JP2021018988A - 荷電粒子検出器を製造する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】直接電子検出用の透過型電子顕微鏡などの荷電粒子顕微鏡において使用することができる検出器の製造方法を提供する。【解決手段】アクティブピクセルセンサ（ＡＰＳ）などのセンサデバイスを提供するステップを含む、荷電粒子検出器を製造する方法。センサデバイスは、少なくとも基板層と、感応層１４０と、を備える。この方法は、機械的支持層１６０を提供するステップと、機械的支持層１６０をセンサデバイスに接続するステップと、をさらに含む。接続後、感応層１４０は、基板層と機械的支持層１６０との間に位置する。機械的支持層１６０を接続することにより、荷電粒子検出器を形成するための基板層を薄化することが可能である。機械的支持層１６０は、製造された検出器の一部を形成する。【選択図】図５

Description

説明
本発明は、荷電粒子検出器を製造する方法に関し、該荷電粒子検出器は、基板層および感応層を有するセンサデバイスを備える。

荷電粒子顕微鏡法は、特に電子顕微鏡の形態の、顕微鏡物体を撮像するための周知の、かつますます重要な技術である。これまで、基本的なタイプの電子顕微鏡は、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、および走査透型過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）のような、いくつかの周知の装置類に進化してきており、さらには、例えば、イオンビームミリングまたはイオンビーム誘起蒸着（ＩＢＩＤ）のような支援作用を可能にする「機械加工」集束イオンビーム（ＦＩＢ）を追加的に採用する、いわゆる「デュアルビーム」装置（例えば、ＦＩＢ−ＳＥＭ）のような様々な補助種に進化してきている。当業者は、異種の荷電粒子顕微鏡に精通しているであろう。

ＳＥＭにおいて、走査電子ビームによるサンプルへの照射は、サンプルから２次電子、後方散乱電子、Ｘ線、ならびにカソードルミネッセンス（赤外線、可視光、および／または紫外光子）の形態の「補助（ａｕｘｉｌｉａｒｙ）」放射線の放出を促進する。この放出放射線の１つ以上の成分が、サンプル分析のために検出および使用され得る。

ＴＥＭにおいて、電子ビームが試料を透過し、試料と電子の相互作用により、ビームが試料を透過して画像を形成する。次に、画像は拡大され、かつ蛍光スクリーン、写真フィルムの層、または電荷結合素子（ＣＣＤ）に取り付けられたシンチレータなどのセンサなどのイメージングデバイスに焦点が合わせられる。シンチレータは顕微鏡内の１次電子を光子に変換し、ＣＣＤがそれを検出できるようにする。

ＴＥＭの最近の開発には、直接電子検出器の使用を含む。これらの直接電子検出器は、シンチレータを使用せずに顕微鏡で直接画像形成電子を検出できる。直接電子検出器はセンサ技術に基づいており、電子はより高度にドープされたシリコン基板上に支持された低度にドープされたシリコンエピ層に直接衝突する。エピ層の上部にパッシベーション層が設けられ、高濃度にドープされたウェルおよび読み出し用のエレクトロニクスならびに相互接続を含む。この種類の直接電子検出器を使用すると、すでに改良された解像度、信号対雑音（ＳＮＲ）比、および感度を得ることができる（ＭｃＭｕｌｌａｎ、ＦａｒｕｑｉおよびＨｅｎｄｅｒｓｏｎ、２０１６）。この好ましいＳＮＲ比は、高速ＣＭＯＳエレクトロニクスと相まって、個々の１次電子のカウントを可能にする。

改良された荷電粒子検出器、特に改良された直接電子検出器、およびそのような検出器を製造する方法を提供することが目的である。

この目的のために、請求項１に定義されるような荷電粒子検出器を製造する方法が提供される。本明細書で定義される方法は、アクティブピクセルセンサ（ＡＰＳ）などのセンサデバイスを提供するステップを含み、該センサデバイスは、基板層および感応層を含む。感応層を備えたセンサデバイスは、入ってくる荷電粒子を検出することができ、特に入ってくる電子を検出するように配設されている。基板層は、例えば、高度にドープされたシリコン基板であり得る。感応層は、エピ層を含み得る。ＡＰＳなどのセンサデバイスは、該感応層の上部にパッシベーション層も含むことができる。その場合、感応層は、パッシベーション層と基板層との間に挟まれてもよい。パッシベーション層は、高濃度にドープされたウェルおよび読み出し用のエレクトロニクスならびに相互接続を含むことができる。

本明細書で定義される方法によれば、この方法は、感応層が基板層と該機械的支持層との間に位置するように、機械的支持層を提供し、かつ機械的支持層を該センサデバイスに接続するステップを含む。機械的支持層は、感応層が該機械的支持層に直接隣接するように提供されてもよい。ＡＰＳなどのセンサデバイスがパッシベーション層を含む他の実施形態では、パッシベーション層は、感応層と機械的支持層との間に位置する。

