TWI445039B - 粒子偵測系統 - Google Patents

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Description

粒子偵測系統
本發明是有關於一種粒子偵測系統，特別是一種應用於掃描式電子顯微鏡(scanning electron microscopy：SEM)之電子偵測系統。
粒子偵測系統使用或應用於許多設備，例如，電子束系統、掃描式電子顯微鏡(SEM)、聚焦離子束(focused ion beam：FIB)、質譜儀(mass spectrograph)，或其他需要偵測帶電或不帶電粒子、光子之設備。
電子束晶圓檢測工具(EBWIT)需要大範圍的電子束電流，藉以滿足高產量模式(high throughput mode)與高分辨率模式(high resolution mode)，其中，高產量模式是由生產力所推動，相對地，高分辨率模式是由不斷縮小尺寸之設計規則所推動。電子束晶圓檢測工具通常在高產量模式中，使用數十至數百nA(nano Ampere)的電子束電流；在高分辨率模式中，使用數pA(pico Ampere)至數十pA(pico Ampere)的電子束電流。這使得用於電子束晶圓檢測工具之電子偵測器必需能夠處理數十pA(pico Ampere)至數百nA(nano Ampere)的信號電子束電流(SE+BSE)。上述要求對於任何現有的電流電子偵測系統而言，都是 一個巨大的挑戰。
目前並沒有任何電子束晶圓檢測工具(EBWIT)可以在高產量模式與高分辨率模式下操作。基本上，由於多數電子束晶圓檢測工具的偵測器是半導體光電二極體偵測器，因此，高產量模式較為普遍。在高分辨率模式中，雖然，半導體光電二極體偵測器之輸出信號電流對於輸入信號電流具有約2000增益，由樣本接收之偵測電流對於半導體光電二極體偵測器而言仍然太小，半導體光電二極體偵測器無法處理上述偵測電流，半導體光電二極體偵測器仍無法應用於電子束晶圓檢測工具。
目前，由於低雜訊與處理大電子束電流的潛能，例如，數個mA，半導體光電二極體已廣泛應用於電子束晶圓檢測工具。然而，對於pA水平之偵測電流而言，半導體光電二極體之增益很低(~2000@10KV)，而且並不容易增加。
高增益，例如，104-107，可藉由使用磷-光電倍增管(phosphor multiplier tube)系統與微通道板(micro channel plate)偵測器而獲得。然而，大多數光電倍增管與微通道板只能輸出最多數個微安培的信號電流，並不能滿足於低雜訊水平下，大電子束電流的要求。當光電倍增管的二次發射極(dynode)在低電壓下操作時，光電倍增管的二次發射極(dynode)會限制輸出電流與過大的增益變化。此外，雖然磷-光電倍增管系統能夠達到高增益，但是高頻寬閃爍器(high bandwidth scintillator)通常也會造成高背景雜訊水平。然而，如果用圖像平均法來消除背景雜訊，產量將受到嚴重影響。
根據上述討論，沒有檢測系統可以輸出範圍由pA水平至mA水平 的信號。因此，發展一粒子偵測系統，該粒子偵測系統具有大範圍增益與低雜訊之輸出電流信號，藉以同時符合高產量模式與高分辨率模式的要求，已經是一個重要的課題。
此外，為處理上述情況，申請於2010年3月2日之美國專利申請案Joe et al.(US 12/715766)提出一種雙型偵測系統(Bi-Type detection system)。
本發明是有關於一種粒子偵測系統，該粒子偵測系統可偵測帶電或不帶電粒子。
本發明也是有關於一種電子偵測系統，該粒子偵測系統與該電子偵測系統具有高達1010之增益與毫安培(mA)水平之輸出信號電流。
本發明也是有關於一種可作為電子束晶圓檢測工具(EBWIT)之掃描式電子顯微鏡，同時符合高產量模式與高分辨率模式的要求。
在一實施例中，粒子偵測系統(particle detection system)包含一帶電粒子倍增裝置(charged particle multiplier device)，用以接受欲偵測之初始粒子並且產生具有一第一級增益(first level gain)之複數帶電粒子；以及一帶電粒子偵測裝置(charged particle detection device)，用以接受該等複數帶電粒子並且產生與該等初始粒子對應之輸出信號；其中，一電位(electric potential)施加於該帶電粒子倍增裝置(charged particle multiplier device)與該帶電粒子偵測裝置(charged particle detection device)之間，用以加速該等複數帶電粒子，藉以到達該帶電粒子偵測裝 置並且得到一第二級增益(second level gain)。
在另一實施例中，電子偵測系統(electron detection system)包含一微通道板(microchannel plate)，用以接受欲偵測之初始電子並且產生複數帶電粒子；以及一半導體光電二極體(semiconductor photo diode)，用以接受該等複數帶電粒子並且產生與該等初始電子對應之輸出信號；其中，一電位(electric potential)施加於該微通道板(microchannel plate)與該半導體光電二極體(semiconductor photo diode)之間，用以加速該等複數帶電粒子，藉以到達該半導體光電二極體。
