相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用

于2014年10月22日提交的臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?2/067,163通過(guò)引用的方式并入本文。本申請(qǐng)要求2014年10月22日提交的臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?2/067,163的優(yōu)先權(quán)。

關(guān)于聯(lián)邦政府資助的研究或開發(fā)的聲明。

這項(xiàng)研究不受聯(lián)邦研究資助。

本公開的領(lǐng)域涉及協(xié)作以確定由樣品發(fā)射的粒子或光子的數(shù)量的固態(tài)檢測(cè)器的陣列。本公開的其他方面包括用于使用固態(tài)裝置陣列來(lái)計(jì)數(shù)二次電子的檢測(cè)器和方法，以及用于減少來(lái)自固態(tài)裝置陣列的數(shù)據(jù)的噪聲的方法。

背景技術(shù)：

掃描電子顯微鏡(sem)是材料科學(xué)、電子、能源、醫(yī)學(xué)科學(xué)和其他學(xué)科的基本工具，對(duì)國(guó)家和公共福利至關(guān)重要。二次電子(se)層析成像是sem中最常見的操作模式。然而，其當(dāng)前的限制阻礙了在其他方面可以在se成像中實(shí)現(xiàn)的進(jìn)步。

se成像最常使用基于變型閃爍體-光電倍增管的everhart-thornley(e-t)檢測(cè)器或其中的一些變型而進(jìn)行。由于檢測(cè)器的對(duì)角、傾斜、邊緣效應(yīng)和陰影，所有e-t檢測(cè)器對(duì)來(lái)自se收集差異的對(duì)比的特征的所有側(cè)進(jìn)行成像。圖1描繪了傳統(tǒng)everhart-thornley(e-t)閃爍體-光電倍增管的操作特征，用于從樣品表面層逸出的se形成圖像。當(dāng)電子束逐像素地對(duì)樣品進(jìn)行光柵掃描時(shí)，e-t檢測(cè)器收集低能量(5-50ev)se。此外，法拉第籠是e-t檢測(cè)器的主要部分。維持在+10kv的檢測(cè)器表面進(jìn)一步加速se。閃爍體層在被se撞擊時(shí)發(fā)射光子。光子沿著光管傳播，撞擊光電陰極，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并被放大。模數(shù)轉(zhuǎn)換器(adc)將信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字像素。

檢測(cè)器中的部件數(shù)量和信號(hào)處理受到噪聲、失真和非線性的影響。因此，使用e-t信號(hào)的測(cè)量在高分辨率下降低了定量效用[reimer，1985]。在圖2中，使用電子束進(jìn)行sem掃描，以掃描通過(guò)e-t檢測(cè)器記錄的相同結(jié)構(gòu)的陣列[joy，2012]。當(dāng)光束到達(dá)第一特征的左邊緣時(shí)，信號(hào)急劇上升。結(jié)果，模擬反饋環(huán)路開始減小系統(tǒng)增益和直流偏移。當(dāng)光束在特征的另一側(cè)保持掃描時(shí)，信號(hào)電平下降，但是衰減得更快，因?yàn)榉答伝芈啡匀或?qū)動(dòng)信號(hào)下降。結(jié)果，信號(hào)通過(guò)反饋而被高度失真，并且呈現(xiàn)出增加的直流偏移，抑制的動(dòng)態(tài)范圍(參見圖2)，從像素到像素改變“暗”電平，對(duì)比度和se收集之間差的信噪比(snr)和非線性關(guān)系[joy,2012；merli,1995；kazemian,2007；postek,2012；bogner,2007；oho,2007；joy,1992；isaacson,1977；itrs,2011:計(jì)量挑戰(zhàn)]。doe電子散射研討會(huì)[doe_bes，2007]已經(jīng)確定了電子顯微鏡的廣泛研究需求。同樣地，半導(dǎo)體工業(yè)也發(fā)現(xiàn)了計(jì)量挑戰(zhàn)[itrs，2011]。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明包括用于使用固態(tài)檢測(cè)器(例如，二極管、電容器，ccd)的陣列來(lái)檢測(cè)光子或粒子的裝置和方法。本發(fā)明包括固態(tài)檢測(cè)器陣列以及使用方法，其中該陣列包括作為數(shù)字計(jì)數(shù)器的能夠檢測(cè)和計(jì)數(shù)單個(gè)光子或粒子的多個(gè)固態(tài)檢測(cè)器。

固態(tài)檢測(cè)器被配置為被重置，因此它們將再次可用于計(jì)數(shù)二次電子。該陣列還包括電連接件，該電連接件以計(jì)數(shù)器模式從一個(gè)或多個(gè)固態(tài)檢測(cè)器連接到數(shù)字轉(zhuǎn)換器，以將輸出轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，其中該連接件可以被多路復(fù)用。從多個(gè)固態(tài)檢測(cè)器生成的脈沖的計(jì)數(shù)與單個(gè)像素相關(guān)聯(lián)。泊松統(tǒng)計(jì)可用于此數(shù)據(jù)上。

