TWI646568B - 高解析度高量子效率之電子轟擊之電荷耦合裝置或互補金氧半導體成像感測器 - Google Patents

高解析度高量子效率之電子轟擊之電荷耦合裝置或互補金氧半導體成像感測器 Download PDF

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    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures

Abstract

本發明揭示一種用於偵測低光信號之電子轟擊偵測器，其包含：一真空管結構，其界定一圓柱形真空管腔室；一光電陰極，其被安置在該真空管腔室之一第一端處；一感測器，其被安置在該真空管腔室之一第二端處；環電極，其等被安置在該真空管腔室中用於產生使所發射光電子加速朝向該感測器之一電場；及一磁場產生器，其經組態以產生施加一聚焦透鏡效應於該等光電子上之一對稱磁場。該等環電極及該磁場產生器係使用一縮短距離聚焦方法及一加速/減速方法之一者而操作，使得該等光電子具有低於2keV之一著靶能量。反射模式光電陰極之使用係使用多極偏轉器線圈或由分段圓形電極結構形成之環電極而實現。大角度偏轉係使用磁偏轉器或靜電偏轉器而達成。

Description

高解析度高量子效率之電子轟擊之電荷耦合裝置或互補金氧半導體成像感測器 本發明之相關申請案
本申請案主張Ximan Jiang等人在2014年7月22日申請之標題為「HIGH RESOLUTION HIGH QUANTUM EFFICIENCY ELECTRON BOMBARDED CCD OR CMOS IMAGING SENSOR」之美國臨時申請案第62/027,679號之優先權，且其全部內容以引用的方式併入本文中。
本發明係關於光學裝置領域，且更特定言之係關於電子轟擊成像感測器。
一影像增強管係一真空管裝置，該真空管裝置增大一光學系統中之可得光之強度以促進低光程序之視覺成像，諸如x射線或伽馬射線中材料之螢光(x射線影像增強器)，或將非可見光源(諸如近紅外線或短波紅外線)轉換為可見光。
基於微通道板(MCP)及近接聚焦概念之影像增強器可提供歸因於MCP放大之高增益、低失真及跨整個視野之均勻解析度。然而，基於MCP之影像增強器趨向於對於許多關鍵應用具有相對較差的解析度。此外，MCP可能阻擋光電陰極正後方多達40%的光電子。因此，用於 基於MCP之影像增強器之偵測量子效率通常係低的。
為達成較高偵測量子效率，可利用基於靜電聚焦透鏡或組合式磁性-靜電聚焦光學件之增強管。此等影像增強管通常具有比基於MCP之影像增強器好得多的偵測器量子效率(DQE)及解析度。然而，在非晶磷光體閃爍層中散射之電子及光子仍可劣化最終解析度。此外，需要光纖板或中繼光學透鏡來將磷光螢幕上發射之光傳送至最終成像裝置(諸如電荷耦合裝置(CCD)或互補金氧半導體(CMOS))。解析度及增益可在此耦合階段處進一步劣化。為收集儘可能多的光，可需要高數值孔徑(NA)中繼透鏡。高NA及大視野(FOV)光學件需要具有一大直徑及長輪廓之一中繼透鏡。此等中繼光學件之成本可能變大。此一收集方案中的淺聚焦深度係另一問題。所有此等缺陷增加光學對準及現場維修之挑戰性。
為克服基於增強器之偵測器中之此等問題，將諸如CCD感測器或CMOS感測器之像素化影像感測器放置在磷光螢幕位置上以直接收集發射自光電陰極之光電子。此等種類的偵測器通常被稱作電子轟擊CCD(EBCCD)偵測器或電子轟擊CMOS(EBCMOS)偵測器。EBCCD或EBCMOS裝置免除磷光螢幕中之電子-光子轉換步驟及磷光體與CCD感測器或CMOS感測器之間的昂貴耦合裝置。
多數當前EBCCD/EBCMOS偵測器係基於近接聚焦方法而設計以簡化設計、減小功率需求及使偵測器精巧。近接聚焦EBCCD/EBCMOS揭示於例如於1994年6月14日頒予Katsuyuki Kinoshita及Yoshinori Inagaki之美國專利第5,321,334號及於2001年9月4日頒予Verle W.Aebi等人之美國專利第6,285,018號中。
圖1中展示近接聚焦EBCCD之一概念圖。光電陰極層101塗佈在一玻璃基板100上。一CCD/CMOS晶片104被放置在面向光電陰極101之一封裝基板105上。整個封裝係由灌封材料103密封以形成一真空氣 密管。傳統的EBCCD/EBCMOS裝置中之光電陰極通常為透射模式之形式。意謂傳入光子將行進穿過玻璃窗且照明具有至玻璃基板之介面層之側上之光電陰極層。當傳入光子照明時，自光電陰極層之真空側表面發射光電子102，接著將由施加於光電陰極層與感測器表面之間之偏壓電壓106使光電子102加速。
當自光電陰極發射光電子時，光電子的初始速度通常具有法向於光電陰極平面之分量及平行於光電陰極平面之分量。平行於光電陰極平面之速度分量將產生起源於光電陰極平面上之相同點之電子雲之橫向散佈。橫向散佈之廣度與初始橫向速度及光電陰極與CCD/CMOS感測器之間之行進時間成比例。為減小橫向散佈，減小初始橫向速度且縮短行進時間係重要的。初始橫向速度係由傳入光子能量、光電陰極功函數及帶隙結構判定。光電陰極與感測器之間之行進時間係由其等之間的間隙及加速電壓而判定。較窄間隙及較高加速偏壓電壓將導致較短的行進時間，因此導致更好的解析度。然而，較窄間隙及較高偏壓電壓意謂光電陰極與感測器之間的較高電場強度。若電場強度接近2kV/mm~4kV/mm，則電弧效應之風險取決於真空壓力、表面光滑度及材料而顯著增大。為得到一子像素解析度，間隙需如此小，使得尤其在薄型背照式感測器上之CCD/CMOS晶片之不平坦度變大。此一不均勻間隙可能導致解析度變動、局部失真及增大的電弧效應之風險。
