TWI631722B - 光倍增管、影像感測器及使用光倍增管（ｐｍｔ）或影像感測器之檢測系統 - Google Patents

光倍增管、影像感測器及使用光倍增管（ｐｍｔ）或影像感測器之檢測系統 Download PDF

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TWI631722B
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Abstract

本發明揭示一種光倍增管，其包含一半導體光電陰極及一光電二極體。特別地，該光電二極體包含：一p摻雜型半導體層；一n摻雜型半導體層，其形成於該p摻雜型半導體層之一第一表面上，以形成一二極體；及一純硼層，其形成於該p摻雜型半導體層之一第二表面上。在該半導體光電陰極與該光電二極體之間之一間隙可為小於約1毫米或小於約500微米。該半導體光電陰極可包含氮化鎵，例如一或多個p摻雜型氮化鎵層。在其他實施例中，該半導體光電陰極可包含矽。此半導體光電陰極可進一步包含在至少一個表面上之一純硼塗層。

Description

光倍增管、影像感測器及使用光倍增管(PMT)或影像感測器之檢測系統 優先權申請案
此申請案主張2013年4月1日申請之標題為「PMT,Image Sensor,and an Inspection System Using a PMT or Image Sensor」之U.S.臨時專利申請案61/807,058之優先權，且該案以引用的方式併入本文中。
相關申請案
此申請案係關於2012年12月10日申請之標題為「Electron-bombarded charge-coupled device and inspection systems using EBCCD detectors」之U.S.專利申請案13/710,315、2012年6月12日申請之標題為「Electron-bombarded CCD and inspection systems using electron-bombarded CCD detectors」之U.S.臨時專利申請案61/658,758、2013年3月10日申請之標題為「Back-illuminated sensor with boron layer」之U.S.專利申請案13/792,166及2013年7月22日申請之標題為「PHOTOCATHODE INCLUDING SILICON SUBSTRATE WITH BORON LAYER」之U.S.專利申請案13/947,975。所有上述申請案以引用的方式併入本文中。
在技術中已知使用鹼金屬光電陰極及對紅外線敏感之III-V半導體(諸如GaAs)光電陰極之光倍增管(PMT)及電子轟擊電荷耦合裝置 (EBCCD)用於一紅外線及可見波長。僅發現鹼金屬光電陰極廣泛用於紫外線(UV)波長。
圖1圖解說明一已知PMT 100，其包含一光電陰極102、一聚焦電極104、多個二次發射極105(出於闡釋性目的展示三個，但一更常見數目將為五與十二之間)及一陽極106。在一真空密封管109中含有所有此等元件。該光電陰極102、該聚焦電極104、該等二次發射極105及該陽極106具有電連接(為簡明起見未展示)。每一二次發射極105保持在相對於先前二次發射極105(或第一二次發射極相對於光電陰極102)之一微小正電壓。陽極106保持在相對於最後二次發射極之一更多正電壓。
當由光電陰極102吸收一入射光子101，存在一適度高概率(在實際裝置中通常介於約10%與50%之間)從光電陰極102射出一或多個電子103。聚焦電極104偏轉電子103以使大部分電子103將撞擊第一二次發射極。當一電子103撞擊一二次發射極105，其將經常導致從該二次發射極105射出多個(通常約10個)二次電子。圖1藉由展示離開每一二次發射極105比撞擊其之更多虛線圖解說明此射出。從一個二次發射極射出之大部分電子撞擊下一個二次發射極。此重複多次直至經放大之信號撞擊陽極106。因此，在一PMT中具有愈多二次發射極105，增益愈大，但裝置回應一單一光子所需之時間愈長。由於來自一個二次發射極之一些電子可能錯失下一個二次發射極且撞擊另一二次發射極或陽極106，因此更多二次發射極105亦意謂回應於一單一光子之一更寬泛電脈衝，且因此意謂一更慢裝置。
儘管圖1圖解說明一透射光電陰極，其中從光電陰極相對於入射光子之相對側射出光電子，但在技術中亦已知反射光電陰極，其中從光電陰極之如入射光子之相同側射出光電子。
約350奈米或更短之UV波長對應於約3.5電子伏特(eV)或更大之 光子能量。當由光電陰極102吸收高能量光子，產生具有一(或若干)電子伏特之一能量之電子103。在該等電子離開光電陰極102且藉由一電場加速之後，該等電子朝向二次發射極105及陽極106(或在一電子轟擊影像感測器中之一影像感測器)行進。由於其等速率之量值及方向歸因於其等之初始動能(例如，一或更多電子伏特)而擴展，電子103隨著其等朝向下一表面行進而橫向擴展。再者，此等光電子亦在不同時間到達該表面。