在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，二次電子檢測(cè)器可以配置有法拉第籠以在固態(tài)檢測(cè)器陣列處分散二次電子的圖案，其中該圖案包括陣列的大多數(shù)固態(tài)檢測(cè)器。固態(tài)檢測(cè)器可以被配置為檢測(cè)和計(jì)數(shù)單個(gè)二次電子，其中陣列是由固態(tài)檢測(cè)器的列和固態(tài)檢測(cè)器的行組成的網(wǎng)格。固態(tài)檢測(cè)器的陣列還包括處于計(jì)數(shù)器模式的時(shí)數(shù)轉(zhuǎn)換器電路，計(jì)數(shù)的電路以及用于存儲(chǔ)計(jì)數(shù)光子或粒子的數(shù)量的電路。

另一優(yōu)選實(shí)施例是固態(tài)檢測(cè)器的配置，其中多個(gè)固態(tài)檢測(cè)器被配置為使用泊松統(tǒng)計(jì)誤差校正從樣品檢測(cè)一個(gè)像素。固態(tài)檢測(cè)器的配置還允許逐步檢測(cè)樣品的多個(gè)像素。

使用基于固態(tài)裝置(ssd)陣列的電子計(jì)數(shù)器的定量二次電子檢測(cè)(qsed)使得能夠在諸如半導(dǎo)體、納米材料和生物樣品的材料中進(jìn)行關(guān)鍵尺寸計(jì)量測(cè)量(圖3)。

本發(fā)明的其它實(shí)施例使用利用包括多個(gè)固態(tài)檢測(cè)器的固態(tài)檢測(cè)器陣列定量檢測(cè)二次電子的方法；在目標(biāo)上掃描帶電粒子束，用法拉第籠吸引多個(gè)二次電子，在固態(tài)檢測(cè)器陣列上分布多個(gè)二次電子，以及用多個(gè)固態(tài)檢測(cè)器檢測(cè)二次電子的數(shù)目，在計(jì)數(shù)器模式下使用時(shí)數(shù)轉(zhuǎn)換器電路對(duì)二次電子的數(shù)目進(jìn)行計(jì)數(shù)，將固態(tài)檢測(cè)器陣列上的計(jì)數(shù)結(jié)果合計(jì)，將計(jì)數(shù)分配給像素，以及重置固態(tài)檢測(cè)器陣列。

一種涉及使用固態(tài)檢測(cè)器的陣列檢測(cè)帶電粒子或電離輻射減少噪聲的方法；包括以下步驟：將離子化輻射或帶電粒子分散在所述陣列上；用多個(gè)所述固態(tài)檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)，其中產(chǎn)生脈沖并將脈沖存儲(chǔ)在所述固態(tài)檢測(cè)器上；用集成電路數(shù)字計(jì)數(shù)器對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，產(chǎn)生分配給像素的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流；泊松統(tǒng)計(jì)分析應(yīng)用到數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流；然后重復(fù)具有新像素的先前步驟。

因此，特別地，本發(fā)明的實(shí)施例可以實(shí)現(xiàn)具有比常規(guī)技術(shù)更低的噪聲的二次電子成像，同時(shí)受益于固態(tài)檢測(cè)器中固有的上述優(yōu)點(diǎn)。

數(shù)字電子檢測(cè)器的應(yīng)用

取決于所使用的襯底/材料，定量數(shù)字電子/光子檢測(cè)器可用于各種應(yīng)用，范圍為顯微鏡中的二次電子檢測(cè)器、位置敏感檢測(cè)器、夜視照相機(jī)中的紅外檢測(cè)器、超快速瞬態(tài)光譜的單光子檢測(cè)器、ccd相機(jī)、能量色散x射線檢測(cè)器等。

在電子顯微鏡中，標(biāo)準(zhǔn)的、體積大且無(wú)效率的everhart-thornley檢測(cè)器可以由基于更高效率si的cmos技術(shù)電子檢測(cè)器來(lái)替代。這些si檢測(cè)器將是時(shí)尚的設(shè)計(jì)，功耗低、快速，并且具有增強(qiáng)的量子效率的操作。例如，si、ge或gaas晶片可以用于使用標(biāo)準(zhǔn)cmos工藝來(lái)制造數(shù)字二次電子檢測(cè)器。由于si、ge和gaas的帶隙落在0.66ev至1.43ev的范圍內(nèi)，取決于耗盡寬度、載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度和電場(chǎng)強(qiáng)度，這些材料可用于檢測(cè)具有或不具有小的反向偏壓的二次電子。

