專利名稱：時(shí)間分解測(cè)定裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用位置檢測(cè)型電子倍增管(Position-Sensitive Electron Multiplier TubePS-EMT)的時(shí)間分解測(cè)定裝置。
背景技術(shù)：
進(jìn)行發(fā)光現(xiàn)象的時(shí)間分解測(cè)定以取得其二維位置和時(shí)間的二維時(shí)間分解測(cè)定裝置已為人所熟知。這種裝置已公開(kāi)于日本專利特開(kāi)昭61-266942號(hào)公報(bào)、日本專利特開(kāi)平10-150086號(hào)公報(bào)、和S.Charbonneau等人提出的論文《使用電阻性陽(yáng)極光電子倍增管的100ps分解能的二維時(shí)間分解成像(Two-dimensional time-resolvedimaging with 100-ps resolution using a resistive anodephotomultiplier tube)》(Rev.Sci.Instrum.63(11)，AmericanInstitute of Physics)，1992年11月，5315～5319頁(yè))中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提高時(shí)間分解測(cè)定的精確度。
本發(fā)明的時(shí)間分解測(cè)定裝置取得試料的激勵(lì)所產(chǎn)生的量子線的位置信息和定時(shí)信息。該時(shí)間分解測(cè)定裝置具備與該試料的激勵(lì)同步，產(chǎn)生基準(zhǔn)時(shí)間脈沖的信號(hào)發(fā)生器；檢測(cè)來(lái)自試料的量子線，生成與對(duì)應(yīng)檢測(cè)位置的位置信號(hào)和檢測(cè)定時(shí)同步的檢測(cè)定時(shí)脈沖的檢測(cè)裝置；使用位置信號(hào)算出檢測(cè)位置的位置演算器；測(cè)量基準(zhǔn)時(shí)間脈沖和檢測(cè)定時(shí)脈沖的時(shí)間差的時(shí)間差測(cè)量器；和將通過(guò)位置演算器算出的上述檢測(cè)位置和通過(guò)上述時(shí)間差測(cè)量器測(cè)量的時(shí)間差相對(duì)應(yīng)地存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)處理裝置。檢測(cè)裝置具有位置檢測(cè)型電子倍增管。該電子倍增管具有在與朝向上述量子線的上述電子倍增管的入射位置對(duì)應(yīng)的位置產(chǎn)生電子，并能夠維持在該位置的同時(shí)倍增上述電子的微通道片(microchannel plate)，和與微通道片電氣連接的輸出端子。檢測(cè)定時(shí)脈沖與該微通道片倍增的電子從微通道片放出時(shí)的電位變化相應(yīng)地產(chǎn)生，從微通道片通過(guò)輸出端子送至該時(shí)間差測(cè)量器。數(shù)據(jù)處理裝置根據(jù)位于該微通道片之上的檢測(cè)定時(shí)脈沖的產(chǎn)生位置與輸出端子之間的距離對(duì)時(shí)間差進(jìn)行修正，并將修正的時(shí)間差與檢測(cè)位置對(duì)應(yīng)地存儲(chǔ)。
由于微通道片維持量子線的位置信息，因此檢測(cè)定時(shí)脈沖在微通道片中，在與試料上的量子線的發(fā)生位置對(duì)應(yīng)的位置產(chǎn)生。所以，從試料上的不同位置發(fā)出的量子線在微通道片上的不同位置產(chǎn)生檢測(cè)定時(shí)脈沖。所產(chǎn)生的檢測(cè)定時(shí)脈沖到達(dá)輸出端子所需的時(shí)間依存于檢測(cè)定時(shí)脈沖的產(chǎn)生位置與輸出端子之間的距離。因此，在相同定時(shí)從試料上的不同位置發(fā)出的量子線生成在不同的定時(shí)產(chǎn)生到達(dá)輸出端子的檢測(cè)定時(shí)脈沖，其結(jié)果是產(chǎn)生不同的時(shí)間差。在本發(fā)明中，數(shù)據(jù)處理裝置根據(jù)檢測(cè)定時(shí)脈沖的產(chǎn)生位置和輸出端子之間的距離修正時(shí)間差，消除對(duì)應(yīng)于量子線的產(chǎn)生位置的不同的時(shí)間差的誤差，由此，提高時(shí)間分解測(cè)定的精確度。
量子線包含電子、離子、α射線和β射線等荷電粒子，或紫外線、X射線、γ射線等光子，還包含中性粒子等。伴隨試料激勵(lì)的量子線的產(chǎn)生，是通過(guò)熱、光、放射線等的外部刺激，從原子、分子等低能量的狀態(tài)轉(zhuǎn)移至更高能量的狀態(tài)，其狀態(tài)回到原本的狀態(tài)時(shí)，兩個(gè)狀態(tài)的能量間的差作為光等量子線放出的現(xiàn)象(參照上述專利文獻(xiàn)1和非專利文獻(xiàn)1)。當(dāng)半導(dǎo)體裝置自發(fā)性地或響應(yīng)外部觸發(fā)(信號(hào)脈沖、工作開(kāi)始脈沖等)工作時(shí)，伴隨著裝置中的晶體管的切換工作，產(chǎn)生瞬時(shí)發(fā)光(參照上述專利文獻(xiàn)2)。在本發(fā)明伴隨試料的激勵(lì)的量子線的產(chǎn)生中，加上原子或分子產(chǎn)生將兩個(gè)狀態(tài)的能量差以光等量子線的方式放出的現(xiàn)象，也包含半導(dǎo)體裝置的工作時(shí)所觀察到的瞬間發(fā)光。