在一影像感測器中，此等不同到達時間導致影像之模糊。在PMT 100中，此等不同到達時間減慢PMT之回應時間，因為一單一經吸收之光子導致(至少部分)歸因於電子之到達時間中之擴展而在時間上展延之電流之一脈衝。PMT 100之一另一缺點在於為偵測單一光子，需要多個增益級(二次發射極105)以使來自一單一光子之信號大於背景雜訊。多個二次發射極進一步減慢PMT 100之回應時間。此外，使用大部分習知光電陰極偵測單一光子需要在曝露至亮光之後在暗電流安定至一較低位準之前之暗調適時間之一週期。一些光電陰極需要冷卻以將暗電流降低至允許單一光子之可靠偵測之位準。
因此，需要在UV波長具有高量子效率同時產生具有低能量擴展之電子之一光電陰極。亦需要併入此高效、低電子能量擴展之光電陰極之一PMT。亦需要具有單一光子敏感性、快速回應及從高位準之光快速恢復至完全敏感性之一PMT。亦需要具有高量子效率、高空間解析度及低雜訊之一電子轟擊影像感測器(諸如，一電子轟擊電荷耦合裝置(CCD)或一電子轟擊CMOS影像感測器)。亦需要使用UV波長且併入一高效率、低雜訊之PMT、EBCCD或電子轟擊CMOS影像感測器之一暗場晶圓、光罩或倍縮光罩檢測系統。
描述併入一高效、低電子能量擴展之光電陰極之一光倍增管。 此光倍增管包含一半導體光電陰極及一光電二極體。顯著地，該光電二極體包含：一p摻雜型半導體層；一n摻雜型半導體層，其形成於該p摻雜型半導體層之一第一表面上以形成一二極體；及一純硼層，其形成於該p摻雜型半導體層之一第二表面上。在該半導體光電陰極與該光電二極體之間的一間隙可為小於約1毫米或小於約500微米。
在一項實施例中，該半導體光電陰極可包含氮化鎵，舉例而言，該半導體光電陰極可包含一或多個p摻雜型氮化鎵層。在另一實施例中，該半導體光電陰極可包含矽。此一半導體光電陰極可進一步包含在至少一個表面上之一純硼塗層。
亦描述用於檢測一樣品之一系統。此系統包含用於產生光之一雷射系統。第一組件將該光引導至該樣品。第二組件將光從該樣品引導至一或多個偵測器。至少一個偵測器包含一光倍增管，該光倍增管併入一高效、低電子能量擴展之光電陰極(如本文中所描述)。
相比於不具有二次發射極或微通道板之先前技術裝置，在本文中描述之該等PMT及影像感測器具有更高增益，且相比於使用二次發射極或微通道板之先前技術裝置，在本文中描述之該等PMT及影像感測器具有一更快回應時間。相比於具有類似增益之先前技術裝置，在本文中描述之該等影像感測器具有更高空間解析度。在本文中描述之該等PMT及影像感測器比許多先前技術裝置更簡單且因此製造可更便宜且可具有一更長操作壽命。
小缺陷散射低位準之光。更敏感之偵測器允許暗場檢測系統偵測更小缺陷或粒子。具有更佳空間解析度之偵測器允許暗場檢測系統偵測更小缺陷或粒子。具有更快回應時間之偵測器允許系統更快運行且降低檢測時間，藉此增大該等系統對於末端使用者之價值。
100‧‧‧光倍增管
101‧‧‧入射光子
102‧‧‧光電陰極
103‧‧‧電子
104‧‧‧聚焦電極
105‧‧‧二次發射極
106‧‧‧陽極
109‧‧‧密封管
200‧‧‧光倍增管
201‧‧‧入射光子
202‧‧‧光電陰極
203‧‧‧電子
204‧‧‧聚焦電極
205‧‧‧光電二極體
209‧‧‧密封管
300‧‧‧GaN光電陰極
301‧‧‧基板
302‧‧‧緩衝層
303‧‧‧第一p摻雜型GaN層
304‧‧‧第二p摻雜型GaN層
306‧‧‧Cs：O活化層
309‧‧‧抗反射層
310‧‧‧Si光電陰極
311‧‧‧矽
312‧‧‧純硼層
313‧‧‧抗反射(AR)層
314‧‧‧純硼層
316‧‧‧Cs：O活化層
318‧‧‧光子
318’‧‧‧光子
319‧‧‧電子
400‧‧‧光電二極體
401‧‧‧電連接
402‧‧‧n摻雜型半導體層/N+摻雜型半導體層
403‧‧‧n摻雜型半導體層/N摻雜型半導體層
404‧‧‧p摻雜型半導體層
406‧‧‧純硼層
408‧‧‧覆蓋層
409‧‧‧電子
501‧‧‧影像感測器系統
502‧‧‧影像感測器
503‧‧‧負電壓
504‧‧‧光電陰極
505‧‧‧密封管
507‧‧‧頂面
510‧‧‧光
520‧‧‧光電子
600‧‧‧影像感測器
601‧‧‧薄化p+基板
602‧‧‧p-磊晶層
603‧‧‧閘極氧化層
604‧‧‧閘極層
605‧‧‧電路元件
606‧‧‧純硼層
607‧‧‧前側金屬
608‧‧‧覆蓋層
700‧‧‧表面檢測設備
701‧‧‧照明系統
702‧‧‧光束
703‧‧‧透鏡
704‧‧‧聚焦光束
705‧‧‧照明線
710‧‧‧收集系統
711‧‧‧樣品表面
712‧‧‧透鏡
713‧‧‧透鏡
714‧‧‧裝置
720‧‧‧雷射系統
731‧‧‧收集系統
732‧‧‧收集系統
733‧‧‧收集系統
735‧‧‧平台
800‧‧‧表面檢測系統
801‧‧‧表面
802‧‧‧聚焦雷射光束
