本申請案主張蔣西曼(Ximan Jiang)等人在2014年7月22日申請的標題為“高分辨率高量子效率的電子轟擊的CCD或CMOS成像傳感器(HIGH RESOLUTION HIGH QUANTUM EFFICIENCY ELECTRON BOMBARDED CCD OR CMOS IMAGING SENSOR)”的第62/027,679號美國臨時申請案的優(yōu)先權(quán)，且其全部內(nèi)容特此以引用的方式并入本文中。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光學(xué)裝置領(lǐng)域，且更特定來說，涉及電子轟擊成像傳感器。

背景技術(shù)：

圖像增強器是真空管裝置，所述真空管裝置增大光學(xué)系統(tǒng)中的可用光的強度以促進低光過程的視覺成像，例如x射線或伽馬射線中材料的熒光(x射線圖像增強器)，或?qū)⒎强梢姽庠?例如近紅外線或短波紅外線)轉(zhuǎn)換為可見光。

基于微通道板(MCP)及接近聚焦概念的圖像增強器可提供歸因于MCP放大的高增益、低失真及跨整個視野的均勻分辨率。然而，基于MCP的圖像增強器往往對于許多關(guān)鍵應(yīng)用具有相對較差的分辨率。此外，MCP可能阻擋光電陰極正后方多達40％的光電子。因此，基于MCP的圖像增強器的檢測量子效率通常較低。

為實現(xiàn)較高檢測量子效率，可利用基于靜電聚焦透鏡或組合式磁性-靜電聚焦光學(xué)器件的增強管。此類圖像增強器通常具有比基于MCP的圖像增強器好得多的檢測器量子效率(DQE)及分辨率。然而，在非晶磷光體閃爍層中散射的電子及光子仍可使最終分辨率降級。此外，需要光纖板或中繼光學(xué)透鏡來將磷光屏幕上發(fā)射的光傳送到最終成像裝置(例如電荷耦合裝置(CCD)或互補金氧半導(dǎo)體(CMOS))。分辨率及增益可在此耦合階段處進一步降級。為收集盡可能多的光，可能需要高數(shù)值孔徑(NA)中繼透鏡。高NA及大視野(FOV)光學(xué)器件需要具有大直徑及長輪廓的中繼透鏡。此類中繼光學(xué)器件的成本可能變高。此收集方案中的淺聚焦深度是另一問題。所有這些缺陷增加了光學(xué)對準及現(xiàn)場維修的挑戰(zhàn)性。

為克服基于增強器的檢測器中的這些問題，將例如CCD傳感器或CMOS傳感器的像素化圖像傳感器放置在磷光屏幕位置上以直接收集從光電陰極發(fā)射的光電子。這些種類的檢測器通常被稱作電子轟擊CCD(EBCCD)檢測器或電子轟擊CMOS(EBCMOS)檢測器。EBCCD或EBCMOS裝置免除了磷光屏幕中的電子-光子轉(zhuǎn)換步驟及磷光體與CCD傳感器或CMOS傳感器之間的昂貴耦合裝置。

多數(shù)當前EBCCD/EBCMOS檢測器是基于接近聚焦方法而設(shè)計以簡化設(shè)計、降低功率需求及使檢測器緊湊。在(例如)1994年6月14日頒予木下勝之(Katsuyuki Kinoshita)及稻垣善則(Yoshinori Inagaki)的第5,321,334號美國專利及于2001年9月4日頒予沃勒W.阿比(Verle W.Aebi)等人的第6,285,018號美國專利中揭示接近聚焦EBCCD/EBCMOS。

圖1中展示接近聚焦EBCCD的概念圖。光電陰極層101涂布在玻璃襯底100上。CCD/CMOS芯片104面向光電陰極101放置在封裝襯底105上。整個封裝是由灌封材料103密封以形成真空密封管。傳統(tǒng)的EBCCD/EBCMOS裝置中的光電陰極通常為透射模式的形式。其意味傳入光子將行進通過玻璃窗且照明具有到玻璃襯底的界面層的側(cè)上的光電陰極層。當傳入光子照明時，從光電陰極層的真空側(cè)表面發(fā)射光電子102，接著將由施加于光電陰極層與傳感器表面之間的偏置電壓106使光電子102加速。

當從光電陰極發(fā)射光電子時，光電子的初始速度通常具有法向于光電陰極平面的分量及平行于光電陰極平面的分量。平行于光電陰極平面的速度分量將產(chǎn)生起源于光電陰極平面上的相同點的電子云的橫向散布。橫向散布的廣度與初始橫向速度及光電陰極與CCD/CMOS傳感器之間的行進時間成比例。為減小橫向散布，減小初始橫向速度且縮短行進時間是重要的。初始橫向速度是由傳入光子能量、光電陰極功函數(shù)及帶隙結(jié)構(gòu)確定。光電陰極與傳感器之間的行進時間是由它們之間的間隙及加速電壓而確定。較窄間隙及較高加速偏置電壓將導(dǎo)致較短的行進時間，因此導(dǎo)致更好的分辨率。然而，較窄間隙及較高偏置電壓意味著光電陰極與傳感器之間的較高電場強度。如果電場強度接近2kV/mm～4kV/mm，那么電弧效應(yīng)的風(fēng)險取決于真空壓力、表面光滑度及材料而顯著增大。為得到子像素分辨率，間隙需如此小，使得尤其在薄型背照式傳感器上的CCD/CMOS芯片的不平坦度變大。此不均勻間隙可能導(dǎo)致分辨率變化、局部失真及增大的電弧效應(yīng)的風(fēng)險。

