に高めるために様々な追加の層及び構造が用いられる。いくつかの実施形態において、光子の吸収を低減しうる酸化物及び欠陥を更に防止するために、シリコン基板の被照射（第１）面上に第２のホウ素層（第３層）が形成され、光子の吸収を更に増やすために第３層の上に反射防止材料層（第４層）が配置される。いくつかの実施形態において、電子を出力面に向かって優先的に移動させるためにシリコン基板の被照射面と出力面との間に外部電位差を発生させるために、金属フレーム又は金属グリッド及び電圧源が用いられる。また別の実施形態において、電子が再結合し失われうる被照射シリコン表面から離すように電子を導く電位勾配を生じさせるために、ホウ素（又は別のｐ型ドーパント）は、ｐ型ドーパント領域を形成するように被照射面を介してシリコン基板内へ拡散される。

別の特定の実施形態によると、本発明の創意的なフォトカソード構造は、優れた低光感知性能を示すセンサを提供するために様々なセンサ構造に組み込まれる。（センサの受光面に隣接して位置付けられた）フォトカソードに加え、これらのセンサ構造は、フォトカソードの出力面に面し、かつ介在するギャップによって低仕事関数材料層から分離された検出面を有する検出素子（例えば、ＣＣＤ又はＣＭＯＳ画像センサ）を含み、検出素子は、フォトカソードの出力面を介して放出された光電子を検出し、光電子の捕捉を示す電気信号を発生させるように機能する。いくつかのセンサ実施形態において、センサ構造は、フォトカソードの頂部に窓を有してよい（又は有さなくてもよい）電子衝撃型電荷結合素子（ＥＢＣＣＤ）である。本発明の他の実施形態において、センサは、フォトカソードの頂部に窓を有してよい（又は有さなくてもよい）イメージインテンシファイアである。本発明のまた別の実施形態において、センサは、フォトカソードの頂部に窓を有してよい（又は有さなくてもよい）光電子増倍管である。

いくつかのセンサ実施形態において、被照射面における酸化物の形成を防ぐためにフォトカソードの被照射面上に第２のホウ素層が形成され、光子の捕捉効率を高めるために第２のホウ素層の上に反射防止材料層が提供される。これらの実施形態のうちいくつかにおいて、反射防止材料層は、窓とフォトカソードとの間に配置されるが、他の実施形態では、反射防止材料層もセンサの受光面として機能し（すなわち、センサはフォトカソードの被照射面の上に窓を有さない）、センサによる光子の捕捉効率を更に高める。フォトカソードの被照射面の上に窓を含む他のセンサ実施形態において、光子捕捉効率を高めるために反射防止材料層が窓の上に提供される。

本発明のいくつかの実施形態において、本発明のフォトカソードを含むセンサは、受光面上に追加のホウ素層を有する（すなわち、検出素子の表面がフォトカソードに面する）シリコンベースの検出素子も含む。例えば、センサが電子衝撃型ＣＣＤ（ＥＢＣＣＤ）であり検出素子が（通常、シリコン基板上に形成される）ＣＣＤである場合、ＣＣＤの受光面における二酸化シリコン層の形成を防ぐことによってセンサの電子捕捉効率を高めるために、製造中、ＣＣＤの受光面上に直接ホウ素層が形成される。他の実施形態において、センサは、（ＣＣＤの代わりに）ＣＭＯＳ検出器を含み、ＣＭＯＳ検出器の受光面上に追加のホウ素層が形成される。

本発明の他の実施形態において、創意的なフォトカソードを含むセンサは、ウェハ、レチクル、又はフォトマスク検査システムにおいて用いられる。具体的には、創意的なシステムは、サンプル／ウェハ上に光を送るための照明源（例えば、レーザシステム）、サンプル／ウェハを通過する又はそれらによって反射した光子を検出するために本明細書で説明される創意的なフォトカソードのうちのいずれかを用いる１つ又は複数のセンサ（例えば、光電子増倍管、イメージインテンシファイア、又はＥＢＣＣＤ）、及び、照明源からサンプル（ウェハ、レチクル、又はフォトマスク）へ、及びサンプルからセンサへ光／光子を導くための関連光学系を含む。

本発明は、添付の図面において、限定的にではなく一例として示される。

本発明の簡略化した実施形態に従ってシリコン基板上に形成されたフォトカソードを示す断側面図である。 本発明の別の特定の実施形態に従ってシリコンフォトカソードを示す断側面図である。 本発明の別の特定の実施形態に従ってシリコンフォトカソードを示す断側面図である。 本発明の別の特定の実施形態に従ってシリコンフォトカソードを示す断側面図である。 本発明の別の典型的な実施形態に従って形成されたフォトカソードのシリコン基板上に形成されたドーピング及び追加の構成を示す拡大された部分断側面図である。 本発明に従って形成されたフォトカソードのシリコン基板の内側の典型的な電子エネルギレベルを示すエネルギ図である。 本発明の別の特定の実施形態に従うフォトカソードを含む典型的なセンサを示す断側面図である。 本発明の別の特定の実施形態に従うフォトカソードを含む典型的なセンサを示す断側面図である。 本発明の別の特定の実施形態に従うフォトカソードを含む典型的なセンサを示す断側面図である。 本発明の別の実施形態に従う検査システムを示す簡略化した図である。 本発明の更なる実施形態に従う検査システムを示す簡略化した図である。 本発明の更なる実施形態に従う検査システムを示す簡略化した図である。 本発明の更なる実施形態に従う検査システムを示す簡略化した図である。 本発明の更なる実施形態に従う検査システムを示す簡略化した図である。 本発明の別の実施形態に従う別の検査システムを示す簡略化した図である。 本発明の別の実施形態に従う別の検査システムを示す簡略化した図である。 本発明の別の実施形態に従う別の検査システムを示す簡略化した図である。 従来のセンサを示す断側面図である。