本明細書で定義される方法によれば、この方法は、該荷電粒子検出器を形成するための該基板層を薄化する後続のステップを含む。

該機械的支持層を提供し、それをセンサデバイスに接続することにより、基板層の容易な薄化が可能になる。機械的支持層は、薄化プロセス中に機械的支持を提供する。機械的支持層を使用しているため、薄化プロセス中の荷電粒子検出器の脆弱性は低くなる。加えて、機械的支持層は、基板層のかなりの部分を取り除くことを可能にする。一実施形態では、基板層を完全に除去することが可能になる。言い換えれば、機械的支持層は、荷電粒子検出器がエピ層まで背面薄化されることを可能にする。そのような背面−薄型検出器を有することで、散乱電子からのノイズの寄与が減少する。

有利な実施形態では、該機械的支持層は、製造後に該荷電粒子検出器上に残る。言い換えれば、機械的支持層は、永久的に該センサデバイスに接続され、製造プロセスを完成させるために除去されない。機械的支持層とセンサデバイスとの間の接続は、永久的な接続が維持または強化されるように設計されてもよい。機械的支持層を最終荷電粒子検出器の一部にすることにより、製造プロセスの速度が改良され、荷電粒子検出器の強度および耐久性も同様に改良される。

原則として、より薄いセンサの使用が有利であり、したがって、取り付けられたまま−である機械的支持層を追加して、荷電粒子センサをより厚くする−ことは、直観的に反するように見えることに留意されたい。しかしながら、発明者は、機械的支持層をセンサデバイスに取り付け、基板層を感知層まで薄くすることにより、製造された荷電粒子検出器をいわゆる背面−照明モードで使用することが可能になることを見出した。背面−照明では、感知層は荷電粒子検出器の最外層である。感知層は、荷電粒子の予期される入ってくる流れに面するように配設することができ、かつ機械的支持層は、感知層の背面に位置付けられ、散乱の影響をすでに低減している。したがって、機械的支持層の適用、および最終荷電粒子検出器におけるこの層の維持は、不利な影響がそれが提供する利点を補償するのに十分小さいため、実際には不利ではない。

機械的支持層の維持は、センサデバイスが感知層と、高濃度にドープされたウェルを含むパッシベーション層および読み出しのためのエレクトロニクスならびに相互接続とを含む場合にも有利である。この場合、感知層のエピ層は、電子などの荷電粒子の（予期される）入ってくる流れに面する。機械的支持層は、荷電粒子の入ってくる流れから離れて方向付けられ、かつパッシベーション層は、機械的支持層と感知層との間に挟まれる。パッシベーション層は、周囲の２つの層によって機械的に保護されている。パッシベーション層は、入ってくる荷電粒子が当たる最初の層ではなく、散乱や他の望ましくない影響を引き起こす可能性があるので、荷電粒子の検出は、より直接的な方法で行うこともできる。

機械的支持層が荷電粒子検出器によって検出された信号に影響を与えることを防ぐために、例えば、機械的支持層から生じる後方散乱電子が原因で発生する可能性があるため、機械的支持層は、一実施形態では、低−Ｚ材料を含む。そのような低−Ｚ材料は、例えば、炭素、ベリリウム、および／またはホウ素を含む材料を含み得る。低Ｚ材料は、他の材料も含み得る。例えば、低Ｚ材料は、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリプロピレン（ＰＰ）およびポリカーボネート（ＰＣ）などのポリマも含み得る。他の低Ｚ材料も考えられる。

有利な実施形態では、機械的支持層は熱伝導材料を含む。荷電粒子顕微鏡で使用する直接電子検出器は、通常、真空で動作し、約０．２〜２０Ｗの熱出力を放散させる必要がある。真空中での熱伝達が課題であることが知られている。フレームレートが増加するにつれて、通常、電力量も増加する。一実施形態では、センサデバイスは、約２０〜４０μｍの厚さの背面−薄化されることができる。センサデバイスがこれらの寸法に背面−薄化されている場合、断面積が小さくなるため、熱伝導による熱流束も減少する実際に、冷却がこれらの背面−薄型検出器の主要な課題であることにつながる。この目的のために、一実施形態では、機械的支持層は、熱伝導材料を含むことができ、または熱伝導材料で作製され、（例えば、伝導によって）該０．２〜２０Ｗの熱出力を伝達するように配設され、例えば、ヒートシンクに、または少なくとも均一に熱出力を分配してホットスポットを防ぐ。該熱伝導材料は、少なくとも５００Ｗ／ｍＫ、特に少なくとも１０００Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有することができる。機械的支持層の厚さは、例えば、１０〜５０μｍの範囲、特に約２５μｍのような背面−薄型層の厚さと同様であってよい。センサデバイスへの接続および機械的支持層の特性は、機械的支持層が伝導を介して前述の熱出力を伝達することができるようなものである。荷電粒子検出器は、該機械的支持層に接続され、かつ例えば水冷および／またはペルチェ冷却を使用して能動冷却するように配設されたヒートシンクを含むことができる。

