(57)【要約】  光電子放出を強化すべくシリコン基板上に一体形成されたフィールドエミッタアレイ（ＦＥＡ）と、酸化を防止すべくそのＦＥＡの放出面上に直接配置された薄いホウ素層とを利用するフォトカソードである。フィールドエミッタは、二次元的周期性パターンにて配置された様々な形状の突起（例．ピラミッド又は丸み付ひげ）により形成され、また逆バイアスモードにて動作するよう構成可能である。付加的なゲート層を設け放出電流を制御する。付加的な第２ホウ素層をその被照明面（頂面）上に形成し、付加的な抗反射素材層をその第２ホウ素層上に形成する。付加的な外部電位を、被照明面とその裏側の放出面との間に発生させる。ｎ型シリコンフィールドエミッタ及びｐｉｎフォトダイオード膜の付加的な組合せを、特殊なドーピング方式によって、且つ外部電位の印加によって形成する。本フォトカソードはセンサ及び検査システムの一部を形成する。
2018521457.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１面及びその裏面たる第２面を有すると共に一体な複数個のフィールドエミッタ突起を有し、そのフィールドエミッタ突起それぞれが、自シリコン基板に一体連結された固定部分を有すると共に当該第２面から先端部分まで延びるシリコン基板と、
上記フィールドエミッタ突起それぞれの少なくとも先端部分上に密閉配置された実質的に純粋なホウ素層と、
を備えるフォトカソード。
【請求項２】
請求項１記載のフォトカソードであって、上記シリコン基板が更にドーパントを含み、そのドーパントが、本フォトカソードの動作中に上記フィールドエミッタ突起それぞれが逆バイアスモードのフィールドエミッタとして動作する構成であるフォトカソード。
【請求項３】
請求項１記載のフォトカソードであって、上記複数個のフィールドエミッタ突起が上記第２面上に二次元的周期性パターンをなして並ぶフォトカソード。
【請求項４】
請求項１記載のフォトカソードであって、上記実質的に純粋なホウ素層の厚みが約１ｎｍ〜５ｎｍの範囲内であるフォトカソード。
【請求項５】
請求項１記載のフォトカソードであって、上記フィールドエミッタ突起それぞれがピラミッド状構造を有するフォトカソード。
【請求項６】
請求項１記載のフォトカソードであって、上記フィールドエミッタ突起それぞれが丸み付円錐状構造及び丸み付ひげ状構造のうち一方を有するフォトカソード。
【請求項７】
請求項１記載のフォトカソードであって、更に、その放出面を覆うよう配置され且つ上記複数個のフィールドエミッタ突起のうち少なくとも１個の先端部分に対し近隣且つ間隔配置された、少なくとも１個のゲート構造体を備えるフォトカソード。
【請求項８】
請求項１記載のフォトカソードであって、更に、上記シリコン基板の第１面上に直接配置された実質的に純粋な第２ホウ素層を備えるフォトカソード。
【請求項９】
請求項８記載のフォトカソードであって、更に、上記実質的に純粋な第２ホウ素層上に配置された抗反射層を備えるフォトカソード。
【請求項１０】
請求項１記載のフォトカソードであって、更に、上記シリコン基板をまたぎ外部電位差を印加するよう構成された導電構造を備えるフォトカソード。
【請求項１１】
請求項４記載のフォトカソードであって、
上記第１面全体が上記シリコン基板のｐドープド領域上に配置される一方、上記第２面及び上記複数個のフィールドエミッタ突起の全体が同シリコン基板のｎドープド領域上に配置されており、
少なくとも１００Ｖの外部電位差が上記シリコン基板をまたぎ印加されたときにアバランシェ増倍条件で動作するｐｉｎフォトダイオードを形成するよう、上記ｐドープド領域及び上記ｎドープド領域が構成されているフォトカソード。
【請求項１２】
請求項１記載のフォトカソードであって、上記シリコン基板が、上記第１面から上記第２面に向かって延びるｐ型傾斜拡散領域を有し、そのｐ型傾斜拡散領域におけるｐ型ドーパント濃度が、同シリコン基板の諸部分のうち第１面から遠方にある部分に比べ第１面付近に所在する部分で高いフォトカソード。
【請求項１３】
光子が自センサの受光面上に差し向けられたことに応答して電気信号を生成するセンサであって、
上記受光面に対し近隣して配置されると共に、光子が同受光面を通り自フォトカソード内に入ったことに応答して光電子を放出するよう構成されたフォトカソードであり、
第１面及びその裏面たる第２面を有すると共に一体な複数個のフィールドエミッタ突起を有し、そのフィールドエミッタ突起それぞれが、自シリコン基板に一体連結された固定部分を有すると共に当該第２面から先端部分まで延びるシリコン基板、並びに
上記フィールドエミッタ突起それぞれの少なくとも先端部分上に密閉配置された実質的に純粋なホウ素層、
を備えるフォトカソードと、
上記フォトカソードの第２面に面する検出面を有し、同フォトカソードによって放出された光電子を検出するよう構成され且つ光電子の検出に応答して上記電気信号を生成するよう構成された検出デバイスと、
介在するギャップ領域によって上記検出デバイスの検出面が上記フォトカソードの第２層１１０から分離されるようそれらフォトカソード・検出デバイス間を可作動連結するハウジングと、
を備えるセンサ。
【請求項１４】