如果間隙無法減小，那么必須增大偏置電壓以提高分辨率。然而，傳感器內(nèi)部的較高能量電子將增大X射線產(chǎn)額(X-ray yield)且通過歸因于增大的缺陷密度增大暗電流及熱像素及減小增益而損壞CCD/CMOS傳感器。為提高EBCCD/EBCMOS傳感器的壽命，最好將光電子在CCD/CMOS芯片上的著靶能量保持為低于1keV或2keV。因此，在提高壽命與提高接近聚焦EBCCD/EBCMOS上的分辨率之間存在沖突要求。為以低著靶電子能量實現(xiàn)高增益，在薄型背照式EBCCD/EBCMOS上涂敷硼涂層而非氧化物涂層。在2013年10月10日頒予陳金華(Jehn-Huar Chen)等人的第2013/0264481號美國公開專利申請案中已揭示硼涂布的背照式傳感器。

為提高分辨率，在1994年6月14日頒予木下勝之等人的第5,321,334號美國專利及由S.波特坡(S.Buontempo)等人在1998年8月在《核儀器及方法A(Nuclear Instruments and Methods A)》第2到3期第255頁中公布的研究論文中已揭示靜電聚焦混合式EBCCD設(shè)計。然而，靜電聚焦真空管通常具有不良聚焦均勻度或不平坦物體/圖像平面及高圖像失真。此類缺陷限制了其在高分辨率時延積分(TDI)成像傳感器中的應(yīng)用。舉例來說，失真可被呈現(xiàn)為TDI模式成像傳感器中的模糊。

在2013年6月13日公布的頒予莊永和·亞歷克斯(Yung-Ho Alex Chuang)等人的第2013/0148112A1號美國專利公開案中揭示提高EBCCD/EBCMOS分辨率的另一嘗試。所揭示方法涉及在光電陰極與傳感器之間插入具有微透鏡陣列的聚焦板。然而，從光電陰極發(fā)射的許多光電子將可能被聚焦板上的封閉區(qū)域阻擋。因此，此方法可能減小整個EBCCD/EBCMOS的檢測量子效率(DQE)。

EBCCD/EBCMOS裝置的總DQE主要是由光電陰極的量子效率(QE)確定。在透射模式光電陰極中，光子主要被吸收在光電陰極的前側(cè)上。接著，光電陰極層內(nèi)部的高能電子(energetic electron)需要在其可逸出由功函數(shù)產(chǎn)生的能量勢壘之前擴散到光電陰極的真空側(cè)。高能電子的動量可能在所述兩個表面之間的擴散過程期間損失。在反射模式光電陰極中，光子被吸收在光電陰極的真空側(cè)上。高能電子可即刻在靠近相同位置處逸出光電陰極。因此，反射模式光電陰極通常具有顯著較高的量子效率。

眾所周知，與對應(yīng)的透射模式光電陰極相比，反射模式光電陰極可實現(xiàn)高超過50％到100％的量子效率(QE)。舉例來說，由石垣郎(Yoshihiro Ishigami)等人于2012年在國際光學(xué)工程學(xué)會會刊(Proceedings of SPIE)第8359卷中公布的研究論文比較反射模式及透射模式中的GaN光電陰極的QE。對于266nm光子，GaN光電陰極的QE在反射模式中可高達37％。然而在透射模式中，QE將降低到17％。以傳統(tǒng)的接近聚焦EBCCD/EBCMOS實施反射模式光電陰極而不通過增加管長度而顯著犧牲分辨率幾乎是不可能的。C.B.奧珀爾(C.B.Opal)及G.R.卡拉瑟斯(G.R.Carruthers)已在1989年的國際光學(xué)工程學(xué)會會刊第1158卷第96頁到103頁中報告反射模式傾斜磁場聚焦EBCCD/CMOS裝置以提高分辨率及量子效率。此裝置具有相對于加速電場軸傾斜的磁場。傾斜磁場可使光電子偏轉(zhuǎn)而偏離法向軸且將光電子聚焦到不位于法向軸上的傳感器。整體裝置體積龐大。對于許多高分辨率TDI成像應(yīng)用(例如半導(dǎo)體缺陷檢驗裝備)，傾斜聚焦設(shè)計中的聚焦像差及幾何失真可能太高。

需要可實現(xiàn)高空間分辨率、低著靶能量及高增益的EBCCD/CMOS裝置。此外，需要一種EBCCD/CMOS裝置，其即使在所述傳感器具有幾十微米或大約百微米的不平坦度的情況下仍可實現(xiàn)這些要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明涉及電子轟擊檢測器(例如，EBCCD或EBCMOS檢測器)，其利用各種新穎的結(jié)構(gòu)及方法以實現(xiàn)高分辨率電子光學(xué)器件及低著靶能量(例如，2keV或更低)兩者，由此提供高質(zhì)量低光成像并使CMOS或CCD圖像傳感器的操作壽命最大化。