若間隙無法減小，則需增大偏壓電壓以改良解析度。然而，感測器內部之較高能量電子將增大X射線產額(X-ray yield)且藉由歸因於增大的缺陷密度增大暗電流及熱像素及減小增益而損壞CCD/CMOS感測器。為改良EBCCD/EBCMOS感測器之壽命，更好地將CCD/CMOS晶片上之光電子之著靶能量保持低於1keV或2keV。因此，在針對近接聚焦EBCCD/EBCMOS改良壽命與改良解析度之間存在一衝突要 求。為依低著靶電子能量達成高增益，在薄型背照式EBCCD/EBCMOS上塗敷硼塗層而非氧化物塗層。於2013年10月10日公佈給Jehn-Huar Chen等人之美國公開專利申請案第2013/0264481號中已揭示硼塗佈之背照式感測器。
為改良解析度，於1994年6月14日頒予Katsuyuki Kinoshita等人之美國專利第5,321,334號及由S.Buontempo等人於1998年8月在《Nuclear Instruments and Methods A》第2至3期第255頁中公佈之一研究論文中已揭示靜電聚焦混合式EBCCD設計。然而，靜電聚焦真空管通常具有不良聚焦均勻度或不平坦物體/影像平面及高影像失真。此等缺陷限制其在高解析度時延積分(TDI)成像感測器中之應用。例如，失真可被呈現為TDI模式成像感測器中之模糊。
於2013年6月13日公佈給Yung-Ho Alex Chuang等人之美國專利公開案第2013/0148112A1號中揭示改良EBCCD/EBCMOS解析度之另一嘗試。所揭示方法涉及在光電陰極與感測器之間插入具有一微透鏡陣列之一聚焦板。然而，自光電陰極發射之許多光電子將可能被聚焦板上之封閉區域阻擋。因此，此方法可減小整個EBCCD/EBCMOS之偵測量子效率(DQE)。
EBCCD/EBCMOS裝置之總DQE主要係由光電陰極之量子效率(QE)判定。在一透射模式光電陰極中，光子主要被吸收在光電陰極之前側上。接著，光電陰極層內部之高能電子(energetic electron)需要在高能電子可逸出由功函數產生之能量障壁之前擴散至光電陰極之真空側。高能電子之動量可能在該兩個表面之間之擴散過程期間損失。在一反射模式光電陰極中，光子被吸收在光電陰極之真空側上。高能電子可即刻在靠近相同位置處逸出光電陰極。因此，一反射模式光電陰極通常具有顯著較高的量子效率。
眾所周知，與對應的透射模式光電陰極相比，反射模式光電陰 極可達成高超過50%至100%的量子效率(QE)。例如，由Yoshihiro Ishigami等人於2012年在Proceedings of SPIE第8359卷中公佈之一研究論文比較反射模式及透射模式中之GaN光電陰極之QE。對於266nm光子，GaN光電陰極之QE在反射模式中可高達37%。然而在透射模式中，QE將降低至17%。以傳統的近接聚焦EBCCD/EBCMOS實施反射模式光電陰極而不藉由增加管長度而顯著犧牲解析度幾乎係不可能的。C.B.Opal及G.R.Carruthers已在1989年的《Proceedings of SPIE》第1158卷第96頁至第103頁中報告反射模式傾斜磁場聚焦EBCCD/EBCMOS裝置以改良解析度及量子效率。此一裝置具有相對於加速電場軸傾斜之一磁場。傾斜磁場可使光電子偏轉偏離法向軸且將光電子聚焦至非位於法向軸上之感測器。整體裝置體積大。對於許多高解析度TDI成像應用(諸如半導體缺陷檢驗設備)，傾斜聚焦設計中之聚焦像差及幾何失真可能太高。
需要可達成高空間解析度、低著靶能量及高增益之一EBCCD/EBCMOS裝置。此外需要即使在感測器具有幾十微米或大約一百微米之不平坦度的情況下仍可達成此等要求之一EBCCD/EBCMOS裝置。
本發明涉及電子轟擊偵測器(例如，EBCCD或EBCMOS偵測器)，其等利用各種新穎的結構及方法以達成高解析度電子光學件及低著靶能量(例如，2keV或更低)兩者，藉此提供高品質低光成像並使CMOS或CCD影像感測器之操作壽命最大化。
使用兩種基本方法以依低著靶能量獲得高解析度電子光學件。在每一情況中，利用環電極以在光電子離開光電陰極時使光電子加速，且利用一磁場產生器以在光電子行進穿過光電陰極與感測器之間之一真空腔室時對光電子產生一聚焦透鏡效應。第一種方法係使光電 陰極與感測器之間之距離為大約10mm至20mm，即顯著長於傳統的近接EBCCD中之間隙(通常小於0.5mm)且顯著短於具有磷光螢幕之磁性聚焦影像增強器(通常>40mm)之一距離，藉此光電子在一相對較低加速電場處加速以產生所要低著靶能量。在此情況中，由具有3安培或更小之電流之一螺線管或永久磁鐵產生一額外磁場以達成高解析度電子光學件。在第二種基本方法中，靠近光電陰極之環電極接收依序增大電壓，使得光電子在沿著真空管腔室之一短距離內加速至一峰值能量，且靠近CCD/CMOS感測器之環電極接收依序減小電壓，使得光電子自峰值能量減速至所要低著靶能量。
揭示透射模式實施例及反射模式實施例兩者。在一些反射EB偵測器中，利用電偏轉場或磁偏轉場以使光電子偏轉至偏軸感測器。在一些實施例中，環電極之一或多者包括包含兩個或更多個電隔離彎曲區段之一分段圓形電極結構，且在每一彎曲區段上施加不同電壓以產生一偏轉電場。在其他實施例中，在真空管結構與一永久磁鐵或一螺線管之間安置一多極偏轉器線圈，其中多極偏轉器線圈經組態以產生一偏轉磁場。在大角度反射模式應用中，利用一靜電偏轉器或一磁偏轉器以使光電子偏轉至大於大約30度之一偏軸角度。