本発明は、半導体検査システムのための低光センサにおける改善に関する。以下の説明は、特定の応用及びその要件の文脈において提供されるように、当業者に、本発明の製造及び利用を可能にさせるために提示される。本明細書において用いられる場合、例えば「頂部」、「底部」、「上の」、「下の」、「上へ」、「上方へ」、「低い」、「下へ」及び「下方へ」といった方向を示す用語は、説明目的のために相対的な位置を提供することが意図されており、絶対的な構造の言及を示すことは意図されていない。好適な実施形態への様々な変更が当業者には明らかとなり、本明細書で定義される一般原理は他の実施形態にも適用されうる。従って本発明は、図示及び説明された特定の実施形態に限定されることは意図されておらず、本明細書に開示された原理及び新規特徴と整合が取れた最も広い範囲に一致する。

図１は、本発明の一般化された実施形態に従うフォトカソード１００を断面図で示す。フォトカソード１００は一般に、上向きの被照射（上／第１）面１０２及び反対側の下向きの出力（底／第２）面１０３を有するシリコン基板１０１と、少なくとも出力面１０３上に配置されたホウ素（第１）層１０４と、ホウ素層１０４の下面に配置された低仕事関数（第２）層１０５とを含む。フォトカソード１００は、正しく位置付けられた場合、被照射（上）面１０２を通ってシリコン基板１０１へ入る光子１１０が吸収され、通常、出力面１０３を通って基板１０１から放出される光電子１１２を生成する、という点において、従来のフォトカソードと同様に作動する。但し、図１は被照射面１０２上に窓及び／又は保護被覆及び／又は反射防止被覆が任意選択的に存在することを示すために、被照射面１０２を囲む斜線の構造を示し、それらのうちいくつかは、以下で説明する様々な特定の実施形態において扱われる。

本発明の態様によると、シリコン基板１０１は好適には、約１０^１９ｃｍ^−３を下回るレベル、すなわち、約０．００５Ωｃｍ以上の抵抗率のドーピングによってドープされたｐ型の単結晶シリコン（すなわち、１つの結晶のシリコン）を備える。ドーパント濃度が高くなると少数キャリア寿命及び拡散距離が減少するので、例えば約１μｍよりも薄いシリコンのようにシリコンが非常に薄い場合、約１０^１９ｃｍ^−３より高いドーパント濃度が用いられうるが、シリコンが約１μｍよりも厚い場合、約１０^１９ｃｍ^−３より低いドーパント濃度が好適になりうる。他の実施形態において、シリコン基板１０１は、多結晶質シリコン、すなわち複数の結晶のシリコンを備える。フォトカソードの意図された波長動作範囲に依存して、シリコンは、約１０ｎｍから約１００μｍの間の厚さであってよい。シリコン基板１０１は、約１．１ｅＶのバンドギャップを示すので、約１．１μｍより短い真空波長を有する光が吸収される。シリコン基板１０１の１．１ｅＶのバンドギャップは間接であるので、スペクトルの赤色及び赤外部分における波長の吸収は弱い。シリコン基板１０１は約３．５ｅＶの直接バンドギャップも有するので、深い紫外線波長を強力に吸収する。フォトカソード１００の意図された使用目的に依存して、シリコン基板１０１は、約２０ｎｍから約１００μｍの範囲の厚みＴ１を有する。例えば、スペクトルの赤外部分において光子を吸収する高い確率を容易にするために、シリコン基板１０１は、約１０μｍ又は数十μｍの厚みＴ１を持つように形成される。あるいは、紫外線波長を吸収するために、シリコン基板１０１は、数十ｎｍから約１００ｎｍの範囲の厚みＴ１を持つように形成される。実用的な実施形態において、シリコン基板１０１は、真空紫外線から可視スペクトルの赤端付近の約６７０ｎｍまでの波長範囲にわたって無反射入射光子の少なくとも８５％を吸収するために、約１μｍの厚みＴ１を有する。シリコン基板１０１が、周知の技術を用いて非常に低い結晶欠陥の密度及び高い純度で増長された単結晶（１つの結晶の）構造を備える場合、シリコン基板１０１の内部で発生した光電子は、数十又は数百マイクロ秒（μｓ）の潜在寿命を有する。更に、単結晶構造により、光電子は、余分なエネルギの大半を損失し、再結合の低い可能性を伴って部分的に又は大部分が熱化する。