數(shù)據(jù)處理裝置將檢測(cè)定時(shí)脈沖從該產(chǎn)生位置到達(dá)輸出端子所需的時(shí)間中除去通過(guò)時(shí)間差測(cè)量器測(cè)量的時(shí)間差，對(duì)時(shí)間差進(jìn)行修正即可。在此情況下，依存于檢測(cè)定時(shí)脈沖的產(chǎn)生位置與輸出端子之間的距離的成分被從時(shí)間差中除去。其結(jié)果是，對(duì)應(yīng)于量子線的產(chǎn)生位置的不同產(chǎn)生的時(shí)間差的誤差被消除，從而提高時(shí)間分解測(cè)定的精確度。
數(shù)據(jù)處理裝置也可以在微通道片上設(shè)定多個(gè)取樣點(diǎn)，并取得產(chǎn)生于各取樣點(diǎn)的檢測(cè)定時(shí)脈沖的修正數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)間，使用所補(bǔ)間的修正數(shù)據(jù)修正時(shí)間差。通過(guò)補(bǔ)間從少數(shù)的樣本中能夠算出多個(gè)的修正數(shù)據(jù)。由此，能夠縮短修正數(shù)據(jù)的取得所需的時(shí)間。
數(shù)據(jù)處理裝置也可以經(jīng)過(guò)試料的多次激勵(lì)積蓄檢測(cè)位置和時(shí)間差，這對(duì)于發(fā)出量子線的準(zhǔn)確率低的試料的測(cè)定有益。
數(shù)據(jù)處理裝置也可以使用積蓄的時(shí)間差，作成對(duì)應(yīng)于特定的檢測(cè)位置的時(shí)間差的柱狀圖。該柱狀圖用于求得某個(gè)位置上量子線產(chǎn)生的定時(shí)。所求得的量子線產(chǎn)生定時(shí)能夠用于在工作時(shí)以低準(zhǔn)確率對(duì)發(fā)出量子線的半導(dǎo)體裝置進(jìn)行工作解析。
試料也可以具有包含工作時(shí)能夠發(fā)出量子線的多個(gè)半導(dǎo)體裝置的電路。試料的激勵(lì)也可以是驅(qū)動(dòng)電路并依序使多個(gè)半導(dǎo)體裝置工作。數(shù)據(jù)處理裝置也可以確定對(duì)應(yīng)于半導(dǎo)體裝置的位置的檢測(cè)位置，算出確定的檢測(cè)位置中對(duì)應(yīng)于柱狀圖的峰值的時(shí)間差。柱狀圖的峰值顯示出在某個(gè)檢測(cè)位置中量子線的產(chǎn)生為最高頻率時(shí)檢測(cè)出的時(shí)間差。因此，此時(shí)間差能夠作為對(duì)應(yīng)于該檢測(cè)位置的半導(dǎo)體裝置產(chǎn)生量子線的定時(shí)使用。如果算出多個(gè)半導(dǎo)體裝置的量子線產(chǎn)生定時(shí)，則能夠解析包含那些半導(dǎo)體裝置的電路的工作。
電子倍增管可以是具有通過(guò)光電效應(yīng)將該量子線轉(zhuǎn)變?yōu)楣怆娮拥墓怆婈帢O的位置檢測(cè)型光電子倍增管。在此情形中，微通道片與光電陰極相對(duì)地設(shè)置，從光電陰極接收光電子，由此生成并倍增二次電子。
本發(fā)明的前述以及其它目的和新特征，通過(guò)與對(duì)應(yīng)于附圖的以下的說(shuō)明能夠更完全地明了。但是，附圖僅用作例示，并非限定本發(fā)明的技術(shù)范圍。


圖1是表示本發(fā)明的實(shí)施方式的時(shí)間分解測(cè)定裝置的結(jié)構(gòu)的方框圖。
圖2是表示試料所包含的集成電路的概略圖。
圖3是表示微通道片的概略俯視圖。
圖4是表示反相器中晶體管的發(fā)光定時(shí)的示意圖。
圖5是表示圖4的折線圖的近似曲線圖。
圖6是表示微通道的表面上的多個(gè)檢測(cè)位置的概略俯視圖。
圖7是表示對(duì)應(yīng)于多個(gè)檢測(cè)位置的檢測(cè)時(shí)刻的延遲的分布圖。
圖8是表示說(shuō)明修正數(shù)據(jù)的測(cè)定方法的概略圖。
圖9是表示有效區(qū)域上的樣本點(diǎn)的示意圖。
圖10是表示對(duì)樣本點(diǎn)所測(cè)定的檢測(cè)時(shí)刻的延遲的3D示意圖。
圖11是表示補(bǔ)間后的延遲的3D示意圖。
圖12是表示對(duì)應(yīng)于反相器鏈中的晶體管的檢測(cè)時(shí)刻的延遲分布的示意圖。
圖13是表示時(shí)間分解測(cè)定的步驟的一例的流程圖。
圖14是表示時(shí)間分解測(cè)定的步驟的另一例的流程圖。
具體實(shí)施例方式
以下參考附圖，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。為易于理解，在圖示中對(duì)于公共相同的或等價(jià)的要素使用同樣的圖標(biāo)符號(hào)，并省略重復(fù)的說(shuō)明。
圖1是表示本實(shí)施方式的時(shí)間分解測(cè)定裝置100的結(jié)構(gòu)的方框圖。裝置100檢測(cè)從試料10中發(fā)出的光15，并測(cè)定發(fā)光的二維位置和定時(shí)。裝置100具有半導(dǎo)體測(cè)試器12、位置檢測(cè)型光電子倍增管(PositionSensitive Photomultiplier TubePS-PMT)14、位置時(shí)間測(cè)定電路16和數(shù)據(jù)處理裝置18。