請求項１３記載のセンサであって、上記シリコン基板が更に、インプラントされたドーパントを含み、そのドーパントが、上記フォトカソードの動作中に上記フィールドエミッタ突起それぞれが逆バイアスモードのフィールドエミッタとして動作する構成であるセンサ。
【請求項１５】
請求項１４記載のセンサであって、上記複数個のフィールドエミッタ突起が上記第２面上に二次元的周期性パターンをなして並ぶセンサ。
【請求項１６】
請求項１３記載のセンサであって、上記実質的に純粋なホウ素層の厚みが約１ｎｍ〜５ｎｍの範囲内であるセンサ。
【請求項１７】
請求項１３記載のセンサであって、イメージインテンシファイア、電子衝撃電荷結合デバイス（ＥＢＣＣＤ）及び光電子増倍管のうちいずれかを構成するセンサ。
【請求項１８】
請求項１３記載のセンサであって、上記フィールドエミッタ突起それぞれが丸み付円錐状構造及び丸み付ひげ状構造のうち一方を有するセンサ。
【請求項１９】
請求項１３記載のセンサであって、上記フィールドエミッタ突起それぞれがピラミッド状構造を有するセンサ。
【請求項２０】
請求項１３記載のセンサであって、更に、上記フィールドエミッタの先端部分とほぼ同じ高さに配置された少なくとも１個のゲート層を備えるセンサ。
【請求項２１】
請求項１３記載のセンサであって、更に、上記シリコン基板の第１面上に直接配置された実質的に純粋な第２ホウ素層を備えるセンサ。
【請求項２２】
請求項２１記載のセンサであって、更に、上記実質的に純粋な第２ホウ素層上に直接配置された抗反射層を備えるセンサ。
【請求項２３】
請求項２２記載のセンサであって、上記受光面が抗反射素材の外面を構成するセンサ。
【請求項２４】
請求項１３記載のセンサであって、上記受光面が、窓の第１面上に配置された抗反射素材の層を有し、上記シリコン基板がその窓の裏面たる第２面上に位置するセンサ。
【請求項２５】
請求項１３記載のセンサであって、上記検出デバイスが第２シリコン基板を備えると共に、その第２シリコン基板の検出面上に直接配置されたホウ素層を備えるセンサ。
【請求項２６】
検査システムであって、
有向光子(directed photon)を送るよう構成された照明源と、
転向光子(redirected photon)を検出するよう構成されたセンサと、
上記有向光子を上記照明源からサンプルへと案内するよう且つ転向光子をそのサンプルから上記センサへと案内するよう構成された光学システムと、
を備え、そのセンサが、
上記転向光子に応じ光電子を放出するよう構成されたフォトカソードであり、
第１面及びその裏面たる第２面を有すると共に一体な複数個のフィールドエミッタ突起を有し、そのフィールドエミッタ突起それぞれが、自シリコン基板に一体連結された固定部分を有すると共に当該第２面から先端部分まで延びるシリコン基板、並びに
上記フィールドエミッタ突起それぞれの少なくとも先端部分上に密閉配置された実質的に純粋なホウ素層、
を備えるフォトカソードと、
上記フォトカソードの第２面からあるギャップを以て分離された検出面を有し、同フォトカソードによって放出された光電子を検出するよう構成され且つ光電子の検出に応答して電気信号を生成するよう構成された検出デバイスと、
を備える検査システム。
【請求項２７】
請求項２６記載の検査システムであって、そのセンサが、イメージインテンシファイア、電子衝撃電荷結合デバイス（ＥＢＣＣＤ）及び光電子増倍管のうちいずれかを構成する検査システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大略、半導体ウェハ、レティクル又はフォトマスク検査システムと併用される弱光感知型検出器（センサ）に関し、より具体的には、そうした検査システム向けのセンサにて利用されるフォトカソードに関する。
【背景技術】
【０００２】
（先行出願）
本願は、「ホウ素層付のシリコン基板上にフィールドエミッタアレイが備わるフォトカソード」(PHOTOCATHODE INCLUDING FIELD EMITTER ARRAY ON A SILICON SUBSTRATE WITH BORON LAYER)と題する２０１５年５月２１日付米国暫定特許出願第６２／１６４９７５号に基づく優先権を主張する出願であるので、この参照を以て当該暫定特許出願を本願に繰り入れることにする。
【０００３】
（関連出願）
本願は、「光電子増倍管、イメージセンサ、並びにＰＭＴ又はイメージセンサを使用する検査システム」(Photomultiplier Tube, Image Sensor, and an Inspection System Using a PMT or Image Sensor)と題しＣｈｕａｎｇ  ｅｔ  ａｌ．を発明者とする２０１４年３月５日付米国特許出願第１４／１９８１７５号（特許文献１として公表）、並びに「ホウ素層付のシリコン基板を有するフォトカソード」(Pnotocathode Including Silicon Substrate with Boron Layer)と題しＣｈｕａｎｇ  ｅｔ  ａｌ．を発明者とする２０１３年７月２２日付米国特許出願第１３／９４７９７５号（特許文献２として公表）に関連する出願である。これら出願の双方をこの参照を以て本願に繰り入れることにする。
【０００４】
