TW201523690A - 偏壓變異之光電倍增管 - Google Patents

偏壓變異之光電倍增管 Download PDF

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Paul Donders
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Abstract

本發明揭示一種偏壓變異之光電倍增管(PMT)，其包含在操作時吸收光子並回應於該等所吸收光子而發射光電子之一光電陰極。該偏壓變異之PMT亦包含接收由該光電陰極發射之該等光電子之複數個二次發射極。該複數個二次發射極包含具有一第一偏壓差之一第一對二次發射極以及具有一第二偏壓差之至少一第二對二次發射極。該第二偏壓差大於該第一偏壓差。該偏壓變異之PMT亦包含接收自該複數個二次發射極導引之光電子之一陽極。

Description

偏壓變異之光電倍增管 相關申請案交叉參考
本申請案係關於且主張來自以下所列申請案(「相關申請案」)之最早可用有效申請日期之權益(例如，主張除臨時專利申請案以外之最早可用優先權日期或依據35 USC §119(e)主張臨時專利申請案、相關申請案之任何及所有父代申請案、祖父代申請案、曾祖父代申請案等之權益)。
相關申請案：
出於USPTO非法定要求之目的，本申請案組成在2013年10月19日提出申請、提名Derek Mackay、Paul Donders、Kai Cao及Jeongsik Lim為發明人、申請案號為61/893,190、標題為EXTENDED LIFETIME PHOTOMULTIPLIER TUBE之美國臨時專利申請案之一正式(非臨時)專利申請案。申請案第61/893,190號以全文引用之方式併入本文中。
本發明係關於一種光電倍增管(PMT)，且更特定而言，係關於一種透過應用一變異之二次發射極偏壓而具有經延長使用壽命之偏壓變異之PMT。
隨著對光電倍增管(PMT)之使用繼續增長，對具有經延長使用壽命之PMT之需求持續增加。PMT放大極小光信號。當光到達一PMT之 一陰極時，一光電子產生並加速朝一接收二次發射極移動。接收二次發射極然後放大該等光電子並將其朝一第二二次發射極導引。此過程繼續通過一系列二次發射極，直至在陽極處收集到經放大光電子信號。通常，每一個二次發射極處之增益隨著入射電子能量而按比例調整，此對應於一給定二次發射極與上述二次發射極之間的電壓差。通常注意到，較後二次發射極中之較大電流致使(若干)鹼性塗層降級，此達成信號放大所必需之次級發射。塗層之降級使一給定階段之增益減小，即使在入射電子之能量保持恆定之情形中。因而，PMT之總增益減小。因此，即使在入射光信號保持恆定之情形中，在一給定PMT之陽極處量測之信號仍將隨時間而減小。用以緩和此效應之先前方法包含調整二次發射極之間的電壓值以將增益恢復至其原始值。然而，在某一點處，增益減小至無法藉由充分增加電壓來抵消增益損失之位準。因而，需要提供一種彌補如上所述之先前技術之不足之系統及方法。
揭示一種偏壓變異之光電倍增管(PMT)。在一項說明性實施例中，該偏壓變異之PMT可包含(但不限於)經組態以吸收光子並回應於該等所吸收光子而發射光電子之一光電陰極。在另一說明性實施例中，該偏壓變異之PMT可包含(但不限於)經組態以接收自該光電陰極發出之該等光電子之複數個二次發射極。在另一說明性實施例中，該偏壓變異之PMT可包含(但不限於)具有一第一偏壓差之一第一對二次發射極以及具有不同於該第一偏壓差之一第二偏壓差之一第二對二次發射極。在另一說明性實施例中，該偏壓變異之PMT可包含(但不限於)，至少該第二對二次發射極之間的該第二偏壓差大於該第一對二次發射極之間的該第一偏壓差。在另一說明性實施例中，該偏壓變異之PMT可包含(但不限於)經組態以接收導引自該複數個二次發射極導 引之光電子之一陽極。