有利な実施形態では、機械的支持層は、低Ｚ熱伝導材料を含む。一実施形態では、黒鉛および炭素繊維複合材などの炭素材料が使用される。一実施形態では、熱分解炭素が使用される。サポートに加えて、優れた熱伝導性（〜１９５０Ｗ／ｍＫ）を提供し、かつ非常に低い質量（低Ｚ）を備えている。これにより、検出器からヒートシンクに向かう優れた熱伝達が可能になり、電子の（不要な）散乱の量が最小限に抑えられる。これに関して、熱分解炭素は、現在使用されている材料よりも熱伝導率の改善ももたらすことに留意されたい。追加的に、熱分解炭素は真空対応材料でもあるため、得られた荷電粒子検出器を荷電粒子顕微鏡で使用できる。機械的支持層の厚さは、約２５μｍなど、約１０〜５０μｍの範囲であってよい。

機械的支持層が熱伝導材料として機能することを可能にするために、機械的支持層がセンサデバイスと良好に熱接触しているときに有利である。この目的のために、方法は、接着剤によって該機械的支持層を該センサデバイスに接続するステップを含むことができる。該接着剤は、原則として、非反応性（例えば、溶剤ベースの接着剤、永久的または非永久的な感圧性接着剤、接触接着剤、高温接着剤）または反応性（嫌気性接着剤、マルチパート接着剤、予備混合接着剤および凍結接着剤、一液型接着剤）などの任意のタイプであり得る。有利な実施形態では、液体または流動性接着剤が使用される。そのような接着剤を使用することにより、センサデバイスと機械的支持層との間の確立されるべき良好な熱接触を確実にすることが可能である。平坦でない表面（例えば、ＡＰＳで発生するなど）に順応できる接着剤を使用すると、良好な熱接触が得られるが、最終的な直接電子検出器の構造強度も向上する。

一実施形態では、機械的支持層は、該感応性層の少なくとも一部に直接接続される。他の実施形態では、該センサデバイスがパッシベーション層を含む場合、該機械的支持層は該パッシベーション層に直接接続される。直接接続は、接着剤が使用される直接接続を含む。該接着剤は、特定の厚さを有することができ、機械的支持層と機械的層が直接接続される層との間に存在する。関連する層への直接接続により、センサは比較的コンパクトに保たれるが、放熱にも役立つ。

一態様によれば、
感応層およびパッシベーション層を有するＡＰＳなどのセンサデバイスと、
パッシベーション層が該感応層と該機械的支持層との間に位置するように、該センサデバイスに接続された機械的支持層と、を含む、荷電粒子検出器が提供される。

荷電粒子検出器のセンサデバイスは、感応性層およびパッシベーション層からなり得る。感応層は、低度にドープされたシリコンエピ層を含むか、またはそれからなってもよい。パッシベーション層はエピ層に接続されてもよい。パッシベーション層は、高濃度にドープされたウェルおよび読み出し用のエレクトロニクスならびに相互接続を含むことができる。センサデバイスは、いかなる基板層も含まなくてもよく、特に、より高度にドープされたシリコン基板を含まなくてもよい。センサデバイスは、モノリシックアクティブピクセルセンサ（ＭＡＰＳ）技術などのアクティブピクセルセンサ（ＡＰＳ）技術に基づいていてもよい。感応層、特にエピ層は、荷電粒子検出器の最外層を形成することができる。感応層、例えば、荷電粒子検出器の最外層であるエピ層を作製することにより、ノイズ特性が改善された検出器が得られる。機械的支持層は、荷電粒子検出器の堅牢性を支援し、−前に説明したように−荷電粒子検出器から周囲への十分な熱伝達を提供するのに役立つ、または少なくともそれをセンサデバイス全体に均一に分配する。

この種類の荷電粒子検出器は、改善された解像度、信号対雑音比、および感度を示し、特に、ＴＥＭまたは一般的な荷電粒子顕微鏡の直接電子検出器として、さらには電子計数の場合にはさらに有用である。

荷電粒子検出器は、約３０〜１００μｍの範囲、より具体的には（特に）４０〜６０μｍの範囲の総厚さを有し得る。機械的支持層は、センサデバイスの厚さと同様の厚さを有し得る。機械的支持層は、例えば、約２５μｍなど、約１０〜５０μｍの厚さを有し得る。

前述のように、機械的支持層は、一実施形態では、熱伝導性の低Ｚ材料で作製されてもよい。該機械的支持層は、炭素、特に熱分解炭素を含み得る。一実施形態では、機械的支持層は熱分解炭素からなる。