フォトカソードは、光電子増倍管、イメージインテンシファイア（映像増強管）、電子衝撃ＣＣＤ（ＥＢＣＣＤ）等の光検出デバイスにて普通に用いられる負帯電電極である。フォトカソードは感光化合物で構成されており、その感光化合物に光量子（光子）が射突すると光電効果によって個々の光子吸収に応じ１個（又は複数個）の電子が発生する。昨今のフォトカソードで用いられる感光化合物は、通常はアルカリ金属で構成される；これは、その仕事関数が低く、電子をフォトカソードから脱出させてホストイメージセンサデバイスの他構造による検出に供するのが容易なためである。ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ等の化合物半導体もフォトカソード、特に赤外感知デバイス用フォトカソードの製造に用いられている。以前はシリコンフォトカソードが製造されていたが有意義な商業的用途が見つかっていない；これは、光捕捉上は効率的なシリコンではあるが、生じた電子がシリコンから幾らか逃げる可能性があり、総合的な効率が低くなりうるためである。
【０００５】
フォトカソードは透過型フォトカソード及び反射型フォトカソードなる二大グループに大別される。透過型フォトカソードは計測対象光源に面する窓（例．ガラス窓）の表面上に形成されるのが普通であり、このフォトカソードから脱出した電子は同フォトカソードの放出面を通過した上で検出される（即ち電子が光源から離れていく）。反射型フォトカソードは不透明な金属電極ベース上に形成されるのが普通であり、そのベースに光が入射するとそれと同じ面即ち“被照明面”から電子が放出される。反射型フォトカソードは、後述のフォトカソード厚・感度間トレードオフの一部を殺ぐとはいえ、イメージインテンシファイア、ＥＢＣＣＤデバイス等のイメージングデバイスでの使用には適していない（但しある種の構成の光電子増倍管での使用には好適となりうる）。こうしたことから、以下の議論では、特記しない限り語「フォトカソード」を以て専ら透過型フォトカソードを指し示すことにする。
【０００６】
通常、フォトカソードは相応なホストセンサのハウジング（例．真空管）上に形成又は実装され、そのセンサハウジングが、被照明面を標的光源に向けて（即ち光源とホストセンサの電子計測構造との間にフォトカソードが位置するよう）配置される。フォトカソードによって光子が吸収されると、発生電子のうち平均して約５０％がそのフォトカソードの被照明側（即ち光源に面する側であり光子はここを介しフォトカソードに入射する）へと移動してゆく。残り５０％の光電子がフォトカソードの放出面へと移動してゆき、そのなかで十分なエネルギを有している光電子が、そのセンサの電子計測構造に向かい放出されることになる。フォトカソードの放出面から電子が放出されると、通常、ホストセンサ内電界によってその電子がアノード方向に加速されることとなり、それに対応する計測可能な電圧又は電流がもたらされるため、１個又は複数個の光子が捕捉されたことがわかる。
【０００７】
光電子増倍管はフォトカソード、アノード及び一群のダイノード（電極）を備える真空光電管であり、各ダイノードがその前段にあるものに比べ続々とより正な電位とされ、アノードが最後段のダイノードのそれより高い正電位とされる。フォトカソードから放出された光電子はフォトカソード・ダイノード間電界によって加速され通常はダイノードに射突することとなり、それを受け複数個の二次電子が放出され後続のダイノード相互間電界により加速される。ほぼ全ての二次電子が他のダイノードに射突して更に多くの電子が生じることになる。最終的にはそれらの電子、通常は複数個のダイノードによる複数段増幅を経た電子が、アノードに到来するであろう。従って、光電子増倍管では、光子が吸収されるたびに電流パルス（即ち電荷）が生じて光電子が適正方向に放出される。発生電荷は多数の電子が担う電荷と等量なので、利得が十分に高いときには発生電荷が電子回路のノイズレベルを上回るものとなりうる。そのため、光電子増倍管は電磁スペクトラムの紫外域、可視域及び近赤外域内の光の超高感度検出器たりうる。この種の検出器では、入射光によってもたらされた電流が複数段のダイノードにて１億倍以上も増倍されるので、（例えば）入射光束が非常に少ないときに個別の光子を検出することができる。
【０００８】
イメージインテンシファイアはそれとは別種の真空管型センサデバイスであり、光学システムでの光検出強度を高めるため、ひいては弱光プロセスの可視イメージング等を可能にするため又は非可視光源の変換例えば近赤外又は短波赤外から可視への変換のために、蛍光体を利用している。典型的なイメージインテンシファイアでは、フォトカソードから放出された光電子を蛍光体被覆付の透明アノードの方へと加速し、それら光電子を蛍光体に高エネルギ（通常は約１ｋｅＶ〜約２０ｋｅＶ）で射突させることで、その蛍光体にて多数の光子を発生させる。イメージインテンシファイアの種類によっては、個々の光電子から複数個の二次電子を発生させるべく、フォトカソード・蛍光体間にマイクロチャネル板が配置される。マイクロチャネル板がなくても、吸収光子１個あたり複数個の光子をイメージインテンシファイアの出力部にて発生させることができる。放出光子は光学系（例えば光ファイバ束又はレンズ）によってイメージセンサへと差し向けられる。個々の吸収光子によって多数の出射光子を発生させることができるので、非常に低レベルの光を検出及び計測することができ、条件にもよるが光子１個でも検出及び計測できる可能性がある。