803‧‧‧光束折疊組件
804‧‧‧光束偏轉器
805‧‧‧光束
806‧‧‧鏡
807‧‧‧孔徑
808‧‧‧偵測器
809‧‧‧透鏡
810‧‧‧孔徑
811‧‧‧偵測器
821‧‧‧偏光光學器件
822‧‧‧孔徑
823‧‧‧光束形成光學器件
830‧‧‧雷射系統
900‧‧‧檢測系統
901‧‧‧雷射光束
902‧‧‧透鏡
903‧‧‧空間濾光器
904‧‧‧透鏡
905‧‧‧光束分離器
906‧‧‧法向照明通道
907‧‧‧光學器件
908‧‧‧鏡
909‧‧‧樣品
910‧‧‧拋物面鏡
911‧‧‧偵測器
912‧‧‧斜照明通道
913‧‧‧鏡
914‧‧‧半波板
915‧‧‧光學器件
916‧‧‧校準光束
917‧‧‧物鏡
918‧‧‧分析器
920‧‧‧儀器
930‧‧‧雷射系統
1000‧‧‧折反射成像系統
1001‧‧‧UV雷射
1002‧‧‧調適光學器件
1003‧‧‧孔徑及窗
1004‧‧‧機械殼體
1005‧‧‧稜鏡
1006‧‧‧物鏡
1008‧‧‧樣品
1009‧‧‧影像平面
圖1圖解說明包含一光電陰極、一聚焦電極、多個二次發射極及 一陽極之一已知PMT。
圖2圖解說明包含一光電陰極、一選擇性聚焦電極及一光電二極體(所有該等皆包含於一真空密封管內)之一PMT。
圖3A及圖3B圖解說明適用於在本文中描述之PMT及影像感測器系統中之光電陰極之橫截面。
圖4圖解說明適用於在本文中描述之一PMT中之一光電二極體之一橫截面。
圖5圖解說明一例示性電子轟擊影像感測器系統。
圖6圖解說明適用於在圖5中展示之影像感測器系統中之一例示性後薄化影像感測器之一橫截面。
圖7A及圖7B圖解說明適合於使用在本文中描述之PMT及影像感測器系統之具有多個收集系統之例示性暗場檢測系統。
圖8圖解說明可用於檢測一表面上之異常之一例示性表面檢測系統。
圖9圖解說明經組態以使用法向照明光束及斜照明光束實施異常偵測之一例示性檢測系統。
圖10圖解說明添加至一例示性折反射成像系統之一法向入射雷射暗場照明。
圖2圖解說明一PMT 200，其包含一光電陰極202、一選擇性聚焦電極204及一光電二極體205，所有此等皆包含於一真空密封管209內。顯著地，光電二極體205在其之面向光電陰極202之表面上具有一薄(例如，約2奈米至20奈米厚)純硼塗層。光電二極體205保持在相對於光電陰極202之一正電壓。舉例而言，在一項實施例中，光電二極體205可處於接近於接地電位之一電壓，而光電陰極202可處於相對於光電二極體205之一負電壓(例如，介於約100伏特與約500伏特之間的 一負電壓)。一入射光子201由光電陰極202吸收且將有可能導致從光電陰極202射出一電子203。由於光電陰極202與光電二極體205之間的電位差，電子203將加速朝向光電二極體205。由於在光電二極體205之表面上之純硼塗層(在下文中詳細描述)，撞擊光電二極體205之任何電子將具有一幾乎100%概率被吸收且在光電二極體205中產生多個電子。
在一些實施例中，在光電陰極202與光電二極體205之間的間隙可為若干毫米。在一些較佳實施例中，在光電陰極202與光電二極體205之間的間隙可為約1毫米，或幾百微米。
在一些實施例中，聚焦電極204可用以確保從光電陰極202射出之電子203之一高百分比經引導朝向光電二極體205。當光電陰極202與光電二極體205之間的間隙大於約1毫米時，聚焦電極204尤其有用。在一些實施例中，當光電陰極202與光電二極體205之間的間隙約為1毫米或更小時，可不需聚焦電極204。聚焦電極204可包括一圓柱、一網狀或另一電極結構。
在較佳實施例中，光電陰極202包括一GaN光電陰極或一塗佈硼之矽光電陰極。2013年7月22日由Chuang等人申請之標題為「PHOTOCATHODE INCLUDING SILICON SUBSTRATE WITH BORON LAYER」之美國專利申請案13/947,975(代理人檔案編號KLA-049 P3966)描述適用於本文中所描述之改良PMT中之例示性塗佈硼的矽光電陰極。在其他實施例中，光電陰極202可包含一或多個鹼金屬或可包括在技術中已知之另一光電陰極材料。光電陰極202可為一透射光電陰極(如在圖2中所圖解說明)或其可為一反射光電陰極。
圖3A及圖3B圖解說明適用於在本文中描述之PMT及影像感測器系統中之光電陰極的橫截面。
圖3A圖解說明在一基板301上包含複數個層之一GaN光電陰極 300之一橫截面。基板301可包含一藍寶石基板或一高p摻雜型GaN基板(例如，具有約1018原子/立方公分或更大之一摻雜濃度)。在較佳實施例中，基板301可厚約100微米與約600微米之間。當在透射模式中使用光電陰極300時，基板301須具有高光學品質以便其透射所關注之波長範圍。當在反射模式中使用光電陰極300時，基板之光學品質較無關緊要。舉例而言，若基板301係一藍寶石基板且光電陰極300在透射模式中使用深UV波長，則基板301應使用非常高純度之藍寶石。