揭示一種用於加偏壓於一光電倍增管(PMT)之方法。在一項說明性實施例中，用於加偏壓於一PMT之該方法可包含(但不限於)透過運用用一光電陰極吸收光子之次級發射而產生一初始組光電子。在另一說明性實施例中，用於加偏壓於一PMT之該方法可包含(但不限於)將該初始組光電子導引至複數個二次發射極。在另一說明性實施例中，用於加偏壓於一PMT之該方法可包含(但不限於)運用具有一第一偏壓差之一第一對二次發射極來放大該初始組光電子以形成一第二.組光電子。在另一說明性實施例中，用於加偏壓於一PMT之該方法可包含(但不限於)運用具有大於該第一偏壓差之至少一第二偏壓差之至少一第二對二次發射極放大該第二組光電子以形成至少一第三組光電子。在另一說明性實施例中，用於加偏壓於一PMT之該方法可包含(但不限於)運用一陽極接收該至少一第三組光電子。
揭示一種具有一偏壓變異之光電倍增管(PMT)感測器之檢驗系統。在一項說明性實施例中，該檢驗系統可包含(但不限於)經組態照明一樣本表面之一部分之一照明源。在另一說明性實施例中，該檢驗系統可包含(但不限於)經組態以偵測自該樣本之該表面散射之光之至少一部分之一偏壓變異之PMT感測器。在另一說明性實施例中，該檢驗系統可包含(但不限於)經組態以將自該樣本之該表面散射之光之至少一部分導引並聚焦穿過該偏壓變異之PMT感測器之一組聚集光學器件。
應理解，上述大體說明及下述詳細說明兩者皆僅為例示性及闡釋性而未必限制所主張之本發明。併入本說明書中並構成本說明書之一部分的附圖圖解說明本發明之實施例，並與該大體闡述一起用於闡釋本發明之原理。
100‧‧‧偏壓變異之光電倍增管
102‧‧‧光電陰極
104‧‧‧光子
106a‧‧‧二次發射極/第一二次發射極
106b‧‧‧二次發射極/第二二次發射極
106c‧‧‧二次發射極/第三二次發射極
106d‧‧‧二次發射極/最後二次發射極/第四二次發射極
108a‧‧‧光電子/光電子電流/電流
108b‧‧‧光電子/光電子電流/電流
108c‧‧‧光電子/電流
108d‧‧‧光電子
110‧‧‧陽極
122‧‧‧曲線
124‧‧‧曲線
126‧‧‧曲線
128‧‧‧線
130‧‧‧線
132‧‧‧線
200‧‧‧方法/流程圖
300‧‧‧光學系統
301‧‧‧基於偏壓變異之感測器/偏壓變異之光電倍增管感測器
302‧‧‧照明源
304‧‧‧樣本表面/樣本
306‧‧‧樣本載台
308‧‧‧照明光學器件
310‧‧‧聚集光學器件
熟習此項技術者可藉由參考附圖而較佳理解本發明之眾多優點，在附圖中：圖1A圖解說明根據本發明之一實施例裝備有偏壓變異之二次發射極之一偏壓變異之光電倍增管之一簡化示意圖。
圖1B圖解說明根據本發明之一實施例配備有不同電阻率之一電阻鏈之一偏壓變異之PMT之一簡化示意圖。
圖1C圖解說明根據本發明之一實施例造成相同總增益之三個不同偏壓方案中之電壓差。
圖1D圖解說明根據本發明之一實施例之三不同偏壓方案之降級曲線。
圖2圖解說明根據本發明之一實施例之一種用於加偏壓於一光電倍增管之方法之一方塊圖。
圖3圖解說明根據本發明之一實施例裝備有一偏壓變異之光電倍增管感測器之一檢驗系統之一方塊圖。
現在將詳細參考圖解說明於附圖中之所揭示之標的物。
大體參考圖1A至圖3，根據本發明闡述一偏壓變異之光電倍增管(PMT)100。本發明之實施例係關於用以提供對增益降級之抵抗之一偏壓變異之PMT 100。增益降級減小造成給定PMT之使用壽命增加。本發明之實施例進一步關於具有多對二次發射極之一偏壓變異之PMT 100，該多對二次發射極包括具有一第一偏壓差之一第一對二次發射極以及具有一第二偏壓差之一第二對二次發射極。在一項實施例中，該第二偏壓差大於該第一偏壓差(例如，第二偏壓差係第一偏壓差的兩倍)。在本文應注意，此一偏壓配置造成較後二次發射極處之增益降級之減小，藉此增加PMT之使用壽命。