本發明亦涉及一種包含上文描述之類型之一或多個EB(CCD或CMOS)偵測器之暗場檢驗系統及一種光學系統，該光學系統經組態用於將光引導至一被檢驗樣本、用於自樣本收集散射光且用於將所收集光引導至EB偵測器。
100‧‧‧玻璃基板
101‧‧‧光電陰極
101B‧‧‧光電陰極
101C‧‧‧光電陰極
101D‧‧‧光電陰極
102‧‧‧光電子
103‧‧‧灌封材料
104‧‧‧電荷耦合裝置(CCD)/金氧半導體(CMOS)晶片/感測器
104B‧‧‧偏離感測器/電荷耦合裝置(CCD)/金氧半導體(CMOS)影像感測器
104C‧‧‧感測器
104D‧‧‧光電陰極
105‧‧‧封裝基板
106‧‧‧偏壓電壓
200‧‧‧電子轟擊偵測器
200A‧‧‧電子轟擊偵測器
200B‧‧‧電子轟擊偵測器
200C‧‧‧電子轟擊偵測器
201‧‧‧真空管結構
201A‧‧‧真空管結構
201B‧‧‧真空管結構/反射模式光電陰極
201C‧‧‧真空管結構
202‧‧‧圓柱形壁
202A‧‧‧圓柱形壁
203‧‧‧第一端壁
204‧‧‧第二端壁
204B‧‧‧第二端壁
205‧‧‧圓柱形真空氣密管腔室
205A‧‧‧圓柱形管腔室
205B‧‧‧圓柱形真空氣密管腔室
205-1‧‧‧圓形第一端
205-1B‧‧‧圓形第一端
205-2‧‧‧相對圓形第二端
205-2B‧‧‧相對圓形第二端
206‧‧‧照明窗
206B‧‧‧照明窗
210‧‧‧磁場產生器
210A‧‧‧磁場產生器
210B‧‧‧磁場產生器
210C‧‧‧磁場產生器
211A‧‧‧螺線管
211C‧‧‧多極磁偏轉器線圈
212A‧‧‧選用永久磁鐵
212C‧‧‧永久磁鐵
220‧‧‧控制器
220A‧‧‧控制器
220B‧‧‧控制器
220C‧‧‧控制器
802‧‧‧電子光學件
803‧‧‧磁偏轉器/靜電偏轉器/區段
805‧‧‧光電子
806‧‧‧電子光學件
1000‧‧‧暗場晶圓檢驗系統
1001‧‧‧光源
1002‧‧‧照明光學件
1003‧‧‧樣本
1005‧‧‧折射光學元件
1006‧‧‧影像偵測器
1007‧‧‧光學收集子系統
d‧‧‧距離
E1‧‧‧環電極
E2‧‧‧環電極
E3‧‧‧環電極
E4‧‧‧環電極
E5‧‧‧環電極
En‧‧‧環電極
ELE‧‧‧著靶能量
‧‧‧偏轉電場分量
‧‧‧偏轉電場分量
EB1‧‧‧環電極
EB2‧‧‧環電極
EB3‧‧‧環電極
EB4‧‧‧環電極
EB5‧‧‧環電極
EBn‧‧‧環電極
EB1A‧‧‧環結構
EB1A-1‧‧‧半圓區段
EB1A-2‧‧‧半圓區段
EB1B‧‧‧分段圓形電極結構
EB1B-11‧‧‧上部半圓部分
EB1B-12‧‧‧上部半圓部分
EB1B-13‧‧‧上部半圓部分
EB1B-21‧‧‧下部半圓部分
EB1B-22‧‧‧下部半圓部分
EB1B-23‧‧‧下部半圓部分
ELE‧‧‧著靶能量
IS‧‧‧螺線管控制電流
LLS‧‧‧低光信號
OA‧‧‧光軸
PE1‧‧‧光電子
PE2‧‧‧光電子
V1‧‧‧偏壓電壓
V2‧‧‧偏壓電壓
V3‧‧‧偏壓電壓
V4‧‧‧偏壓電壓
V5‧‧‧偏壓電壓
Vn‧‧‧偏壓電壓
VB1‧‧‧電壓
VB2‧‧‧電壓
VB3‧‧‧電壓
VB4‧‧‧電壓
VB5‧‧‧電壓
VB1A-1‧‧‧電壓
VB1A-2‧‧‧電壓
VB1B-11‧‧‧電壓
VB1B-12‧‧‧電壓
VB1B-13‧‧‧電壓
VB1B-21‧‧‧電壓
VB1B-22‧‧‧電壓
VB1B-23‧‧‧電壓
VBn‧‧‧電壓
X‧‧‧中心軸
參考以下描述、隨附申請專利範圍及隨附圖式將變得更好地瞭解本發明之此等及其他特徵、態樣及優點，其中：圖1係展示一傳統近接聚焦EBCCD之一橫截面側視圖；圖2係展示根據本發明之一實施例之一透射模式磁性聚焦 EBCCD/EBCMOS之一橫截面側視圖；圖3A係展示在一加速管實施例中沿著管長度之光電子之能量之一圖；圖3B係展示根據本發明之一實施例之具有一縮短距離組態之一透射模式磁性聚焦EBCCD/EBCMOS之一橫截面側視圖；圖4係展示在一減速管實施例中沿著管長度之光電子之能量之一圖；圖5係展示根據本發明之另一實施例之具有靜電偏轉之一反射模式EBCCD/EBCMOS之一橫截面側視圖；圖6(A)係展示被劃分為兩個電極以充當一雙極偏轉器及一環電極兩者之一圓形環電極之一俯視圖；圖6(B)係展示被劃分為六段以充當一六極偏轉器及一環電極兩者之一圓形環電極之一俯視圖；圖7係展示根據本發明之另一實施例之具有一磁場偏轉之一EBCCD/EBCMOS之一橫截面側視圖；圖8係一大偏轉角度反射模式EBCCD/EBCMOS設計之一示意圖；圖9A及圖9B分別係展示根據本發明之又其他實施例之包含EBCCD/EBCMOS偵測器之表面檢驗設備之頂部-正面透視圖及側視圖；及圖10係展示根據本發明之另一實施例之包含複數個EBCCD/EBCMOS偵測器之一暗場晶圓檢驗系統之一簡化側視圖。
本發明係關於用於低光信號偵測之電子轟擊偵測器之一改良。以下描述被提出以使得一般技術者能夠如一特定應用及其要求的背景中提供般製作並使用本發明。熟習此項技術者將明白對較佳實施例之 各種修改，且本文定義之一般原理可應用於其他實施例。因此，本發明不旨在受限於所展示及描述之特定實施例，而係符合與本文揭示之原理及新穎特徵一致的最寬範疇。
圖2係展示一電子轟擊偵測器(EB偵測器)200(諸如一EB-CCD或EB-CMOS偵測器)之一橫截面側視圖，其圖解說明根據本發明之一實施例之一例示性透射模式電子轟擊偵測器。EB偵測器200通常包含一真空管結構201、一光電陰極101、一感測器104、環電極E1至En、一磁場產生器210及一控制器220。真空管結構201包含一圓柱形壁202、一第一端壁203及一第二端壁204，其等共同形成(界定)具有一圓形第一端205-1及一相對圓形第二端205-2之一圓柱形真空氣密管腔室205。圓柱形壁202、第一端壁203及第二端壁204係使用已知的硬質材料(諸如陶瓷、矽、玻璃或塑膠)建構。在圖2之透射模式實例中，一照明窗206(例如，玻璃、光學晶體或清透塑膠)被安置在第一端壁203上。
