JP6657175B2 - 高解像度且つ高量子効率の電子衝撃ccdまたはcmos撮像センサ - Google Patents
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Description
本出願は、Ximan他による2014年7月22日出願の米国仮出願第62/027,679号「HIGH RESOLUTION HIGH QUANTUM EFFICIENCY ELECTRON BOMBARDED CCD OR CMOS IMAGING SENSOR」を優先権主張するものであり、本明細書にその全文を引用している。
(図2に略水平な細かい破線で示す)にチューブ構造全体が包まれるように、真空管構造201を囲んでいる。図2に示すように、軸対称の磁場
は、管軸から離れた位置から放出された光電子(例:光電子PE2およびPE3)および軸の付近で放出された光電子(例:光電子PE1)が共に、光電陰極101の周囲の電場を調整することによりセンサ104上の同一平面に集束されて発散(負)レンズ効果をもたらして、磁場により生じた正光学収差を補償すべく形成されている。
により光電陰極101と固体センサ104の間隔を通過する間に加速され、高解像度の電子光学系を維持しながら低入射エネルギーでセンサ104に到達する。本発明の一態様によれば、電子衝撃検出器200は、低入射エネルギーで(すなわち、センサ104に到達する前記光電子が2keV未満の入射エネルギーを有するように)高解像度電子光学系を実現すべく構成されている。対照的に、従来の集光画像増倍管(例えば、米国特許公開出願第2014/0063502A1号に開示されたもの)では、光電子の入射エネルギーは通常、シンチレータスクリーン上で充分な光子を生成すべく20keVよりもかなり高い。このように高い入射エネルギーにより、EBCCD/EBCMOS装置内のCCDまたはCMOSセンサが直ちに損傷する恐れがある。
を維持しながら短縮するものである。図3Aに示すグラフに見られるように、光電子エネルギーは、光電陰極面とセンサ面との間の飛来経路に沿って常に増大する。光電子は、入射エネルギーELEで半導体センサに衝突するまで加速され続ける。軸外光電子(例:図2に示す光電子PE2およびPE3)は、光電陰極領域付近に位置している軸上光電子(例:図2に示す光電子PE1よりも高速になるよう加速される。
が0.25kV/mm未満であるように各環状電極E1〜E3に適当なバイアス電圧V1〜V3を印加する。従来の近接EBCCD/EBCMOSにおいて、光電陰極とセンサの間隔は0.5mm未満であってよく、合理的な解像度を実現するには電場が2.5kV/mmより高くなければならない。従来の近接EBCCD/EBCMOSと比較して、当該短縮長磁気集光EBCCD/EBCMOS管の解像度は、30倍広い間隔で3倍向上した。例示的な装置における電場は0.086kV/mmに過ぎない。アーク発生のリスクは無視できる程度である。従来の近接EBCCD/EBCMOSと比較して、本出願で開示する磁気集光EBCCD/EBCMOS装置は、高電圧アーク発生のリスクを無くし、はるかに向上した解像度を実現する。このような例示的EBCCD/EBCMOS装置の焦点深度は100umを上回ることができ、これは多くの背面薄型EBCCD/EBCMOS装置の非平坦性に対処するのに充分大きい。背面薄型半導体センサの非平坦性は、従来の近接EBCCD/EBCMOSにおいて狭い間隔(<0.5mm)に起因する重大な問題である。この短縮距離磁気集光方式により、センサ面上の磁場曲率収差を補償することができる。最終的な解像度は、光電陰極面の周囲の電場強度の影響を極めて受け易い。電場強度が高いほど解像度が向上する。しかし、同一バイアス電圧でより高い電場強度を実現するためには短い管長が求められる。管長を短くするには、より強い磁気集光磁場強度が必要である。このためソレノイドまたは永久磁石の直径が増大する恐れがある。利用可能なスペースが限られる用途において、巨大な永久磁石は望ましくない。
および電子がセンサ104Bに到達した際に所望の入射エネルギーまで加速する軸方向電場
の両方を生成する例示的な反射モードEB検出器200Bを示す。上述の透過モードの実施形態と同様に、EB検出器200Bは一般に、真空気密管室205Bを形成する真空管構造201B、管室205Bの第1の終端205−1Bに配置された光電陰極101B、管室205Bの第2の終端205−2Bに配置されたCCDまたはCMOS画像センサ104B、管室205Bの内部に配置され、対応する電圧VB1〜VBn(各環状電極の個々の区画に印加された各電圧は個別に設定または制御可能、図6A、6B、および付随する以下の説明参照)を受けるべくコントローラ220Bに結合された環状電極EB1〜EBn、および対称な磁場
を発生させる磁場発生器210Bを含んでいる。
で示す)および偏向磁場成分(図5に垂直方向成分
で示す)の両方を生成すべく構成されている。偏向成分