在本實(shí)施方式中，準(zhǔn)備搭載有半導(dǎo)體集成電路(IC)的芯片作為試料10的一例。圖2是表示試料10上的IC的概略圖。該IC為具有12個(gè)直排連接的反相器221～2212所構(gòu)成的反相器鏈20。在反相器鏈20中，信號(hào)沿著箭頭24的方向從起始的反相器221至最后的反相器2212依次傳播。彼此相鄰的兩個(gè)反相器之間的信號(hào)傳播時(shí)間在理論上設(shè)計(jì)為70ps。構(gòu)成反相器的MOS晶體管在切換時(shí)會(huì)產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象。因此，若是使用裝置100對(duì)發(fā)光的位置和定時(shí)進(jìn)行測(cè)量，則能夠判別哪個(gè)晶體管在何時(shí)進(jìn)行切換。可以對(duì)反相器鏈20的工作進(jìn)行解析。
半導(dǎo)體測(cè)試器12是激勵(lì)試料10產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象的激勵(lì)裝置。測(cè)試器12電氣連接于試料10上的反相器鏈20，施加驅(qū)動(dòng)電壓。此外，測(cè)試器12包含與施加驅(qū)動(dòng)電壓同步地產(chǎn)生時(shí)間基準(zhǔn)脈沖的信號(hào)發(fā)生器12a。時(shí)間基準(zhǔn)脈沖被送往位置時(shí)間測(cè)定電路16。
位置檢測(cè)型光電子倍增管14將試料10發(fā)出的光轉(zhuǎn)換為電子，并在維持其二維位置的同時(shí)增加該電子。光電子倍增管14具有光電陰極、微通道片(MCP)和電阻性陽(yáng)極。微通道片設(shè)置于光電陰極和電阻性陽(yáng)極之間。微通道片的前面與光電陰極相對(duì)，后面與電阻性陽(yáng)極相對(duì)。
圖3為表示微通道片的概略平面圖。為簡(jiǎn)化圖示，在圖3中省略微通道片的通道的標(biāo)示。微通道片30的兩端面蒸鍍有作為電極30a的導(dǎo)電性材料。微通道片30的周邊被圓環(huán)狀的金屬凸緣32覆蓋。凸緣32的一處安裝有引導(dǎo)端子34。引導(dǎo)端子34與微通道片30的端面上的電極30a電氣導(dǎo)通。引導(dǎo)端子34通過(guò)引導(dǎo)線連接于位置時(shí)間測(cè)定電路16。如后所述，在微通道片30中，與光的檢測(cè)定時(shí)同步地產(chǎn)生電氣性脈沖信號(hào)。該脈沖信號(hào)經(jīng)由引導(dǎo)端子34被傳送至電路16。
位置時(shí)間測(cè)定電路16同時(shí)電氣連接于測(cè)試器12和光電子倍增管14。電路16具有位置演算器的功能，其可使用從光電子倍增管14發(fā)出的信號(hào)算出檢測(cè)位置。此外，電路16還具有時(shí)間差計(jì)測(cè)器的功能，其能夠測(cè)量從測(cè)試器12發(fā)出的基準(zhǔn)時(shí)間脈沖與從光電子倍增管14發(fā)出的檢測(cè)定時(shí)脈沖之間的時(shí)間差。此時(shí)間差表示將基準(zhǔn)時(shí)間脈沖基準(zhǔn)化的檢測(cè)時(shí)刻。通過(guò)電路16求得的檢測(cè)位置和檢測(cè)時(shí)刻被送至數(shù)據(jù)處理裝置18。
數(shù)據(jù)處理裝置18接收位置時(shí)間測(cè)定電路16發(fā)出的檢測(cè)位置和檢測(cè)時(shí)刻，并互相對(duì)應(yīng)地存儲(chǔ)。處理裝置18可以是例如個(gè)人計(jì)算機(jī)。處理裝置18具有CPU、存儲(chǔ)裝置、鍵盤(pán)、和鼠標(biāo)，同時(shí)也具有屏幕。存儲(chǔ)裝置中設(shè)置有通過(guò)CPU運(yùn)行的數(shù)據(jù)處理程序。
以下說(shuō)明時(shí)間分解測(cè)定裝置100的工作。當(dāng)測(cè)試器12驅(qū)動(dòng)試料10上的反相器鏈20時(shí)，多個(gè)反相器22以約70ps的間隔依次工作。此時(shí)，反相器22中的晶體管以一定機(jī)率發(fā)出光15。光電子倍增管14由光電陰極接收光15。光電陰極通過(guò)光電效應(yīng)將光15轉(zhuǎn)換為光電子。該光電子由于施加在光電陰極與微通道片之間的電場(chǎng)而朝向微通道片的前面，即輸入面移動(dòng)。光電子射入微通道面的入射位置與光15射入光電陰極的入射位置對(duì)應(yīng)。
微通道片在光電子的入射位置上產(chǎn)生一個(gè)以上的二次電子，并在維持其二維位置的同時(shí)倍增該二次電子。更具體地說(shuō)，微通道片具有將多個(gè)非常細(xì)的玻璃管扎成束的構(gòu)造。該玻璃管即為通道。通道的內(nèi)壁是電氣阻抗體，同時(shí)也是電子放出體。每個(gè)通道均具有獨(dú)立的電子倍增管的功能。當(dāng)微通道片所感應(yīng)的量子(例如本實(shí)施方式的光電子)入射到一個(gè)通道的內(nèi)壁時(shí)，從該內(nèi)壁放出一個(gè)以上的電子。所放出的電子被施加在微通道片的兩端之間的電場(chǎng)加速，再次撞擊該內(nèi)壁放出二次電子。二次電子在重復(fù)撞擊該內(nèi)壁的同時(shí)沿著通道行進(jìn)，由此倍增。二次電子的二維位置由通道維持。當(dāng)?shù)蕉坞娮舆_(dá)微通道片的后面時(shí)，由于施加于微通道片與電阻性陽(yáng)極之間的電場(chǎng)，二次電子從微通道片的后面，即輸出面被放出，聚集于電阻性陽(yáng)極。