通過(guò)以相對(duì)低的信噪比來(lái)增加量子效率以及檢測(cè)器的設(shè)計(jì)中的輕微改變而增加靈敏度，相同的材料也可以用作電子顯微鏡中的有效直接背向散射的電子檢測(cè)器。

ge和ingaas也可以用于使用標(biāo)準(zhǔn)cmos制造工藝制造近紅外檢測(cè)器。對(duì)于中紅外輻射和遠(yuǎn)紅外輻射的檢測(cè)，可以使用小得多的帶隙材料，例如hg摻雜的cdte(帶隙范圍為0-0.5ev)。

而且，具有范圍為3ev到4.5ev的帶隙能量的(諸如sic和金剛石)新一代材料可以用于制造沒(méi)有任何閃爍體或光纖耦合的直接x射線檢測(cè)器。這些材料還可以用于制造能夠以高靈敏度和量子效率來(lái)檢測(cè)深紫外光的檢測(cè)器。

就位置敏感檢測(cè)器的實(shí)現(xiàn)而言，可以使用襯底的前側(cè)和后側(cè)創(chuàng)建雙pn結(jié)，并且使用用于檢測(cè)的一個(gè)結(jié)點(diǎn)或x位置，以及使用其他結(jié)點(diǎn)用于檢測(cè)y位置。它也可以通過(guò)創(chuàng)建光電二極管陣列，然后通過(guò)測(cè)量二極管的表面電阻的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)。

它們還可以在質(zhì)譜分析法中用作電子倍增管，用于檢測(cè)可以由質(zhì)量分析器分析的離子。與相位檢測(cè)耦合的直接數(shù)字單個(gè)電子檢測(cè)器可以用在tem中用于實(shí)現(xiàn)衍射圖案。

附圖說(shuō)明

圖1由et檢測(cè)器檢測(cè)的se涉及一些不適合計(jì)量的噪聲源和失真源；

圖2基線“黑色”下移-反饋回路上沒(méi)有直流恢復(fù)；

圖3直接se檢測(cè)能夠通過(guò)消除噪聲源的ssd陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)；

圖4(a)碰撞電離產(chǎn)生電子-空穴對(duì)；(b)電場(chǎng)中e-h對(duì)的動(dòng)力學(xué)；(c)p-n結(jié)上的內(nèi)建電壓；(d)計(jì)數(shù)器ic將se的數(shù)量進(jìn)行計(jì)數(shù)；

圖5qsed裝置電流(強(qiáng)度，j)歸一化為8位灰度作為束電流(ib)的函數(shù)；(snr＝34db，直流-偏移＝-35db，線性(r2＝0.992))

圖6從存儲(chǔ)的電容器電荷中對(duì)se進(jìn)行計(jì)數(shù)；

圖7ssd的處理步驟的掩碼；掩碼#0(未示出)用于對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記；

圖8計(jì)算在不同開關(guān)頻率下變化的#個(gè)二極管，以確定需要多少ssd進(jìn)行可靠的se檢測(cè)；0.9處的線對(duì)應(yīng)于由陣列中的ssd檢測(cè)到電子的概率為90％。

具體實(shí)施方式

發(fā)明：直接數(shù)字二次電子成像是一種能夠進(jìn)行納米級(jí)定量測(cè)量的更好的方法。qsed基于固態(tài)檢測(cè)器(例如，二極管、cmos、ccd)陣列，其中每個(gè)裝置用作“一次”電子計(jì)數(shù)器，然后重置。使用基于固態(tài)檢測(cè)器(ssd)陣列的電子計(jì)數(shù)器的定量二次電子檢測(cè)(qsed)能夠?qū)崿F(xiàn)關(guān)鍵尺寸計(jì)量(圖3)。qsed的特點(diǎn)解決了上面列出的技術(shù)挑戰(zhàn)[doe_bes,2007；itrs,2011；zajac,2012；barbi,2012]。

檢測(cè)二次電子的技術(shù)方法

利用電子束掃描對(duì)象、將來(lái)自所述對(duì)象的輸出輻射引導(dǎo)至固態(tài)檢測(cè)器陣列、檢測(cè)、對(duì)二次電子的數(shù)目進(jìn)行計(jì)數(shù)和重置固態(tài)檢測(cè)器的步驟是用于獲取定量圖像的。當(dāng)電子束停留在對(duì)樣品進(jìn)行光柵掃描的像素上時(shí)，二次電子被釋放并朝向以下中的一個(gè)或多個(gè)擴(kuò)散：法拉第籠、透鏡和/或?qū)к墶?/p>

如圖3所示，qsed由收集se的固態(tài)檢測(cè)器(ssd)陣列組成。這種ssd(pn結(jié)二極管)的工作在圖4中示出。由一個(gè)擴(kuò)散長(zhǎng)度內(nèi)的入射se產(chǎn)生的過(guò)剩少數(shù)載流子(電子—·和空穴—o)(在n側(cè)上的lp和在p側(cè)上的ln)擴(kuò)散到pn結(jié)(寬度w)。然后，它們通過(guò)內(nèi)建電勢(shì)ψo(hù)掃過(guò)結(jié)點(diǎn)，產(chǎn)生脈沖。然后像素的電子計(jì)數(shù)增加1，并且pn結(jié)被重置。