荷電粒子検出器は、該機械的支持層と該パッシベーション層との間に接着剤層またはグル−層を含み得る。接着剤層は、センサデバイスと機械的支持層との間の良好な熱接続を確実にする。追加的に、接着剤層は、パッシベーション層と機械的支持層との間に電気絶縁層を確立するのに役立ち得る。

代替の態様によれば、
感応層およびパッシベーション層を有するＡＰＳなどのセンサデバイスと、
感応層が該パッシベーション層と該機械的支持層との間に位置するように、該センサデバイスに接続された機械的支持層と、を含む、荷電粒子検出器が提供される。この実施形態による荷電粒子検出器は、熱伝達の観点から特に有利である。機械的支持層は、一実施形態では、熱伝導性の低いＺ材料で作製されてもよい。該機械的支持層は、炭素、特に熱分解炭素を含み得る。一実施形態では、機械的支持層は熱分解炭素からなる。これらの特徴は、荷電粒子検出器の散乱性能を改善するために使用されてもよい。

一態様によれば、試料を検査するための荷電粒子顕微鏡であって、
荷電粒子源、および該荷電粒子源から放射された荷電粒子のビームを試料上に方向付けるための照明装置を含む光学カラムと、
該照明装置の下流に位置付けられ、かつ該試料を保持するように配設された、試料ステージと、
該荷電粒子源から放射された荷電粒子の入射に応答して、該試料から生じる放射物を検出するための検出デバイスと、
荷電粒子顕微鏡の動作を実行するための制御ユニットと、を備える、荷電粒子顕微鏡。

本明細書で定義される荷電粒子顕微鏡は、請求項１１で定義される荷電粒子検出器など、本明細書で説明される荷電粒子検出器を含む。

荷電粒子顕微鏡は、一実施形態では、ＴＥＭであってもよい。荷電粒子検出器は、直接電子検出器であってよい。

荷電粒子検出器は、一実施形態では、該感応層が該粒子源と該機械的支持層との間に位置付けられるように配置される。言い換えれば、感応層は該粒子源に直接面している。パッシベーション層は、該感受応層と該機械的支持層との間に配置される。

本発明は、ここで、例示的な実施形態および添付の概略図に基づいてより詳細に説明される。
本発明の第１の実施形態による、荷電粒子顕微鏡の縦断面図を示す。 本発明の第２の実施形態による、荷電粒子顕微鏡の縦断面図を示す。 −本明細書に開示される荷電粒子検出器の実施形態を示す。 −本明細書に開示される荷電粒子検出器の実施形態を示す。 −本明細書に開示される荷電粒子検出器を製造するための方法の実施形態を示す。 −本明細書に開示される荷電粒子検出器を製造するための方法の実施形態を示す。 −本明細書に開示される荷電粒子検出器を製造するための方法の実施形態を示す。 −は、荷電粒子顕微鏡における荷電粒子検出器の使用を示す。

図１（正確な縮尺ではない）は、本発明の実施形態による、荷電粒子顕微鏡Ｍの実施形態の非常に概略的な図である。より具体的には、透過型顕微鏡Ｍの実施形態を示しており、この場合、これはＴＥＭ／ＳＴＥＭである（ただし、本発明の文脈では、ＳＥＭ（図２参照）、または例えば、イオンベースの顕微鏡であってもよい）。図１において、真空筐体２内では、電子源４は、電子光軸Ｂ´に沿って伝搬し、電子光学照明装置６を横断する電子ビームＢを生成して、電子を試料Ｓの選択部分に方向付ける／集束させるように機能する（例えば、（局所的に）薄化する／平板状にすることができる）。偏向器８もまた図示されており、これは、（とりわけ）ビームＢの走査運動をもたらすために使用することができる。

試料Ｓは、ホルダＨが（取り外し可能に）固定されているクレードルＡ´を移動する、位置決めデバイス／ステージＡにより複数の自由度で位置決めすることができる試料ホルダＨに保持されており、例えば、試料ホルダＨは、（とりわけ）ＸＹ平面内で移動することができるフィンガを含むことができる（示されたデカルト座標系を参照されたい。通常は、Ｚに平行な移動およびＸ／Ｙに対する傾きも可能である）。このような移動により、試料Ｓの異なる部分が、軸Ｂ´に沿って（Ｚ方向に）進む電子ビームＢによって、照明／撮像／検査されることを可能にする（および／または走査運動が、ビーム走査の代替として、実行されることを可能にする）。所望される場合、任意選択の冷却デバイス（図示せず）を、試料ホルダＨと密に熱接触させて、試料ホルダＨ（および、その上の試料Ｓ）を、例えば、極低温度に維持することができる。