使用兩種基本方法以按低著靶能量獲得高分辨率電子光學(xué)器件。在每一情況中，利用環(huán)電極以在光電子離開光電陰極時使光電子加速，且利用磁場產(chǎn)生器以在光電子行進通過光電陰極與傳感器之間的真空腔室時對光電子產(chǎn)生聚焦透鏡效應(yīng)。第一種方法是使光電陰極與傳感器之間的距離為大約10mm到20mm，即顯著長于傳統(tǒng)的接近EBCCD中的間隙(通常小于0.5mm)且顯著短于具有磷光屏幕的磁性聚焦圖像增強器(通常>40mm)的距離，借此光電子在相對較低加速電場處加速以產(chǎn)生所要低著靶能量。在此情況中，由具有3安培或更小的電流的螺線管或永久磁鐵產(chǎn)生額外磁場以實現(xiàn)高分辨率電子光學(xué)器件。在第二種基本方法中，靠近光電陰極的環(huán)電極接收循序增大電壓，使得光電子在沿真空管腔室的短距離內(nèi)加速到峰值能量，且靠近CCD/CMOS傳感器的環(huán)電極接收循序減小電壓，使得光電子從峰值能量減速到所要低著靶能量。

揭示透射模式實施例及反射模式實施例兩者。在一些反射EB檢測器中，利用電偏轉(zhuǎn)場或磁偏轉(zhuǎn)場以使光電子偏轉(zhuǎn)到離軸傳感器。在一些實施例中，環(huán)電極中的一或多者包括包含兩個或多于兩個電隔離彎曲區(qū)段的分段圓形電極結(jié)構(gòu)，且在每一彎曲區(qū)段上施加不同電壓以產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)電場。在其它實施例中，在真空管結(jié)構(gòu)與永久磁鐵或螺線管之間安置多極偏轉(zhuǎn)器線圈，其中多極偏轉(zhuǎn)器線圈經(jīng)配置以產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)磁場。在大角度反射模式應(yīng)用中，利用靜電偏轉(zhuǎn)器或磁偏轉(zhuǎn)器以使光電子偏轉(zhuǎn)到大于大約30度的離軸角度。

本發(fā)明還涉及一種包含上文描述的類型的一或多個EB(CCD或CMOS)檢測器的暗場檢驗系統(tǒng)及一種光學(xué)系統(tǒng)，所述光學(xué)系統(tǒng)經(jīng)配置用于將光引導(dǎo)到被檢驗樣本、用于收集從樣本散射的光且用于將所收集光引導(dǎo)到EB檢測器。

附圖說明

參考以下描述、所附權(quán)利要求書及附圖將變得更好地了解本發(fā)明的這些及其它特征、方面及優(yōu)點，其中：

圖1是展示傳統(tǒng)接近聚焦EBCCD的橫截面?zhèn)纫晥D；

圖2是展示根據(jù)本發(fā)明的實施例的透射模式磁性聚焦EBCCD/EBCMOS的橫截面?zhèn)纫晥D；

圖3A是展示在加速管實施例中沿管長度的光電子的能量的圖；

圖3B是展示根據(jù)本發(fā)明的實施例的具有縮短距離配置的透射模式磁性聚焦EBCCD/EBCMOS的橫截面?zhèn)纫晥D；

圖4是展示在減速管實施例中沿管長度的光電子的能量的圖；

圖5是展示根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的具有靜電偏轉(zhuǎn)的反射模式ECCD/EBCMOS的橫截面?zhèn)纫晥D；

圖6(A)是展示被劃分為兩個電極以充當雙極偏轉(zhuǎn)器及環(huán)電極兩者的圓形環(huán)電極的俯視圖；

圖6(B)是展示被劃分為六段以充當六極偏轉(zhuǎn)器及環(huán)電極兩者的圓形環(huán)電極的俯視圖；

圖7是展示根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的具有磁場偏轉(zhuǎn)的ECCD/EBCMOS的橫截面?zhèn)纫晥D；

圖8是大偏轉(zhuǎn)角度反射模式EBCCD/EBCMOS設(shè)計的示意圖；

圖9A及9B分別是展示根據(jù)本發(fā)明的其它實施例的包含EBCCD/EBCMOS檢測器的表面檢驗設(shè)備的頂部-正面透視圖及側(cè)視圖；及

圖10是展示根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的包含多個EBCCD/EBCMOS檢測器的暗場晶片檢驗系統(tǒng)的簡化側(cè)視圖。

具體實施方式

本發(fā)明涉及用于低光信號檢測的電子轟擊檢測器的改進。呈現(xiàn)以下描述以使得所屬領(lǐng)域的一般技術(shù)人員能夠如特定應(yīng)用及其要求的背景中規(guī)定那樣制作并使用本發(fā)明。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將明白對優(yōu)選實施例的各種修改，且本文定義的一般原理可應(yīng)用于其它實施例。因此，本發(fā)明不希望受限于所展示及描述的特定實施例，而是符合與本文揭示的原理及新穎特征致的最寬范圍。

圖2是展示電子轟擊檢測器(EB檢測器)200(例如EB-CCD或EB-CMOS檢測器)的橫截面?zhèn)纫晥D，其說明根據(jù)本發(fā)明的實施例的示范性透射模式電子轟擊檢測器。EB檢測器200通常包含真空管結(jié)構(gòu)201、光電陰極101、傳感器104、環(huán)電極E1到En、磁場產(chǎn)生器210及控制器220。真空管結(jié)構(gòu)201包含圓柱形壁202、第一端壁203及第二端壁204，其共同形成(界定)具有圓形第一端205-1及相對圓形第二端205-2的圓柱形真空氣密管腔室205。圓柱形壁202、第一端壁203及第二端壁204是使用已知的剛性材料(例如陶瓷、硅、玻璃或塑料)構(gòu)造。在圖2的透射模式實例中，照明窗206(例如，玻璃、光學(xué)晶體或透明塑料)安置在第一端壁203上。