在一些透射模式之光電陰極實施例中，一抗反射層309可沈積於基板301之一第一表面上。在一些實施例中，抗反射層309可包括包含氟化鎂(MgF2)、二氧化矽(SiO2)及/或氧化鉿(HfO2)之一或多個層。
在一些實施例中，一緩衝層302形成(例如，生長或沈積)於基板301之一第二表面上。當基板301係一摻雜型氮化鎵(GaN)基板，則可不需緩衝層。在較佳實施例中，緩衝層302係厚約5奈米至20奈米之氮化鋁(AlN)之一層。
在緩衝層302(或基板301，若不存在緩衝層302)之頂部上為複數個摻雜型GaN層303及304。第一摻雜型GaN層303可包含具有約1018原子/立方公分之一高摻雜濃度之GaN之一p摻雜型層。用於第一摻雜型GaN層303之較佳p型摻雜劑為鎂(Mg)。第二p摻雜型GaN層304可包含一低很多之摻雜劑濃度(例如，約5x1016原子/立方公分之一摻雜濃度)。在一些實施例中，額外p摻雜型GaN層可放置於層303與304之間。該等額外層之每一者應具有介於層303與304之摻雜劑濃度之間的中間值之一摻雜劑濃度以便形成從層303至層304之一逐步減小之摻雜劑濃度。舉例而言，若層303具有約1018原子/立方公分之一摻雜劑濃度且層304具有約5x1016原子/立方公分之一摻雜劑濃度，則具有約2x1017原子/立方公分之一摻雜劑濃度之一層(未展示)可放置於層303與304之間。在較佳實施例中，p摻雜型GaN層之厚度應彼此類似。所 有p摻雜型GaN層之總厚度(例如，若僅使用兩個層，則層303及304之厚度之總和)應經判定以最大化量子效率。舉例而言，針對在深UV中具有最大敏感性之一光電陰極，所有p摻雜型GaN層之總厚度可為約180奈米。在「Optimizing GaN photocathode structure for higher quantum efficiency」(Optik,123，第756-768頁，2012年)中描述例示性GaN光電陰極。在一項實施例中，一標準Cs：O活化層306可沈積於光電陰極300之射出電子之表面上。
圖3B圖解說明一矽光電陰極310之一橫截面。在透射模式中，光子318入射於光電陰極310之一個表面上且電子319從相對表面射出。在反射模式中，光子318’入射於如射出電子之相同表面上。在一項實施例中，矽光電陰極310包含矽311，較佳地矽之一單晶體。在一些實施例中，矽光電陰極310包含複晶矽或多晶矽。取決於光電陰極之預計波長操作範圍，矽311可具有介於約10奈米與約100微米之間的厚度。
當預計用作一透射模式之光電陰極，在光318入射側上之矽表面可視情況塗佈有一抗反射(AR)層313。一例示性AR層313可包含具有透明或半透明材料(諸如MgF2、SiO2、Al2O3及HfO2)之一或多個層。對於預計在透射模式中在深UV波長或真空UV波長下操作之一些實施例，在AR層313與矽311之間可存在一薄純硼層312。此純硼層312可厚約2奈米與4奈米之間。
在射出電子之表面上之矽311塗佈有一薄純硼層314。純硼層314較佳地厚約2奈米與20奈米之間。在一項實施例中，一標準Cs：O(銫：氧)活化層316可沈積於光電陰極之射出電子之表面上。
在上文引用之2013年7月22日申請之標題為「PHOTOCATHODE INCLUDING SILICON SUBSTRATE WITH BORON LAYER」之U.S.專利申請案13/947,975中描述適用於一PMT或一電子轟擊影像感測器系 統中之一例示性矽光電陰極結構。
圖4圖解說明適用於在本文中描述之一PMT中之一光電二極體400之一橫截面。應注意，儘管此二極體在本文中稱為一光電二極體，但應理解，在本文中揭示之PMT中，其實際上偵測電子且將入射電子轉換為電流，而非直接偵測光子。結構、功能及相關電路類似於用於光電二極體之該等結構、功能及相關電路，因此將其稱為一光電二極體係合宜的。亦應注意，此橫截面未按比例繪製，而僅旨在圖解說明在本文中描述之PMT中使用之光電二極體裝置之結構之重要樣態。
光電二極體400包括藉由一p摻雜型半導體層404(陽極)接觸一n摻雜型半導體層403(陰極)而形成之一pn或pin接面。在較佳實施例中，n摻雜型半導體層403係輕微n摻雜的(在圖4中命名為N摻雜型)。n摻雜可使用磷、砷或另一n型摻雜劑完成。用於p摻雜型半導體層404之p摻雜可使用硼或另一p型摻雜劑完成。一純硼層406形成於p摻雜型半導體層404之一表面上。在一些實施例中，一分開p植入或摻雜步驟可為不必要的，因為在純硼層406之沈積期間足夠硼可擴散至p摻雜型半導體層404之表面中。