電子ビームＢは、（例えば）２次電子、後方散乱電子、Ｘ線、および光放射（カソードルミネッセンス）を含む様々なタイプの「誘導」放射線を試料Ｓから放射させるように、試料Ｓと相互作用する。所望される場合、例えば、シンチレータ／光電子増倍管またはＥＤＸまたはＥＤＳ（エネルギー分散型Ｘ線分光）モジュールを組み合わせた分析デバイス２２の助けを借りて、これらの放射線のタイプのうちの１つ以上を検出することができ、このような場合には、ＳＥＭと基本的に同じ原理を使用して画像を構築することができる。しかしながら、代替的にまたは補足的に、試料Ｓを横断（通過）し、試料Ｓから出射／放出され、軸線Ｂ´に沿って（実質的には、とはいえ、概して、ある程度偏向／散乱しながら）伝搬し続ける電子を調査することができる。このような透過電子束は、撮像システム（投影レンズ）２４に入射し、撮像システム２４は概して、様々な静電／磁気レンズ、偏向器、補正器（例えばスティグメータのような）などを含む。通常の（非走査）ＴＥＭモードでは、この撮像システム２４は、透過電子束を蛍光スクリーン２６に集束させることができ、蛍光スクリーン２６は、所望される場合、（矢印２６´で概略的に示すように）後退させる／回収することにより、蛍光スクリーン２６を軸線Ｂ´から外れるようにすることができる。試料Ｓの（一部の）画像（または、ディフラクトグラム）は、撮像システム２４によりスクリーン２６上に形成され、この画像は、筐体２の壁の適切な部分に位置する視認ポート２８を介して視認することができる。スクリーン２６の後退機構は、例えば、本質的に機械的および／または電気的な機構であり、ここには図示されていない。

スクリーン２６上の画像を視認することの代替として、代わりに、画像化システム２４から出ていく電子束の集束深度が概して極めて深い（例えば、約１メートル）という事実を利用することができる。その結果、
ＴＥＭカメラ３０のような様々な他のタイプの分析装置をスクリーン２６の下流で使用することができるカメラ３０の位置に、電子束は、静止画像（または、ディフラクトグラム）を形成することができ、静止画像は、制御装置／プロセッサ２０により処理することができ、例えばフラットパネル表示のような表示デバイス１４に表示することができる。必要ではない場合、カメラ３０は、後退／回収（矢印３０´で概略的に示すように）されて、カメラを軸線Ｂ´から外れるようにすることができる。
−ＳＴＥＭカメラ３２。カメラ３２からの出力は、試料Ｓ上のビームＢの（Ｘ、Ｙ）走査位置の関数として記録することができ、Ｘ、Ｙの関数としてのカメラ３２からの出力の「マップ（ｍａｐ）」である画像を構築することができる。カメラ３２は、カメラ３０に特徴的に存在する画素のマトリックスとは対照的に、例えば、２０ｍｍの直径を有する単一の画素を含むことができる。さらに、カメラ３２は、概して、カメラ３０（例えば、１０^２画像／秒）よりもはるかに高い取得レート（例えば、１０^６ポイント／秒）を有する。この場合も同じく、必要でない場合、カメラ３２は、（矢印３２´で概略的に示すように）後退／回収させて、カメラを軸線Ｂ´から外れるようにすることができる（このような後退は、例えば、ドーナツ形の環状暗視野カメラ３２の場合には必要とされないが、このようなカメラでは、中心孔が、カメラが使用されていなかった場合にフラックスの通過を可能にする）。
−カメラ３０または３２を使用して撮像を行うことの代替として、例えば、ＥＥＬＳモジュールとすることができる分光装置３４を呼び出すこともできる。

部品３０、３２、および３４の順序／位置は厳密ではなく、多くの可能な変形が考えられることに留意されたい。例えば、分光装置３４は、撮像システム２４と一体化することもできる。

示す実施形態では、顕微鏡Ｍは、参照４０で概して示される、後退可能なＸ線コンピュータ断層撮影（ＣＴ）モジュールをさらに含む。コンピュータ断層撮影（断層画像化とも称される）では、ソースおよび（対極にある）検出器を使用して、様々な視点から試料の透過観察を取得するように、異なる視線に沿って試料を調べる。

コントローラ（コンピュータプロセッサ）２０は、図示される様々なコンポーネントに、制御線（バス）２０´を介して接続されることに留意されたい。このコントローラ２０は、操作を同期させる、設定ポイントを提供する、信号を処理する、計算を実行する、およびメッセージ／情報を表示デバイス（図示せず）に表示するなどの様々な機能を提供することができる。言うまでもなく、（概略的に示される）コントローラ２０は、筐体２の（部分的に）内側または外側に位置させることができ、所望に応じて、単体構造または複合構造を有することができる。