二次電子將撞擊在固態(tài)檢測(cè)器陣列上并產(chǎn)生用于計(jì)數(shù)的脈沖。在停留時(shí)間段結(jié)束時(shí)，對(duì)于每個(gè)像素合計(jì)來(lái)自所有固態(tài)檢測(cè)器的計(jì)數(shù)。然后，光束移動(dòng)到對(duì)應(yīng)于圖像上的下一個(gè)像素的下一個(gè)點(diǎn)。這些步驟繼續(xù)，直到覆蓋所有像素為止。最后，對(duì)應(yīng)于目標(biāo)上的區(qū)域，將計(jì)數(shù)歸一化為xxy矩陣以產(chǎn)生用灰度級(jí)校準(zhǔn)的圖像。

由單個(gè)二次電子檢測(cè)事件產(chǎn)生的脈沖通過(guò)使用時(shí)數(shù)轉(zhuǎn)換器被轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式。時(shí)數(shù)轉(zhuǎn)換器在其每次處理一個(gè)脈沖時(shí)工作最佳。時(shí)數(shù)轉(zhuǎn)換器可以以一個(gè)或多個(gè)比率將固態(tài)裝置多路復(fù)用到時(shí)數(shù)轉(zhuǎn)換器。

在一個(gè)實(shí)施例中(參見等式1)，陣列包括最小數(shù)量的固態(tài)裝置，該固態(tài)裝置用于由檢測(cè)器使用的特定開關(guān)頻率，該特定開關(guān)頻率大于或等于撞擊固態(tài)檢測(cè)器的電子乘以像素停留時(shí)間的平均數(shù)，其中所述粒子或放射物能夠觸發(fā)所述固態(tài)裝置上的可測(cè)量的檢測(cè)事件。

泊松統(tǒng)計(jì)還告訴我們?nèi)绾未_定每個(gè)固態(tài)裝置陣列的固態(tài)裝置的最佳數(shù)量。陣列中的固態(tài)裝置的最佳數(shù)量通過(guò)對(duì)特定開關(guān)頻率的計(jì)算來(lái)確定，其中一個(gè)或更少的二次電子將在每個(gè)停留時(shí)間內(nèi)撞擊陣列中的任何特定固態(tài)檢測(cè)器的概率大于90％。

該計(jì)算涉及等式2的使用。如果每個(gè)測(cè)量或計(jì)數(shù)是沒(méi)有在相同像素停留時(shí)間內(nèi)撞擊在相同固態(tài)檢測(cè)器上的另一粒子或光子的影響的獨(dú)立事件，那么基于泊松統(tǒng)計(jì)的統(tǒng)計(jì)處理是最好的。等式2可以用于確定在獨(dú)立事件中粒子或光子(例如，電子檢測(cè)器的電子)將與檢測(cè)器相互作用的概率。統(tǒng)計(jì)處理是減少與電子顯微鏡檢測(cè)器相關(guān)的噪聲的有用技術(shù)。包括多個(gè)概率大于90％的固態(tài)檢測(cè)器的陣列是優(yōu)選的。

在該定量二次電子裝置的設(shè)計(jì)中的一個(gè)目標(biāo)是在陣列(n)中具有足夠的ssd以實(shí)現(xiàn)單個(gè)電子檢測(cè)。此外，裝置的最佳操作依賴于每個(gè)檢測(cè)是獨(dú)立的事件，使得能夠進(jìn)行泊松統(tǒng)計(jì)處理。在等式1中，n是陣列中裝置的數(shù)量，m是開關(guān)頻率，q是像素停留時(shí)間，并且q是每秒計(jì)數(shù)的電子。

n²m＞qτ等式1

如果每個(gè)se區(qū)段是獨(dú)立事件的概率為至少90％，那么數(shù)字計(jì)數(shù)器可以使泊松統(tǒng)計(jì)能夠用于估計(jì)陣列中的固態(tài)二極管的最優(yōu)數(shù)量。該概率表示為等式2。其中等式2中的k是每個(gè)二極管的電子數(shù)，并且mu是每個(gè)二極管電子的平均#。