電阻性陽(yáng)極是在一面設(shè)置有均勻的阻抗層的導(dǎo)體板。電阻性陽(yáng)極的周?chē)康乃膫€(gè)地方設(shè)置有讀取信號(hào)用的電極。這些電極電氣連接于位置時(shí)間測(cè)定電路16。當(dāng)二次電子入射到電阻性陽(yáng)極時(shí)，這些讀取電極輸出電荷脈沖。入射到電阻性陽(yáng)極的二次電子的二維位置可基于具有這些電荷脈沖的電荷量求得。這樣，電阻性陽(yáng)極產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于光15的檢測(cè)位置的信號(hào)，并被送至位置時(shí)間測(cè)定電路16。
電路16從光電子倍增管14的電阻性陽(yáng)極的四個(gè)角的電極接收電荷脈沖，并由重心檢測(cè)算出電阻性陽(yáng)極上的二次電子的二維位置。該二維位置與試料10上的發(fā)光的二維位置對(duì)應(yīng)。由此可求得光15的檢測(cè)位置。該檢測(cè)位置被送至數(shù)據(jù)處理裝置18。
此外，光電子倍增管14與光15的檢測(cè)定時(shí)同步，產(chǎn)生脈沖。該檢測(cè)定時(shí)脈沖從微通道片30被取出。以下，參照?qǐng)D3說(shuō)明檢測(cè)定時(shí)脈沖的產(chǎn)生。
符號(hào)36所表示的正方形區(qū)域能夠通過(guò)微通道片30的后面(輸出面)的電阻性陽(yáng)極收集二次電子。以下將該區(qū)域稱為“有效區(qū)域”。當(dāng)反相器221～2212發(fā)出光時(shí)，與反相器221～2212對(duì)應(yīng)的有效區(qū)域36中的位置381～3812收集到光電子。當(dāng)從這些位置38向電阻性陽(yáng)極放出二次電子時(shí)，微通道片30的輸出面的電位瞬間上升。接著，從連接于微通道片30的電氣電路向位置38流入電子，輸出面的電位立即回到規(guī)定的恒定電位。該電子的流動(dòng)是上述檢測(cè)定時(shí)脈沖。該脈沖在微通道片30的輸出面上傳播，并經(jīng)由凸緣32、引導(dǎo)端子34和上述電氣電路，即脈沖讀取電路，到達(dá)位置時(shí)間測(cè)定電路16。
電路16在測(cè)試器12驅(qū)動(dòng)試料10上的反相器鏈20之后立即從測(cè)試器12接收基準(zhǔn)時(shí)間脈沖，之后，從微通道片30接收檢測(cè)定時(shí)脈沖。電路16具有時(shí)間電壓轉(zhuǎn)換器(Time-to-Amplitude ConverterTAC)，基準(zhǔn)時(shí)間脈沖和檢測(cè)定時(shí)脈沖被送至該時(shí)間電壓轉(zhuǎn)換器。時(shí)間電壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于基準(zhǔn)時(shí)間脈沖和檢測(cè)定時(shí)脈沖之間的時(shí)間差的水平的電壓信號(hào)。如上所述，該時(shí)間差與將試料10的激勵(lì)時(shí)刻基準(zhǔn)化的光15的檢測(cè)時(shí)刻等價(jià)。以下，將對(duì)應(yīng)于時(shí)間差的該信號(hào)稱為“檢測(cè)時(shí)刻信號(hào)”。檢測(cè)時(shí)刻信號(hào)從電路16被送至數(shù)據(jù)處理裝置18。
數(shù)據(jù)處理裝置18接收來(lái)自電路16的檢測(cè)位置和檢測(cè)時(shí)刻信號(hào)，在修正檢測(cè)時(shí)刻信號(hào)所表示的檢測(cè)時(shí)刻之后，將檢測(cè)位置與檢測(cè)時(shí)刻彼此對(duì)應(yīng)地記錄于存儲(chǔ)裝置。關(guān)于檢測(cè)時(shí)刻的修正將在后面進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
由于晶體管切換之際發(fā)光的機(jī)率非常小，因此試料10被反復(fù)激勵(lì)，檢測(cè)位置與檢測(cè)時(shí)刻被積蓄于數(shù)據(jù)處理裝置18。積蓄的數(shù)據(jù)能夠在各方面被利用。例如，數(shù)據(jù)處理裝置18能夠經(jīng)過(guò)特定的時(shí)間對(duì)每個(gè)檢測(cè)位置計(jì)算發(fā)光次數(shù)，產(chǎn)生將對(duì)應(yīng)于所得的計(jì)算數(shù)的輝度分割成對(duì)應(yīng)于檢測(cè)位置的像素的二維影像。此外，數(shù)據(jù)處理裝置18能夠使用存儲(chǔ)的檢測(cè)時(shí)刻，在特定的檢測(cè)位置作成檢測(cè)時(shí)刻的柱狀圖。該柱狀圖的橫軸為檢測(cè)時(shí)刻，縱軸為發(fā)光次數(shù)。柱狀圖的峰值表示特定的檢測(cè)位置的發(fā)光在高頻度下所檢測(cè)的時(shí)刻。因此，對(duì)應(yīng)于峰值的檢測(cè)時(shí)刻能夠被視為對(duì)應(yīng)于檢測(cè)位置的反相器22中的晶體管進(jìn)行切換的定時(shí)。對(duì)于各反相器22對(duì)應(yīng)的檢測(cè)位置若能夠算出對(duì)應(yīng)于柱狀圖的峰值的檢測(cè)時(shí)刻，則能夠掌握一連串反相器22的工作定時(shí)。由此，能夠?qū)Ψ聪嗥麈?0的工作進(jìn)行解析。