本発明の別の態様によると、ホウ素層１０４は、シリコン基板１０１の出力面１０３上に直接的に配置された実質的に純粋なホウ素を備える。本明細書において用いる場合、ホウ素とシリコンとの境界面に関連する「直接」という語句は、Ｓｉ／Ｂ境界面において生じうる可能性があるＳｉＢ_ｘの薄い層（すなわち、少量の単一層）ではなく、出力面１０３とホウ素層１０４とを分離する持続的に介在する層（例えば、酸化物又はＳｉＮ_ｘの層）が存在しないことを意味するように意図される。但し、「直接的に」という語句は、シリコンとホウ素の一部との間の酸化物の存在を除外するものではない。ホウ素層１０４は、ホウ素が、約１ｎｍから５ｎｍ、好適には約２から３ｎｍの範囲内の厚みＴ２を有するピンホールフリー被覆を形成するように、Ｆ．サルッビ（F.Sarubbi）等の「調整されたナノメートル深のｐ＋ｎ接合形成のためのシリコンにおけるα−ホウ素層の化学蒸着」（”Chemical Vapor Deposition of α-Boron Layers on Silicon for Controlled Nanometer-Deep p+n Junction Formation”）（ジャーナル・オブ・エレクトロニック・マテリアルズ（Journal of Electronic Materials）, ３９巻、第２号（２０１０年２月）、１６２−１７３頁、ＩＳＳＮ０３６１−５２３５）によって教示された技術を用いて高い温度（すなわち、約５００℃を上回る、好適には約６００℃から８００℃の間の温度）で、清浄かつ滑らかなシリコン上に形成される。サルッビ等が引用文献の１６３頁で説明するように、例えばホウ素を堆積させる前に水洗浄及びその後の原位置熱浄化によってシリコンから全ての自然酸化物を除去することが重要である。ホウ素のより低い温度による堆積も可能であるが、被覆が均一でなくなり、２ｎｍより厚いコーティングは、ピンホールフリーであることを確かめる必要があるだろう。ホウ素層１０４の利点は、清浄なシリコン表面に付加された場合、そのようなピンホールフリーコーティングが、出力面１０３における自然酸化物の形成を防ぐことである。シリコン基板１０１と低仕事関数材料層１０５（例えば、アルカリ金属又はアルカリ金属酸化物）との間にホウ素層１０４を提供することの利点は、ホウ素が、低仕事関数材料とシリコンとの間に二酸化シリコン層が生じるのを防ぐことである。上述したように、二酸化シリコン層は高いバンドギャップを有し、薄い層でも、電子の大部分がシリコンから離れることを妨害しうる。従ってホウ素層によって、低いエネルギを有する電子でも、シリコンから離れ、アルカリ金属又はアルカリ金属酸化物の層へ入ることが可能になる。例えば酸化セシウムのような低仕事関数材料を用いてシリコンフォトカソードを被覆することは当該技術において周知であるが、従来技術による装置は、シリコン層が被覆された時に酸化物を伴わない場合でも、シリコンと低仕事関数材料との間に二酸化シリコン境界面が生じることを回避することができなかった。すなわち、シリコン上の不浸透性ピンホールフリー保護層がない場合、酸素は結局シリコン表面へ移動し、酸化物層を形成する。ホウ素を用いて層１０４を形成する利点は、薄いピンホールフリーホウ素層ですら、酸素を浸透させずシリコンを保護することである。ホウ素コーティングの別の利点は、シリコンとホウ素との境界面における界面トラップ及び欠陥の密度が、シリコンと二酸化シリコンとの境界面におけるそれよりも一般的に低いことである。

本発明の別の態様によると、出力面１０３において負電子親和素子を生成することによって出力面１０３における仕事関数を低下させるために低仕事関数材料層１０５が提供される。一実施形態において、低仕事関数材料層１０５は、電子がシリコン基板１０１から容易に抜け出ることを可能にする低い仕事関数を有するアルカリ金属又はアルカリ金属酸化物のうちの少なくとも１つを備える。本発明の実施形態において、アルカリ金属又はアルカリ金属酸化物は、ホウ素層１０３の上端（すなわち、フォトカソード１００の出力側）において被覆する。いくつかの実施形態において、それらのアルカリ金属又はアルカリ金属酸化物は、セシウム又は酸化セシウムである。他の実施形態において、他のアルカリ金属、他のアルカリ金属酸化物、様々なアルカリ金属又はアルカリ金属酸化物の混合物が用いられる。いくつかの実施形態において、（複数の）アルカリ金属又は（複数の）アルカリ金属酸化物に他の要素が追加される。好適な実施形態において、アルカリ金属又はアルカリ金属酸化物の層１０５は、約２ｎｍを下回る厚みＴ３を有する。いくつかの実施形態において、層１０５は、約１ｎｍを下回る厚みである。セシウム及び酸化セシウムの層は、何十年もの間、半導体フォトカソードにおいて負電子親和面を生成するために用いられてきた。最近の記述は、２００９年８月７日付のＢ．Ｓ．ヘンダーソン（B.S.Henderson）による「負電子親和ＧａＡｓフォトカソードの研究」（”Study of Negative Electron Affinity GaAs Photocathodes”）と題された報告書において見ることができる。

図２（Ａ）から２（Ｃ）は、本発明の様々な別の実施形態に従う創意的なフォトカソードを示し、それらにおいて、創意的なフォトカソード構造の有利な特質を更に高めるために追加の層及び構造が用いられる。例示された典型的な実施形態は、網羅的であることは意図されておらず、以下で説明する追加の層及び構造の組み合わせを含むフォトカソードが可能であることが分かる。

図２（Ａ）は、第１の代替実施形態に従うフォトカソード１００Ａを断面図で示す。上述した構造と同様に、フォトカソード１００Ａは、出力面１０３上に配置されたホウ素層１０４と、ホウ素層１０４の上に配置された低仕事関数層１０５とを有するシリコン基板１０１を含む。更に、フォトカソード１００Ａは、ホウ素層１０３の形成に関して上述した技術を用いてシリコン基板１０１の上向きの被照射（第１）面１０２上に形成された第２のホウ素層（第３層）１０６を含む。ホウ素は紫外線波長において吸収するが、約３ｎｍ以下の厚みＴ４を有する第２のホウ素層１０６を形成することによって、入射光子のうちの僅かしか吸収されない。更に、ホウ素はシリコンにおけるｐ型ドーパントであるため、ホウ素被覆の存在は、被照射面１０２から光電子を引き離す傾向がある。そのため、被照射面１０２における電子の再結合の可能性が低減することによってフォトカソード１００Ａの効率が向上する。図３に関連して以下で説明するように、表面において非常に浅い層でｐ型ドーパントを注入することによって同様の結果に達することができる。本発明の他の実施形態（図示せず）において、被照射面１０３はホウ素層によって保護されていないが、代わりにホウ素（又は別のｐ型ドーパント）は被照射面１０２の下のシリコンに注入（拡散）される。被照射面における酸化物被覆の存在は、量子効率の著しい低下を必要とせず、酸化物の厚みを適切に選択することによって、関連する波長におけるシリコンの反射率を有効に低減することができる。