【０００９】
ＥＢＣＣＤはイメージインテンシファイアと同じ要領で動作するもう一つのセンサである。出射部たる蛍光スクリーンに代えイメージセンサ例えばＣＣＤが、フォトカソードから放出され電界によって加速された電子を検出するのに用いられる。ＥＢＣＣＤでは、通常、約２ｋＶ以上の電位差を用いフォトカソード・ＣＣＤ間電界が生成され、フォトカソードによって放出された光電子がその電界によって加速され、それら光電子がＣＣＤに高エネルギ射突することでそのＣＣＤ内で複数個の電子が生じ、そしてそれら電子が捕獲される。検出光子１個あたり複数個の電子が生じるので、ＣＣＤの読み出し暗ノイズが、光子が直接検出される場合に生じるであろうそれに比べ重きをなさない。イメージインテンシファイアと比べると、ＥＢＣＣＤでは、蛍光体からイメージセンサへと光を転送するのに必要な光学系のコストが節約されるだけでなく、そうした光学系により引き起こされる画像分解能劣化が避けられる。
【００１０】
図１２に、従来のＥＢＣＣＤ５０として、窓５３を有するハウジング５２と、窓５３の内面上に配置されたフォトカソード５４と、フォトカソード５４が真空ギャップ５６によってＣＣＤ５５から分離されるようハウジング５２の下端に配置された電荷結合デバイス（ＣＣＤ）５５とを備えるものを示す。フォトカソード５４・ＣＣＤ５５間に電界を発生させるため、ＣＣＤに対し負な電圧がフォトカソードに印加される。入来光子６１が窓５３内を通って進入しフォトカソード５４によって吸収されると光電子が発生する。光電子６２が十分なエネルギを有している場合、その光電子６２はフォトカソード５４の放出面を通り（即ち図中の下方向に）脱出してギャップ領域５６内に進入する。ＣＣＤ５５がフォトカソード５４に対し正の電位、通常は２ｋＶ以上正の電位であるため、光電子６２がＣＣＤ５５方向に加速されて約２ｋｅＶ超のエネルギに到達し、ひいては光電子によりＣＣＤ５５内に複数個の電子が生じるのが普通である。そして、ＣＣＤ５５内で生じた電子が然るべく構成された処理システム（図示せず）へと（例．ピン５７を介し）送られ、その処理システムにより関連する画像が生成され又は検出光電子に係るその他のデータが生成される。
【００１１】
従来型フォトカソードでは、光子吸収及び光電子放出に係る相反条件間の厄介なトレードオフを余儀なくされる。良好なフォトカソードたるには、注目波長光子を高確率吸収しうること並びにその吸収光電子から１個（又は複数個）の光電子を高確率生成しうることが必須である。良好なフォトカソードたるには、光電子吸収により生成された光電子全てをそのフォトカソードから高確率脱出させうることも必須である。より厚みのあるフォトカソードの方が入射光子吸収確率が高まるけれども、もたらされる放出光電子が脱出前に再結合する（即ち失われる）確率も高まる。より具体的には、再結合はフォトカソード形成素材内の欠陥又は不純物にて生じるのが普通であるので、そのフォトカソード素材内における光電子の移動必須距離が長いほど、その光電子が欠陥又は不純物に遭遇し再結合する確率が高まる。仕事関数付近かそれ以上のエネルギを有する光電子のみが存分な脱出確率を呈するので、素材の仕事関数は低くなければならない。
【００１２】
通常、フォトカソードは割合に狭い波長域向けに最適化される。例えば、ＵＶ波長は半導体業界では半導体ウェハ上の小粒子及び欠陥を検出するのに特に有用である；これは、総じて、小粒子からの散乱光量が諸要因のなかでも粒子又は欠陥サイズの対波長比率に依存するためである。大抵のフォトカソード素材はＵＶ光を強く吸収する。ＵＶ光子は被照明面付近で吸収されることとなるので、普通、従来型のＵＶ波長最適化フォトカソードには薄手なことが求められる。フォトカソードが薄くなければ、光電子がフォトカソードの放出面から脱出する確率が低くなるかもしれない。通常、光電子のうちフォトカソードの蛍光体又は像検出器対面側に脱出する光電子だけが出力信号を発生させることとなる。こうした薄手のＵＶ波長最適化フォトカソードは、普通、可視波長及び赤外波長では貧弱な感度を呈する；これは、入射光子の大部分を占めるより長波長の光子が、吸収無しでフォトカソードを通過することとなるためである。
【００１３】
従来型フォトカソードのもう一つの限界は、放出光電子のエネルギが吸収光波長によって異なりＵＶ光子吸収時には数ｅＶになりうることである。光電子放出方向はランダムであるので、この電子エネルギにより信号の水平方向沿い拡散がもたらされる。更に、この拡散は吸収光子波長によって異なり、波長が短いほど大きくなる。厚手のフォトカソードでは、普通、光電子が放出に先立ち複数回の衝突にさらされることとなり、光電子のエネルギがフォトカソード温度により定まるそれに近づくこととなりやすい（即ち電子が熱平衡化されやすい）。反面、電子がフォトカソード内で複数回の衝突にさらされる際に、従来型フォトカソード素材の内部及び／又は表面にあるハイレベルな欠陥が原因で電子が再結合して失われやすい。従って、エネルギ拡散を抑えるとそれと引き替えに感度がかなり低下することとなろう（大半の入射光子がもはや信号をもたらさなくなろう）。