檢測(cè)光子或帶電粒子的技術(shù)方法：

利用光子束掃描對(duì)象、將來(lái)自所述對(duì)象的輸出輻射引導(dǎo)到固態(tài)檢測(cè)器陣列上、檢測(cè)和計(jì)數(shù)光子數(shù)量、重置固態(tài)檢測(cè)器的步驟是用于獲取定量圖像的。當(dāng)光子束停留在光柵的像素上時(shí)，光子被朝向檢測(cè)器反射。qsed的另一個(gè)實(shí)施例由以下組成：透鏡、鏡片或光導(dǎo)以及用于收集光子的固態(tài)檢測(cè)器(雪崩光電二極管)陣列以及將固態(tài)檢測(cè)器陣列連接到計(jì)數(shù)器的內(nèi)部電路。ssd(pn結(jié)二極管)包含一個(gè)擴(kuò)散長(zhǎng)度內(nèi)的入射光子產(chǎn)生的過(guò)量的少數(shù)載流子(電子—·和空穴—o)，lp在n側(cè)，ln在p側(cè)，擴(kuò)散到p+n-結(jié)點(diǎn)(寬度w)。然后，它們通過(guò)內(nèi)建電勢(shì)ψo(hù)掃過(guò)結(jié)點(diǎn)，產(chǎn)生脈沖。然后像素的光子計(jì)數(shù)增加1，并且pn結(jié)被重置。

每個(gè)陣列的檢測(cè)器數(shù)量的最優(yōu)化的技術(shù)方法：

在一個(gè)實(shí)施例中(等式1)，陣列包括最小數(shù)量的固態(tài)裝置，該固態(tài)裝置用于由檢測(cè)器使用的特定開關(guān)頻率，該特定開關(guān)頻率大于或等于撞擊固態(tài)檢測(cè)器的電子乘以像素停留時(shí)間的平均數(shù)，其中所述粒子或放射物能夠觸發(fā)所述固態(tài)裝置上的可測(cè)量的檢測(cè)事件。

也可以通過(guò)使用等式2來(lái)確定固態(tài)二極管的最佳數(shù)量。如果每個(gè)測(cè)量或計(jì)數(shù)是沒(méi)有在相同像素停留時(shí)間內(nèi)撞擊在相同固態(tài)檢測(cè)器上的另一粒子或光子的影響的獨(dú)立事件，那么泊松統(tǒng)計(jì)是最好的。等式2可以用于確定在獨(dú)立事件中粒子或光子(例如，電子檢測(cè)器的電子)將與檢測(cè)器相互作用的概率。

模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果示于圖8的曲線圖中。圖8中圖表上的黑線處于90％的概率。因此，所示的具有大于90％概率的配置也是優(yōu)選的。該計(jì)算也可以在導(dǎo)致新配置的不同開關(guān)頻率下進(jìn)行。

應(yīng)用

qsed將有助于克服在顯微鏡用戶社區(qū)之間與納米動(dòng)力學(xué)研究相關(guān)的科學(xué)挑戰(zhàn)[barbi，2012]。例如，后端制程線(beol)cu/低–κ的納米級(jí)性能的測(cè)量和在亞5nm范圍內(nèi)的間隙-測(cè)量困難挑戰(zhàn)[itrs，2011]-用于高κ門、薄膜介電電容器、界面層和在<16nm節(jié)點(diǎn)中的互連阻擋層。解決這些科學(xué)挑戰(zhàn)將直接有利于半導(dǎo)體的技術(shù)進(jìn)步[itrs，2011；abbott，2012]，催化[zajac，2012]、納米技術(shù)、醫(yī)療器械和清潔能源[doe_bes]。

結(jié)果：

發(fā)明人設(shè)計(jì)和制造了包括p-n結(jié)的固態(tài)檢測(cè)器陣列，并且進(jìn)行了以下研究發(fā)現(xiàn)：

1)qsed在其工作范圍內(nèi)沒(méi)有產(chǎn)生更多的<-30db的檢測(cè)器噪聲，

具有qsed的改進(jìn)的snr的特征在于探測(cè)量子效率(dqe)等于幾何效率[joy，1996]，因?yàn)閟e的直接數(shù)字檢測(cè)可以是無(wú)噪聲的閾值[faruqi，2005]。

2)對(duì)于所有操作條件實(shí)現(xiàn)了近零直流偏移。

動(dòng)態(tài)范圍被確定為40db，并且在se檢測(cè)中沒(méi)有觀察到直流偏移。

3)qsed圖像對(duì)比度實(shí)現(xiàn)了與se收集的近(測(cè)量值在±5％內(nèi))線性關(guān)系。

觀察到像素信號(hào)和束電流之間的接近線性(±4％偏差)關(guān)系。具有零dc偏移的線性關(guān)系能使從sem圖像(cd-sem)進(jìn)行定量、納米尺度、臨界尺寸測(cè)量。