以下，說(shuō)明數(shù)據(jù)處理裝置18的檢測(cè)時(shí)刻被修正的理由，之后具體說(shuō)明修正處理。本發(fā)明人當(dāng)初未對(duì)數(shù)據(jù)處理裝置18修正時(shí)間差，而存儲(chǔ)檢測(cè)位置和檢測(cè)時(shí)刻。但是，卻注意到這對(duì)于反相器如221～2212多個(gè)半導(dǎo)體裝置的連續(xù)工作定時(shí)進(jìn)行解析的情況并非優(yōu)選。參考圖4和圖5說(shuō)明此點(diǎn)。
圖4是表示基于修正和未修正檢測(cè)時(shí)刻的兩種情形下取得的數(shù)據(jù)的反相器221～2212的發(fā)光定時(shí)的示意圖。在圖4中，40表示未修正檢測(cè)時(shí)刻情形下的發(fā)光定時(shí)，42表示修正檢測(cè)時(shí)刻情形下的發(fā)光定時(shí)。圖5表示這些折線圖40和42的近似曲線。在圖5中，50表示未修正檢測(cè)時(shí)刻情形下的近似曲線，52表示修正檢測(cè)時(shí)刻情形下的近似曲線。這些圖中的橫軸表示包含于反相器221～2212的晶體管，縱軸表示檢測(cè)時(shí)刻。橫軸中1n、3n、5n、7n、9n和11n分別表示包含于反相器221、223、225、227、229和2211的n-FET，2p、4p、6p、8p、10p和12p分別表示包含于反相器222、224、226、228、2210和2212的p-FET。如上所述，使用存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)處理裝置18的檢測(cè)位置和檢測(cè)時(shí)刻作成關(guān)于各反相器22的柱狀圖，并由算出對(duì)應(yīng)于柱狀圖中的峰值的檢測(cè)時(shí)刻取得縱軸的檢測(cè)時(shí)刻。
如上所述，反相器鏈20以使得反相器221～2212中的晶體管以一定的時(shí)間間隔依次進(jìn)行切換的方式設(shè)計(jì)。因此，如果測(cè)定正確，圖形50的傾斜應(yīng)該會(huì)固定。然而實(shí)際上，圖形50的傾斜隨著晶體管靠近引導(dǎo)端子34而變得更低。這意味測(cè)定結(jié)果中切換時(shí)間的時(shí)間間隔會(huì)慢慢地變短。
本發(fā)明人考慮將測(cè)定結(jié)果中可看出的切換定時(shí)的不均勻視為造成微通道片30上的檢測(cè)定時(shí)脈沖的傳播時(shí)間的誤差的原因。以下對(duì)此點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明。
如圖3所示，檢測(cè)定時(shí)脈沖的產(chǎn)生位置38與引導(dǎo)端子34之間的距離因反相器22的位置而不同。因此，由不同反相器22發(fā)出的光所產(chǎn)生的檢測(cè)定時(shí)脈沖從其產(chǎn)生位置38傳播至引導(dǎo)端子34所需要的時(shí)間不同。舉例來(lái)說(shuō)，如圖3所示，對(duì)應(yīng)于反相器221的發(fā)光的檢測(cè)位置381與引導(dǎo)端子34之間的距離為l1，對(duì)應(yīng)于反相器226的發(fā)光的檢測(cè)位置386與引導(dǎo)端子34之間的距離為l6。因此，可推測(cè)檢測(cè)定時(shí)脈沖從檢測(cè)位置381和386中的每一個(gè)傳播至引導(dǎo)端子34所需的時(shí)間簡(jiǎn)單地思考有(l1-l6)/c的不同。此處，c表示電磁波的速度。檢測(cè)時(shí)刻僅延遲從光15實(shí)際被檢測(cè)到的時(shí)刻，即從檢測(cè)定時(shí)脈沖的發(fā)生時(shí)間傳播至檢測(cè)定時(shí)脈沖的位置時(shí)間測(cè)定電路16所需的時(shí)間。由于該延遲(delay)因檢測(cè)位置381～3812而不同，所以所測(cè)定的切換時(shí)間的時(shí)間間隔不均勻。此外，檢測(cè)定時(shí)脈沖的傳播時(shí)間受凸緣32的形狀、微通道片30的構(gòu)造和材質(zhì)等各種復(fù)雜原因的影響。
此外，引導(dǎo)端子的個(gè)數(shù)也不限于一個(gè)，從減少延遲的絕對(duì)值(減少?gòu)臋z測(cè)位置38到引導(dǎo)端子34的距離)的觀點(diǎn)看設(shè)置多個(gè)引導(dǎo)端子亦可。此時(shí)，優(yōu)選多個(gè)引導(dǎo)端子具有同樣的長(zhǎng)度。以引導(dǎo)端子34的個(gè)數(shù)相當(dāng)于無(wú)限多的情形為例，若是使用圓錐狀的電極取代引導(dǎo)端子，則能夠?qū)⒀舆t的絕對(duì)值抑制在最小值。
圖6是表示微通道片30上的多個(gè)檢測(cè)位置P1～P14的概略平面圖。圖7為表示對(duì)應(yīng)于這些檢測(cè)位置的檢測(cè)時(shí)刻的延遲的示意圖。為簡(jiǎn)化圖示，省略圖6中微通道片30的通道的圖示。圖7所示的延遲的分布反映出在離引導(dǎo)端子34越遠(yuǎn)的位置產(chǎn)生的檢測(cè)定時(shí)信號(hào)到達(dá)引導(dǎo)端子34的所需時(shí)間極越長(zhǎng)。此外，對(duì)應(yīng)于各檢測(cè)位置的延遲能夠使用電磁場(chǎng)模擬器或是高頻波電路模擬器進(jìn)行計(jì)算，或通過(guò)后述方法進(jìn)行測(cè)定。