図２（Ｂ）は、シリコン基板１０１、出力面１０３上に配置された下側ホウ素層１０４、ホウ素層１０４の上に配置された低仕事関数層１０５、及び被照射面１０２上に配置された上側ホウ素層１０６を含む、第２の代替実施形態に従うフォトカソード１００Ｂを断面図で示す。フォトカソード１００Ｂは、上側ホウ素層１０６の上に配置された１つ又は複数の反射防止被覆層（第４層）１０７を更に含むという点において、上述した実施形態と異なる。反射防止被覆層１０７は、二酸化シリコン、窒化シリコン、フッ化マグネシウム、及び二酸化ハフニウム（に限定されないがそれら）を含む、紫外線及び深紫外線反射防止層のために使用できる材料を用いて形成される。紫外線波長における高い量子効率を必要とするフォトカソードの場合、紫外線光子は被照射面１０２付近で吸収されるので、被照射面１０２及びその付近におけるトラップ電荷及び欠陥の密度は低く維持されなければならない。上述したように、シリコン基板１０１の表面を直接的に覆うあらゆる誘電物質は、誘電物質の大部分及びその表面において欠陥及びトラップ電荷を生じ、特に表面付近で吸収される深紫外線波長に関して、フォトカソードの量子効率を低下させることになる。まず薄い（例えば、約２ｎｍから５ｎｍの）ピンホールフリー層として上側ホウ素層１０６を形成することによって、被照射面１０２は、基本的に欠陥及びトラップ電荷がない状態を維持し、フォトカソード１００Ｂは、反射防止被覆層１０７によって提供される改善された高い量子効率を含む。また上側ホウ素層１０６は、反射防止被覆層１０７の上に配置されるあらゆる追加の層におけるトラップ電荷からシリコン基板１０１を少なくとも部分的に保護することもできる。

図２（Ｃ）は、シリコン基板１０１、出力面１０３上に配置された下側ホウ素層１０４、ホウ素層１０４の上に配置された低仕事関数層１０５、及び被照射面１０２上に配置された上側ホウ素層１０６を含む、第３の代替実施形態に従うフォトカソード１００Ｃを示す。フォトカソード１００Ｃは、シリコン基板１０１において生じる電子を出力面１０３に向かって優先的に移動させるために、被照射面１０２と出力面１０３との間の外部電位差を発生させるように外部電圧源１２０が接続されたという点において、上記実施形態と異なる。この実施形態において、出力面１０３は、被照射面１０２に対して正電位で保持される。基板１０１を形成している大量にドープされたシリコンは弱い導体であるため、被照射面１０２と出力面１０３との間の適切な（例えば、約５Ｖを下回る）電位差の発生は、出力面１０３を通る光電子の高速な流れを発生させるために役立つ。いくつかの実施形態において、フォトカソード１００Ｃの相対する面の良好な電気接続を確実にするために、フォトカソードの端部周囲の金属縁（図示せず）又はまばらな金属グリッド１０８−１及び１０８−２が上側ホウ素層１０６及び低仕事関数層１０５の上にそれぞれ形成される。

図３は、シリコン内の光電子を出力面１０３の方へ向かわせるために、ドーパントのグラデーションが、被照射面１０２及び出力面１０３の一方又は両方から基板１０１内へ意図的に広げられた、本発明の別の実施形態に従うフォトカソード１００Ｄの断面図を示す。簡潔に示すために低仕事関数材料層は省かれる。示された実施形態（すなわち、被照射面１０３が上側ホウ素層１０６によって覆われた実施形態）において、薄いケイ化ホウ素層１２６がシリコンとホウ素との間に形成される。ホウ素の一部は、（影で表す領域によって示される）拡散領域１０１−１を成すようにシリコン内部へ広がることによって、電子を被照射面１０２から離し基板１０１の方へ動かすことに寄与する電位勾配が生じる。被照射面にホウ素被覆を有さない本発明のこれらの実施形態において、例えばホウ素のようなｐ型ドーパントは、拡散領域１０１−１を成すために、被照射面からシリコン内部へ注入又は拡散される。同様に、出力面１０３において、シリコン基板１０１とホウ素層１０４との間に非常に薄い（１つ又は少数の単一層の）ケイ化ホウ素層１３４が形成され、ホウ素の一部は、（影を付けて示された）拡散領域１０１−１を成すようにシリコン内部へ短い距離を拡散する。いくつかの実施形態において、拡散層１０１−２は、出力面１０３付近の電界の勾配を変更するために、シリコン内部へ注入される他のｐ型又はｎ型ドーパントを備えてよい。

図４は、上述した実施形態に従って形成された典型的な創意性のあるフォトカソードの断面における電子位置の関数として典型的なエネルギレベルを示す図である。垂直方向はエネルギを表す。但し、この図は一定の縮尺ではなく歪みがあり、フォトカソードの重要な態様をより明確に示すために、いくつかの態様が強調される。フォトカソード４１０の被照射（上）面が左側に示され、出力（底）面４１２が右側に示される。点線４０２は、外部電圧がフォトカソードに加えられていない場合のフォトカソードにおけるフェルミ準位を表す。外部電圧が加えられていない場合、フェルミ準位は基本的に、フォトカソードのどの部分でも同一である。

線４０３は、半導体における価電子帯の頂部を表す。フォトカソードの被照射面４１０は、顕在するドーピングあるいは表面のホウ素被覆（存在しても僅か数ｎｍの厚みなので図示せず）からのホウ素の拡散のいずれか、又はその両者によって、大幅にｐドープされている。表面付近の大幅なｐ型ドーピングによって、フェルミ準位は、価電子帯の頂部のすぐ上である。例えば、高いレベルのホウ素ドーピングの場合、フェルミ準位と価電子帯の頂部とのギャップは約０．０４５ｅＶ程度に小さくなるはずである。表面から離れてドーピング濃度が下がるにつれ、フェルミ準位と価電子帯の頂部とのギャップは大きくなり、それによって、矢印４２０によって示すように伝導帯及び価電子帯は表面から離れると下へ曲がる。