使用現(xiàn)代sem(例如，具有adda3的安捷倫科技公司的8500fe-sem)，大多數(shù)信號(hào)都使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(adc)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(dac)[olympus]進(jìn)行數(shù)字處理。下一代模數(shù)轉(zhuǎn)換器可提高高達(dá)14位的動(dòng)態(tài)范圍，高達(dá)12000×12000的放大圖像尺寸在活動(dòng)模式下可將圖像采集速度以600×600像素提高到25fps。

ssd陣列

qsed裝置(其功能性在圖6中描繪過(guò))被設(shè)計(jì)和構(gòu)建以通過(guò)10000×10000pn結(jié)陣列(或者作為另外一種選擇，固態(tài)檢測(cè)器的1000行和1000列)來(lái)實(shí)現(xiàn)se收集。具有3-5ev能量的二次電子被示出來(lái)賦予足夠的能量以引起形成計(jì)數(shù)se的基礎(chǔ)的碰撞電離?；蛘?，作為另外一種選擇，當(dāng)用典型功率的電子束在1mhz下操作時(shí)，可以示出，具有81行和81列固態(tài)檢測(cè)器的裝置也可以可靠地計(jì)數(shù)se。

qsed裝置的一個(gè)實(shí)施例是用作二次電子檢測(cè)器的單個(gè)電子固態(tài)檢測(cè)器陣列，其中檢測(cè)器被每秒約1000萬(wàn)電子的電子流撞擊，陣列包括至少4行單個(gè)電子固態(tài)檢測(cè)器和至少4列單個(gè)電子固態(tài)檢測(cè)器，并且其中當(dāng)固態(tài)檢測(cè)器循環(huán)至少1mhz或更快時(shí)，網(wǎng)格包括單個(gè)電子固態(tài)檢測(cè)器將給出定量數(shù)據(jù)的至少6561個(gè)單元，其中所述單個(gè)電子固態(tài)檢測(cè)器陣列為正方形配置。單個(gè)電子固態(tài)檢測(cè)器的陣列的其它形狀在本領(lǐng)域技術(shù)人員的能力范圍內(nèi)。單個(gè)電子固態(tài)檢測(cè)器的所述陣列的優(yōu)選配置是81行單個(gè)電子固態(tài)檢測(cè)器和81列單個(gè)電子固態(tài)檢測(cè)器。

這種單個(gè)電子固態(tài)檢測(cè)器的陣列的更優(yōu)選配置是1000行單個(gè)電子固態(tài)檢測(cè)器和1000列單個(gè)電子固態(tài)檢測(cè)器，并以10khz或更快的速度循環(huán)。

固態(tài)裝置

固態(tài)裝置(ssd)中基于p-n結(jié)的電容可以被小型化以增加密度(在約2cm×2cm的有效面積中為約10000×10000)?？纱鎯?chǔ)在ssd中的電荷量受內(nèi)置電壓和電容的限制。為了改善成像的空間和時(shí)間分辨率，期望在p-n結(jié)上的高電容和高內(nèi)建電壓。

固態(tài)裝置在遇到電子時(shí)可以產(chǎn)生光子、電壓或電流的脈沖。每個(gè)pn結(jié)二極管單元可以用作se的檢測(cè)器。如圖6右上角示意性地示出，se在二極管中產(chǎn)生電子-空穴對(duì)[maes，1995]。

過(guò)剩的少數(shù)載流子(p中的電子(·)和n區(qū)中的空穴(o))向結(jié)點(diǎn)擴(kuò)散。一個(gè)擴(kuò)散長(zhǎng)度產(chǎn)生的少數(shù)電荷載流子(分別在n側(cè)和p側(cè)上的lp和ln)在它們復(fù)合之前可以到達(dá)pn結(jié)(寬度xd)[delalamo，1987]。一旦在界面處，它們通過(guò)ψ0在結(jié)點(diǎn)上掃過(guò)。該過(guò)程確定何時(shí)收集se，從而觸發(fā)脈沖(表1和圖4)。對(duì)于內(nèi)建電勢(shì)(ψ0)0.72v，在耗盡區(qū)(<1μm)上觀察到電場(chǎng)～10³v/cm。耗盡區(qū)占據(jù)ssd中的大部分空間。

電容：一旦產(chǎn)生，電子-空穴對(duì)(ehp)在耗盡區(qū)中在相反方向上分離，從而造成pn結(jié)電容器。為了提高檢測(cè)器的效率，電容(cj)必須最大化。然而，裝置的響應(yīng)時(shí)間(τ)減小為τ＝rcj，時(shí)間常數(shù)。rcj由與周圍p型襯底形成pn結(jié)的n+區(qū)域確定。摻雜劑濃度曲線影響開關(guān)時(shí)間和寄生延遲。在第一階段裝置中的平均cj為0.13pf且r＝12kω，給出時(shí)間常數(shù)～2μs。時(shí)間常數(shù)rc可以進(jìn)一步減小到<2ns，以獲得更快的響應(yīng)。必須控制r和cj的變化源，以最小化開關(guān)的變化。