光電陰極101及傳感器104安置在真空管腔室205的相對端處，其中光電陰極101經(jīng)定位以響應(yīng)于低光信號(光子)產(chǎn)生光電子，且傳感器104經(jīng)定位以在所發(fā)射的光電子以下文描述的方式跨過真空管腔室205加速之后捕獲所述所發(fā)射的光電子。光電陰極101安置在第一端壁203的內(nèi)表面上(即，真空管腔室205的第一端205-1處)且包含響應(yīng)于所述低光信號發(fā)射光電子的一或多種材料。在替代實施例中，光電陰極101包含一或多種堿基材料、氮化鎵(GaN)或砷化鎵(GaAs)或碲化銫(CsTe)或包含這些材料中的兩者或更多者的組合。傳感器104安置在真空管腔室205的第二端205-2處，且經(jīng)配置以接收至少一些所發(fā)射的光電子且響應(yīng)于所接收光電子產(chǎn)生電信號S。在替代實施例中，傳感器104是電荷耦合裝置(CCD)圖像傳感器或CMOS圖像傳感器。在一個實施例中，傳感器104是經(jīng)配置以使用時延積分(TDI)產(chǎn)生圖像信息的類型(例如TDI CCD)以提供較高速度。在一個實施例中，傳感器104是薄型背照式CMOS傳感器或薄型背照式CCD傳感器，以增大光子轉(zhuǎn)光電子轉(zhuǎn)換效率且由此改進低光性能。在另一實施例中，硼涂層安置在傳感器104的面朝光電陰極101的表面上以實現(xiàn)低著靶電子能量下的高增益并提高傳感器的操作壽命。切爾尼(Chern)等人于2013年3月10日申請的第13/792,166號美國專利申請案及薩瑞貝(Sarubbi)等人的“用于受控的納米深p⁺-n結(jié)形成的a-硼層在硅上的化學(xué)氣相沉積(Chemical vapor deposition of a-boron layers on silicon for controlled nanometer-deep p⁺-n junction formation)”(《電子材料期刊(J.Electron.Material)》第39卷，第162到173頁，2010年)中可找到關(guān)于傳感器的硼涂層的更多細節(jié)。這些文件兩者皆以引用方式并入本文中。

環(huán)電極E1到En及磁場產(chǎn)生器210(例如，磁螺線管、永久磁鐵或兩者)經(jīng)配置以使所發(fā)射的光電子朝向傳感器104加速且使經(jīng)加速的光電子聚焦，使得其以類似于其產(chǎn)生的模式的模式到達傳感器104。電極E1、E2、E3、……、En分別從控制器220接收電壓V1、V2、V3、……、Vn，借此在EB檢測器200內(nèi)產(chǎn)生加速等電勢分布(由大致上垂直的長虛線指示)，所述加速等電勢分布使所發(fā)射光電子朝向電子傳感器102加速?？刂破?20經(jīng)配置以產(chǎn)生并傳輸電壓V1、V2、V3、……、Vn到電極E1、E2、E3、……、En，使得施加于鄰近光電陰極101的電極(例如電極E1及E2)上的電壓(例如，V1及V2)經(jīng)調(diào)整，以例如通過在光電陰極101附近產(chǎn)生高強度電場，接著在傳感器104附近產(chǎn)生相對較低電場，來補償電子光學(xué)像差。此電場分布產(chǎn)生發(fā)散(負)透鏡效應(yīng)且補償由磁性聚焦場產(chǎn)生的正光學(xué)像差。磁場產(chǎn)生器210包圍真空管結(jié)構(gòu)201，使得整個管結(jié)構(gòu)浸沒在由螺線管線圈(例如，響應(yīng)于由控制器220產(chǎn)生的螺線管控制電流I_S)及/或形成磁場產(chǎn)生器210的永久磁鐵產(chǎn)生的軸向?qū)ΨQ磁場中(展示為圖2中的大致上水平小虛線)。如圖2中指示，軸向?qū)ΨQ磁場經(jīng)形成，使得從偏離管軸的位置發(fā)射的兩個光電子(例如，光電子PE2及PE3)及在靠近軸處發(fā)射的光電子(例如，光電子PE1)通過調(diào)整光電陰極101周圍的電場而被聚焦在傳感器104上的相同平面處以產(chǎn)生發(fā)散(負)透鏡效應(yīng)來補償由磁場產(chǎn)生的正光學(xué)像差。

參考圖2的左側(cè)，在操作期間，穿透照明窗206接收的低光信號LLS(即，照明)照射在光電陰極101上，致使光電陰極101發(fā)射光電子(例如，光電子PE1、PE2及PE3)。一旦光電子從光電陰極101發(fā)射，所述光電子就通過由電極E1、E2、E3、……、En產(chǎn)生的電場跨光電陰極101與固態(tài)傳感器104之間的空間加速，且以低著靶能量到達傳感器104處，同時維持高分辨率電子光學(xué)器件。根據(jù)本發(fā)明的方面，電子轟擊檢測器200經(jīng)配置以按低著靶能量實現(xiàn)高分辨率電子光學(xué)器件(即，使得到達傳感器104處的所述光電子具有低于2keV的著靶能量)。相比之下，在常規(guī)聚焦圖像增強器(例如，例如第2014/0063502 A1號美國公開專利申請案中揭示的聚焦圖像增強器)中，光電子的著靶能量通常顯著高于20keV以在閃爍體屏幕上產(chǎn)生足夠的光子。此高著靶能量可在EBCCD/EBCMOS裝置中迅速地損壞CCD傳感器或CMOS傳感器。