對陽極及陰極形成電連接401。為具有至陰極之一低電阻接觸，一高n摻雜型半導體層402(在圖4中命名為N+摻雜型)可形成於n摻雜型半導體層403之一表面上。為具有至陽極之一低電阻接觸，包括諸如半金屬(例如，氮化鈦(TiN))或一金屬之一薄(諸如厚約1奈米與約20奈米之間)導電材料之一覆蓋層408可形成於純硼層406之一表面上。在一些實施例中，可省略覆蓋層408，因為p摻雜型半導體層404之表面之導電性係充足的。此可為當PMT僅預計在低光位準操作且從不曝露至高光位準時之情況，因為在此等情況中光電二極體之電流將始終保持相對低。當PMT可曝露至高光位準時(即使偶爾)，覆蓋層408可提供降低光電二極體400之陽極表面之充電及保護純硼層406免受入射電 子409濺射之額外優勢。
在一項實施例中，一厚純硼層406(例如，約2奈米至20奈米)可直接形成於p摻雜型半導體層404之頂部上。純硼層406允許低能量之電子穿透至p摻雜型半導體層404中。純硼層406覆蓋其中電子將入射且無針孔之整個區域係重要的，藉此防止在半導體之表面上生長一本體氧化膜。應注意，一本體氧化膜在被一電子擊中時將充電且可排斥低能量之電子，藉此極大降低當PMT在一低電壓操作時光電二極體之敏感性。PMT在一低電壓之操作係重要的，因為其允許在光電陰極與光電二極體之間的一小間隙，因此隨著電子花費更少時間穿越該間隙而加速PMT之回應時間。此外，在光電陰極與光電二極體400之間的一低電壓差最小化可由高能量電子對純硼層406及p摻雜型半導體層404所導致之濺射及損害。
純硼層406之品質對於光電二極體之最佳效能至關重要。在純硼層之沈積之前應從p摻雜型半導體層404之表面清除污染物及本體氧化物。可在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162-173頁，2010年)中找到關於硼沈積之更多細節。在較佳實施例中，光電二極體400經逆向偏壓(即，陽極相對於陰極稍微為負)操作以便具有一快速回應及低暗電流。
圖5圖解說明一例示性電子轟擊影像感測器系統501。在此實施例中，整個總成可包含於一密封管505(例如，實質上類似於標準影像增強器及電子轟擊CCD(EBCCD)裝置之密封管)中。管505之一頂面507可包含在所關注之波長下為透明之一窗。對於UV敏感性電子轟擊影像感測器，此窗較佳地包括一高純度等級之石英、熔融矽石或氧化鋁(藍寶石)。在一些較佳實施例中，窗之外側表面塗佈有一UV抗反射塗層。此一塗層可包括具有一低折射率材料(諸如MgF2)之一單層或可 包括一多層塗層。
一光電陰極504塗佈於窗之內部表面上或放置於緊鄰該內部表面。光電陰極材料可實質上類似於在技術中已知用於光倍增器、影像增強器或先前技術之EBCCD偵測器中之任何光電陰極。在較佳實施例中，光電陰極504可包括一或多個鹼金屬(諸如銫)及/或可包括一半導體(諸如GaN、GaAs或矽)。光電陰極504可相對於一固態影像感測器502保持在一負電壓503，固態影像感測器502定位於密封管505之底面附近。在一些實施例中，負電壓503可為約500伏特；在其他實施例中，其可為幾百伏特或約1000伏特。在較佳實施例中，負電壓503介於100伏特與1500伏特之間。
固態影像感測器502可為一薄化CCD或CMOS影像感測器，其經定向以使電子首先撞擊其背側表面。固態影像感測器502之背側包含直接沈積於影像陣列之磊晶層上之一層硼。在一些實施例中，一導電材料(諸如一耐火金屬)之一薄(幾奈米)層經沈積於硼層上，以防止感測器表面之充電。相較於非耐火金屬，一耐火金屬(諸如，鈦、鎢、鉭、銠、釕、釩或鉻)具有優勢，因為耐火金屬的硬度使其等抵抗電子的濺射，且其等在室溫相對抗氧化。在一些實施例中，固態影像感測器502係一延時積分(TDI)CCD。在一些實施例中，固態影像感測器502包括電子敏感元件之一線性陣列。在其他實施例中，固態影像感測器502包括電子敏感元件之一二位陣列。在一些較佳實施例中，固態影像感測器502保持接近於接地電位(所展示)。
當光510入射於電子轟擊影像感測器系統501上，從光電陰極504發射一或多個光電子520。在實質上所有方向上發射此等光電子，但其等藉由光電陰極504與固態影像感測器502之間的電位差而加速朝向固態影像感測器502。在較佳實施例中，光電陰極504與固態影像感測器502之間的間隙小於1毫米。在一些實施例中，間隙約為500微米。
併入具有在本文中描述之結構之一者及/或根據在本文中描述之任何方法製造之固態影像感測器502使得電子轟擊影像感測器系統501憑藉在光電陰極504與固態影像感測器502之間的一低電位差操作，且仍具有高增益，因為相比於穿透一二氧化矽層，電子更容易能夠穿透(影像感測器502之)硼層。由於硼摻雜型矽、矽化硼及硼皆至少部分導電，因此最小化或避免在電子轟擊下之表面之充電。可藉由在硼層之頂部上之一導電層或金屬層進一步降低對於充電之敏感性，如在本文中所描述。
在先前技術之EBCCD感測器中，在光電陰極與影像感測器之間的間隙通常為1-2毫米。歸因於電子從光電陰極出現時之能量，當電子從光電陰極行進至影像感測器時，此一大間隙允許電子之顯著橫向運動。由於光電陰極與影像感測器之間的大電位差(通常約2000伏特或更大)，1-2毫米或更大之一間隙係必要的。降低光電陰極與影像感測器之間的電位差允許使用一更小間隙。此外，電子之更低能量意謂在固態影像感測器內所產生電子之更少擴展。