光電陰極101及感測器104被安置在真空管腔室205之相對端處，其中光電陰極101經定位以回應於低光信號(光子)產生光電子，且感測器104經定位以在所發射光電子依下文描述之方式跨過真空管腔室205加速之後捕獲該等所發射光電子。光電陰極101被安置在第一端壁203之一內表面上(即，真空管腔室205之第一端205-1處)且包含回應於該等低光信號發射光電子之一或多種材料。在替代實施例中，光電陰極101包含一或多個鹼基材料、氮化鎵(GaN)或砷化鎵(GaAs)或碲化銫(CsTe)或包含此等材料之兩者或更多者之一組合。感測器104被安置在真空管腔室205之第二端205-2處，且經組態以接收所發射光電子之至少一些且回應於所接收光電子產生一電信號S。在替代實施例中，感測器104係一電荷耦合裝置(CCD)影像感測器或一CMOS影像感測器。在一實施例中，感測器104係經組態以使用時延積分(TDI)產生影 像資訊之一類型(諸如一TDI CCD)以提供較高速度。在一實施例中，感測器104係一薄型背照式CMOS感測器或一薄型背照式CCD感測器，以增大光子轉光電子轉換效率且藉此改良低光效能。在又另一實施例中，一硼塗層被安置在感測器104之面朝光電陰極101之一表面上以依低著靶電子能量達成高增益並改良感測器之操作壽命。Chern等人於2013年3月10日申請之美國專利申請案第13/792,166號及Sarubbi等人之「Chemical vapor deposition of a-boron layers on silicon for controlled nanometer-deep p+-n junction formation」(《J.Electron.Material》第39卷，第162頁至第173頁，2010年)中可找到關於感測器之硼塗層之更多細節。此等文件兩者皆以引用方式併入本文中。
環電極E1至En及磁場產生器210(例如，一磁螺線管、一永久磁鐵或兩者)經組態以使所發射光電子加速朝向感測器104且使經加速光電子聚焦，使得其等以類似於其等產生的圖案之一圖案到達感測器104處。電極E1、E2、E3、……En自控制器220分別接收電壓V1、V2、V3、……Vn，藉此在EB偵測器200內產生一加速等電位分佈(由大致上垂直的長虛線指示)，該加速等電位分佈使所發射光電子加速朝向電子感測器104。控制器220經組態以產生並傳輸電壓V1、V2、V3、……Vn至電極E1、E2、E3、……En，使得施加於鄰近光電陰極101之電極(例如電極E1及E2)上之電壓(例如，V1及V2)經調整，以例如藉由在光電陰極101附近產生一高強度電場，接著在感測器104附近產生一相對較低電場，來補償電子光學像差。此電場分佈產生發散(負)透鏡效應且補償由磁性聚焦場產生之正光學像差。磁場產生器210包圍真空管結構201，使得整個管結構浸沒在由螺線管線圈(例如，回應於由控制器220產生之螺線管控制電流IS)及/或形成磁場產生器210之永久磁鐵產生之一軸向對稱磁場中(示為圖2中之大致上水平小虛線)。如圖2中指示，軸向對稱磁場經形成，使得自偏管軸之一 位置發射之兩個光電子(例如，光電子PE2及PE3)及在靠近軸發射之光電子(例如，光電子PE1)藉由調整光電陰極101周圍之電場以產生一發散(負)透鏡效應來補償由磁場產生之正光學像差而被帶至聚焦在感測器104上之相同平面處。
參考圖2之左側，在操作期間，穿透照明窗206接收之低光信號LLS(即，照明)撞擊在光電陰極101上，導致光電陰極101發射光電子(例如，光電子PE1、PE2及PE3)。一旦光電子自光電陰極101發射，該等光電子就藉由由電極E1、E2、E3、……En跨光電陰極101與固態感測器104之間的空間產生之電場加速，且以一低著靶能量到達感測器104處，同時維持高解析度電子光學件。根據本發明之一態樣，電子轟擊偵測器200經組態以依低著靶能量達成高解析度電子光學件(即，使得到達感測器104處之該等光電子具有低於2keV之一著靶能量)。相比之下，在習知聚焦影像增強器(例如，諸如美國公開專利申請案2014/0063502 A1號中揭示之聚焦影像增強器)中，光電子之著靶能量通常顯著高於20keV以在閃爍體螢幕上產生足夠的光子。此一高著靶能量可在EBCCD/EBCMOS裝置中迅速地損壞CCD感測器或CMOS感測器。
根據替代實施例，本發明利用兩種基本方法以依低著靶能量獲得高解析度電子光學件：下文參考圖3A及圖3B描述之一縮短距離方法，及下文參考圖4描述之一加速/減速方法。
縮短距離聚焦方法涉及縮短光電陰極平面與感測器平面之間之距離，同時維持其等之間之加速電場，使得具有2keV或更小之一著靶能量之光電子到達感測器平面處。如由圖3A中所示之曲線圖指示，光電子能量沿著光電陰極平面與感測器平面之間之飛行路徑不斷增大。光電子被加速得愈來愈快直至其等依一著靶能量ELE擊中半導體感測器。偏軸光電子(例如圖2中所示之光電子PE2及PE3)在靠近光 電陰極區域之一位置處比軸上光電子(例如光電子PE1，圖2)更快地加速。