根據(jù)替代實施例，本發(fā)明利用兩種基本方法以按低著靶能量獲得高分辨率電子光學(xué)器件：下文參考圖3A及3B描述的縮短距離方法，及下文參考圖4描述的加速/減速方法。

縮短距離聚焦方法涉及縮短光電陰極平面與傳感器平面之間的距離，同時維持其之間的加速電場使得具有2keV或更小的著靶能量的光電子到達傳感器平面處。如由圖3A中所展示的曲線圖指示，光電子能量沿光電陰極平面與傳感器平面之間的飛行路徑不斷增大。光電子被加速得越來越快直到其以著靶能量E_LE擊中半導(dǎo)體傳感器。離軸光電子(例如圖2中所展示的光電子PE2及PE3)在靠近光電陰極區(qū)域的位置處比軸上光電子(例如光電子PE1，圖2)更快地加速。

圖3B說明根據(jù)縮短距離聚焦方法的一個示范性實施方案的EB檢測器200A，其中真空管結(jié)構(gòu)201A包含界定圓柱形管腔室205A的減小長度圓柱形壁202A，所述圓柱形管腔室205A具有大于光電陰極101與傳感器104之間的距離d的半徑r。在示范性實施例中，半徑r是20mm且距離d是14mm。控制器220A施加2.4安培的電流I_S于磁場產(chǎn)生器210A的螺線管211A(其還包含任選永久磁鐵212A)且還施加適當?shù)钠秒妷篤1到V3于每一環(huán)電極E1到E3，使得電場小于0.25kV/mm。在傳統(tǒng)的接近EBCCD/EBCMOS中，光電陰極與傳感器之間的間隙可小于0.5mm，且電場可能需高于2.5kV/mm以實現(xiàn)合理的分辨率。與傳統(tǒng)的接近EBCCD/EBCMOS相比，此減小長度磁性聚焦EBCCD/EBCMOS管中的分辨率已在大30倍的間隙處提高達3倍。示范性裝置中的電場僅為0.086kV/mm。電弧效應(yīng)的風(fēng)險是可忽略的。與傳統(tǒng)的接近EBCCD/EBCMOS相比，此申請案中揭示的磁性聚焦EBCCD/EBCMOS裝置完全消除高電壓電弧效應(yīng)的風(fēng)險并實現(xiàn)提高許多的分辨率。此示范性EBCCD/EBCMOS裝置的聚焦深度可大于100微米，其足夠大以處置許多薄型背照式EBCCD/EBCMOS裝置的不平坦度。薄型背照式半導(dǎo)體傳感器中的不平坦度歸因于短間隙(<0.5mm)而對于傳統(tǒng)的接近EBCCD/EBCMOS來說是嚴重的問題。此縮短距離磁性聚焦方法可補償傳感器平面上的場曲率像差。最終分辨率對光電陰極平面周圍的電場強度非常敏感。電場強度越高，分辨率越好。然而，需要短的管長度來實現(xiàn)相同偏置電壓下的較高電場強度。短的管長度需要較高磁性聚焦場強度。其可增大螺線管或永久磁鐵的直徑。在具有有限可用空間的應(yīng)用中，大的永久磁鐵是不合意的。

圖4說明根據(jù)加速/減速方法的示范性光電子能量。在此方法中，光電子加速到大體上高于最終著靶能量E_LE的峰值能量E_peak，接著在到達傳感器平面之前減速到最終著靶能量E_LE。舉例來說，光電子加速到峰值能量E_peak(其可為10keV或更大)，且接著減速使得其著靶能量E_LE是2keV或更低。在加速/減速方法的一個實施例中，通過施加循序增大電壓于經(jīng)定位鄰近光電陰極的第一群組的電極而維持光電陰極周圍的高加速電場強度，以得到更好分辨率，且通過施加循序減小電壓于經(jīng)定位鄰近傳感器的第二群組的電極而實現(xiàn)感測平面周圍的減速電場強度。舉例來說，利用圖4作為參考，控制器220經(jīng)配置以產(chǎn)生電壓V1到V3(其分別施加于(第一)電極E1到E3)，使得V3>V2>V1，借此光電子如圖4中所展示的曲線圖的左半部分中描繪那樣加速到峰值能量E_peak?？刂破?20還經(jīng)配置以產(chǎn)生電壓V4、V5及Vn(其分別施加于(第二)電極E4、E5及En)，使得V4>V5>Vn，借此光電子如圖4中所展示的曲線圖的右半部分中描繪那樣從峰值能量E_peak減速到傳感器處的著靶能量E_LE。為產(chǎn)生近似10keV的峰值能量，在光電陰極上施加介于-200V到-2kV之間的偏置電壓，傳感器保持為接地電勢，且施加于電極E3的偏置電壓V3等于或高于+10keV。在利用加速/減速方法的檢測器中從光電陰極101到傳感器104的總管長度可超過以相同的最終光電子著靶能量且具有相同分辨率能力的對應(yīng)加速管長度的長度的兩倍。利用加速/減速方法的檢測器中的磁場的聚焦長度可顯著長于利用僅加速方法的檢測器的聚焦長度(例如產(chǎn)生類似于圖3A中所展示的光電子能量曲線的光電子能量曲線的檢測器)。長的聚焦長度可有助于減小所需磁場強度，從而減小磁螺線管及磁極片的大小。