当業者は、筐体２の内部が厳密な真空状態に保持される必要はないことを理解するであろう。例えば、いわゆる「環境ＴＥＭ／ＳＴＥＭ」では、所与のガスの背景雰囲気が、筐体２内に意図的に導入／維持される。当業者はまた、実際には、筐体２の容積を閉じ込めて、可能であれば、筐体２が、軸線Ｂ´を本質的に包み込むようになって、採用する電子ビームが小径管内を通過し、しかも広がってソース４、試料ホルダＨ、スクリーン２６、カメラ３０、カメラ３２、分光装置３４などのような構造を収容する小径管（例えば、直径約１ｃｍ）の形態を採ると有利となり得ることを理解できるであろう。

したがって、図１に示す荷電粒子顕微鏡Ｍは、概して
荷電粒子源４と該荷電粒子４源から放射された荷電粒子のビームＢを試料Ｓ上に方向付ける照明装置６とを含む光学カラムＯと、
該照明装置６の下流に位置付けられ、その試料Ｓを保持するために配設された試料ステージＡ、Ｈと、
該荷電粒子源から放射された荷電粒子の入射に応答して、該試料から生じる放射物を検出するための１つ以上の検出デバイス２２、２６、３０、３２、３４と、
荷電粒子顕微鏡の動作を実行するための制御ユニットと、を備える、荷電粒子顕微鏡と、を含む。

図１の荷電粒子顕微鏡Ｍはまた、本明細書で定義されるような荷電粒子検出器１３０を含む。本明細書で定義される荷電粒子検出器１３０は、直接電子検出器として特に有用である。荷電粒子検出器１３０は、図１のＴＥＭカメラ３０として使用することができる。荷電粒子検出器１３０の実施形態の完全な詳細は、図３によって説明される。

ここでまず、図２を参照すると、本発明による装置の別の実施形態を示す。図２（正確な縮尺ではない）は、本発明による荷電粒子顕微鏡Ｍの非常に概略的な描写であり、より具体的には、この場合、ＳＥＭである、非透過型顕微鏡Ｍの実施形態を示す（ただし、本発明の文脈では、例えば、イオンベース顕微鏡も同様に有効であり得る）。図では、図１の部品に対応する部分は、同一の参照符号を使用して示され、ここでは別個に説明されない。（とりわけ）以下の部分が図１に加えられる。
−２ａ：真空チャンバ２の内部に／内部から、部品（構成要素、試料）を導入／除去するように開放され得るか、またはその上に、例えば、補助デバイス／モジュールが装着され得る、真空ポート。顕微鏡Ｍは、所望される場合、複数のそのようなポート２ａを含み得る。
−１０ａ、１０ｂ：概略的に図示された照明装置６内のレンズ／光学素子。
−１２：所望される場合、試料ホルダＨまたは少なくとも試料Ｓが、接地に対してある電位にバイアス（浮遊）されることを可能にする電圧源。
−１４：ＦＰＤまたはＣＲＴなどの表示。
−２２ａ、２２ｂ：（ビームＢの通過を可能にする）中央開口２２ｂの周りに配置された複数の独立検出セグメント（例えば、四分円）を含む、セグメント化電子検出器２２ａ。そのような検出器は、例えば、試料Ｓから発せられる出力（２次または後方散乱）電子束（の角度依存性）を調査するために使用され得る。

したがって、図２に示すような荷電粒子顕微鏡Ｍは、概して、
荷電粒子源４と、該荷電粒子４源から放射された荷電粒子のビームＢを試料Ｓ上に方向付ける照明装置６とを含む光学カラムＯと、
該照明装置６の下流に位置付けられ、該試料Ｓを保持するために配設された試料ステージＡ、Ｈと、
該荷電粒子源から放射された荷電粒子の入射に応答して、該試料から生じる放射物を検出するための１つ以上の検出デバイス２２、２６、３０、３２、３４と、
荷電粒子顕微鏡の動作を実行するための制御ユニットと、を備える。

図２の荷電粒子顕微鏡Ｍは、該荷電粒子源４から放射された荷電粒子のビームＢを試料Ｓに集束させるためのスキャナー８をさらに含む。

図２の荷電粒子顕微鏡Ｍはまた、本明細書で定義されるような荷電粒子検出器１３０を含む。本明細書で定義される荷電粒子検出器２３０は、直接電子検出器として特に有用である。荷電粒子検出器１３０は、セグメント化電子検出器２２ａとして使用されてもよく、−事実上−ピクセル化されたセグメント化電子検出器２２ａを提供する。荷電粒子検出器１３０の実施形態の完全な詳細は、図３によって説明される。