は、1個の環状電極内で個々の区画に印加された電圧の差により生じる。軸方向成分
は、ある環状電極の区画に掛かる電圧と、隣接する電極の区画に掛かる電圧の差により生じる。一実施形態において、環状電極EB1〜EBnの個々の区画に印加された電圧は、図3Aに示すものと同様の仕方で光電子が光電陰極101Bからセンサ104Bに向かって移動するに従い当該光電子を単調に加速させる軸方向成分
を生成するように選択されている。別の実施形態において、環状電極EB1〜EBnの個々の区画に印加された電圧は、図4に示すものと同様の仕方で光電子がセンサ光電陰極101Bから104Bに向かって移動するに従い当該光電子を加速、次いで減速させる軸方向成分
を生成するように選択されている。
を発生させる双極偏向器として機能する。図6Bは、上半円部分を形成するEB1B−11、EB1B−12、およびEB1B−13と、下半円部分を形成するEB1B−21、EB1B−22およびEB1B−23とを含む6個の湾曲区画を含む代替的な区分化された円形電極構造EB1Bを示す。これらの区画は各々、動作中に電圧VB1B−11〜VB1B−23を受ける。各半円部分の中心および側面区画に僅かに異なる電圧を印加することにより(例えば、区画EB1B−12、EB1B−13に印加された電圧VB1B−12、VB1B−13よりも高い正電圧であって、区画EB1B−22、EB1B−23に印加された電圧VB1B−22、VB1B−23よりも高く、更に区画EB1B−21に印加された電圧VB1B−21よりも高い正電圧VB1B−11を区画EB1B−11に印加することにより)、構造EB1Bは、矢印で示すように上方(すなわち、図5のセンサ104Bに向けて)に光電子を偏向させるべく動作する偏向磁場成分
を発生させる六極偏向器として機能する。1個以上の区分化された円形電極構造を上述の電極動作と合わせて用いることにより、区分化された円形電極構造は偏向および環状電極の両方として機能する。
の方が双極偏向器設計による偏向磁場
よりも均一性が高い点である。より均一な偏向磁場は、ぼやけや歪曲等の画像収差を低減させるのに役立つ。図5に示す環状電極EB1〜EBnの1個以上を複数の区画に分割して偏向磁場を発生させてもよい。異なる区画に掛かる偏向バイアスは、各環状電極電圧に応じて平滑化させることができる。各区画に印加される異なる電圧は別々生成されてよく、または一連のデバイダ抵抗を用いて異なる区画(極磁片)に掛かる異なるバイアス電圧を生じさせてもよい。
(図面紙面に対し垂直方向)を発生させるべく構成されている。EB検出器200Cはまた、図5を参照しながら上で述べた構成された光電陰極101C、および図2を参照しながら上で述べたように機能する環状電極E1〜Enを含んでいる。一実施形態(図示せず)において、多極偏向コイル211Cは真空管構造201Cとソレノイドの間に挿入されている。偏向コイル211Cは、面外磁場が生じるように配置されているため、光電陰極101Cから放出された光電子はセンサ104Cに向けて上方に偏向される。従来の傾斜磁場設計と比較して、本設計の磁気ソレノイドは、偏向コイルで包まれた真空管よりも僅かに大きいだけでよい。本設計による磁気極磁片の直径は顕著に小さい。磁気極磁片直径が小さいほど、真空管軸上で同一磁場を発生させるのに必要な全磁束が少なくて済み、従って磁気ソレノイドをより小型化することができる。磁気偏向の設計は、電子光学系分野において公知である。ここでは双極子、四極子、六極子、八極子その他の磁気偏向設計の全てを用いてよい。
Claims (15)
- 微光信号を検出する電子衝撃検出器であって、
第1の終端および対向する第2の終端を有する円筒真空管室を画定する真空管構造と、
前記真空管室の前記第1の終端に配置され、前記微光信号に反応して光電子を放出する材料を含む光電陰極と、
前記真空管室の前記第2の終端に配置され、前記放出された光電子の少なくとも一部を受け取り、前記受け取った光電子に反応して電気信号を生成すべく構成されたセンサと、
前記真空管室内に配置された複数の環状電極の各々が、印加された電圧に反応して、前記放出された光電子を真空気密室の前記第2の終端に向けて加速する電場を発生させるべく構成された複数の環状電極と、
前記真空管構造に隣接して配置され、前記真空気密室に対称形の磁場を発生させ、前記対称形の磁場が前記加速された光電子に対して集束レンズ効果をもたらすべく構成された磁場発生器と、
前記印加された電圧を前記複数の環状電極に伝達し、前記光電陰極の周囲の電極に印加された電圧により前記光電陰極の付近で相対的に強く、前記センサの付近で相対的に弱い電場を生成することで電子光学収差を補償するように調整されるべく構成されたコントローラとを含み、
前記センサにより受け取られた前記光電子が2keV未満の入射エネルギーを有すべく構成されている電子衝撃検出器。 - 前記真空管構造が、前記円筒真空管室の半径が前記光電陰極と前記センサの距離よりも大きくなるべく構成され、
前記磁場発生器がソレノイドを含み、