雖然上文具體參考經(jīng)配置以實施透射模式光電陰極的示范性EB檢測器描述本發(fā)明，但上文描述的本發(fā)明的縮短聚焦距離及加速/減速方法還可結(jié)合反射模式光電陰極進行利用。如在背景技術(shù)部分中論述，利用反射模式光電陰極的EB檢測器要求傳感器偏離光軸，光沿所述光軸進入真空管腔室。因為傳感器偏離反射模式配置中的光電陰極101B，所以需要偏轉(zhuǎn)場來使光電子相對光(法向)軸偏轉(zhuǎn)到傳感器。為在有限管長度內(nèi)實現(xiàn)大的離軸偏轉(zhuǎn)，最好在光電陰極附近施加偏轉(zhuǎn)力。然而，光電陰極區(qū)域已浸沒在強的軸向?qū)ΨQ加速電場中。將額外的金屬偏轉(zhuǎn)器電極插入到管真空空間中將對由用于產(chǎn)生軸向電場的圓形電極產(chǎn)生的場產(chǎn)生屏蔽效應(yīng)，借此將大幅擾亂(改變)軸向電場，從而導(dǎo)致較低分辨率及更差的失真性能。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，如下文參考圖5到7描述的示范性實施例中陳述，反射模式EB檢測器通過利用新穎的環(huán)電極結(jié)構(gòu)或新穎的磁場產(chǎn)生器以在不影響所要加速電場的情況下產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)場來解決屏蔽效應(yīng)問題。

圖5說明示范性反射模式EB檢測器200B，其利用相應(yīng)分段為多個區(qū)段(參見圖6A及6B)的環(huán)電極EB1到EBn以產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)電場及軸向場兩者，所述偏轉(zhuǎn)電場具有足夠強度以將光電子引導(dǎo)到偏離傳感器104B，且所述軸向場在光電子到達傳感器104B時使電子加速到所要著靶能量。類似于上文描述的透射模式實施例，EB檢測器200B通常包含：真空管結(jié)構(gòu)201B，其形成真空氣密管腔室205B；光電陰極101B，其安置在腔室205B的第一端205-1B處；CCD或CMOS圖像傳感器104B，其安置在腔室205B的第二端205-1B處；環(huán)電極EB1到EBn，其安置在腔室205B內(nèi)部且耦合到控制器220B以接收對應(yīng)電壓VB1到VBn(施加于每一環(huán)電極的個別區(qū)段的電壓可經(jīng)個別設(shè)置或控制，參見圖6A及6B及下文的相關(guān)描述)；及磁場產(chǎn)生器210B，其產(chǎn)生對稱磁場

真空管結(jié)構(gòu)201B與結(jié)構(gòu)201(參見圖2)類似之處在于其包含經(jīng)配置以界定圓柱形真空氣密管腔室205B的圓柱形壁202B、第一端壁203B及第二端壁204B。真空管結(jié)構(gòu)201B與結(jié)構(gòu)201不同之處在于：照明窗206B(例如玻璃、光學(xué)晶體或透明塑料)安置在第二端壁204B上(即，腔室205B的第二端205-2B處)，使得沿光軸OA行進的光LLS被引導(dǎo)通過腔室205B到反射模式光電陰極205B，且傳感器104B與光軸OA分隔開(偏離)(例如在圓柱形真空氣密管腔室205B的中心軸X的相對側(cè)上)。

環(huán)電極EB1到EBn經(jīng)配置以通過施加適當電壓于環(huán)電極EB1到EBn中的每一者的區(qū)段中的每一者而產(chǎn)生軸向加速電場(圖5中由水平定向分量指示)及偏轉(zhuǎn)電場分量(圖5中由垂直定向分量指示)兩者。偏轉(zhuǎn)分量是由施加于單個環(huán)電極內(nèi)的個別區(qū)段的電壓之間的差而產(chǎn)生。軸向分量是由環(huán)電極的區(qū)段上的電壓與鄰近電極的區(qū)段上的電極之間的差而產(chǎn)生。在實施例中，施加于環(huán)電極EB1到EBn的個別區(qū)段的電壓經(jīng)選擇以產(chǎn)生軸向分量所述軸向分量導(dǎo)致光電子隨著其以類似于圖3A中說明的方式的方式從光電陰極101B移動朝向傳感器104B而單調(diào)地加速。在另一實施例中，施加于環(huán)電極EB1到EBn的個別區(qū)段的電壓經(jīng)選擇以產(chǎn)生軸向分量所述軸向分量使得光電子隨著其以類似于圖4中說明的方式的方式從光電陰極101B移動朝向傳感器104B而加速且接著減速。