次に、図３ａおよび図３ｂを参照して、本明細書で定義される荷電粒子検出器１３０の実施形態を説明する。荷電粒子検出器１３０は、アクティブピクセルセンサまたはモノリシックアクティブピクセルセンサなどのセンサデバイス１２０を含む。該センサデバイス１２０は、感応層１４０およびパッシベーション層１５０を含む。感応層１４０は、エピ層１４１を含み、パッシベーション層１５０は、高濃度にドープされたウェル１５２；１５５；１５６の副層および絶縁およびパッシベーションのためのさらなる副層１５１とを含む。副層１５１は、酸化物および金属層を含み得る。高濃度にドープされたウェル１５２、１５５、１５６は、Ｐウェル１５２およびＮウェル１５６、１５６を含むことができ、Ｎウェルは、入ってくる電子１０１によりエピ層で生成された電子を検出するために使用される。荷電粒子検出器１３０のピクセル間隔は、ウェルドープ領域（Ｎウェル１５５、１５６）によって形成されたダイオード間の間隔によって決定される。入射電子１０１の軌跡、およびＮウェル１５６による電子正孔対励起で生成された可動電子の拡散収集が、概略的に示されている。

エピ層、高濃度にドープされたウェルの層、および絶縁ならびにパッシベーションのための層を含むそのようなアクティブピクセルセンサの基本的な構造は、それ自体当業者に知られていることに留意されたい。さらに、そのようなアクティブピクセルセンサの構造は、いくつかの実施形態では異なり得ることに留意されたい。しかしながら、概して言えば、センサデバイス１２０は、感応層１４０およびパッシベーション層１５０を含む。

本開示によれば、図３ａおよび３ｂに示すように、荷電粒子検出器１３０は、パッシベーション層１５０が該感応層１５０と該機械的支持層１６０との間に位置するように、該センサデバイス１２０に接続された機械的支持層１６０を含む。前述のように、機械的支持層は、荷電粒子検出器１３０に機械的支持を提供し、感応層を非常に薄化することを可能にし、入ってくる電子１０１の正確な検出を可能にする。機械的支持層１６０が存在するため、荷電粒子検出器の全体の厚さは、例えば、５０μｍなど、１０から１００μｍのオーダーであり得る。一実施形態では、センサデバイス１２０は約３０μｍの厚さを有し、かつ機械的支持層は約２５μｍの厚さを有する。機械的支持層１６０は、接着剤の層１７０によってセンサデバイス１２０に接続される。接着剤の厚さは約５μｍである。これにより、約６０μｍの荷電粒子検出器１３０の総厚さが得られる。もちろん、他の寸法も考えられる。

機械的支持層１６０は、黒鉛および炭素繊維複合材などの炭素材料を含むことができる低Ｚ熱伝導材料を含むことができる。一実施形態では、熱分解炭素が使用される。サポートに加えて、優れた熱伝導性（〜１９５０Ｗ／ｍＫ）を提供し、非常に低い質量（低Ｚ）を有する。これにより、検出器の優れた冷却が可能になり、かつ電子の（不要な）散乱の量が最小限に抑えられる。

図４ａ〜４ｃは、図３ａおよび３ｂの荷電粒子検出器１３０を製造する方法の実施形態を示す。示す方法は、
１）図４ａに示すように、センサデバイス１２０を提供するステップであって、該センサデバイス１２０は、基板層１８０および感応層１４０とを含む、ステップと
２）図４ｂに示すように、機械的支持層１６０を提供し、かつ感応層１４０が該基板層１８０と該機械的支持層１６０との間に位置するように、該機械的支持層１６０を該センサデバイス１２０に接続するステップと、
３）図４ｃに概略的に示すように、該荷電粒子検出器１３０を形成するための該基板層１８０を薄化するステップと、を含む、方法。

機械的支持層１６０を使用することにより、基板層１８０を感応層まで（例えば、そのエピ層まで）容易で重い背面−薄化を可能にする。言い換えれば、基板層１８０は完全に除去されてもよい。これにより、得られた荷電粒子検出器をいわゆる背面−照明モードで使用することができる。このモードでは、エピ層が、電子などの（予期される）入射（入ってくる）荷電粒子に面し、かつパッシベーション層は、エピ層によって（部分的に）これらの入ってくる荷電粒子からシールドされる。これにより、検出器の特性が向上する。

実施形態では、図４ｂに示すように、接着剤１７０は、該機械的支持層１６０を該センサデバイス１２０に接続するために使用される。これは、センサデバイス１２０および支持層１６０のうちの１つ以上への接着剤の塗布を含み得る。特に、センサデバイス１２０および／または支持層１６０の表面全体は、接着剤で覆われ得る。これは、表面の不規則性が接着剤で満たされることを確実にし、センサデバイス１２０と機械的支持層１６０との間の良好な熱接触を確実にする。

図４ａ〜４ｃに示すように、該センサデバイス１２０は、パッシベーション層１５０を含み得る。前に示したように、パッシベーション層１５０は、高濃度にドープされたウェルおよび感応層１４０内の入ってくる電子によって誘導された信号の読み出しのためのエレクトロニクスならびに相互接続とを含む。パッシベーション層１５０は、分離（金属酸化物）層も含み得る。機械的支持層１６０は、該パッシベーション層１５０に接続されているが、それでもなお、感応層１４０は、基板層１８０と機械的支持層１６０との間に位置している。