線４０４は、伝導帯の底部を表す。伝導帯の底部と価電子帯の頂部との間の差分はバンドギャップと呼ばれる。シリコンの場合、バンドギャップは約１．１ｅＶであるが、ドーパント濃度が高い場合は低減する。光子の吸収によって自由電子が生成された場合、その電子は伝導帯の中に存在する。電子は初めに、光子のエネルギとバンドギャップとの差分に概ね等しいエネルギを伴って生成される。シリコンにおいて、余分なエネルギは大抵急速に失われるので、電子は、伝導帯の底部に近いエネルギに迅速に達する。伝導帯において矢印４２０によって示される下方への傾斜が非照射面に近いため、その表面付近で生成されたあらゆる電子は、その表面から迅速に離れていき、被照射面４１０又はその付近に存在するあらゆる欠陥において再結合する可能性が低い。深紫外線光子は、数ｎｍの被照射シリコン面４１０に非常に吸収されやすいので、表面付近のこのドーパントプロファイルによって深紫外線波長におけるフォトカソードの高い量子効率が可能になる。

フォトカソードの第２の表面４１２は、上述したように、シリコンに直接接する薄いホウ素層の上を低仕事関数材料によって被覆される。低仕事関数材料は伝導性であるので、そのフェルミ準位は伝導帯の中にある。これは、フェルミ準位と伝導帯との合流点として実線４２５によって示される。ホウ素層及び低仕事関数層の両方が僅か数ｎｍの厚さであるので、それらは１つの組み合わさった導電層として示される。上述したように、ホウ素の一部はシリコン内部へ拡散し、表面付近にｐ型シリコンを生成する。いくつかの実施形態において、追加のドーパントがシリコンに含まれうる。電子は、低仕事関数材料からｐ型ドープシリコンへ移動することによって自身のエネルギを低減しうる。それによって、表面４１２に正電荷が生じる。この正電荷により、伝導帯及び価電子帯は４２２で示すように下へ曲がる。４２２に示す伝導帯及び価電子帯における傾斜の形状は、シリコン表面４１１から離れてシリコン内部へ向かうドーパント濃度プロファイルと、低仕事関数材料からシリコン内部への電子の移動によって生じる空乏領域との両方が存在することにより、単調にはならない。ドーパント濃度プロファイルの精密な形状に依存して、表面付近の伝導帯及び価電子帯のエネルギ曲線における小さい局所極小又は極大が存在しうる。単調な形状からのそのような小さな偏差は、素子の高さが僅か１０分の何ｅＶかであり、及び／又は任意の最大の幅が僅か数ｎｍである場合、素子の性能に著しい影響は与えない。

点線４０５は、真空エネルギレベルを表す。４０５と４２５との差は、フォトカソード表面４１２に接する低仕事関数材料の仕事関数を表す。いくつかの好適な実施形態において、低仕事関数材料の仕事関数は、真空レベル４０５が、シリコン内部の伝導帯の実質的に平坦な領域のエネルギレベルを下回るのに十分なほど低い。その結果、負電子親和素子として知られるものが生じる。シリコンの伝導帯の中にある電子は、表面４１２から容易に抜け出ることができるので、効率的なフォトカソードをもたらす。真空レベル４０５が、シリコン内部の伝導帯の実質的に平坦な領域を上回る１０分の何ｅＶかである場合でも、抜け出る電子の可能性は未だ非常に高くなりうる。真空レベル４０５がシリコン内部の伝導帯の実質的に平坦な領域を上回る場合、電子は、表面４１２が表面４１０と比べて僅かに正になっている場合、表面４１２から容易に抜け出ることができる。

表面４１０に対して正の電圧を表面４１２へ加えることにより、左から右へのフェルミ準位の傾斜の下りがもたらされ、伝導帯及び価電子帯に本来備わっている傾斜に同様の傾斜が追加されることになる。それによって、表面４１０から表面４１２へ向かって移動している電子が加速し、抜け出る高い可能性を有するために十分なエネルギを伴って表面４１２へ到達することができるだろう。

シリコンをベースとする従来技術のフォトカソードにおいて、シリコンの表面４１１上に薄い酸化物の層が存在するだろう。この酸化物は、僅かに約２ｎｍほどの厚さであるが、抜け出ようとするあらゆる電子に対する実質的な障害を意味する。二酸化シリコンのバンドギャップは、約８ｅＶである。そのような大きなバンドギャップの結果、シリコン内部の伝導帯よりも数ｅＶ高い伝導帯中の局所ピークが生じる。表面４１１上のホウ素層は、シリコン表面に酸素又は水分が及ぶのを防止し、酸化物層の増大を防ぐので、効率的なフォトカソードを可能にする。

図５（Ａ）から５（Ｃ）は、別の特定の実施形態に従う様々なセンサ構造を示す簡略化された断面図であり、センサの実施形態の各々は、上述した実施形態のうちの少なくとも１つに従う創意的なフォトカソード構造を含むので、例えば半導体検査システムにおいて用いることができる優れた低光感知性能を有するセンサを提供する。図５（Ａ）から５（Ｃ）に示す簡略化されたセンサ構造はＥＢＣＣＤ型センサと整合するが、図示されたセンサ構造は他のセンサ構造（例えば、イメージインテンシファイアセンサ又は光電子増倍管センサ）にも同様に適用可能であることが分かる。

図５（Ａ）は、本発明の第１のセンサ実施形態に従うセンサ２００Ａを断面図で示す。センサ２００Ａは一般に、上述したシリコンフォトカソード１００と、検出素子２１０（例えば、ＣＣＤ又はＣＭＯＳ画像センサ）と、検出素子２１０の検出表面２１２が、介在するギャップ領域２０６によってフォトカソード１００の低仕事関数材料（第２）層１０５から分離されるように、フォトカソード１００と検出素子２１０との間に作動的に連結された筐体２１０とを含む。フォトカソード１００は、センサ２００Ａの受光面２０３Ａに隣接して配置され、かつ被照射面１０２が検出素子２１０の外方へ向くように配置され、それによって、フォトカソード１００が発光（例えば、光子１１０）を受け、介在するギャップ領域２０６を介して検出素子２１０へ光電子１１２を放出するようにフォトカソード１００を方向付ける。図１に関連して上述したように、フォトカソード１００は、（例えば、単結晶の）シリコン基板１０１の出力（第２）面１０３上に形成されたホウ素（第１）層１０４、及びホウ素層１０４の上に配置された低仕事関数材料層１０５を有することによって特徴付けられる。ほとんどのＣＣＤ及びＣＭＯＳ画像センサ素子と同様、検出素子２１０は、光電子１１２を検出するための感知構造と、検出された光電子に応じて（例えば、１つ又は複数の出力ピン２１７による方法で）電気信号Ｓを発生させるための回路とを含む。