圖6A及6B是根據(jù)示范性實施例展示包含兩個或多于兩個電隔離彎曲區(qū)段的分段圓形電極結(jié)構(gòu)的正視圖。圖6A展示包括在操作期間分別接收電壓VB1A-1及VB1A-2的兩個半圓(彎曲)區(qū)段EB1A-1及EB1A-2的環(huán)結(jié)構(gòu)EB1A。通過配置控制器220B(圖5)以施加不同電壓于區(qū)段EB1A-1及EB1A-2(例如VB1A-1＝1500V且VB1A-2＝1400V)，環(huán)電極EB1A用作產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)電場分量的雙極偏轉(zhuǎn)器，所述偏轉(zhuǎn)電場分量用于如由箭頭指示那樣使光電子向上(即，在圖5中朝向傳感器104B)偏轉(zhuǎn)。圖6B展示替代分段圓形電極結(jié)構(gòu)EB1B，其包括6個彎曲區(qū)段，包含形成上部半圓部分的EB1B-11、EB1B-12及EB1B-13及形成下部半圓部分的EB1B-21、EB1B-22及EB1B-23。這些區(qū)段在操作期間分別接收電壓VB1B-11到VB1B-23。通過施加稍微不同電壓于每一半圓部分的中心及側(cè)區(qū)段(例如，施加于區(qū)段EB1B-11的電壓VB1B-11比施加于區(qū)段EB1B-12及EB1B-13的電壓VB1B-12及VB1B-13更正，電壓VB1B-12及VB1B-13又比施加于區(qū)段EB1B-22及EB1B-23的電壓VB1B-22及VB1B-23更正，電壓VB1B-22及VB1B-23又比施加于區(qū)段EB1B-21的電壓VB1B-21更正)，結(jié)構(gòu)EB1B用作產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)電場分量的六極偏轉(zhuǎn)器，所述偏轉(zhuǎn)電場分量用于如由箭頭指示那樣使光電子向上(即，在圖5中朝向傳感器104B)偏轉(zhuǎn)。通過結(jié)合上文描述的電極操作利用一或多個分段圓形電極結(jié)構(gòu)，分段圓形電極結(jié)構(gòu)充當偏轉(zhuǎn)器及環(huán)電極兩者。

圖5到7中說明的反射模式EB傳感器不限于使用被劃分為兩個或六個相等面積的區(qū)段的環(huán)電極。例如將環(huán)電極劃分為不相等面積的區(qū)段、將環(huán)電極劃分為四個、八個或另一數(shù)目的區(qū)段的變化皆是上文提及的示范性實施例的可能替代。圖6B中說明的環(huán)電極(其中與例如圖6A中說明的雙極設(shè)計相比，圓形環(huán)電極被劃分為六段以充當六極偏轉(zhuǎn)器及環(huán)電極兩者)的優(yōu)點是：六極偏轉(zhuǎn)器設(shè)計中的偏轉(zhuǎn)場比雙極偏轉(zhuǎn)器設(shè)計中的偏轉(zhuǎn)場更均勻。更均勻偏轉(zhuǎn)場可有助于減小圖像像差，例如彗形像差及失真。圖5中所展示的環(huán)電極EB1到EBn中的一或多者可被劃分為多個區(qū)段以產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)電場。不同區(qū)段上的偏轉(zhuǎn)偏壓可相對于每一環(huán)電極電壓浮動。施加于每一區(qū)段的不同電壓可單獨產(chǎn)生，或分壓電阻器鏈可用于在不同區(qū)段(磁極片)上產(chǎn)生不同偏置電壓。

圖7說明示范性反射模式EB檢測器200C，其利用安置在真空管結(jié)構(gòu)201C與永久磁鐵212C之間的多極磁偏轉(zhuǎn)器線圈211C，其中多極偏轉(zhuǎn)器線圈211C經(jīng)配置以產(chǎn)生具有足夠強度以引導(dǎo)光電子朝向傳感器104C的偏轉(zhuǎn)磁場(垂直于圖頁引導(dǎo))。EB檢測器200C還包含以上文參考圖5描述的方式配置的光電陰極101C及如上文參考圖2描述那樣起作用的環(huán)電極E1到En。在一個實施例(未展示)中，多極偏轉(zhuǎn)器線圈211C插入在真空管結(jié)構(gòu)201C與螺線管之間。偏轉(zhuǎn)器線圈211C是以產(chǎn)生平面外磁場的方式定位，借此離開光電陰極101C的光電子將向上偏轉(zhuǎn)朝向傳感器104C。與先前傾斜磁場設(shè)計相比，此設(shè)計中的磁螺線管僅需稍微大于用偏轉(zhuǎn)器線圈纏繞的真空管。我們的設(shè)計中的磁極片的直徑明顯較小。如果磁極片直徑較小，那么其需要較小的總磁通量來在真空管軸上產(chǎn)生相同磁場，這又可使磁螺線管更小。磁偏轉(zhuǎn)器的設(shè)計在電子光學(xué)器件領(lǐng)域中是廣為人知的。雙極、四極、六極、八極及其它磁偏轉(zhuǎn)器設(shè)計在此皆可使用。