前記コントローラが更に、前記ソレノイドに3Amps以下のバイアス電流を印加すべく構成され、且つ前記電場が前記センサで0.1kV/mm未満であるように、前記複数の環状電極に漸次増大する電圧を印加すべく構成されている、請求項1に記載の電子衝撃検出器。 - 前記複数の環状電極が、前記真空管室の前記第1の終端に隣接して配置された2個以上の第1の環状電極、および前記真空管室の前記第2の終端に隣接して配置された2個以上の第2の電極を含み、
前記コントローラが更に、前記光電子が前記真空管室内でピークエネルギーまで加速するように漸次増大する電圧を前記第1の環状電極に印加すべく構成され、前記コントローラはまた、前記光電子が前記センサに到達する前に前記ピークエネルギーから前記入射エネルギーまで減速するように漸次低下する電圧を前記第2の電極に印加すべく構成されている、請求項1に記載の電子衝撃検出器。 - 光軸上を進行する光が前記光電陰極へ誘導されるように前記第2の終端に配置されたウインドウを更に含み、前記センサが前記光軸から間隔を置いて配置されていて、前記複数の環状電極の少なくとも1個および前記磁場発生器が偏向磁場を発生させるべく構成されている、請求項1に記載の電子衝撃検出器。
- 前記複数の環状電極の1個以上が、電気的に絶縁された湾曲区画を含む区分化された円形電極構造を含み、
前記コントローラが、前記区分化された円形電極構造が光電子を前記センサへ誘導するのに充分な偏向磁場を発生させるように、前記複数の電気的に絶縁された湾曲区画の各々の湾曲区画に異なる電圧を印加すべく構成されている、請求項4に記載の電子衝撃検出器。 - 前記区分化された円形電極構造が、第1および第2の半円形区画を含み、
前記コントローラが、前記区分化された円形電極構造が双極偏向器を形成するように、が、前記第1の半円形区画に第1の電圧、および前記第2の半円形区画に第2の電圧を印加する手段を含んでいる、請求項5に記載の電子衝撃検出器。 - 前記1個以上の前記区分化された円形電極構造が6個以上の湾曲区画を含み、
前記コントローラが、前記区分化された円形電極構造が多極偏向を形成するように、前記6個以上の湾曲区画の各々に異なる電圧を印加する手段を含んでいる、請求項5に記載の電子衝撃検出器。 - 前記真空管構造と永久磁石の間に配置された多極偏向コイルを更に含み、前記多極偏向コイルが、光電子を前記センサに誘導するのに充分な偏向磁場を発生させるべく構成されている、請求項4に記載の電子衝撃検出器。
- 前記光電陰極と前記センサの間の前記光軸から30度以上の角度で光電子を偏向させるべく構成された静電偏向器および磁気偏向器の一方を更に含んでいる、請求項4に記載の電子衝撃検出器。
- 前記センサが、電荷結合素子(CCD)画像センサおよびCMOS画像センサの一方を含んでいる、請求項1に記載の電子衝撃検出器。
- 前記センサが、時間遅延積分を実行すべく構成されている、請求項1に記載の電子衝撃検出器。
- 前記センサが、背面薄型CMOSおよび背面薄型CCDセンサの一方を含んでいる、請求項1に記載の電子衝撃検出器。
- 前記センサが、自身の表面上のホウ素コーティングを施されている、請求項1に記載の電子衝撃検出器。
- 前記光電陰極が、(a)1種以上のアルカリ性材料、(b)GaN、(c)GaAs、および(d)CsTeのうち少なくとも1種類を含んでいる、請求項1に記載の電子衝撃検出器。
- 電子衝撃検出器と、
検査対象のサンプルへ光を誘導すべく構成され、前記サンプルからの散乱光を収集して、前記収集された光を前記電子衝撃検出器へ誘導すべく構成された光学システムとを含み、
前記電子衝撃検出器が、
第1の終端および対向する第2の終端を有する円筒真空管室を画定する真空管構造と、
前記真空管室の前記第1の終端に配置され、前記収集された光に反応して光電子を放出する材料を含む光電陰極と、
前記真空管室の前記第2の終端に配置され、前記放出された光電子の少なくとも一部を受け取り、前記受け取った光電子に反応して電気信号を生成すべく構成されたセンサと、
前記真空管室内に配置された複数の環状電極の各々が、印加された電圧に反応して、前記放出された光電子を真空気密室の前記第2の終端に向けて加速する電場を発生させるべく構成された複数の環状電極と、
前記真空管構造に隣接して配置され、前記真空気密室に対称形の磁場を発生させ、前記対称形の磁場が前記加速された光電子に対して集束レンズ効果をもたらすべく構成された磁場発生器と、
前記印加された電圧を前記複数の環状電極に伝達し、前記光電陰極の周囲の電極に印加された電圧により前記光電陰極の付近で相対的に強く、前記センサの付近で相対的に弱い電場を生成することで電子光学収差を補償するように調整されるべく構成されたコントローラとを含み、
前記電子衝撃検出器が、前記センサにより受け取られた前記光電子が2keV未満の入射エネルギーを有すべく構成されている暗視野検査システム。
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