例示した実施形態の態様によると、フォトカソード１００は、内部が空にされた包体（すなわち、主に真空で満たされたギャップ領域２０６）に関して、筐体２０２Ａの側壁及び他の部分と合わせて、非伝導性又は高抵抗性のガラス又はセラミック製窓２０４Ａに接着あるいは密閉封着されている。１つの特定の実施形態において、窓２０４Ａとフォトカソード１００との接着は、フォトカソード１００の端部周囲に配置された二酸化シリコン層によって形成される。いくつかの実施形態において、フォトカソード１００のシリコン基板１０１は、数十ミクロンから数百ミクロンの厚さであってよい。そのような厚みは、フォトカソードの上面に窓がなくても、外部からの気圧による力に十分に耐えるほど強い。窓２０４Ａを形成するために用いるのに適した材料は、融解石英、石英、アルミナ（サファイア）、フッ化マグネシウム、及びフッ化カルシウムを含む。

第１のセンサ実施形態の別の態様によると、適切な電圧源２２０がセンサ２００Ａに作動的に接続されると、検出素子２１０に向かってフォトカソードからギャップ領域２０６内へ放出される電子１１２を加速させるように作用する電界がフォトカソード１００と検出素子２１０との間に発生するように、センサ２００は、フォトカソード１００及び検出素子２１０に隣接して又はそれらの上に作動的に配置された（例えば、図２（Ｃ）に関連して上述したグリッド構造と同様の）伝導性構造を含む。いくつかの実施形態において、図２（Ｃ）に関連して上述したように、フォトカソード１００の出力面１０３は、第２の電圧源（図示せず）によって、被照射面１０２に対して約５Ｖより少なく正の電位に維持される。発光（光子）１１０が吸収されるとフォトカソード１００によって電子が放出され、フォトカソード１１０は電圧源２２０によって検出素子２１０に対して負の電位に維持されるので、ギャップ領域２０６内へ放出された電子１１２は、検出素子２１０へ向かって加速する。好適な実施形態において、電圧源２２０によって生じた電位差は、約１００Ｖから約１５００Ｖの範囲内である。

図５（Ｂ）は、フォトカソード１００Ｂ、（第２の）シリコン基板２１１Ｃ上に形成された検出素子２１０Ｂ（例えば、ＣＣＤ又はＣＭＯＳ画像センサ）、及び検出素子２１０Ｂから一定の距離にフォトカソード１００Ｂを保持する筐体２０２を含む第２のセンサ実施形態に従うセンサ２００Ｂを示す。図２（Ｂ）に関して上述したように、フォトカソード１００（Ｂ）は、シリコン基板１０１の被照射（第１）面１０２上に直接的に配置された第２のホウ素層（第３層）１０６と、第２のホウ素層１０６の上に配置された反射防止材料（第４）層１０７とを含むことによって特徴付けられる。この実施形態において、筐体２０２Ｂは、フォトカソード１００の上に配置された窓を含まないので、センサ２００Ｂの受光面２０３Ｂは、反射防止材料（第４）層１０７の出力（上）面によって形成される。従ってセンサ２００Ｂは、窓による反射又は吸収に起因する損失がないために窓を伴うセンサよりも感度が高い（すなわち、より少量の光を検出することができる）という利点を有する。そのためセンサ２００Ｂは、近赤外波長からエックス線波長までの比較的高い感度を示す。

図５（Ｃ）は、フォトカソード１００と、図５（Ａ）に関して上述したのと同様の方法で筐体２０２Ｃに固定されたシリコンベースの検出素子２１０Ｃ（例えば、（第２の）シリコン基板２１１Ｃ上に形成されたＣＣＤ又はＣＭＯＳ画像センサ）とを含む第３のセンサ実施形態に従うセンサ２００Ｃを示す。

第３のセンサ実施形態の態様によると、筐体２０２Ｃは、フォトカソード１００の上に配置された上窓部分２０４Ｃと、センサ２００Ｃによる光子の捕捉を改善するために窓２０４Ｃ上に形成された反射防止材料層２０７Ｃとを含む。別の実施形態において、フォトカソード１００と窓２０４Ｃとの間に追加の反射防止材料層（図示せず）が配置される（すなわち、フォトカソード１００は、例えば図２（Ｂ）に関して上述したフォトカソード１００Ｂを用いて実現される）。

第３のセンサ実施形態の別の態様によると、フォトカソード１００から放出される電子を画像センサ２１０Ｃによって効率的に吸収することを可能とするために、（第３の）ホウ素被覆層２１４Ｃは、フォトカソード１００に関して上述した技術を用いて画像センサ２１０Ｃの検出（上）面２１２上に直接形成される。好適な実施形態において、フォトカソード１００と画像センサ１２０との間のギャップ距離Ｇは、約１００μｍから約１ｍｍの間である。ホウ素被覆層２１４Ｃは、低エネルギの電子に関して画像センサ２１０Ｃの効率を改善するので、従来技術による素子における標準よりも低い加速電圧及び小さいギャップが用いられうる。低い加速電圧及び小さいギャップの利点は、センサの空間分解能が改善され、応答時間が低減される（すなわち、最大動作周波数が増加する）ことである。シリコンフォトカソードにおける光電子の熱化も画像センサの空間分解能を改善する。