【００１４】
単一結晶（単結晶）シリコンであれば、いま述べた短所の多くを克服できそうである。シリコンは約１．１μｍ未満のあらゆる波長を吸収する。シリコン結晶は非常に高い純度及びごく少数の結晶欠陥で以て成長させることができる。高品質単結晶シリコンにおける電子の再結合寿命は数μｓｅｃになりえ、最良品質素材であれば数百μｓｅｃにもなりうる。再結合寿命がそうした長さなら、表面から幾μｍも離れているところで生じた電子を低再結合確率で以て表面へと移動させることができる。
【００１５】
しかしながら、多くの長所があるにもかかわらず、シリコンベースのフォトカソードの商用向け開発は二大短所により妨げられている。
【００１６】
シリコンの短所の一つは、シリコンの仕事関数が比較的大きく（非特許文献１によれば約４．８ｅＶ）、光子吸収により生じた光電子の放出を妨げる方向にそれが働くことである。素材の仕事関数とは、フェルミ準位にある電子と真空準位にある電子（即ちその素材から脱出した電子）との間のエネルギ差のことである。シリコンのバンドギャップが大きめであるということは、熱平衡化電子がシリコンから脱出できないということである。光電子が脱出に十分なエネルギを有していないので、シリコン表面付近でＵＶ光子が吸収されても光電流が大して生じない。例えば、６．５ｅＶなる光子エネルギで生成される光電子のエネルギは約３ｅＶとなる（そうした波長では間接吸収に比べ直接吸収が起きやすいからである）。約３ｅＶのエネルギを有する光電子は、シリコンの仕事関数故に、シリコンから脱出することができない。
【００１７】
シリコンをフォトカソード素材として使用することに関わる第２の、より重大な問題は、シリコンではその表面上に自然酸化物が非常にたやすく形成されることである。真空中でさえいずれは自然酸化物が形成される；これは、真空中に存在する少量の酸素及び水がシリコン表面と反応することとなるためである。シリコン対二酸化シリコン界面には（ダングリングボンド（未結合手）による）欠陥があり、そこでは電子再結合確率が非常に高くなる。更に、酸化物が非常に薄手であるとはいえ（ごく滑らかなシリコン表面上の自然酸化物は通常は約２ｎｍ厚）、二酸化シリコンのバンドギャップが大きいことで（約８ｅＶ）、脱出のため電子が乗り越えねばならない仕事関数より高い付加的な障壁が生じる。このシリコン対酸化物界面における欠陥密度は、自然酸化物を除去し高温例えば約９００〜１０００℃で熱酸化物を成長させることで、低下させることができる。そうした層は、約１．５ｎｍ〜２ｎｍの厚みに成長させても安定たりうる。しかしながら、良質な熱酸化物でもその対シリコン界面における欠陥密度は高く（通常は１０９〜１０１１欠陥／ｃｍ２）、広いバンドギャップ及び約２ｎｍの最小厚を併有する酸化物がなお、脱出中の電子にとり、また仕事関数を克服可能な場合でさえも、大きな障壁をもたらす。薄い窒化シリコン層を用いシリコン上での自然酸化物層成長を妨げることが可能だが、シリコン対窒化シリコン界面ではシリコン対二酸化シリコン界面よりも欠陥密度が高いし、窒化シリコンのバンドギャップ（約５ｅＶ）は大きすぎて大半の電子がその表面から脱出することができない。これらの理由で、シリコンは、フォトカソードとしての有意義な商業的用途を見いだせていなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１４／０２９１４９３号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１４／００３４８１６号明細書
【特許文献３】米国特許第７３４５８２５号明細書
【特許文献４】米国特許第７５２５６４９号明細書
【特許文献５】米国特許第６６０８６７６号明細書
【特許文献６】米国特許第６２７１９１６号明細書
【特許文献７】米国特許出願公開第２０１３／００１６３４６号明細書
【特許文献８】米国特許出願公開第２０１３／０１４８１１２号明細書
【特許文献９】米国特許出願公開第２０１４／０１５８８６４号明細書
【非特許文献】
【００１９】
【非特許文献１】Allan and Gobelli, "Work Function, Photoelectric Threshold, and Surface States of Atomically Clean Silicon", Physical Review vol.127 issue 1, 1962, pages 150-158
【非特許文献２】R.Fowler and L. Nordheim, "Electron emission in intense electric fields", Proceedings of the Royal Society of London A, Vol.119, No.781, May 1928, pp.173-181
【非特許文献３】R.Serbun, B.Bornmann, A.Navitski, C.Prommesberger, C. Langer, F. Dams, G. Miiller, and R. Scheiner, "Stable field emission of single B-doped Si tips and linear current scaling of uniform tip arrays for integrated vacuum microelectronic devices", Journal of Vacuum Science and Technology B, Vol.31, No.2, 2013, pp.02B101