圖3B圖解說明根據縮短距離聚焦方法之一例示性實施方案之一EB偵測器200A，其中真空管結構201A包含界定一圓柱形管腔室205A之一減小長度圓柱形壁202A，該圓柱形管腔室205A具有大於光電陰極101與感測器104之間之一距離d之一半徑r。在一例示性實施例中，半徑r係20mm且距離d係14mm。控制器220A施加2.4安培之一電流IS於磁場產生器210A之一螺線管211A(其亦包含一選用永久磁鐵212A)且亦施加適當的偏壓電壓V1至V3於每一環電極E1至E3，使得電場小於0.25kV/mm。在傳統的近接EBCCD/EBCMOS中，光電陰極與感測器之間的間隙可小於0.5mm，且電場可能需高於2.5kV/mm以達成合理的解析度。與傳統的近接EBCCD/EBCMOS相比，此減小長度磁性聚焦EBCCD/EBCMOS管中之解析度已在大30倍之一間隙處改良達3倍。例示性裝置中之電場係僅0.086kV/mm。電弧效應之風險係可忽略的。與傳統的近接EBCCD/EBCMOS相比，此申請案中揭示之磁性聚焦EBCCD/EBCMOS裝置完全消除高電壓電弧效應之風險並達成改良許多的解析度。此例示性EBCCD/EBCMOS裝置之聚焦深度可大於100微米，其足夠大以處置許多薄型背照式EBCCD/EBCMOS裝置之不平坦度。薄型背照式半導體感測器中之不平坦度歸因於短間隙(<0.5mm)而對於傳統的近接EBCCD/EBCMOS而言係一嚴重的問題。此縮短距離磁性聚焦方法可補償感測器平面上之場曲率像差。最終解析度對光電陰極平面周圍之電場強度非常敏感。電場強度愈高，解析度愈佳。然而，需要短的管長度來達成相同偏壓電壓下之較高電場強度。短的管長度需要較高磁性聚焦場強度，可增大螺線管或永久磁鐵之直徑。在具有有限可用空間之應用中，一大的永久磁鐵並非所要的。
圖4圖解說明根據加速/減速方法之例示性光電子能量。在此方法 中，光電子加速至實質上高於最終著靶能量ELE之一峰值能量Epeak，接著在到達感測器平面之前減速至最終著靶能量ELE。例如，光電子加速至峰值能量Epeak(其可為10keV或更大)，且接著減速使得其等著靶能量ELE係2keV或更低。在加速/減速方法之一實施例中，藉由施加依序增大電壓於經定位鄰近光電陰極的第一群組之電極而維持光電陰極周圍之一高加速電場強度，以得到更好解析度，且藉由施加依序減小電壓於經定位鄰近感測器之第二群組之電極而達成感測平面周圍之一減速電場強度。例如，利用圖4作為參考，控制器220經組態以產生電壓V1至V3(其等分別施加於(第一)電極E1至E3)，使得V3>V2>V1，藉此光電子如圖4中所示之曲線圖的左半部分中描繪般加速至一峰值能量Epeak。控制器220亦經組態以產生電壓V4、V5及Vn(其等分別施加於(第二)電極E4、E5及En)，使得V4>V5>Vn，藉此光電子如圖4中所示之曲線圖的右半部分中描繪般自峰值能量Epeak減速至感測器處之著靶能量ELE。為產生近似10keV之一峰值能量，在光電陰極上施加介於-200V至-2kV之間之一偏壓電壓，感測器保持為接地電位，且施加於電極E3之偏壓電壓V3等於或高於+10keV。在利用加速/減速方法之偵測器中自光電陰極101至感測器104之總管長度可超過依相同的最終光電子著靶能量且具有相同解析度能力之對應加速管長度之長度的兩倍。利用加速/減速方法之偵測器中之磁場之聚焦長度可顯著長於利用僅加速方法之偵測器之聚焦長度(例如產生類似於圖3A中所示之光電子能量曲線之光電子能量曲線之偵測器)。長的聚焦長度可有助於減小所需磁場強度，因此減小磁螺線管及磁極片之大小。
雖然上文具體參考經組態以實施透射模式光電陰極之例示性EB偵測器描述本發明，但是上文描述之本發明之縮短聚焦距離及加速/減速方法亦可結合反射模式光電陰極予以利用。如【先前技術】中論 述，利用反射模式光電陰極之EB偵測器要求感測器偏離光軸，光沿著該光軸進入真空管腔室。因為感測器偏離反射模式組態中之光電陰極101B，所以需要一偏轉場來使光電子遠離光(法向)軸偏轉至感測器。為在一有限管長度內達成大的偏軸偏轉，更好地在光電陰極附近施加偏轉力。然而，光電陰極區域已經浸沒在一強的軸向對稱加速電場中。將額外的金屬偏轉器電極插入至管真空空間中將對由用於產生軸向電場之圓形電極產生之場產生一屏蔽效應，藉此將大幅擾亂(改變)軸向電場，導致較低解析度且更差的失真效能。
根據本發明之另一態樣，如下文參考圖5至圖7描述之例示性實施例中陳述，反射模式EB偵測器藉由利用新穎的環電極結構或一新穎的磁場產生器以在不影響所要加速電場的情況下產生一偏轉場來解決屏蔽效應問題。
圖5圖解說明一例示性反射模式EB偵測器200B，其利用各自分段為多個區段(參見圖6A及圖6B)之環電極EB1至EBn以產生一偏轉電場及一軸向場兩者，該偏轉電場具有足夠強度以將光電子引導至偏離感測器104B，且該軸向場在光電子到達感測器104B時使電子加速至所要著靶能量。類似於上文描述之透射模式實施例，EB偵測器200B通常包含：一真空管結構201B，其形成一真空氣密管腔室205B；一光電陰極101B，其被安置在腔室205B之一第一端205-1B處；一CCD或CMOS影像感測器104B，其被安置在腔室205B之一第二端205-2B處；環電極EB1至EBn，其等被安置在腔室205B內部且耦合至一控制器220B以接收對應電壓VB1至VBn(施加於每一環電極之個別區段之電壓可經個別設定或控制，參見圖6A及圖6B及下文之相關描述)；及磁場產生器210B，其產生一對稱磁場。
真空管結構201B與結構201(參見圖2)類似在於其包含經組態以界定圓柱形真空氣密管腔室205B之一圓柱形壁202B、一第一端壁 203B及一第二端壁204B。真空管結構201B與結構201不同在於：照明窗206B(例如玻璃、光學晶體或清透塑膠)被安置在第二端壁204B上(即，腔室205B之第二端205-2B處)，使得沿著一光軸OA行進之光LLS被引導穿過腔室205B至反射模式光電陰極201B，且感測器104B與光軸OA分隔開(偏離)(例如在圓柱形真空氣密管腔室205B之中心軸X之相對側上)。