10‧‧‧電子
100‧‧‧粒子偵測系統
110‧‧‧帶電粒子倍增裝置
112‧‧‧金屬網
120‧‧‧漂移管殼體
130‧‧‧帶電粒子偵測裝置
132‧‧‧信號輸出介面
200‧‧‧微通道板
212‧‧‧入射電子
214‧‧‧輸出電子
400‧‧‧電子偵測系統
第一圖顯示根據本發明一實施例之粒子偵測系統之示意圖。
第二圖顯示微通道板(MCP)內部構造之示意圖。
第三圖顯示電子如何藉由微通道板(MCP)增益之示意圖。
第四圖顯示根據本發明一實施例之電子偵測系統之示意圖。
本發明提供一種粒子偵測系統。為全面了解本發明，下列說明將詳細描述各種組件。本發明並不限定於特定粒子偵測系統。此外，已知組件並 不詳細描述，藉以避免任何額外限制。本發明之較佳實施例已詳細描述。除了詳細描述之實施例，本發明還可以應用於其他實施例。因此本發明的範圍並不受實施例之限定，其以之後的專利範圍為準。
請參考第一圖，其中，粒子偵測系統(particle detection system)100包含一帶電粒子倍增裝置(charged particle multiplier device)110，用以接受欲偵測之初始粒子，並且隨後產生複數之帶電粒子；以及一帶電粒子偵測裝置(charged particle detection device)130，用以接受複數之帶電粒子，並且通過信號輸出介面132，產生與該等初始粒子對應之輸出信號；其中，位於漂移管殼體(drift tube type housing)120內之一電位(electric potential)施加於該帶電粒子倍增裝置(charged particle multiplier device)110與該帶電粒子偵測裝置(charged particle detection device)130之間，用以加速該等複數帶電粒子，藉以到達該帶電粒子偵測裝置130。本發明之初始粒子可以包含光子與帶電粒子，其中，帶電粒子可以是離子、電子或其他具有正電荷或負電荷之粒子。
如果欲偵測之初始粒子不帶電，欲偵測之初始粒子將由帶電粒子倍增裝置110轉換為帶電粒子，例如，電子。用以偵測初始粒子之帶電粒子倍增裝置110，在一實施例中，可以包含一微通道板(microchannel plate：MCP)(本身無陽極)，其中，該微通道板(MCP)是一個二維感測器，可以檢測電子、離子、紫外線、X射線或伽瑪射線，並且放大所偵測的信號。微通道板(MCP)之相關技術細節可參照，Joseph I.Goldstein et al.之出版品，Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis(2nd edition,published by Plenum,1992)之第四章，並且可參照第二圖與第三圖，其中，微通道板(MCP)之構造顯示於第二圖；電子如何藉由微 通道增益則顯示於第三圖。如第二圖所示，複數之微通道在一平板上排列成陣列，其中，每一通道210，例如，通過該平板。
在第三圖中，一電子10射入一通道210作為入射電子212，然後，入射電子212藉由通道210而反射與放大。當電壓施加於微通道板(MCP)之輸入端與輸出端之間時，會建立沿著通道210之位能梯度(potential gradient)。當電子10由輸入端進入通道210並且撞擊其內壁時，造成複數之二次電子射出。該等二次電子藉由位能梯度(potential gradient)加速，並繪出由其內在速度所決定之拋物線軌跡。然後，該等二次電子撞擊通道210之另一側之內壁，進一步造成二次電子射出。該等電子重複撞擊通道210之內壁，並且朝向輸出端移動。結果，藉由帶電粒子倍增裝置110與帶電粒子偵測裝置130之間的電場(electric field)或位能，作為輸出電子214之大量的能量增加電子由輸出端釋出至帶電粒子偵測裝置130。
在一實施例中，用以偵測電子之帶電粒子倍增裝置110可以包含一電子倍增器(electron multiplier)(本身沒有陽極)，其中，電子倍增器使用可倍增入射電荷之真空管結構。在被稱為二次發射之過程中，當單一電子撞擊二次發射材料時，可以誘發約一個至三個電子發射。如果電場(electric field)能施加於這個金屬板與另一個金屬板之間，發出的電子將加速至下一個金屬板，並誘發更多二次電子發射。上述過程反覆數次，藉由帶電粒子倍增裝置110與帶電粒子偵測裝置130之間的電場(electric field)或位能，大量電子加速至帶電粒子偵測裝置130。
在一實施例中，用以偵測光子之帶電粒子倍增裝置110可以包含磷(phosphor)、一光電陰極(photo cathode)以及一微通道板(microchannel plate)或一電子倍增器(electron multiplier)，其中，光電陰極用以將光子轉換為帶電粒子，大部分是轉換為電子。當光子撞擊光電陰極的一表面時，例如，一光偵測裝置之帶負電之電極，藉由帶電粒子倍增裝置110與帶電粒子偵測裝置130之間的電場(electric field)或位能，發出複數之電子並且隨後加速至帶電粒子偵測裝置130。由該光電陰極之電子發射，可以是電流放大器，然後朝向該電子倍增器(electron multiplier)，藉以倍增入射電荷。