到達影像感測器502之電子之低能量意謂從影像感測器502之表面燒蝕原子之概率下降至零。此外，到達固態影像感測器502之電子之能量不足以從矽產生X射線，藉此避免在影像感測器502之附近像素中產生偽信號。
與高能量電子相比，低能量電子與在密封管505中建立之真空中之殘餘氣體原子間之碰撞將產生更少離子。此外，歸因於光電陰極504與影像感測器502之間的低電位差，當該等離子撞擊光電陰極，該等離子將具有更少動能且將磨損更少光電陰極材料。
可在2013年3月10日申請且在2013年10月10日公開之標題為「Back-illuminated sensor with boron layer」之U.S.公開申請案2013/0264481中找到影像感測器系統501之更多細節。可在2012年12 月10日申請且在2013年6月13日公開之標題為「Electron-bombarded charge-coupled device and inspection systems using EBCCD detectors」之U.S.公開申請案2013/0148112中找到可併入至影像感測器系統501中之電子轟擊影像感測器之額外細節。此等申請案皆以引用的方式併入本文中。
圖6圖解說明適用於影像感測器系統501(圖5)中之一例示性後薄化影像感測器600之一橫截面。在一項實施例中，一磊晶(epi)層602形成於一基板601之一前側上。在一項實施例中，基板601係一p+(即，高p摻雜型)基板，且磊晶層602係一p-(即，具有低濃度之p摻雜劑之一層)磊晶層。一或多個閘極介電層(諸如，一閘極氧化層603及一氮化矽(Si3N4)閘極層604)可形成於磊晶層602上。應注意，取決於影像感測器技術之類型，閘極介電層之每一者可包括一個、兩個或三個層。前側電路元件605可形成於閘極層604上。形成前側電路元件605可包含植入或摻雜磊晶層602之前側之部分且可涉及圖案化閘極層603及604。前側金屬(即，互連)607可形成於前側電路元件605上。
如在圖6中所展示，從基板601之後側表面(至少在某些區域中)薄化基板601，以使電子可直接撞擊在磊晶層602上。在一項實施例中，一純硼層606(例如，厚約2奈米與約20奈米之間)形成於薄化基板601上及磊晶層602之曝露部分上。在一些實施例中，一覆蓋層608可形成於純硼層606上。覆蓋層608可包含一薄導電膜，此一層為厚約1奈米與約20奈米之間的一金屬或半金屬。
可在2013年3月10日申請之標題為「Back-illuminated sensor with boron layer」之U.S.專利申請案13/792,166中找到影像感測器600之更多細節及替代實施例以及製造影像感測器600之方法。
圖7A及圖7B圖解說明適合於使用本文中描述之PMT或影像感測器之具有多個收集系統之一例示性暗場檢測系統。
圖7A圖解說明一例示性表面檢測設備700，其包含一照明系統701及一收集系統710以用於檢測一樣品表面711之區域。如在圖7A中所展示，一雷射系統720引導一光束702穿過一透鏡703。透鏡703經定向使得其之主要平面實質上平行於表面711且因此一照明線705在透鏡703之焦點平面中形成於表面711上。另外，以相對於表面711之一非正交入射角度引導光束702及一聚焦光束704。特定言之，可以與相對於表面711之一法線方向約1度與約85度之間的一角度引導光束702及聚焦光束704。以此方式，照明線705實質上處於聚焦光束704之入射平面中。
收集系統710包含用於收集從照明線705散射之光之一透鏡712及用於將從透鏡712射出之光聚焦至一裝置714上之一透鏡713。裝置714可包含光敏感偵測器之一陣列(諸如，PMT之一陣列)或一電子轟擊影像感測器。在較佳實施例中，PMT或電子轟擊影像感測器包括一硼塗佈偵測器(諸如，一硼塗佈光電陰極)或一硼塗佈影像感測器，如在本文中所描述。在較佳實施例中，PMT或影像感測器可進一步包括一GaN或矽光電陰極，如在本文中所描述。在裝置714內之偵測器之線性陣列可經定向以平行於照明線705。在一項實施例中可包含多個收集系統，其中收集系統之每一者包含類似組件，但定向不同。
舉例而言，圖7B圖解說明用於一表面檢測設備之收集系統731、732及733之一例示性陣列(其中為簡明起見未展示表面檢測設備之照明系統(例如，類似於照明系統701))。在收集系統731中之第一光學器件從表面711之表面收集在第一方向上散射之光。在收集系統732中之第二光學器件從表面711收集在第二方向上散射之光。在收集系統733中之第三光學器件從表面711收集在第三方向上散射之光。應注意，第一路徑、第二路徑及第三路徑在相對於表面711之不同反射角度。支撐樣品之一平台735可用於導致光學器件與表面711之間的相對運動 以便可掃描整個表面。收集系統731、732及733之至少一者可包含光敏感偵測器之一陣列(諸如，PMT之一陣列)或一電子轟擊影像感測器，如在本文中所描述。U.S.專利7,525,649(其在2009年4月28日發佈且以引用的方式併入本文中)進一步詳細描述表面檢測設備700及其他多個收集系統。