環電極EB1至EBn經組態以藉由施加適當電壓於環電極EB1至EBn之各者之區段之各者而產生一軸向加速電場(圖5中由水平定向分量指示)及一偏轉電場分量(圖5中由垂直定向分量指示)兩者。偏轉分量係由施加於一單個環電極內之個別區段之電壓之間的差而產生。軸向分量係由一環電極之區段上之電壓與鄰近電極之區段上之電極之間的差而產生。在一實施例中，施加於環電極EB1至EBn之個別區段之電壓經選擇以產生一軸向分量，該軸向分量導致光電子隨著其等以類似於圖3A中圖解說明之方式之一方式自光電陰極101B移動朝向感測器104B而單調地加速。在另一實施例中，施加於環電極EB1至EBn之個別區段之電壓經選擇以產生一軸向分量，該軸向分量使得光電子隨著其等以類似於圖4中圖解說明之方式之一方式自光電陰極101B移動朝向感測器104B而加速且接著減速。
圖6A及圖6B係根據例示性實施例之展示包含兩個或更多個電隔離彎曲區段之分段圓形電極結構之正視圖。圖6A展示包括在操作期間分別接收電壓VB1A-1及VB1A-2之兩個半圓(彎曲)區段EB1A-1及EB1A-2之環結構EB1A。藉由組態控制器220B(圖5)以施加不同電壓於區段EB1A-1及EB1A-2(例如VB1A-1=1500V且VB1A-2=1400V)，環電極EB1A用作產生一偏轉電場分量之一雙極偏轉器，該偏轉電場分量用於如由箭頭指示般使光電子向上(即，在圖5中朝向感 測器104B)偏轉。圖6B展示一替代分段圓形電極結構EB1B，其包括6個彎曲區段，包含形成上部半圓部分之EB1B-11、EB1B-12及EB1B-13及形成下部半圓部分之EB1B-21、EB1B-22及EB1B-23。此等區段在操作期間分別接收電壓VB1B-11至VB1B-23。藉由施加稍微不同電壓於每一半圓部分之中心及側區段(例如，施加於區段EB1B-11之電壓VB1B-11比施加於區段EB1B-12及EB1B-13之電壓VB1B-12及VB1B-13更正，繼而電壓VB1B-12及VB1B-13比施加於區段EB1B-22及EB1B-23之電壓VB1B-22及VB1B-23更正，電壓VB1B-22及VB1B-23繼而比施加於區段EB1B-21之電壓VB1B-21更正)，結構EB1B用作產生一偏轉電場分量之一六極偏轉器，該偏轉電場分量用於如由箭頭指示般使光電子向上(即，在圖5中朝向感測器104B)偏轉。藉由結合上文描述之電極操作利用一或多個分段圓形電極結構，分段圓形電極結構充當偏轉器及環電極兩者。
圖5至圖7中圖解說明之反射模式EB感測器不限於使用被劃分為兩個或六個相等面積的區段之環電極。諸如將環電極劃分為不相等面積之區段、將環電極劃分為四個、八個或另一數目的區段之變動皆係上文提及之例示性實施例之可能替代。圖6B中圖解說明之環電極(其中與諸如圖6A中圖解說明之一雙極設計相比，一圓形環電極被劃分為六段以充當一六極偏轉器及一環電極兩者)之一優點係：一六極偏轉器設計中之偏轉場比一雙極偏轉器設計中之偏轉場更均勻。更均勻偏轉場可有助於減小影像像差，諸如彗形像差及失真。圖5中所示之環電極EB1至EBn之一或多者可被劃分為多個區段以產生一偏轉電場。不同區段上之偏轉偏壓可相對於每一環電極電壓浮動。施加於每一區段之不同電壓可單獨產生，或一分壓電阻器鏈可用於在不同區段(磁極片)上產生不同偏壓電壓。
圖7圖解說明一例示性反射模式EB偵測器200C，其利用被安置在 真空管結構201C與永久磁鐵212C之間之一多極磁偏轉器線圈211C，其中多極偏轉器線圈211C經組態以產生具有足夠強度以引導光電子朝向感測器104C之一偏轉磁場(垂直於圖頁引導)。EB偵測器200C亦包含以上文參考圖5描述之一方式組態之一光電陰極101C及如上文參考圖2描述般作用之環電極E1至En。在一實施例(未展示)中，多極偏轉器線圈211C插入在真空管結構201C與一螺線管之間。偏轉器線圈211C係以產生一平面外磁場之一方式定位，藉此離開光電陰極101C之光電子將向上偏轉朝向感測器104C。與先前傾斜磁場設計相比，此設計中之磁螺線管僅需稍微大於用偏轉器線圈纏繞之真空管。吾等之設計中之磁極片之直徑明顯較小。若磁極片直徑較小，則其需要較小的總磁通量來在真空管軸上產生相同磁場，其繼而可使磁螺線管更小。磁偏轉器之設計在電子光學件領域中係廣為人知的。雙極、四極、六極、八極及其他磁偏轉器設計在此皆可使用。
圖8圖解說明根據本發明之另一例示性實施例之一簡化的大偏轉角度的反射模式EB偵測器200D。例如，當需要較大的偏轉角度來提供足夠空間給附接至感測器之相機電子器件時，利用EB偵測器200D。一旦在光子照明LLS下自光電陰極101D發射光電子805，該等光電子805就將即刻由電子光學件802加速至一高電壓且聚焦。電子光學件802可包含靜電透鏡及/或磁透鏡(例如，以上文參考圖4描述之方式利用環電極E1至E3)。沿著光電子805之路徑，使用一磁偏轉器或靜電偏轉器或區段803以使光電子遠離法向(光)軸偏轉一相對較大角度(例如，45°或更大)至光電陰極104D。磁偏轉器803之一簡單例示性實施方案包含兩個永久磁鐵板，其中相反極性彼此緊靠放置在光電子路徑之相對側上。一均勻強度的磁偏轉場可形成於間隙中。即使圖8中展示90°之一例示性偏轉角度，使用相同設計亦可偏轉至其他角度。一旦光電子偏轉遠離光軸OA，該等光電子就將在其等著靶在 CCD/CMOS感測器807上之前由電子光學件806聚集及減速。靜電及/或磁透鏡可用於形成電子光學件806(例如利用根據上文參考圖4描述之實施例之電極E4至En)。可具有沿著光電子路徑之一或一個以上中間共軛平面。