帶電粒子倍增裝置110的一個重要功能是獲得第一級增益(first level gain)；而帶電粒子偵測裝置130的一個重要功能是獲得第二級增益(second level gain)。此外，帶電粒子偵測裝置130的功能是產生具有低雜訊水平之大信號輸出電流(高於0.1mA)。帶電粒子偵測裝置130，在一實施例中，可以是半導體光電二極體偵測器，例如，正-本-負光電二極體(p-i-n photodiode)。
帶電粒子倍增裝置110與帶電粒子偵測裝置130之間的漂移管殼體(drift tube type housing)120用以限制由帶電粒子倍增裝置110所產生的帶電粒子。施加於帶電粒子倍增裝置110與帶電粒子偵測裝置130之間的電場(electric field)或位能，可以是高電壓，例如±1KV至±20KV，或者高於/低於前述範圍，藉以加速帶電粒子。由於半導體光電二極體偵測器之增益取決於帶電粒子的衝擊能量(landing energy)，調整所施加的電場(electric field)或位能可以明顯增加帶電粒子偵測裝置130之增益，這對先前技術而言是不可能的。此外，在磷-光電倍增管(Phosphor-PMT)所產生的背景雜訊問題不會出現在上述設計。
通過信號輸出介面132之輸出信號朝向一放大器傳送，該放大器將電流信號轉換為電壓信號。在施加電場(electric field)或位能為10KV之一實施例 中，該粒子偵測系統100獲得高達1010之最大增益與高於毫安培(mA)水平之最大輸出信號電流。上述獨特性能對於任何先前粒子偵測系統而言是不可能的。
作為可選擇的零件，一金屬網(metal mesh)112可設置於漂移管殼體(drift tube type housing)120內，並且位於帶電粒子倍增裝置110之一入射表面之前方，用以避免施加於帶電粒子偵測裝置130之電場(electric field)或位能洩漏。
粒子偵測系統的一個重要應用是偵測電子。電子偵測系統400包含一金屬網112、一微通道板(MCP)200、一漂移管殼體(drift tube type housing)120、一帶電粒子偵測裝置130，例如正-本-負光電二極體偵測器(p-i-n photodiode detector)以及一信號輸出介面132。該微通道板(MCP)200，在一實施例中，吸引初始粒子，例如，10nA電子，並且放大該等電子至第一級增益，例如，1000倍的增益。而且，該等所放大之電子將藉由漂移管殼體(drift tube type housing)120內的10KV電場(electric field)或位能加速。在一實施例中，帶電粒子偵測裝置130使用半導體光電二極體(Semiconductor Photo Diode)或正-本-負光電二極體偵測器(p-i-n photodiode detector)，該帶電粒子偵測裝置130將獲得約2000倍的增益與約20mA的輸出信號。與多級微通道板(multi-stage MCP)組件相較，多級微通道板組件可獲得最大10uA至20umA的輸出信號電流(增益約為2K)；本發明可以提供最大10至20mA的輸出信號電流(增益約為2百萬)，後者是前者的千倍。理論上，微通道板可具有2百萬倍之增益能力，但是陽極輸出電流限制為20uA。因此，對於10nA信號電流而言，實際上多級微通道板組件只能獲得1K至2K的增益。
本發明的設計不僅可以偵測電子或帶電粒子，也可以偵測光子或 者甚至其他中性粒子。帶電粒子倍增裝置(charged particle multiplier device)提供第一級增益(first level gain)以及將電中性之初始粒子轉換為複數帶電粒子的功能。本設計中，施加於帶電粒子倍增裝置(charged particle multiplier device)與帶電粒子偵測裝置(charged particle detection device)之間的電場(electric field)或位能可增加帶電粒子偵測裝置(charged particle detection device)之增益，並且獲得第二級增益(second level gain)。此外，藉由使用電場(electric field)或位能，粒子偵測系統可提高增益至大於或相當於多級微通道板組件之增益，以及高於多級微通道板組件千倍之輸出信號電流。
上述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟悉此技藝之人士能了解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即凡其他未脫離本發明所揭示精神所完成之各種等效改變或修飾都涵蓋在本發明所揭露的範圍內，均應包含在下述之申請專利範圍內。
100‧‧‧粒子偵測系統
110‧‧‧帶電粒子倍增裝置
112‧‧‧金屬網
120‧‧‧漂移管殼體
130‧‧‧帶電粒子偵測裝置
132‧‧‧信號輸出介面

Claims (18)