本発明の他の実施形態において、ウェハ、レチクル又はフォトマスク検査システムは、サンプル／ウェハ上に光（光子）を送るための照明源（例えば、レーザシステム）と、サンプル／ウェハを通過するか又はそれらによって反射される光子を検出するために上述した創意的なフォトカソードのうちのいずれかを用いるセンサ（例えば、光電子増倍管、イメージインテンシファイア又はＥＢＣＣＤ）と、照明源からサンプル（ウェハ、レチクル又はフォトマスク）へ、及びサンプルからセンサへ光／光子を導くための関連する光学系とを含む。それらの実施形態の例が図６から１０に示される。

図６は、暗視野及び明視野検査モードを有する検査システム３００Ａの主要成分を示す。システム３００Ａによって用いられる光学部材は、高開口数大視野対物レンズ１２８、倍率を設定又は調整するためのチューブレンズ１３９、及び上述した実施形態のうちのいずれかに従って構成されるフォトカソードを含む検出器２００を備える。暗視野モードで動作する場合、検出器２００は、図５（Ａ）から５（Ｃ）のうちのいずれかに示すものと同様のＥＢＣＣＤ又はイメージインテンシファイア構成における創意的なフォトカソードを含む。この検査システムの他の態様における更なる詳細は、参照によってその全体が本願に組み込まれる米国特許第７３４５８２５号において見ることができる。

図７（Ａ）から７（Ｄ）は、本発明の他の典型的な実施形態に従う創意的なフォトカソードを含む暗視野検査システムの態様を示す。図７（Ａ）において、検査システム３００Ｂ−１は、検査されているウェハ又はフォトマスク（サンプル）の表面２０の上にレンズ又はミラー１２を備える光学部材１１を通過する光１４によって直線１８を照射する。集光光学部材２１は、例えば２２ａ及び２２ｂのようなレンズ及び／又はミラーを用いて、その直線からセンサ２００へ散乱光を向ける。集光光学部材の光軸２８は、直線１８の照射面にはない。いくつかの実施形態において、軸２８は、直線１８に対して概ね垂直である。センサ２００は、例えば図５（Ａ）、５（Ｂ）及び５（Ｃ）のうちのいずれかに示す実施形態に従う創意的なフォトカソードを含む、例えば線形アレイセンサのようなアレイセンサである。図７（Ｂ）、７（Ｃ）及び７（Ｄ）は、例えば図７（Ａ）に示すような直線照射と組み合わせて、創意的なフォトカソードを伴う検出器２００を含む複数の暗視野集光システムの別の構成（それぞれ３００Ｂ−２、３００Ｂ−３及び３００Ｂ−４）を示す。これらの検査システムの更なる詳細は、参照によってその全体が本願に組み込まれる米国特許第７５２５６４９号において見ることができる。参照によってその全体が本願に組み込まれる米国特許第６６０８６７６号もまた、パターン付き又は非パターン付きウェハの検査に適した直線照射システムを記載する。

図８は、本発明の別の典型的な実施形態に従う創意的なフォトカソードを含む非パターン付きウェハ検査システム３００Ｃを示す。レーザ１０１４からの光は、偏光光学部材１０１６、ビームフォーミング光学部材１０２０、及び例えば１０２２及び１０２４のような反射鏡によってウェハ１０１２に向けられる。ウェハから散乱した光は、例えば１０３８及び１０３２のようなミラー及びレンズによって集光され、上述した実施形態のうちのいずれかに従って構成されたフォトカソードを含む検出器２００−１及び２００−２へ送られる。いくつかの実施形態において、検出器２００−１及び２００−２は、創意的なフォトカソードを含む光電子増倍管を備える。非パターン付きウェハ検査システムにおける更なる詳細は、参照によってその全体が本願に組み込まれる米国特許第６２７１９１６号において見ることができる。

図９は、本発明の別の代替実施形態に従う投光照射ウェハ検査システム３００Ｄを示す。ウェハ（サンプル）のエリアは、軸外し光源によって照射される。ウェハから散乱した光は、集光対物レンズによって集光され、１つ又は複数の開口部、スプリッタ、及び偏光子を通過し、その後、上述した実施形態のうちのいずれかに従って構成されたフォトカソードを含む１つ又は複数の画像センサ２００−１及び２００−２へ向かう。いくつかの実施形態において、画像センサ２００−１及び２００−２は、創意的なフォトカソードを含むＥＢＣＣＤ又はイメージインテンシファイアを備える。この検査システムの更なる詳細は、参照によってその全体が本願に組み込まれる「ウェハ検査」（”Wafer Inspection”）と題されたロマノフスキー等による共有する同時継続中の米国特許出願第２０１３／００１６３４６号において見ることができる。これらの検査システムの実施形態において、ウェハは、検査中動き続けることが望ましい。本発明のこの実施形態において用いられる画像センサは、参照によってその全体が本願に組み込まれる「電子衝撃型電荷結合素子及びＥＢＣＣＤ検出器を用いた検査システム」（"Electron-Bombarded Charge-Coupled Device And Inspection Systems Using EBCCD Detectors”）と題された共有する同時継続中の米国特許出願第２０１３／０１４８１１２号において説明される技術のうちのいずれかを有利に含むことができる。

図１０は、本発明の別の代替実施形態に従うウェハ検査システム３００Ｅを示す。検査システム３００Ｅは、散乱光を集光し、その光を様々な開口部及び偏光ビームスプリッタを介して複数のセンサ２００−１から２００−５へ向ける、上述した実施形態のうちのいずれかに従う創意的なフォトカソードを含む図示した光学系によって傾斜照明及び実質的な通常照明を提供する照明サブシステム１１０Ｅを含む。

従来技術によるイメージインテンシファイア及び電子衝撃型ＣＣＤは、感度とスペクトル帯域幅との間で妥協して歩み寄らなければならない。最善でも、狭い範囲の波長についてしか良好な感度が可能ではない。本発明は、フォトカソードとしてのシリコンの使用を可能にすることで、より広範囲の波長にわたり高い感度を可能にする。更に、創意的なフォトカソードの高い効率及び低い仕事関数により、イメージインテンシファイア、光電子増倍管、及び電子衝撃型ＣＣＤは、いくつかの実施形態において、より低い加速電圧で動作することができ、それによって装置の寿命が延び、最大動作周波数及び／又は空間分解能が改善する。