【非特許文献４】F.Sarubbi et al. "Chemical Vapor Deposition of a-Boron Layers on Silicon for Controlled Nanometer-Deep p+n Junction Formation",Journal of Electronic Materials, Vol.39, No.2, (February 2010) pp.162-173, ISSN 0361-5235
【非特許文献５】T.Utsumi,"Vacuum microelectronics: What's new and exciting", IEEE Transactions on Electron Devices, Vol.38, No.10, 1991, pp.2276-2283
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
このように、従来技術の限界のうち一部又は全てが克服されるフォトカソードが求められている。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明は、単結晶又は多結晶シリコン基板の放出面上に一体形成（パターニング）された複数個のフィールドエミッタ突起と、それらフィールドエミッタ突起の少なくとも先端（自由端）部分上に密閉形成された実質的に純粋なホウ素層（第１層）と、を備えるフォトカソード構造を指向している。放出面上に一体型フィールドエミッタ突起を導入するのは、それら突起がフィールドエミッタとして機能したときに生じる電界増強効果を取り入れることでシリコン基板の高めな仕事関数を迂回するためであり、この電界増強効果が生じるのは、基板が十分に高い（強い）印加電界にさらされた結果、シリコン対真空界面上の電位障壁が低まり、光電子がその障壁の先端部分をトンネリング可能となったときである（量子力学的トンネリング）。得られる放出電流密度は、フィールドエミッタによる電界増強因子を勘案した修正版ファウラーノルドハイム理論によって推定することができる（非特許文献２）。更に、フィールドエミッタ突起の少なくとも先端部分がそれにより密閉封止されるよう実質的に純粋なホウ素層を形成することによって、フィールドエミッタの放出面の酸化がほぼ全面的に妨げられ、ひいては従来手法で見られた大きな対電子脱出障壁が回避される。このように、単結晶シリコン基板上に一体形成され且つ実質的に純粋なホウ素層により密閉保護されたフィールドエミッタ突起を備えるフォトカソードを製作することにより、本発明では、シリコンの有益品質（即ち１μｍ未満波長の吸収性、素材の高純度／低欠陥性、並びに長い電子再結合時間）を有するフォトカソードを提供しつつ、シリコンベースのフォトカソードの広範な商業的利用をこれまで妨げてきた負の側面を回避している。
【００２２】
様々な従来型半導体処理技術を付加的に利用することで、本発明に従い製作されるフォトカソードの性能を最適化することができる。例えば、そのシリコン基板を本質的に無欠陥でその厚みが約１０ｎｍ〜約１００μｍの範囲内の単結晶（単一結晶）シリコンとするのが望ましい；但し厚みは捕捉対象光の波長に若干依存する。ある好適実施形態では、フォトカソードが適切な外部電界にさらされたときに各フィールドエミッタ突起が逆バイアスモードのフィールドエミッタとして機能するよう最適化されたドーピングレベルを呈するよう、そのシリコン基板に（例．インプラントｎ型）ドーパントを含ませる。フィールドエミッタ突起を、そのシリコン基板をパターニング例えばエッチングすることによって形成することにより、放出面に一体連結された相対的に幅広な基部を有すると共に、放出面の上方に少なくとも１００ｎｍの高さ方向距離に亘り延び相対的に幅狭な先端（自由端）部分に達している一体構造を、そのシリコン素材の諸部分によって形成する。ある実施形態では、最適なフィールドエミッタ動作を実現すべく、各フィールドエミッタ突起の基部の最小直径／幅寸法を約１００ｎｍ、先端部分の最大直径／幅寸法を約２００ｎｍ、より好ましくは約１００ｎｍ以下とする。ある例示的実施形態では、フィールドエミッタ突起がシリコン基板の放出面上に二次元アレイパターンをなして並ぶよう、フィールドエミッタ突起を標準的なＣＭＯＳ製造技術を用い製造する（例．二酸化シリコン又は窒化シリコンからなるマスク素材をＰＥＣＶＤによって平坦な基板表面上に堆積させ、既知のフォトリソグラフィ技術を用いそのマスクをパターニングし、そしてマスク内開口を介しシリコン基板をエッチングしてフィールドエミッタ突起を形成する）。ホウ素層は、高温堆積プロセス（例．約６００℃〜８００℃でのそれ）を用い、清浄で滑らかなシリコン上に、ピンホールフリーでその厚みが１〜５ｎｍ（好ましくは約２〜３ｎｍ）の範囲内のホウ素層がもたらされる要領で形成するのが望ましく、その場合、シリコン基板の放出面全体を酸化に抗し信頼性よく密閉封止することで、そのホウ素層によりシリコンの酸化問題が迂回される。ある代替的実施形態では、様々な突起構造形状例えば丸み付のウィスカ即ちひげ（先端が丸まった円柱）、丸み付の円錐又はピラミッドを用いフィールドエミッタ突起が形成される。上述した諸技術及び諸特徴は、個別に用いうるほか、フォトカソード性能を増強すべく組み合わせて用いてもよい。