對(duì)應(yīng)于檢測(cè)位置的檢測(cè)時(shí)刻的延遲的誤差對(duì)于試料10上的一處所發(fā)出的光重復(fù)地測(cè)定的用途并不是問(wèn)題。但是，如反相器鏈20那樣，對(duì)配置于不同位置的多個(gè)半導(dǎo)體裝置的連續(xù)的工作定時(shí)進(jìn)行解析的情形下產(chǎn)生問(wèn)題。如圖3所示，靠近最后段的反相器22，在接近輸出端子34的檢測(cè)位置38產(chǎn)生檢測(cè)定時(shí)脈沖。因此，靠近最后段的反相器22的檢測(cè)時(shí)刻的延遲較短。這種延遲的不均勻使得應(yīng)該固定的切換間隔產(chǎn)生慢慢地變短的測(cè)定結(jié)果。
本發(fā)明人在數(shù)據(jù)處理裝置18上對(duì)與檢測(cè)位置對(duì)應(yīng)的延遲的偏差進(jìn)行修正。該修正處理使用反映出微通道片30上的延遲的分布的修正數(shù)據(jù)進(jìn)行。該修正數(shù)據(jù)可由實(shí)驗(yàn)取得，也可通過(guò)使用電磁模擬器或高頻波電路模擬器進(jìn)行計(jì)算取得。
以下說(shuō)明修正數(shù)據(jù)的測(cè)定方法的一例。圖8是表示測(cè)定方法的概略圖。在該方法中，使用微微秒或是亞納秒的脈沖激光光源40取代時(shí)間分解測(cè)定裝置100的測(cè)試器12，測(cè)定對(duì)應(yīng)于激光的檢測(cè)位置的延遲的分布，激光光源40隨著脈沖雷射光的放出，同時(shí)同步地輸出時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)。該時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)被送至位置時(shí)間測(cè)定電路16。光纖42連接于光源40。從光源40發(fā)出的脈沖激光在光纖42中傳送，朝向透鏡44出射。激光被透鏡44聚集，入射到光電子倍增管14的光電陰極50。在光電陰極50處通過(guò)光電效應(yīng)產(chǎn)生的光電子被微通道片倍增，朝向電阻性陽(yáng)極52放出。此時(shí)產(chǎn)生的檢測(cè)定時(shí)脈沖在微通道片30的后面上傳播并到達(dá)引導(dǎo)端子34，從該處被送至位置時(shí)間測(cè)定電路16。從電阻性陽(yáng)極52發(fā)出，對(duì)應(yīng)于激光脈沖光的檢測(cè)位置的信號(hào)被送至電路16。電路16基于電阻性陽(yáng)極發(fā)出的信號(hào)算出檢測(cè)位置，送往數(shù)據(jù)處理裝置18。再者，電路16產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于光源40發(fā)出的時(shí)間基準(zhǔn)脈沖與檢測(cè)定時(shí)脈沖之間的時(shí)間差的信號(hào)，并送至數(shù)據(jù)處理裝置18。在該方法中，將該時(shí)間差作為對(duì)應(yīng)于檢測(cè)位置的檢測(cè)時(shí)刻的延遲。數(shù)據(jù)處理裝置18以彼此對(duì)應(yīng)的方式存儲(chǔ)電路16發(fā)出的檢測(cè)位置和延遲。在使用X-Y級(jí)(未圖示)使光纖的輸出端43以二維方式移動(dòng)的同時(shí)將光射入光電陰極50的各個(gè)位置，并將檢測(cè)位置和延遲積蓄于數(shù)據(jù)處理裝置18。
數(shù)據(jù)處理裝置18將微通道片30上的有效區(qū)域36分割成512×512，即約26萬(wàn)個(gè)像素。在將光射入這些一個(gè)個(gè)的像素測(cè)定延遲的情形下，將一個(gè)像素的測(cè)定時(shí)間設(shè)定為10秒左右也須要極大的膨漲時(shí)間，并不實(shí)際。因此，僅測(cè)定數(shù)十個(gè)像素的延遲，對(duì)其它像素通過(guò)補(bǔ)間法算出延遲是高效的。
具體地說(shuō)，如圖9所示，將有效區(qū)域36以假想的網(wǎng)格53進(jìn)行分割，僅對(duì)網(wǎng)格53中的25個(gè)交點(diǎn)54測(cè)定延遲。即，這些交點(diǎn)54是樣本點(diǎn)。圖10是表示對(duì)樣本點(diǎn)54測(cè)定延遲的分布的3D示意圖。對(duì)應(yīng)于樣本點(diǎn)54之間的位置的延遲根據(jù)二維花鍵(spline)補(bǔ)間算出。圖11是表示通過(guò)補(bǔ)間所的延遲的分布的3D示意圖。這種被補(bǔ)間的延遲分布作為修正數(shù)據(jù)被使用。
圖12是表示與基于圖11的修正數(shù)據(jù)的反相器鏈20中的晶體管對(duì)應(yīng)的延遲的示意圖。如圖12所示，前段的晶體管的延遲非常大。