従来技術によるシリコンフォトカソードは、光電子が抜け出ることを妨げ、その結果低い効率をもたらす酸化物の層を各面に有する。シリコンの出力面上にホウ素層を形成することによって、電子がさらに容易に抜け出ることが可能になり、その結果高い効率がもたらされる。

創意的なフォトカソードとホウ素被覆されたＣＣＤ又はＣＭＯＳ画像センサとを併用する画像センサは、ホウ素被覆されたＣＣＤの改善した感度と併用されるフォトカソードにおいてより高い量子効率を示す。

創意的なフォトカソードを有する検出器を含む暗視野検査システムは、従来の画像及び光センサでは達成できない高い効率、非常に低いノイズレベル、及び高速動作の組み合わせを有する。

本発明は、ある特定の実施形態に関して説明されたが、本発明の創意的特徴は他の実施形態にも同様に適用可能であり、それらの全ては本発明の範囲内に収まるように意図されていることが当業者には明確に分かるだろう。

Claims (20)

1. 対向する第１面及び第２面を有するシリコン基板と、
   前記シリコン基板の前記第２面に直接配置された主にホウ素から成る第１層と、
   を含む、伝導フォトカソードであって、
   前記第１面から前記シリコン基板に入る光子を吸収し、前記吸収された光子に応じて光電子が生成され、該光電子を前記第２面と前記第１層とを通過して放出するように構成された、伝導フォトカソード。
2. 前記シリコン基板の厚さが１０μｍから１００μｍの範囲である、請求項１に記載の伝導フォトカソード。
3. 前記シリコン基板の厚さおよび前記シリコン基板のドーパント濃度が、紫外線（ＵＶ）波長、遠紫外線波長、可視光波長のうち少なくともいずれかを有する光子を吸収するために最適化された、請求項１に記載の伝導フォトカソード。
4. 前記第１層が、約１ｎｍから５ｎｍの範囲の厚さを有する、請求項１に記載の伝導フォトカソード。
5. 前記シリコン基板の前記第１面に直接配置された主にホウ素から成る第２層をさらに含む、請求項１に記載の伝導フォトカソード。
6. 前記第２層に配置された反射防止材料を含む第３層をさらに備える、請求項５に記載の伝導フォトカソード。
7. 前記シリコン基板の前記第１面と前記第２面との間に外部電位差を発生させるための手段をさらに備える、請求項４に記載の伝導フォトカソード。
8. 前記シリコン基板が、前記第１面から離れて配置された部分よりも前記第１面付近の部分において高いｐ型ドーパント濃度を有するように、前記第１面から前記第２面へ向かって広がるｐ型拡散領域を含む、請求項１に記載の伝導フォトカソード。
9. 対向する被照射面と出力面とを有するシリコン基板と、
   前記シリコン基板の前記出力面に直接配置された主にホウ素から成る第１層と、
   を含む伝導フォトカソードであって、
   前記シリコン基板が前記被照射面から前記シリコン基板に入る光子に応じて光電子を生成し、前記生成された光電子が前記出力面から放出されるように、前記シリコン基板の前記被照射面と前記出力面とのあいだの厚さおよび前記シリコン基板のドーパント濃度が構成された、
   伝導フォトカソード。
10. 前記シリコン基板の厚さが１０μｍから１００μｍの範囲である、請求項９に記載の伝導フォトカソード。
11. 前記シリコン基板の前記厚さおよび前記シリコン基板の前記ドーパント濃度が、紫外線（ＵＶ）波長、遠紫外線波長、可視光波長のうち少なくともいずれかを有する光子を吸収するために最適化された、請求項９に記載の伝導フォトカソード。
12. 前記第１層が約１ｎｍから５ｎｍの範囲の厚さを有する、請求項９に記載の伝導フォトカソード。
13. 前記シリコン基板の前記被照射面に直接配置された主にホウ素から成る第２層をさらに含む、請求項９に記載の伝導フォトカソード。
14. 前記第２層に配置された反射防止材料を含む第３層をさらに備える、請求項１３に記載の伝導フォトカソード。
15. 前記シリコン基板の前記被照射面と前記出力面との間に外部電位差を発生させるための手段をさらに備える、請求項１３に記載の伝導フォトカソード。
16. 前記シリコン基板が、前記被照射面から離れて配置された部分よりも前記被照射面付近の部分において高いｐ型ドーパント濃度を有するように、前記被照射面から前記出力面へ向かって広がるｐ型拡散領域を含む、請求項９に記載の伝導フォトカソード。
17. 対向する第１面及び第２面を有するシリコン基板と、
    前記シリコン基板の前記第２面に直接配置された主にホウ素から成る第１層と、
    前記シリコン基板の前記第１面に直接配置された主にホウ素から成る第２層と、
    を含む、伝導フォトカソードであって、
    前記第１面及び前記第２面が、１ｎｍから５ｎｍの範囲の厚さをそれぞれが有するピンホールフリーホウ素層を含む、伝導フォトカソード。
18. 前記シリコン基板の厚さおよび前記シリコン基板のドーパント濃度が最適化されて、前記第２層と前記第１面を通過して前記シリコン基板に入る光子を吸収し、前記吸収した光子に応じて光電子を生成し、前記光電子が前記第２面と前記第１層とから放出される、請求項１７に記載の伝導フォトカソード。
19. 前記シリコン基板の厚さが１０μｍから１００μｍの範囲である、請求項１８に記載の伝導フォトカソード。
20. 前記厚さおよび前記ドーパント濃度が、紫外線（ＵＶ）波長、遠紫外線波長、可視光波長のうち少なくともいずれかを有する光子を吸収するために最適化された、請求項１８に記載の伝導フォトカソード。