【００２３】
本発明の幾つかの代替的具体的実施形態では、本発明のフォトカソード構造の有益品質を更に増強すべく更なる諸層及び諸構造を利用する。ある実施形態では、１個又は数個のゲート構造体（制御電極）を放出面上に配置し、フィールドエミッタの先端部分と同じか僅かに低い高さに置くことで、放出電流の迅速且つ正確な制御を実現する。ある実施形態では、第２ホウ素層（第３層）をシリコン基板の被照明面（第１面）上に形成することで、光子吸収を減少させかねない酸化物及び欠陥を更に食い止める。他の実施形態では、抗反射素材層（第４層）を第２ホウ素層（第３層）上に配置することで光子吸収を更に増強する。ある実施形態では、金属製又は導電性のフレーム又はグリッド並びに電圧源を利用することでシリコン基板の被照明面・放出面間に外部電位差を発生させ、その外部電位差により電子を優先的に放出面の方へと移動させる。ある実施形態では、フォトカソードが、ｎ型シリコンフィールドエミッタと、高電圧（例．数十又は数百Ｖオーダのそれ）が基板の被照明面・放出面間に印加されたときにアバランシェ増倍条件にて動作するｐｉｎフォトダイオード構造と、の組合せを備える。このアバランシェの利得によって、有効量子効率が増強されフォトカソード性能が改善される。更に他の実施形態では、ホウ素（その他のｐ型ドーパント）を被照明面を介しシリコン基板内に拡散させｐ型ドープド領域を形成することで、電子が再結合して失われるかもしれない被照明面から電子を遠ざける電位勾配を発生させる。
【００２４】
ある代替的具体的実施形態では、本発明の特徴的フォトカソード構造を様々なセンサ構造に組み込むことで、秀逸な弱光感知能力を呈するセンサを提供する。（センサの受光面に対し近隣配置された）フォトカソードに加え、これらのセンサ構造は、フォトダイオードの放出面に面した検出面を有しその検出面が介在するギャップによって基板の放出面上のホウ素層から分離されている検出デバイス（例．ＣＣＤ型又はＣＭＯＳ型イメージセンサ）を備え、その検出デバイスの働きで、フォトカソードの放出面を介し放出される光電子を検出し且つ光電子捕獲を示す電気信号を生成する。あるセンサ実施形態では、そのセンサ構造が電子衝撃電荷結合デバイス（ＥＢＣＣＤ）とされ、フォトカソードの頂部に窓が設けられる（設けなくてもよい）。本発明の他の実施形態では、そのセンサがイメージインテンシファイアとされ、フォトカソードの頂部に窓が設けられる（設けなくてもよい）。本発明の更に他の実施形態では、そのセンサが光電子増倍管とされ、フォトカソードの頂部に窓が設けられる（設けなくてもよい）。
【００２５】
あるセンサ実施形態では、第２ホウ素層をフォトカソードの被照明面上に形成することで被照明面上での酸化物形成を妨げ、その第２ホウ素層を覆うように抗反射素材層を形成することで光子捕捉効率を改善する。そうした実施形態のうち幾つかで抗反射素材層が窓・フォトカソード間に配置されるのに対し、他の実施形態では、抗反射素材層をセンサの受光面としても働かせ（即ちフォトカソードの被照明面の上方に窓がないセンサとし）ひいてはそのセンサによる光子捕捉効率を更に高める。他のセンサ実施形態のうち、フォトカソードの被照明面を覆う窓を備えるものでは、抗反射素材層をその窓上に設けることで光子捕捉効率を改善することができる。
【００２６】
本発明のある実施形態では、本発明のフォトカソードを備えるセンサが更に、その受光面（即ち検出デバイスのフォトカソード対面側表面）上に更なるホウ素層があるシリコンベースの検出デバイスを備える。例えば、そのセンサが電子衝撃ＣＣＤ（ＥＢＣＣＤ）、検出デバイスがＣＣＤ（典型的にはシリコン基板上に形成されたＣＣＤ）である場合、製造中にＣＣＤの受光面上にホウ素層を直接形成することで、ＣＣＤの受光面上での二酸化シリコン層の形成を妨げ、そのセンサの電子捕獲効率を改善することができる。他の実施形態では、センサにＣＭＯＳ型検出器を（即ちＣＣＤに代え）具備させ、上掲の更なるホウ素層をそのＣＭＯＳ型検出器の受光面上に形成する。
【００２７】
本発明の他の実施形態では、本発明のフォトカソードを備えるセンサをウェハ、レティクル又はフォトマスク検査システムにて利用する。具体的には、本発明のシステムは、サンプル／ウェハ上に光を送る照明源（例．レーザシステム）と、そのサンプル／ウェハを通過し又はサンプル／ウェハによって反射された光子を本願記載の発明に係るフォトカソードのうちいずれかを利用し検出する１個又は複数個のセンサ（例．光電子増倍管、イメージインテンシファイア又はＥＢＣＣＤ）と、光／光子を照明源からサンプル（ウェハ、レティクル又はフォトマスク）へ且つそのサンプルからセンサへと案内する関連した光学システムと、を備える。
【００２８】