數(shù)據(jù)處理裝置18通過(guò)試料10的時(shí)間分解測(cè)定從電路16取得檢測(cè)時(shí)刻之后，從該檢測(cè)時(shí)刻中減去修正數(shù)據(jù)。即，從對(duì)應(yīng)于各檢測(cè)位置的檢測(cè)時(shí)刻減去對(duì)應(yīng)于相同檢測(cè)位置的延遲。通過(guò)此減法計(jì)算，將包含于檢測(cè)時(shí)刻的檢測(cè)定時(shí)脈沖的傳播時(shí)間除去。由此，能夠修正造成檢測(cè)定時(shí)脈沖的傳播時(shí)間的偏差的檢測(cè)時(shí)刻的誤差。數(shù)據(jù)處理裝置18將如此修正后的檢測(cè)時(shí)刻以與檢測(cè)位置相對(duì)應(yīng)的方式存儲(chǔ)。因此，能夠提高時(shí)間分解測(cè)定的精確度。實(shí)際上，如圖4的圖形42和圖5的圖形52所示，通過(guò)此修正使得反相器221～2212中的晶體管發(fā)出的光的檢測(cè)時(shí)刻形成大致相等的間隔，符合設(shè)計(jì)理論。
修正數(shù)據(jù)的取得可以如圖13所示，在試料10的時(shí)間分解測(cè)定之前，也可以如圖14所示，在時(shí)間分解測(cè)定之后。
如圖13所示的順序，首先，參照?qǐng)D8，根據(jù)上述方法取得修正數(shù)據(jù)(步驟S130)。將該修正數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)處理裝置18內(nèi)的存儲(chǔ)裝置(步驟S132)。之后，參照?qǐng)D1，根據(jù)上述方法，裝置100實(shí)行從反相器鏈20發(fā)光的時(shí)間分解測(cè)定(步驟S134)。數(shù)據(jù)處理裝置18從所得的測(cè)定數(shù)據(jù)中減去修正數(shù)據(jù)，并修正包含于測(cè)定數(shù)據(jù)的時(shí)間誤差(步驟S136)。修正后的測(cè)定數(shù)據(jù)被記錄于存儲(chǔ)裝置，同時(shí)將如圖4所示的折線圖形顯示于數(shù)據(jù)處理裝置18的顯示器上(步驟S138)。
另一方面，如圖14所示的順序，首先，使用裝置100進(jìn)行反相器鏈20的時(shí)間分解測(cè)定(步驟S140)，將所得的測(cè)定數(shù)據(jù)記錄于數(shù)據(jù)處理裝置18內(nèi)的記憶裝置(步驟S142)。之后，根據(jù)如圖8所示的方法取得時(shí)間誤差的修正數(shù)據(jù)(步驟S144)。數(shù)據(jù)處理裝置18從存儲(chǔ)裝置讀取測(cè)定數(shù)據(jù)，并從該處減去修正數(shù)據(jù)以修正時(shí)間誤差(步驟S146)。修正后的測(cè)定數(shù)據(jù)被記錄于存儲(chǔ)裝置的同時(shí)，顯示于顯示器上(步驟S148)。
以上是基于各實(shí)施方式詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明。但是，本發(fā)明并不僅限于上述實(shí)施方式。本發(fā)明在不脫離要旨的范圍內(nèi)可以有各種變化。
在上述實(shí)施方式中，根據(jù)圖8所示的測(cè)定取得修正數(shù)據(jù)。但是，也可根據(jù)計(jì)算取得修正數(shù)據(jù)。舉例來(lái)說(shuō)，上述的延遲分布能夠使用電磁模擬或是高頻波電路模擬算出。
在本說(shuō)明書(shū)中，“光電子倍增管(PMT)”是“電子倍增管(EMT)”的一種形式。上述實(shí)施方式使用位置檢測(cè)型光電子倍增管(PS-PMT)。但是，本發(fā)明也能夠?qū)?yīng)于從試料發(fā)出的量子線的種類使用其它任意的位置檢測(cè)型光電子倍增管(PS-PMT)。已知微通道片不只對(duì)于電子線，對(duì)于紫外線(UV或VUV)、X射線、α射線、帶電粒子、中性粒子等其它的量子線也直接具有感度。至于使用PS-PMT還是PS-EMT則須根據(jù)檢測(cè)對(duì)象所發(fā)出的量子線的種類而作出適宜的選擇。
在上述實(shí)施方式中，位置檢測(cè)型的陽(yáng)極使用電阻性陽(yáng)極。但也可使用其它任意的位置檢測(cè)型的陽(yáng)極，例如復(fù)合陽(yáng)極、CR鏈陽(yáng)極、交錯(cuò)線陽(yáng)極(cross wire)或半導(dǎo)體元件位置檢測(cè)組件(PSD)。此外，也可以將二次電子轉(zhuǎn)換成光學(xué)成像的熒光板作為陽(yáng)極使用，通過(guò)使用影像檢測(cè)器攝取該光學(xué)成像測(cè)定二次電子的位置。再者，在熒光板與影像傳感器之間隔著纖維絕緣墊板(fiber plate)進(jìn)行光纖耦合亦可，這些位置檢測(cè)可以是一維，也可以是二維。
上述實(shí)施方式采用半導(dǎo)體集成電路的工作解析。但是，可利用本發(fā)明的時(shí)間分解型檢測(cè)的應(yīng)用范圍極為寬廣，以TOF(Time Of Flight)應(yīng)用為首的各式各樣的測(cè)量方法，例如二維離子質(zhì)量分析(SIMS)、離子散射分光(ISS)、原子探針(atom probe)等均可適用于本發(fā)明。
產(chǎn)業(yè)上的可利用性本發(fā)明的時(shí)間分解測(cè)定裝置能夠通過(guò)修正對(duì)應(yīng)于檢測(cè)位置的檢測(cè)時(shí)刻延遲的不均勻，消除檢測(cè)時(shí)刻的誤差，提高時(shí)間分解測(cè)定的精確度。
權(quán)利要求