ステップ１）で提供されるセンサデバイスは、図４ａに示すように、モノリシックアクティブピクセルセンサ（ＭＡＰＳ）などのアクティブピクセルセンサ（ＡＰＳ）であり得る。

次に図５を参照すると、本明細書に記載されている荷電粒子検出器１３０を含む検出器ユニット２０１の実施形態を示す。荷電粒子検出器１３０は、概して、感応層１４０および機械的支持層１６０を有する。感応層１４０は、荷電粒子Ｂ´の入ってくる流れに面している。機械的支持層１６０は、荷電粒子ビームＢ´の下流に提供される。

検出器ユニット２０１はさらに、コントローラ２０への荷電粒子検出器１３０のためのＩ／Ｏ接続を提供するために、センサＰＣＢ２１１およびフィードスルＰＣＢ２２１を備える。センサＰＣＢ２１１および荷電粒子検出器１３０のアセンブリは、キャリア要素２１２によって支持される。キャリア要素２１２は、使用中に荷電粒子デバイスを冷却するためのペルチェ冷却要素２１６を含む冷却デバイス２１４に接続される。熱分解炭素を使用すると熱伝達特性が向上するため、デバイスの使用中に発生する電力を消費できる。

所望の保護は、添付の特許請求の範囲によって付与される。

参考文献：
[1] McMullan, G & Faruqi, A.R. & Henderson,
Richard. (2016). Direct Electron Detectors. 10.1016/bs.mie.2016.05.056.

Claims (17)

1. 荷電粒子検出器を製造する方法であって、
   センサデバイスを提供するステップであって、前記センサデバイスが、基板層および感応層を備える、ステップと
   機械的支持層を提供し、かつ前記感応層が前記基板層と前記機械的支持層との間に位置するように、前記機械的支持層を前記センサデバイスに接続するステップと、
   前記荷電粒子検出器を形成するための前記基板層を薄くするステップと、を含む、方法。
2. 前記機械的支持層を前記センサデバイスに接続するために接着剤を使用するステップを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記機械的支持層を前記感応層に直接接続するステップを含む、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記センサデバイスが、前記感応層の上部にパッシベーション層を備える、請求項１または２に記載の方法。
5. 前記機械的支持層を前記パッシベーション層に接続するステップを含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記機械的支持層が、低Ｚ材料を含む、請求項１〜５いずれか１項に記載の方法。
7. 前記機械的支持層が、熱伝導体を含む、請求項１〜６いずれか１項に記載の方法。
8. 前記機械的支持層が、熱伝導性低Ｚ材料を含む、請求項６または７に記載の方法。
9. 前記機械的支持層が、炭素、特に熱分解炭素を含む、請求項８に記載の方法。
10. 前記センサデバイスが、アクティブピクセルセンサ（ＡＰＳ）である、請求項１〜９いずれか１項に記載の方法。
11. 荷電粒子検出器であって、
    感応層およびパッシベーション層を有するセンサデバイスと、
    前記パッシベーション層が前記感応層と機械的支持層との間に位置するように、前記センサデバイスに接続された機械的支持層と、を備える、荷電粒子検出器。
12. 前記機械的支持層が、熱伝導性の低Ｚ材料で作製されている、請求項１１に記載の荷電粒子検出器。
13. 前記機械的支持層が炭素、特に熱分解炭素を含む、請求項１２に記載の荷電粒子検出器。
14. 前記荷電粒子検出器が、前記機械的支持層と前記パッシベーション層との間に接着剤層を備える、請求項１１〜１３いずれか１項に記載の荷電粒子検出器。
15. 前記センサデバイスがアクティブピクセルセンサ（ＡＰＳ）である、請求項１１〜１４いずれか１項に記載の荷電粒子検出器。
16. 試料を検査するための荷電粒子顕微鏡であって、
    荷電粒子源および前記荷電粒子源から放射された荷電粒子のビームを試料上に方向付けるための照明装置を含む、光学カラムと、
    前記照明装置の下流に位置付けられ、かつ前記試料を保持するように配設された、試料ステージと、
    前記荷電粒子源から放射された荷電粒子の入射に応答して、前記試料から生じる放射物を検出するための検出デバイスと、
    前記荷電粒子顕微鏡の動作を実行するための制御ユニットと、を備え、
    前記検出デバイスが、請求項１１〜１５いずれか１項に定義された荷電粒子検出器を備えることを特徴とする、荷電粒子顕微鏡。
17. 前記荷電粒子検出器が、前記感応層が前記荷電粒子源と前記機械的支持層との間に位置付けられるように配置される、請求項１６に記載の荷電粒子顕微鏡。
    

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