圖8說明根據(jù)本發(fā)明的另一示范性實施例的簡化的大偏轉(zhuǎn)角度的反射模式EB檢測器200D。舉例來說，當需要較大的偏轉(zhuǎn)角度來提供足夠空間給附接到傳感器的相機電子器件時，利用EB檢測器200D。一旦在光子照明LLS下從光電陰極101D發(fā)射光電子805，所述光電子805就將即刻由電子光學(xué)器件802加速到高電壓且聚焦。電子光學(xué)器件802可包含靜電透鏡及/或磁透鏡(例如，以上文參考圖4描述的方式利用環(huán)電極E1到E3)。沿光電子805的路徑，使用磁或靜電偏轉(zhuǎn)器或區(qū)段803以使光電子相對法向(光)軸偏轉(zhuǎn)相對較大角度(例如，45°或更大)到光電陰極104D。磁偏轉(zhuǎn)器803的簡單示范性實施方案包含兩個具有相反極性的永久磁鐵板，其彼此緊靠放置在光電子路徑的相對側(cè)上。均勻的強磁偏轉(zhuǎn)場可形成于間隙中。盡管圖8中展示90°的示范性偏轉(zhuǎn)角度，但使用相同設(shè)計還可能偏轉(zhuǎn)到其它角度。一旦光電子偏轉(zhuǎn)遠離光軸OA，所述光電子就將在其著靶在CCD/CMOS傳感器807上之前由電子光學(xué)器件806聚焦及減速。靜電及/或磁透鏡可用于形成電子光學(xué)器件806(例如利用根據(jù)上文參考圖4描述的實施例的電極E4到En)。可具有沿光電子路徑的一個或多個中間共軛平面。

如下文詳細地描述，晶片、光罩及光掩模檢驗系統(tǒng)可有利地包含高分辨率高QE的EBCCD/EBCMOS檢測器。圖9A及9B中展示示范性實施方案的一個實施例。圖9A說明包含照明系統(tǒng)901及收集系統(tǒng)910的表面檢驗設(shè)備900，其用于檢驗表面911的區(qū)域。如圖9A中所展示，激光系統(tǒng)915經(jīng)配置以引導(dǎo)光束902通過透鏡903。透鏡903經(jīng)定向使得其主平面大體上平行于表面911，且因此照明線905形成于透鏡903的焦平面中的表面911上。此外，光束902及聚焦光束904以非正交入射角被引導(dǎo)到表面911。特定來說，光束902及聚焦光束904可以與法向方向成介于大約1度與大約85度之間的角度被引導(dǎo)到表面911。以此方式，照明線905大體上在聚焦光束904的入射平面中。在一些實施例中，照明線可能近似1mm或2mm或幾mm長及1μm、2μm或幾μm寬。在一些實施例中，取代線聚焦，照明可被聚焦為一系列離散點。

收集系統(tǒng)910包含：透鏡912，其用于收集散射自照明線905的光；及透鏡913，其用于使源自于透鏡912的光聚焦到裝置(例如包含上文描述的控制裝置的EBCCD檢測器914)上。EBCCD檢測器914的增益的動態(tài)調(diào)整在此種類的檢驗系統(tǒng)中是重要的，這是因為散射及衍射光級(及濾光片的效率)歸因于晶片上的不同圖案而可從晶片的一個區(qū)域到另一區(qū)域大幅改變。

在一個實施例中，EBCCD檢測器914可包含檢測器的線性陣列。在這些情況中，EBCCD檢測器914內(nèi)的檢測器的線性陣列可經(jīng)定向為平行于照明線915。在一個實施例中，可包含多個收集系統(tǒng)，其中收集系統(tǒng)中的每一者包含類似組件，但定向不同。舉例來說，圖9B說明用于表面檢驗設(shè)備的收集系統(tǒng)921、922及923的示范性陣列(其中所述表面檢驗設(shè)備的照明系統(tǒng)(例如類似于照明系統(tǒng)901)為簡明起見而未展示)。2009年4月8日頒發(fā)且以引用方式并入本文的第7,525,649號美國專利更詳細地描述檢驗系統(tǒng)901的某些方面。

圖10說明包含多個EBCCD/EBCMOS檢測器的另一暗場晶片檢驗系統(tǒng)1000。在系統(tǒng)1000中，照明光學(xué)器件1002接收由光源1001發(fā)射的光束。在一個實施例中，照明光學(xué)器件1002可包含提供大體上平行輸出光束到折射光學(xué)元件的多個分束器及反射光學(xué)元件。所述折射光學(xué)元件又可使多道光束聚焦到樣本1003上。

包含散射光收集器及其它元件(例如一或多個光圈、分束器、偏振元件及反射光學(xué)元件)的光學(xué)收集子系統(tǒng)1007可將從樣本散射的光引導(dǎo)到兩個圖像檢測器1006上。在一個實施例中，光學(xué)收集子系統(tǒng)1007可進一步包含折射光學(xué)元件1005，折射光學(xué)元件1005經(jīng)配置以輔助光學(xué)收集子系統(tǒng)1007的其它組件使散射光成像到圖像檢測器1006上。在一個實施例中，圖像檢測器1006中的至少一者可包含上文描述的EBCCD/EBCMOS檢測器。舉例來說，在一個實施例中，一個檢測器可針對大量光散射優(yōu)化，而另一檢測器可針對大體上低光散射優(yōu)化。因此，在掃描的一些部分期間，光學(xué)元件可經(jīng)配置以將散射光的一部分引導(dǎo)到針對大量光散射優(yōu)化的一個圖像檢測器，且將散射光的另一不同部分引導(dǎo)到針對低光散射優(yōu)化的不同圖像檢測器。2014年頒予趙國恒(Guoheng Zhao)等人的第2014/0009759 A1號美國專利公開案更詳細地描述暗場晶片檢驗系統(tǒng)900。

應(yīng)了解，前述描述僅為示范性及解釋性的且并不定限制本發(fā)明。并入說明書中且構(gòu)成說明書的部分的附圖說明本發(fā)明的標的物。所述描述及圖式一起用于解釋本發(fā)明的原理。