圖8圖解說明可用於檢測一表面801上之異常之一例示性表面檢測系統800。在此實施例中，可由一雷射系統830(其產生一雷射光束)之一實質上靜止之照明裝置部分照明表面801。雷射系統830之輸出可連續通過偏光光學器件821、一光束擴展器及孔徑822及光束形成光學器件823從而擴展及聚焦光束。
接著，所產生之聚焦雷射光束802藉由一光束折疊組件803及一光束偏轉器804反射以引導光束805朝向表面801。在一較佳實施例中，光束805實質上正交或垂直於表面801，儘管在其他實施例中，光束805可在相對於表面801之一斜角。
在一項實施例中，光束805實質上垂直或正交於表面801且光束偏轉器804將光束之鏡面反射從表面801反射朝向光束折疊組件803，藉此充當一屏蔽以防止鏡面反射達到偵測器(在下文中描述)。鏡面反射之方向沿著線SR，線SR法向於樣品之表面801。在光束805法向於表面801之一項實施例中，此線SR與光束805之方向重合，其中此共同參考線或方向在本文中稱為表面檢測系統800之軸。光束805在相對於表面801之一斜角，鏡面反射SR之方向將不會與光束805之入射方向重合；在此例項中，指示表面法向之方向之線SR稱為表面檢測系統800之收集部分之主軸。
由小粒子散射之光由一鏡806收集且經引導朝向一孔徑807及一偵測器808。由大粒子散射之光由透鏡809收集且經引導朝向一孔徑810及一偵測器811。應注意，一些大粒子將散射亦經收集且引導朝向 偵測器808之光且類似地一些小粒子將散射亦經收集且引導朝向偵測器811之光，但較於各自偵測器經設計以偵測之散射光之強度，此光具有相對低之強度。在一項實施例中，偵測器808及811之一者或二者可包含一PMT或PMT之一陣列，如在本文中所描述。在另一實施例中，偵測器808及811之一者或二者包含一電子轟擊影像感測器，如在本文中所描述。在一項實施例中，檢測系統可經組態以用於偵測未圖案化晶圓上之缺陷。U.S.專利6,271,916(其在2011年8月7日發佈且以引用的方式併入本文中)進一步詳細描述表面檢測系統800。
圖9圖解說明經組態以使用法向及斜照明光束實施異常偵測之一例示性檢測系統900。在此組態中，一雷射系統930可提供一雷射光束901。一透鏡902將光束901聚焦穿過一空間濾光器903且一透鏡904校準光束且將其傳遞至一偏光光束分離器905。一光束分離器905將一第一偏光分量傳送至一法向照明通道906且將一第二偏光分量傳送至一斜照明通道912，其中第一分量及第二分量為正交偏光。在法向照明通道906中，第一偏光分量由光學器件907聚焦且由一鏡908反射朝向一樣品909之一表面。由樣品909散射之輻射由一拋物面鏡910收集且聚焦至一偵測器911。偵測器911包含一PMT，如在本文中所描述。
在斜照明通道912中，第二偏光分量由一光束分離器905反射至一鏡913，鏡913將此光束反射穿過一半波板914且由光學器件915聚焦至樣品909。源自斜照明通道912中之斜照明光束且由樣品909散射之輻射亦藉由一拋物面鏡910收集且聚焦至一偵測器911(其具有一針孔入口)。針孔及照射之光點(來自樣品909上之法向及斜照明通道)較佳地處於一拋物面鏡910之焦點。應注意，亦可使用具有不同於拋物面形狀之形狀之彎曲鏡面表面。
拋物面鏡910將來自樣品909之散射之輻射校準為一校準光束916。接著，藉由一物鏡917將校準光束916聚焦穿過一分析器918直至 偵測器911。偵測器911可包含一或多個光敏感偵測器，諸如一或多個PMT或電子轟擊影像感測器，如在本文中所描述。一儀器920可提供光束與樣品909之間的相對運動以跨越樣品909之表面掃描光點。U.S.專利6,201,601(其在2001年3月13日發佈且以引用的方式併入本文中)進一步詳細描述檢測系統900。
圖10圖解說明添加至一例示性折反射成像系統1000之一法向入射雷射暗場照明。暗場照明包含：一UV雷射1001；用於控制照明光束大小及表面上被檢測之輪廓之調適光學器件1002；在一機械殻體1004中之一孔徑及窗1003；及用於沿著光學軸以法向入射將雷射重新引導至一樣品1008之表面之一稜鏡1005。稜鏡1005亦沿著光學路徑將來自樣品1008之表面特徵之鏡面反射及來自一物鏡1006之光學表面之反射引導至一影像平面1009。用於物鏡1006之透鏡可提供為一折反射物鏡、一聚焦透鏡組、及一縮放管透鏡區段之一般形式。在一較佳實施例中，影像平面1009包含一或多個光敏感偵測器，諸如一或多個PMT或電子轟擊影像感測器，如在本文中所描述。U.S.專利5,999,310(其在1999年12月7日發佈)及U.S.公開案2007/0002465(其在2007年1月4日公開)進一步詳細描述折反射成像系統1000。專利及公開案皆以引用的方式併入本文中。