ssd陣列：理想地，整個(gè)固態(tài)檢測(cè)器應(yīng)該由準(zhǔn)備收集se的p-n結(jié)耗盡區(qū)組成。絕緣體、金屬焊盤和其他電路減少了se收集的可用使用空間。計(jì)算檢測(cè)器的最佳面積。例如，離子注入或經(jīng)由通孔使得背側(cè)上的接觸布線和焊盤能夠釋放用于se收集的正面中的區(qū)域。此外，可以通過(guò)在菊花鏈中連接多個(gè)電容器來(lái)增強(qiáng)信號(hào)。通過(guò)交錯(cuò)電容器組(菊花鏈)的操作，可以最小化se收集的關(guān)閉時(shí)間。將偏置電壓(+150v至+300v)施加到法拉第籠以將se朝向檢測(cè)器吸引。合適的偏置電壓能夠確保足夠的se到達(dá)檢測(cè)器。

通過(guò)ic制造工藝的qsed裝置：

在固態(tài)檢測(cè)器的1000行和1000列的陣列中收集超過(guò)100μm×100μmp-n結(jié)區(qū)域的se信號(hào)，其可以小型化為10000×10000陣列的1μm×1μm裝置。

qsed使用六個(gè)掩碼用于制作馬蹄形電容器(圖7)。使用直徑為150mm以及厚約0.75mm并拋光以獲得非常規(guī)則和平坦表面的單晶p-si晶片。生產(chǎn)所需電路的過(guò)程步驟分為兩個(gè)主要部分：用于基于p-n結(jié)的電容裝置的前端制程線(feol)處理和后端制程線(beol)處理或金屬接觸。密切控制摻雜化學(xué)和尺寸公差以增強(qiáng)信噪比。摻雜密度和尺寸的一個(gè)實(shí)例在表1中示出。其他實(shí)施例在本領(lǐng)域技術(shù)人員的能力范圍內(nèi)。固態(tài)檢測(cè)器陣列可以經(jīng)由標(biāo)準(zhǔn)平面光刻和化學(xué)處理工藝步驟順序制造，在此期間在晶片上逐漸形成ssd和ic。

se計(jì)數(shù)器集成電路：

在qsed中，固態(tài)檢測(cè)器是裝置(例如，二極管、電容器、ccd)，其中每個(gè)裝置用作“一次”電子計(jì)數(shù)器，然后重置。ic為qsed提供計(jì)數(shù)器功能。在時(shí)間0，se影響并電離以產(chǎn)生多個(gè)空穴-電子對(duì)。對(duì)于脈沖電流，讀出電子裝置然后加上“1”。如果允許，電荷載流子會(huì)快速重新組合，并且裝置重置。pn電勢(shì)返回平衡(電流＝0；電勢(shì)＝ψ0)，并準(zhǔn)備好檢測(cè)下一個(gè)se。由于se以及ssd是獨(dú)立和不相關(guān)的，泊松統(tǒng)計(jì)適用于這種情況：對(duì)于入射電子束電流ib(pa)，平均數(shù)n個(gè)電子產(chǎn)生每個(gè)光柵像素，并測(cè)量電荷用于停留時(shí)間τ(μs)，然后n＝6ibδτ。

啟用技術(shù)是基于快速補(bǔ)充金屬氧化物半導(dǎo)體(cmos)時(shí)數(shù)轉(zhuǎn)換器電路的電子計(jì)數(shù)器。se檢測(cè)響應(yīng)于對(duì)甚至單個(gè)se的檢測(cè)(參見圖7)而產(chǎn)生快速的電脈沖。利用簡(jiǎn)單的電平移位，該脈沖可以觸發(fā)結(jié)合到像素中的數(shù)字cmos電路。單個(gè)se靈敏度與亞納秒定時(shí)精度一起實(shí)現(xiàn)。因?yàn)槎〞r(shí)信息在像素電路中被數(shù)字化，所以它被無(wú)噪聲地讀出。

時(shí)數(shù)轉(zhuǎn)換器電路的多路復(fù)用晶體管陣列用于提供高密度訪問(wèn)多個(gè)固態(tài)檢測(cè)器用于表征[realov，2009]。時(shí)數(shù)轉(zhuǎn)換器電路的多路復(fù)用晶體管陣列被設(shè)計(jì)和制造成提供對(duì)多個(gè)裝置的高密度訪問(wèn)以用于表征。芯片上電流-電壓表征系統(tǒng)允許快速表征多個(gè)復(fù)用裝置的大型、稠密的ssd陣列的多路復(fù)用裝置，從而消除了開關(guān)電阻的影響[faruqi，2005]。

8.引用的參考書目和參考文獻(xiàn)

[barbi,2011]:nbarbietal(2011).aphotomultiplierssdforimaging,microscopy&microanalysis,17(2).

[barbi,2012]:barbietal；pulsetor,llc；scintillator-photomultipliercombination&electronmicroscope..,

[bogner,2007]:bogneraetal.,ahistoryofsemdevelopments:“wet-stem”imaging,micron,38(4),2007.