圖1A圖解說明根據本發明之一實施例之一偏壓變異之光電倍增 管(PMT)100。在一項實施例中，偏壓變異之PMT 100包含一光電陰極102。在另一實施例中，光電陰極102經組態以吸收光子104。在另一實施例中，光電陰極回應於所吸收光子而發射光電子108a至108d。在另一實施例中，光電陰極102包含適合於在光電陰極102之一個表面處吸收光子104且自光電陰極102之對置表面發射光電子108a至108d之一透射型光電陰極。在另一實施例中，光電陰極102包含適合於在光電陰極102之一個表面處吸收光子104且自其相同表面發射光電子108a至108d之一反射型光電陰極。在另一實施例中，光電陰極102經組態以依據傾斜入射角及/或法向入射角吸收光子104。
在一項實施例中，偏壓變異之PMT 100包含複數個二次發射極106a至106d。舉例而言，偏壓變異之PMT 100可包含經組態以接收自光電陰極102發出之光電子108a之一第一二次發射極106a。在另一實施例中，偏壓變異之PMT 100包含一第一二次發射極106a，其經組態以放大光電子電流108a(例如，經由次級發射)，以使得自第一二次發射極106a發出之光電子電流108b大於電流108a。在另一實施例中，偏壓變異之PMT 100包含放大光電子電流以使得電流108c大於電流108b之一第二二次發射極106b。在另一實施例中，偏壓變異之PMT 100包含放大光電子電流至所要位準之多個二次發射極106a至106d。在另一實施例中，偏壓變異之PMT 100中之最後二次發射極(例如，圖1A中之106d)經配置以導引經放大光電子電流輸出以便照射在一陽極110上。
在另一實施例中，偏壓變異之PMT 100包含具有多個二次發射極對(例如，106a與106b或106c與106b，在其之間具有不同偏壓差)之一第一組二次發射極。舉例而言，偏壓變異之PMT 100可包含具有一第一偏壓之一第一二次發射極106a以及具有一第二偏壓之一第二二次發射極106b，其中該第二偏壓不同於第一二次發射極106a偏壓。在另一 實施例中，偏壓變異之PMT 100包含具有一第一設定偏壓之一第一二次發射極106a以及具有不同於該第一偏壓之一第二設定偏壓之第二二次發射極106b，藉以該第一偏壓與該第二偏壓之間的差形成一第一偏壓差。在另一實施例中，偏壓變異之PMT 100包含具有一第三偏壓之一第三二次發射極106c以及具有不同於與第三二次發射極106c相關聯之第三偏壓之第四偏壓之一第四二次發射極106d。在另一實施例中，偏壓變異之PMT 100包含具有一第三設定偏壓之一第三二次發射極106c以及具有不同於該第三偏壓之一第四設定偏壓之第四二次發射極106d，藉以該第三偏壓與該第四偏壓之間的差形成一第二偏壓差。在另一實施例中，第三二次發射極106c與第四二次發射極106d之間的第二偏壓差大於第一二次發射極106a與第二二次發射極106b之間的第一偏壓差。在另一實施例中，偏壓變異之PMT 100包含與一第一二次發射極對共用一個二次發射極之一第二二次發射極對。舉例而言，偏壓變異之PMT 100可包含組成具有一第一偏壓差之一第一二次發射極對之一第一二次發射極106a與一第二二次發射極106b以及組成具有大於該第一偏壓差之一第二偏壓差之一第二二次發射極對之第二二次發射極106b與一第三二次發射極106c。