  1. 一種粒子偵測系統(particle detection system)，包含：一帶電粒子倍增裝置(charged particle multiplier device)，用以接受欲偵測之初始粒子並且產生具有一第一級增益(first level gain)之複數帶電粒子；一帶電粒子偵測裝置(charged particle detection device)，用以接受該等複數帶電粒子並且產生與該等初始粒子對應之輸出信號；以及一漂移管殼體位於該帶電粒子倍增裝置與該帶電粒子偵測裝置之間；其中，一電位(electric potential)施加於該帶電粒子倍增裝置(charged particle multiplier device)與該帶電粒子偵測裝置(charged particle detection device)之間，用以加速該等複數帶電粒子，藉以到達該帶電粒子偵測裝置，並且得到一第二級增益(second level gain)。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之粒子偵測系統，其中，該帶電粒子偵測裝置係一半導體光電二極體(semiconductor photo diode)。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之粒子偵測系統，其中，該等初始粒子有帶電。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之粒子偵測系統，其中，該帶電粒子倍增裝置係一微通道板(microchannel plate)。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之粒子偵測系統，其中，該粒子偵測系統之增益可用該微通道板(microchannel plate)調整。
  6. 如申請專利範圍第3項所述之粒子偵測系統，其中，該等初始粒子係電子。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之粒子偵測系統，其中，該帶電粒子倍增裝置係一電子倍增器(electron multiplier)。
  8. 如申請專利範圍第2項所述之粒子偵測系統，其中，該等初始粒子係光子(photon)。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之粒子偵測系統，其中，該帶電粒子倍增裝置包含磷(phosphor)，光電陰極(photo cathode)以及一微通道板(microchannel plate)。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之粒子偵測系統，其中，該帶電粒子倍增裝置包含磷(phosphor)，光電陰極(photo cathode)以及一電子倍增器(electron multiplier)。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之粒子偵測系統，其中，該粒子偵測系統之增益可用該電位(electric potential)調整。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之粒子偵測系統，其中，該電位(electric potential)之範圍介於5KV至15KV之間。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之粒子偵測系統，更包含一金屬網(metal mesh)位於該帶電粒子倍增裝置之前方。
  14. 一種電子偵測系統(electron detection system)，包含：一微通道板(microchannel plate)，用以接受欲偵測之初始電子並且產生複數帶電粒子；一半導體光電二極體(semiconductor photo diode)，用以接受該等複數帶電粒子並且產生與該等初始電子對應之輸出信號；以及一漂移管殼體位於該微通道板與該半導體光電二極體之間； 其中，一電位(electric potential)施加於該微通道板(microchannel plate)與該半導體光電二極體(semiconductor photo diode)之間，用以加速該等複數帶電粒子，藉以到達該半導體光電二極體。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之電子偵測系統，其中，該電子偵測系統之增益可用該電位(electric potential)調整。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之電子偵測系統，其中，該電位(electric potential)之範圍介於5KV至15KV之間。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之電子偵測系統，更包含一金屬網(metal mesh)位於該微通道板(microchannel plate)之前方。
  18. 如申請專利範圍第14項所述之電子偵測系統，其中，該電子偵測系統之增益可用該微通道板(microchannel plate)調整。
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