[delalamo,1987]:delalamojaandr.m.swanson,solidstateelectron.30,11(1987)1127-1136.

[doe_bes,2007]:futurescienceneedsandopportunitiesforelectronscattering:besworkshop,mar2007.

[faruqi,2005a]:arfaruqietal；directsingleelectrondetectionwithacmosdetectorforelectronmicroscopy；nuclearinstruments&methods；a546；2005.

[faruqi,2005b]:arfaruqietal,noiselessdirectdetectionofelectronsforem,nuclrinstr；a546(1–2),2005.

[itrs,2011]:interntechroadmapforsemiconductors(itrs)；semiconductorindustryassoc(sia),2011.

[fei,2010]

http://www.fei.com/uploadedfiles/documents/content/introduction_to_em_booklet_july_10.pdf.

[goldstein,1990]:principlesofanalyticalelectronmicroscopy；goldsteinj,joydc,romigad；1990.

[hitachi]su8040；

www.hitachi-hta.com/sites/default/files/literature/htd-e187-hitachisu8040datasheet.pdf

[isaacson,1977]:misaacsonetal；observationofatomicdiffusⁿbystem；74(5),proc.natl.acad.sci.1977.

[joy,2009]:joydc,“sem:secondbestnomore”,naturematerials8,(2009)

[joy,1996]:dcjoy,csjoy,r.d.bunn:“measuringtheperformanceofsemdetectors”；scanning18,1996.

[joy,1992]:joydc；pawleyjb；high-resolutionsem；ultramicroscopy47(i992)80-100.

[joy,1991a]:joy,d.c.(1991a).contrastinhighresolutionsemimages.j.microsc.161(11),343-355.

[joy,1991b]:joydc.lvsem.inelectronmicroscopyandmicroanalysis1987,instphysconfseries,i.o.p.

[joy,1987]:joy,d.c.(1987).anoteoncharginginlvsem.microbeamanal.22,83-86.

[joy,1985]:joy,d.c.(1985).resolutioninlvsem.j.microsc.140(111),283-292.

[joy,1982]:joydcetal‘fastseindegradingspatialresolutioninanalyticalem.j.microsc.128(11),rpi.1982

[kazemian,2007]:p.kazemianetal；quantitativeseenergyfilteringinasem；ultramicroscopy107(2007).

[maes,1990]:w.maes,k.demeyer；r.vanoverstraeten；“impactionizationinsilicon:areviewandupdate”；solid-stateelectronicsvol.33,no.6,pp.705-718,1990.

[merli,1995]:pgmerlietal‘…resolutionofsemiconductormultilayerswithasem’；ultramicroscopy60,1995.

[oho,2007]:ohoe,suzukik,yamazakis；qualityimprovementofenvironmentalsecondaryelectrondetectorsignalusingheliumgasinvariablepressuresem；scanning；vol.29,225–229(2007).

[postek,2012]:postekm,‘doessemreallytellthetruth？’spiedefensesensing:scanningmicroscopy；8378.

[realov,2009]:s.realov,w.mclaughlin,k.l.shepard,"on-chiptransistorcharacterizationarrayswithdigitalinterfacesforvariabilitycharacterization"internationalsymposiumonqualityelectronicdesign,2009.

[reimer,1985]:reimerl；sem–physicsofimageformationandmicroanalysis,springer-verlag(1985).

術(shù)語(yǔ)表：

計(jì)數(shù)是對(duì)多個(gè)項(xiàng)目或事件的離散量度，其中增量是1或0。

時(shí)數(shù)轉(zhuǎn)換器是用作計(jì)數(shù)器的電路或電路陣列，其采用模擬數(shù)據(jù)的分散數(shù)據(jù)包，并將它們一次轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)值。

se是二次電子的縮寫

sem是掃描電子顯微鏡的縮寫。

ssd是固態(tài)檢測(cè)器的縮寫。

qsed裝置是定量二次電子裝置。

e-t檢測(cè)器是基于everhart-thornley(e-t)檢測(cè)器的閃爍體-光電倍增管。

cmos互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體是用于構(gòu)建集成電路的技術(shù)?！癱mos”是指特定類型的數(shù)字電路設(shè)計(jì)和用于在集成電路(芯片)上實(shí)現(xiàn)該電路的過(guò)程族。

陣列是一組排列在一起的多個(gè)單元。這些單元以邏輯重復(fù)圖案的形式排列。陣列被描述為布置成線性、矩形、菱形或不同的2維形狀，然而，各個(gè)單元都具有3維形狀。

計(jì)數(shù)是多個(gè)項(xiàng)目或事件的離散度量。

時(shí)數(shù)轉(zhuǎn)換器是用作計(jì)數(shù)器的電路或電路陣列，其采用模擬數(shù)據(jù)的分散數(shù)據(jù)包，并將它們一次轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)值。