在另一實施例中，雖然並未繪示，偏壓變異之PMT 100包含至少一第二組二次發射極。在另一實施例中，偏壓變異之PMT 100包含一第二組二次發射極之具有一第一偏壓之一第一二次發射極，其經組態以接收自光電陰極發出之光電子。在另一實施例中，偏壓變異之PMT 100包含一第二組二次發射極之具有一第一偏壓差之一第一對二次發射極以及一第二組二次發射極之具有不同於該第一偏壓差之一第二偏壓差之至少一第二對二次發射極。在另一實施例中，偏壓變異之PMT 100包含一第二組二次發射極之具有一第二偏壓差之一第二對二次發射極以及一第二組二次發射極之具有第一偏壓差之一第一對二次發射 極，其中該第二偏壓差大於該第一偏壓差。
在一項實施例中，偏壓變異之PMT 100包含一陽極110。在另一實施例中，偏壓變異之PMT 100包含經組態以接收自複數個二次發射極106a至106d導引之光電子之一陽極110。在另一實施例中，偏壓變異之PMT 100包含經組態以將來自複數個二次發射極106a至106d之光電子轉換成光之一陽極110。在另一實施例中，偏壓變異之PMT 100包含經組態以偵測自陽極110發出之照明之一偵測器(未展示)。舉例而言，偵測器可包含此項技術中已知之任何偵測器，諸如但不限於一CCD偵測器或TDI-CCD偵測器。
圖1B圖解說明根據本發明之一實施例包括具有設定電阻率112a及112b之一電阻鏈之一偏壓變異之PMT 100。在一項實施例中，偏壓變異之PMT 100包含具有一第一對二次發射極106a與106b以及一第二對二次發射極106c與106d之一電阻鏈。在另一實施例中，電阻率112b至少大於電阻率112a。舉例而言，電阻鏈可包含使得電阻率112b係電阻率112a的兩倍大，此造成在第二對二次發射極106c與106d之間比在第一對二次發射極106a與106b之間大之一電壓差。
在本文中應注意，在偏壓變異之PMT 100中使用之二次發射極之數目不限於在圖1A或圖1B中所圖解說明之二次發射極之數目。在圖1A及圖1B中繪示之二次發射極之數目係僅出於圖解說明目的而提供，且可設想可在本發明中利用任何數目個二次發射極及二次發射極對。應進一步注意，二次發射極及二次發射極對之數目之選擇可最終取決於所需放大位準及成本，以及其他因素。應進一步注意，偏壓變異之PMT 100不限於在圖1B中圖解說明之電阻鏈。在圖1B中繪示之電阻鏈係僅出於圖解說明目的而提供，且可設想可在本發明中利用任何電阻鏈組態。
圖1C圖解說明根據本發明之一實施例造成相同總增益之三個不 同偏壓方案之電壓差。曲線122圖解說明經正常偏壓之PMT中之二次發射極之間的電壓差(恆定值)。曲線124圖解說明與本發明通篇論述之偏壓變異之PMT 100一致之電壓差，其中較後二次發射極處之增益較大。曲線126圖解說明偏壓變異之PMT 100之相反面，其中第一二次發射極具備比用於決定此是否縮短一PMT之壽命之較後二次發射極大之一偏壓差。在本文中應注意，在圖1C中繪示之全部三個偏壓情形經配置以產生相同總PMT增益。
圖1D圖解說明與三個不同偏壓方案相關聯之降級曲線。線128圖解說明經正常偏壓之PMT，線130圖解說明偏壓變異之PMT 100，且線132圖解說明偏壓變異之PMT 100之相反面。每一所圖解說明線皆使用相同光源且以相同增益開始。所有線皆具有相同陽極電流，但其降級線大不相同，如所圖解說明。
圖2圖解說明繪示根據本發明之一或多項實施例用於運用不均勻偏壓來放大一PMT中之一光電子信號之一方法200之一流程圖200。步驟202透過用一光電陰極吸收光子而產生一初始組光電子。在另一實施例中，用於偏壓之方法200包含經由吸收來自一光電陰極之光子發射(經由次級發射)光電子。步驟204將該初始組光電子導引至複數個二次發射極。步驟206運用具有一第一偏壓差之一第一對二次發射極放大一初始組光電子以形成一第二組光電子。步驟208運用具有大於該第一偏壓差之一第二偏壓差之一第二對二次發射極放大該第二組光電子以形成一第三組光電子。步驟210運用一陽極接收該等光電子。
圖3圖解說明根據本發明之一或多項實施例裝備有一偏壓變異之PMT 100之一光學系統300。