如下文詳細地描述，晶圓、比例光罩(reticle)及光罩(photomask)檢驗系統可有利地包含一高解析度高QE的EBCCD/EBCMOS偵測器。圖9A及圖9B中展示例示性實施方案之一實施例。圖9A圖解說明包含照明系統1001及收集系統1010之一表面檢驗設備1000，其用於檢驗表面1011之區域。如圖9A中所示，一雷射系統1020經組態以引導光束1002穿過透鏡1003。透鏡1003經定向使得其主平面實質上平行於表面1011，且因此照明線1005形成於透鏡1003之焦平面中之表面1011上。此外，光束1002及聚焦光束1004依一非正交入射角被引導至表面1011。特定言之，光束1002及聚焦光束1004可依與一法向方向成介於大約1度與大約85度之間之一角度被引導至表面1011。以此方式，照明線1005實質上在聚焦光束1004之入射平面中。在一些實施例中，照明線可能近似1mm或2mm或幾mm長及1μm、2μm或幾μm寬。在一些實施例中，取代線聚焦，照明可被聚焦為一系列離散點。
收集系統1010包含：透鏡1012，其用於收集散射自照明線1005之光；及透鏡1013，其用於使源自於透鏡1012之光聚焦至一裝置(諸如包含上文描述之控制裝置之一EBCCD偵測器1014)上。EBCCD偵測器1014之增益之動態調整在此種類的檢驗系統中係重要的，此係因為散射及繞射光階(及濾光片之效率)歸因於晶圓上之不同圖案而可在一晶圓之一區域與另一區域之間大幅改變。
在一實施例中，EBCCD偵測器1014可包含偵測器之一線性陣列。在此等情況中，EBCCD偵測器1014內之偵測器之線性陣列可經定向為平行於照明線1005。在一實施例中，可包含多個收集系統，其 中收集系統之各者包含類似組件，但是定向不同。例如，圖9B圖解說明用於一表面檢驗設備之收集系統1021、1022及1023之一例示性陣列(其中該表面檢驗設備之照明系統(例如類似於照明系統1001)為簡明起見而未展示)。2009年4月8日頒發且以引用方式併入本文之美國專利第7,525,649號更詳細地描述檢驗系統1001之某些態樣。
圖10圖解說明包含複數個EBCCD/EBCMOS偵測器之另一暗場晶圓檢驗系統1000。在系統1000中，照明光學件1002接收由一光源1001發射之(若干)光束。在一實施例中，照明光學件1002可包含提供實質上平行輸出光束至一折射光學元件之多個分束器及反射光學元件。該折射光學元件繼而可使多道光束聚焦至一樣本1003上。
包含一散射光收集器及其他元件(諸如一或多個光圈、分束器、偏振元件及反射光學元件)之一光學收集子系統1007可將散射自樣本之光引導至兩個影像偵測器1006上。在一實施例中，光學收集子系統1007可進一步包含折射光學元件1005，該等折射光學元件1005經組態以輔助光學收集子系統1007之其他元件使散射光成像至影像偵測器1006上。在一實施例中，影像偵測器1006之至少一者可包含上文描述之EBCCD/EBCMOS偵測器。例如，在一實施例中，一偵測器可針對大量光散射最佳化，而另一偵測器可針對實質上低光散射最佳化。因此，在一次掃描之一些部分期間，光學元件可經組態以將散射光之一部分引導至針對大量光散射最佳化之一影像偵測器，且將散射光之另一不同部分引導至針對低光散射最佳化之一不同影像偵測器。2014年頒予Guoheng Zhao等人之美國專利公開案第2014/0009759 A1號更詳細地描述暗場晶圓檢驗系統900。
應瞭解，前述描述僅為例示性及解釋性的且並不一定限制本發明。併入說明書中且構成說明書之一部分之隨附圖式圖解說明本發明之標的。該等描述及該等圖式一起用於解釋本發明之原理。

Claims (21)

  1. 一種用於偵測低光信號之電子轟擊偵測器，該電子轟擊偵測器包括：一真空管結構，其界定具有一第一端及一相對第二端之一圓柱形真空管腔室；一光電陰極，其被安置在該真空管腔室之該第一端處，且包含回應於該等低光信號發射光電子之一材料；一感測器，其被安置在該真空管腔室之該第二端處且經組態以接收該等所發射光電子之至少一些，且回應於該等所接收光電子產生一電信號；複數個環電極，其等被安置在該真空管腔室中，每一該環電極經組態以回應於一所施加電壓產生一電場，該電場使該等所發射光電子加速朝向該真空氣密腔室之該第二端；一磁場產生器，其被安置鄰近該真空管結構且經組態以在該真空氣密腔室中產生一對稱磁場，使得該對稱磁場施加一聚焦透鏡效應於該等經加速光電子上；及一控制器，其經組態以將該等所施加電壓傳輸至該複數個環電極，使得該光電陰極周圍之該等電極上之該等所施加電壓經調整以補償電子光學像差，其中該電子轟擊偵測器經組態使得由該感測器接收之該等光電子具有低於2keV之一著靶能量。
  2. 如請求項1之電子轟擊偵測器，其中該真空管結構經組態使得該圓柱形管腔室之一半徑大於該光電陰極與該感測器之間之一距離，其中該磁場產生器包括一螺線管，及其中該控制器經進一步組態以施加3安培或更小之一偏壓電流於該螺線管，且經組態以施加依序增大電壓於該複數個環電極，使得該電場在該感測器處小於0.1kV/mm。
  3. 如請求項1之電子轟擊偵測器，其中該複數個環電極包含被安置鄰近該真空管腔室之該第一端的兩個或更多個第一環電極及被安置鄰近該真空管腔室之該第二端的兩個或更多個第二電極，及其中該控制器經進一步組態以施加依序增大電壓於該等第一電極，使得該等光電子在該真空管腔室內加速至一峰值能量，該控制器亦經組態以施加依序減小電壓於該等第二電極，使得該等光電子在到達該感測器處之前，自該峰值能量減速至該著靶能量。