在上文中描述之結構、方法及系統之各種實施例僅圖解說明本發明之原理且不意欲將本發明之範疇限制於所描述之特定實施例。舉例而言，PMT或電子轟擊影像感測器之光電陰極可包括在技術中已知之任何類型之光電陰極。在另一實例中，如在本文中描述之一PMT或電子轟擊影像感測器可併入任何量測或檢測系統中，不限於在本文中描述之特定系統。在又另一實例中，併入如在本文中描述之一PMT或電子轟擊影像感測器之一檢測系統可使用一寬頻光源，諸如一雷射泵抽電漿光源或一電弧燈，而非如在本文中之闡釋性實例中之一雷射。 因此，僅藉由以下申請專利範圍及其等之等效物限制本發明。

Claims (23)

  1. 一種光倍增管，其包括：一半導體光電陰極；及一光電二極體，其包含：一p摻雜型半導體層；一n摻雜型半導體層，其形成於該p摻雜型半導體層之一第一表面上以形成一二極體；及一純硼層，其形成於該p摻雜型半導體層之一第二表面上。
  2. 如請求項1之光倍增管，其中該半導體光電陰極包括氮化鎵。
  3. 如請求項2之光倍增管，其中該半導體光電陰極進一步包括一或多個p摻雜型氮化鎵層。
  4. 如請求項1之光倍增管，其中該半導體光電陰極包括矽。
  5. 如請求項4之光倍增管，其中該半導體光電陰極進一步包括在至少一個表面上之一純硼塗層。
  6. 如請求項1之光倍增管，其中該半導體光電陰極與該光電二極體之間之一間隙小於約1毫米。
  7. 如請求項6之光倍增管，其中該半導體光電陰極與該光電二極體之間之一間隙小於約500微米。
  8. 如請求項5之光倍增管，其中該半導體光電陰極之該矽包括相對表面，且該半導體光電陰極包括分別安置於該等相對表面上之第一純硼塗層及第二純硼塗層。
  9. 如請求項5之光倍增管，其中該半導體光電陰極進一步包括(a)安置於該矽之一光接收表面上方之一抗反射層；或(b)安置於該矽之一電子發射表面上方之一活化層。
  10. 如請求項9之光倍增管，其中該抗反射層係安置於該純硼塗層上 且包括MgF2、SiO2、Al2O3及HfO2之一者。
  11. 如請求項9之光倍增管，其中該活化層係安置於該純硼塗層上且包括Cs(銫)。
  12. 一種用於檢測一樣品之系統，該系統包括：一雷射系統，其用於產生光；第一組件，其等用於將該光引導至該樣品；一或多個偵測器；及第二組件，其等用於將光從該樣品引導至該一或多個偵測器，至少一個偵測器，其包含一光倍增管，該光倍增管包括：一半導體光電陰極；及一光電二極體，其包含：一p摻雜型半導體層；一n摻雜型半導體層，其形成於該p摻雜型半導體層之一第一表面上以形成一二極體；及一純硼層，其形成於該p摻雜型半導體層之一第二表面上。
  13. 如請求項12之系統，其中該半導體光電陰極包括具有在至少一表面上之一純硼塗層之矽。
  14. 如請求項13之系統，其中該半導體光電陰極包括(a)一反射模式光電陰極；或(b)一發射模式光電陰極。
  15. 如請求項14之系統，當依附於(b)時，其中該光電陰極進一步包括一抗反射層。
  16. 如請求項12之系統，其中該第一組件以一入射斜角引導該光至該樣品。
  17. 如請求項12之系統，其中該至少一偵測器包括兩個偵測器，其等經組態使得一第一偵測器回應來自該樣品以一第一方向散射 或反射之光，及一第二偵測器回應來自該樣品以一第二方向散射或反射之光，該第二方向不同於該第一方向。
  18. 如請求項12之系統，其中該光倍增管進一步包括一窗，其經組態以允許由該樣品所引導之該光至該一或多個偵測器，該窗包含在至少一表面上之一紫外線(UV)抗反射塗層。
  19. 一種用於檢測一樣品之系統，該系統包括：一雷射系統，其用於產生光；第一組件，其等用於將該光引導至該樣品；一或多個偵測器；及第二組件，其等用於將光從該樣品引導至該一或多個偵測器，其中該一或多個偵測器包含一電子轟擊影像感測器，該電子轟擊影像感測器包括：一半導體光電陰極；及一固態影像感測器，其包含：一p摻雜型磊晶半導體層；一閘極介電層，其形成於該p摻雜型磊晶半導體層之一第一表面上；及一純硼層，其形成於該p摻雜型磊晶半導體層之一第二表面上之曝露部分，其中該半導體光電陰極包括矽，及其中該半導體光電陰極進一步包括在至少一表面上之一純硼塗層。
  20. 如請求項19之系統，其中該光電陰極進一步包含一抗反射層。
  21. 如請求項19之系統，其中該電子轟擊影像感測器進一步包括一窗，其經組態以允許由該樣品所引導之該光至該一或多個偵測 器，該窗包含在至少一表面上之一紫外線(UV)抗反射塗層。
  22. 如請求項19之系統，其中該等第一組件經組態以一入射斜角引導該光至該樣品。
  23. 如請求項19之系統，其中該至少一偵測器包括兩個偵測器，其等經組態使得一第一偵測器回應來自該樣品以一第一方向散射或反射之光，及一第二偵測器回應來自該樣品以一第二方向散射或反射之光，該第二方向不同於該第一方向。
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