在一項實施例中，光學系統300包含一偏壓變異之PMT感測器301。在另一實施例中，光學系統300之偏壓變異之PMT感測器301包含一或多個偏壓變異之PMT，如在本發明中上文闡述之偏壓變異之 PMT 100。在另一實施例中，偏壓變異之PMT感測器301中之偏壓變異之PMT 100包含：一光電陰極，其經組態以吸收光子並回應於所吸收光子而發射光電子；複數個二次發射極，其經組態以接收自該光電陰極發射之該等光電子，一第一對二次發射極具有一第一偏壓差且至少一第二對二次發射極具有大於該第一偏壓差之一第二偏壓差；及一陽極，其經組態以接收自該複數個二次發射極導引之光電子。
在一項實施例中，光學系統300包含經組態以產生照明之一照明源302。在另一實施例中，照明源302經組態以照明安置於一樣本載台306上之一樣本304(例如，半導體晶圓)之一表面之一部分。在另一實施例中，照明源302包含一或多個寬頻帶光源，諸如一寬頻帶燈(例如，氙燈)。在另一實施例中，照明源302包含一或多個窄頻帶光源，諸如以一選定波長發射光之一或多個雷射。
在一項實施例中，光學系統300包含經組態以將照明導引並聚焦至樣本表面304上之一組照明光學器件308。在另一實施例中，光學系統300之照明光學器件308包含此項技術中已知之適合於將自照明源302發出之光束導引、處理、濾光、偏光及/或聚焦至樣本304之表面之一部分上之任何光學元件。舉例而言，該組照明光學器件可包含(但不限於)一或多個透鏡、一或多個鏡、一或多個光束分離器、一或多個偏光器元件、一或多個濾光器等。
在另一實施例中，光學系統300包含經組態以將自樣本304之表面散射之光之至少一部分導引並聚焦至偏壓變異之PMT感測器301之一輸入之一組聚集光學器件310。在另一實施例中，光學系統300之聚集光學器件310包含此項技術中已知之適合於將自樣本304之表面散射、反射或繞射之光聚集、導引、處理、濾波及/或聚焦至基於偏壓變異之感測器301上之任何光學元件。舉例而言，該組聚集光學器件310可包含(但不限於)一或多個透鏡、一或多個鏡、一或多個光束分 離器、一或多個濾光器、一或多個偏光器元件等。
在另一實施例中，光學系統300係一檢驗系統，或檢驗工具。在另一實施例中，光學系統300係一光學計量系統，或檢驗工具。在另一實施例中，照明源302、照明光學器件308、聚集光學器件310及偏壓變異之PMT感測器301可以一暗場組態配置，以使得光學系統300操作為一暗場檢驗系統。在另一實施例中，雖然非展示，照明源302、照明光學器件308、聚集光學器件310及偏壓變異之PMT感測器301可以一明場組態配置，以使得光學系統300操作為一明場檢驗系統。
雖然已展示並闡述了本文中所闡述之本標的物之特定態樣，但熟習此項技術者將基於本文之教示明瞭：可在不背離本文中所闡述之標的物及其更廣泛之態樣之情況下作出改變及修改，且因此，隨附申請專利範圍欲將所有此等改變及修改囊括於其範疇內，如同此等改變及修改歸屬於本文中所闡述之標的物之真正精神及範疇內一般。據信，藉由前述闡述將理解本發明及諸多其隨附優點，且將明瞭可在不背離所揭示標的物或不犧牲所有其材料優點之情況下在組件之形式、構造及配置方面作出各種改變。此外，應理解，本發明由隨附申請專利範圍界定。
100‧‧‧偏壓變異之光電倍增管
102‧‧‧光電陰極
104‧‧‧光子
106a‧‧‧二次發射極/第一二次發射極
106b‧‧‧二次發射極/第二二次發射極
106c‧‧‧二次發射極/第三二次發射極
106d‧‧‧二次發射極/最後二次發射極/第四二次發射極
108a‧‧‧光電子/光電子電流/電流
108b‧‧‧光電子/光電子電流/電流
108c‧‧‧光電子/電流
108d‧‧‧光電子
110‧‧‧陽極

Claims (20)