  4. 如請求項1之電子轟擊偵測器，其進一步包括一窗，該窗被安置在該第二端處，使得在一光軸上行進之光被引導至該光電陰極上，其中該感測器與該光軸分隔開，且其中該複數個環電極及該磁場產生器之至少一者經組態以產生一偏轉場。
  5. 如請求項4之電子轟擊偵測器，其中該等環電極之一或多者包括一分段圓形電極結構，該分段圓形電極結構包含複數個電隔離彎曲區段，及其中該控制器經組態以施加一不同電壓於該複數個電隔離彎曲區段之每一彎曲區段，使得該分段圓形電極結構產生足以將光電子引導朝向該感測器之一偏轉電場。
  6. 如請求項5之電子轟擊偵測器，其中該分段圓形電極結構包括第一半圓區段及第二半圓區段，及其中該控制器包含用於施加一第一電壓於該第一半圓區段且施加一第二電壓於該第二半圓區段，使得該分段圓形電極結構形成一雙極偏轉器之構件。
  7. 如請求項5之電子轟擊偵測器，其中該分段圓形電極結構之該一或多者包括六個或更多個彎曲區段，及其中該控制器包含用於施加一不同電壓於該六個或更多個彎曲區段之各者，使得該分段圓形電極結構形成一多極偏轉器之構件。
  8. 如請求項4之電子轟擊偵測器，其進一步包括被安置在該真空管結構與一永久磁鐵之間之一多極偏轉器線圈，該多極偏轉器線圈經組態以產生足以將光電子引導朝向該感測器之一偏轉磁場。
  9. 如請求項4之電子轟擊偵測器，其進一步包括一靜電偏轉器及一磁偏轉器之一者，該等偏轉器經組態以使該等光電子遠離該光電陰極與該感測器之間之該光軸偏轉達30度或更大之一角度。
  10. 如請求項1之電子轟擊偵測器，其中該感測器包括一電荷耦合裝置(CCD)影像感測器及一金氧半導體(CMOS)影像感測器之一者。
  11. 如請求項1之電子轟擊偵測器，其中該感測器經組態以執行時延積分。
  12. 如請求項1之電子轟擊偵測器，其中該感測器包括一薄型背照式CMOS及一薄型背照式CCD感測器之一者。
  13. 如請求項1之電子轟擊偵測器，其中該感測器包括其之一表面上之一硼塗層。
  14. 如請求項1之電子轟擊偵測器，其中該光電陰極包括(a)一或多種鹼基材料、(b)GaN、(c)GaAs及(d)CsTe之至少一者。
  15. 一種用於操作用於偵測低光信號之一電子轟擊偵測器之方法，該電子轟擊偵測器包含：一真空管結構，其界定具有一第一端及一相對第二端之一圓柱形真空管腔室；一光電陰極，其被安置在該真空管腔室之該第一端處且包含回應於該等低光信號發射光電子之一材料；及一感測器，其被安置在該真空管腔室之該第二端處且經組態以接收該等所發射光電子之至少一些，且回應於該等所接收光電子產生一電信號，該方法包括：施加依序增大電壓於被安置鄰近該真空管腔室中且位於該真空管腔室之該第一端的複數個第一環電極，藉此該複數個第一環電極產生一加速電場，該加速電場使該等所發射光電子在該真空管腔室內加速至一峰值能量；及施加依序減小電壓於被安置鄰近該真空管腔室中且位於該真空管腔室之該第二端的複數個第二環電極，藉此該複數個第二環電極產生一減速電場，該減速電場使該等所發射光電子在到達該感測器之前自該峰值能量減速至一著靶能量。
  16. 如請求項15之方法，其中施加該等依序增大電壓包括將該等所發射光電子之一能量增大至高於10keV，及其中施加該等依序減小電壓包括將該等所發射光電子之該能量減小至低於2keV。
  17. 如請求項15之方法，其進一步包括在該等所發射光電子到達該感測器之前，使該等所發射光電子遠離該圓柱形真空管腔室之一垂直軸偏轉。
  18. 如請求項17之方法，其中偏轉該等所發射光電子包括：使用纏繞在該真空管結構周圍且放置在一螺線管磁極片內部之磁偏轉器產生一均勻磁偏轉場。
  19. 如請求項17之方法，其中該電子轟擊偵測器進一步包括被安置在該圓柱形真空管腔室中之一或多個分段圓形電極結構，每一該一或多個分段圓形電極結構包含複數個電隔離彎曲區段，及其中偏轉該等所發射光電子包括施加一不同偏壓電壓於每一該一或多個分段圓形電極結構之每一彎曲區段。
  20. 如請求項15之方法，其進一步包括在該等所發射光電子加速至該峰值能量之後，且在該等光電子自該峰值能量減速至該著靶能量之前，使該等所發射光電子遠離該圓柱形真空管腔室之一光軸偏轉達30度或更大之一角度。
  21. 一種暗場檢驗系統，其包含：一電子轟擊偵測器；及一光學系統，其經組態以將光引導至一被檢驗樣本且經組態以自該樣本收集散射光並將該所收集光引導至該電子轟擊偵測器，其中該電子轟擊偵測器包括：一真空管結構，其界定具有一第一端及一相對第二端之一圓柱形真空管腔室；一光電陰極，其被安置在該真空管腔室之該第一端處且包含回應於該所收集光發射光電子之一材料；一感測器，其被安置在該真空管腔室之該第二端處且經組態以接收該等所發射光電子之至少一些，且回應於該等所接收光電子產生一電信號；複數個環電極，其等被安置在該真空管腔室中，每一該環電極經組態以回應於一所施加電壓產生一電場，該電場使該等所發射光電子加速朝向該真空氣密腔室之該第二端；一磁場產生器，其被安置鄰近該真空管結構且經組態以在該真空氣密腔室中產生一對稱磁場，使得該對稱磁場施加一聚焦透鏡效應於該等經加速光電子上；及一控制器，其經組態以將該等所施加電壓傳輸至該複數個環電極，使得該光電陰極周圍之該等電極上之該等所施加電壓經調整以補償電子光學像差，其中該電子轟擊偵測器經組態使得由該感測器接收之該等光電子具有低於2keV之一著靶能量。
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