1.一種時(shí)間分解測(cè)定裝置，取得通過(guò)試料的激勵(lì)發(fā)出的量子線的位置信息和定時(shí)信息，其特征在于，具備信號(hào)發(fā)生器，與所述試料的激勵(lì)同步，產(chǎn)生基準(zhǔn)時(shí)間脈沖；檢測(cè)裝置，檢測(cè)所述量子線，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于檢測(cè)位置的位置信號(hào)和與檢測(cè)定時(shí)同步的檢測(cè)定時(shí)脈沖；位置演算器，使用所述位置信號(hào)算出所述檢測(cè)位置；時(shí)間差測(cè)量器，測(cè)量所述基準(zhǔn)時(shí)間脈沖與所述檢測(cè)定時(shí)脈沖之間的時(shí)間差；和數(shù)據(jù)處理裝置，將所述位置演算器算出的所述檢測(cè)位置與所述時(shí)間差測(cè)量器測(cè)量的所述時(shí)間差相對(duì)應(yīng)地存儲(chǔ)，所述檢測(cè)裝置具有位置檢測(cè)型電子倍增管，所述電子倍增管具有在與朝向所述量子線的所述電子倍增管的入射位置對(duì)應(yīng)的位置產(chǎn)生電子，并在維持該位置的同時(shí)倍增所述電子的微通道片，和與所述微通道片電氣連接的輸出端子，所述檢測(cè)定時(shí)脈沖根據(jù)所述微通道片倍增的電子從所述微通道片放出時(shí)的電位變化產(chǎn)生，所述檢測(cè)定時(shí)脈沖從所述微通道片通過(guò)所述輸出端子送至所述時(shí)間差測(cè)量器，所述數(shù)據(jù)處理裝置根據(jù)所述微通道片上的所述檢測(cè)定時(shí)脈沖的產(chǎn)生位置與所述輸出端子之間的距離修正所述時(shí)間差，將修正的時(shí)間差與所述檢測(cè)位置相對(duì)應(yīng)地存儲(chǔ)。
2.如權(quán)利要求1所述的時(shí)間分解測(cè)定裝置，其特征在于所述數(shù)據(jù)處理裝置通過(guò)從所述時(shí)間差測(cè)量器測(cè)量的時(shí)間差中除去所述檢測(cè)定時(shí)脈沖從所述產(chǎn)生位置到達(dá)所述輸出端子所需的時(shí)間，對(duì)所述時(shí)間差進(jìn)行修正。
3.如權(quán)利要求1或2所述的時(shí)間分解測(cè)定裝置，其特征在于所述數(shù)據(jù)處理裝置在所述微通道片上設(shè)定多個(gè)取樣點(diǎn)，取得產(chǎn)生于各取樣點(diǎn)的所述檢測(cè)定時(shí)脈沖用的修正數(shù)據(jù)并進(jìn)行補(bǔ)間，使用補(bǔ)間的修正數(shù)據(jù)修正所述時(shí)間差。
4.如權(quán)利要求1～3的任一項(xiàng)所述的時(shí)間分解測(cè)定裝置，其特征在于所述數(shù)據(jù)處理裝置對(duì)經(jīng)過(guò)所述試料的多次激勵(lì)的所述檢測(cè)位置和所述時(shí)間差進(jìn)行積蓄。
5.如權(quán)利要求4所述的時(shí)間分解測(cè)定裝置，其特征在于所述數(shù)據(jù)處理裝置使用積蓄的所述時(shí)間差，作成與特定的所述檢測(cè)位置對(duì)應(yīng)的所述時(shí)間差的柱狀圖。
6.如權(quán)利要求5所述的時(shí)間分解測(cè)定裝置，其特征在于所述試料具有包含工作時(shí)能夠發(fā)光的多個(gè)半導(dǎo)體裝置的電路，所述試料的激勵(lì)驅(qū)動(dòng)所述電路并依次使所述多個(gè)半導(dǎo)體裝置工作，所述數(shù)據(jù)處理裝置確定與所述半導(dǎo)體裝置的位置對(duì)應(yīng)的所述檢測(cè)位置，算出與確定的所述檢測(cè)位置的所述柱狀圖的峰值對(duì)應(yīng)的所述時(shí)間差。
7.如權(quán)利要求1～6的任一項(xiàng)所述的時(shí)間分解測(cè)定裝置，其特征在于所述位置檢測(cè)型電子倍增管是具有通過(guò)光電效應(yīng)將所述量子線轉(zhuǎn)變?yōu)楣怆娮拥墓怆婈帢O的位置檢測(cè)型光電子倍增器，所述微通道片與所述光電陰極相對(duì)地配置，從所述光電陰極接收所述光電子，由此生成并倍增二次電子。
全文摘要
本發(fā)明提供一種時(shí)間分解測(cè)定裝置(100)，從安裝于光電子倍增管(14)中的微通道片(30)的輸出端子(34)取得檢測(cè)定時(shí)脈沖。位置時(shí)間測(cè)定電路(16)產(chǎn)生表示與試料(10)的激勵(lì)同步的基準(zhǔn)時(shí)間脈沖和檢測(cè)定時(shí)脈沖之間的時(shí)間差的信號(hào)，并送往數(shù)據(jù)處理裝置(18)。數(shù)據(jù)處理裝置將此時(shí)間差作為發(fā)光的檢測(cè)時(shí)刻存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)處理裝置根據(jù)微通道片上的檢測(cè)定時(shí)脈沖的產(chǎn)生位置與輸出端子之間的距離修正檢測(cè)時(shí)刻。由此，時(shí)間分解測(cè)定的精確度提高。
文檔編號(hào)H01J49/06GK1809741SQ20048001760
公開(kāi)日2006年7月26日 申請(qǐng)日期2004年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月24日
發(fā)明者西澤充哲, 平井伸幸 申請(qǐng)人:浜松光子學(xué)株式會(huì)社