  1. 一種偏壓變異之光電倍增管(PMT)，其包括：一光電陰極，其經組態以吸收光子並回應於該等所吸收光子而發射光電子；複數個二次發射極，其經組態以接收自該光電陰極發射之該等光電子，該複數個二次發射極包含具有一第一偏壓差之一第一對二次發射極以及具有不同於該第一偏壓差之一第二偏壓差之至少一第二對二次發射極；及一陽極，其經組態以接收自該複數個二次發射極導引之光電子。
  2. 如請求項1之偏壓變異之PMT，其中該至少該第二對二次發射極之間的該偏壓差大於該第一對二次發射極之間的該偏壓差。
  3. 如請求項1之偏壓變異之PMT，其中該至少該第二對二次發射極之間的該偏壓差之一量值比該第一對二次發射極之間的該偏壓差大介於1倍與2倍之間。
  4. 如請求項1之偏壓變異之PMT，其中該至少該第二對二次發射極之間的該偏壓差之一量值比該第一對二次發射極之間的該偏壓差大至少2倍。
  5. 如請求項1之偏壓變異之PMT，其中該第二對二次發射極具有與該第一對二次發射極共同之一個二次發射極。
  6. 如請求項1之偏壓變異之PMT，其中該陽極將自該複數個二次發射極接收之該等光電子轉換成光。
  7. 如請求項1之偏壓變異之PMT，其進一步包括：一偵測器，其經組態以偵測藉由該陽極產生之該光。
  8. 如請求項1之偏壓變異之PMT，其中該光電陰極經組態以依據傾 斜入射角或法向入射角中之至少一者吸收光子。
  9. 一種用於加偏壓於一光電倍增管(PMT)之方法，其包括：透過經由運用一光電陰極吸收光子之次級發射而產生一初始組光電子；將該初始組光電子導引至複數個二次發射極；運用具有一第一偏壓差之一第一對二次發射極放大該初始組光電子以形成一第二組光電子；運用具有大於該第一偏壓差之至少一第二偏壓差之至少一第二對二次發射極放大該第二組光電子以形成至少一第三組光電子；及運用一陽極接收該至少一第三組光電子。
  10. 一種光學系統，其包括：一照明源，其經組態以產生照明；一組照明光學器件，其經組態以將該照明導引並聚焦至樣本表面上；一偏壓變異之光電倍增管(PMT)感測器，其經組態以偵測自該樣本之該表面散射、反射或繞射之光之至少一部分；及一組聚集光學器件，其經組態以將自該樣本之該表面散射之光之至少一部分導引並聚焦至該偏壓變異之PMT感測器之一輸入。
  11. 如請求項10之光學系統，其中該偏壓變異之PMT感測器包括：一光電陰極，其經組態以吸收光子並回應於該等所吸收光子而發射光電子；複數個二次發射極，其經組態以接收自該光電陰極發出之該等光電子，一第一對二次發射極具有一第一偏壓差且至少一第二對二次發射極具有不同於該第一偏壓差之一第二偏壓差；及 一陽極，其經組態以接收自該複數個二次發射極導引之光電子。
  12. 如請求項10之光學系統，其中該至少該第二對二次發射極之間的該偏壓差大於該第一對二次發射極之間的該偏壓差。
  13. 如請求項10之偏壓變異之PMT，其中該至少該第二對二次發射極之間的該偏壓差之一量值比該第一對二次發射極之間的該偏壓差大介於1倍與2倍之間。
  14. 如請求項10之偏壓變異之PMT，其中該至少該第二對二次發射極之間的該偏壓差之一量值比該第一對二次發射極之間的該偏壓差大至少2倍。
  15. 如請求項10之光學系統，其中該第二對二次發射極具有與該第一對二次發射極共同之一個二次發射極。
  16. 如請求項10之光學系統，其中該光學系統包含一檢驗系統。
  17. 如請求項16之光學系統，其中該檢驗系統包含一暗場檢驗系統。
  18. 如請求項16之光學系統，其中該檢驗系統包含一明場檢驗系統。
  19. 如請求項10之光學系統，其中該光學系統包含一光學計量系統。
  20. 如請求項10之光學系統，其中該照明源包含一窄頻帶源或一寬頻帶源中之至少一者。
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