本発明を、以下の添付図面を構成する諸図中に、限定ではなく例示を以て示すことにする。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の概略的一般的実施形態に従いシリコン基板上に形成されたフィールドエミッタアレイを備えるフォトカソードを示す断面側視図である。
【図２Ａ】本発明の第１具体的実施形態に係るシリコンフォトカソードを示す拡大部分断面側視図である。
【図２Ｂ】本発明の第１具体的実施形態に係るシリコンフォトカソードを示す部分斜視図である。
【図３】本発明の他の例示的具体的実施形態に係るフォトカソードを示す拡大部分断面側視図である。
【図４Ａ】本発明の更なる例示的具体的実施形態に係るフォトカソードを示す断面図である。
【図４Ｂ】本発明の更なる例示的具体的実施形態に係るフォトカソードを示す断面図である。
【図４Ｃ】本発明の更なる例示的具体的実施形態に係るフォトカソードを示す断面図である。
【図４Ｄ】本発明の更なる例示的具体的実施形態に係るフォトカソードを示す断面図である。
【図４Ｅ】本発明の更なる例示的具体的実施形態に係るフォトカソードを示す断面図である。
【図４Ｆ】本発明の更なる例示的具体的実施形態に係るフォトカソードを示す断面図である。
【図５】本発明に従い形成されたフォトカソードのシリコン基板内電子エネルギ準位例を示すエネルギダイアグラムである。
【図６Ａ】本発明の代替的具体的実施形態に係るフォトカソードを備えるセンサ例を示す断面側視図である。
【図６Ｂ】本発明の代替的具体的実施形態に係るフォトカソードを備えるセンサ例を示す断面側視図である。
【図６Ｃ】本発明の代替的具体的実施形態に係るフォトカソードを備えるセンサ例を示す断面側視図である。
【図７】本発明の他の実施形態に係る検査システムを示す概略図である。
【図８Ａ】本発明の更なる実施形態に係る検査システムを示す概略図である。
【図８Ｂ】本発明の更なる実施形態に係る検査システムを示す概略図である。
【図８Ｃ】本発明の更なる実施形態に係る検査システムを示す概略図である。
【図８Ｄ】本発明の更なる実施形態に係る検査システムを示す概略図である。
【図９】本発明の他の実施形態に係る他の検査システムを示す概略図である。
【図１０】本発明の他の実施形態に係る他の検査システムを示す概略図である。
【図１１】本発明の他の実施形態に係る他の検査システムを示す概略図である。
【図１２】従来のセンサを示す断面側視図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
本発明は半導体検査システム用弱光センサの改良に関する。以下の記述は、ある特定の用途及びその条件の脈絡で提示されるところに従い、本件技術分野に習熟した者（いわゆる当業者）が本発明を実施及び使用可能とすべく、提示されたものである。本願で用いられている方向指示語、例えば「上」、「下」、「上方」、「下方」、「上側」、「上向き」、「下側」、「下降」及び「下向き」は相対位置を記述目的で提示する趣旨のものであり、絶対座標系を指定する趣旨のものではない。好適実施形態に様々な修正がいわゆる当業者にとり明らかになろうし、本願記載の一般的原理は他の実施形態に適用可能である。このように、本発明は、図示及び記述されている特定実施形態への限定を旨とするものではなく、本願中に開示されている原理及び新規特徴と矛盾しない最大限の技術的範囲に従うべきものである。
【００３１】
図１に、本発明の一般的実施形態に係るフォトカソード１００の断面を示す。フォトカソード１００は、大略、上向きの被照明面（頂面／第１面）１０２及びその裏面たる下向きの放出面（下面／第２面）１０３を有するシリコン基板１０１と、放出面１０３上に一体形成（即ちシリコン素材内にパターニングされそのシリコン素材の諸部分によって形成）されその放出面１０３から延びているフィールドエミッタ突起１０４のアレイと、フィールドエミッタ突起１０４を覆うよう放出面１０３上に密閉配置された実質的に純粋なホウ素層１１０と、を備えている。この構成を有するフォトカソード１００は、適正に配置され適切な電界ＥＦにさらされているとき、被照明面（上面）１０２を介しシリコン基板１０１に進入した光子Ｐが吸収され、それにより生じた光電子ＰＥが放出面１０３を介し放出される点で、従来型フォトカソードと同様に動作する。本発明のある態様では、電界ＥＦが存在しているときにフィールドエミッタ突起１０４がフィールドエミッタアレイ（ＦＥＡ）として機能するよう放出面１０３を可動作的に構成することで、基板１０１内で生じた所与光電子ＰＥが放出面１０３から放出されることとなる確率を大きく高める。他の態様では、ホウ素層１１０の働きでフィールドエミッタ突起１０４を酸化から保護することで、フォトカソード１００の高信頼長期動作を実現する。更に、本発明の発明者の知見によれば、ホウ素は低エネルギ電子にとり実質的に透明であり、従ってホウ素はシリコンベースのフォトカソード向けの理想的な密閉封止素材となる。
【００３２】
ある実際的実施形態では、好ましくも、約１０１９ｃｍ−３未満のドーピングレベルひいては約０．００５Ωｃｍ以上の比抵抗を呈するようｐ型ドーピングされた（即ちｐ型ドーパント１０８を含む）単結晶シリコン（即ちシリコンの単一結晶）を用い、シリコン基板１０１を実現する。ドーパント濃度が高まるにつれ少数キャリアの寿命及び拡散距離が縮まるので、シリコンが非常に薄く例えば約１μｍ未満の薄さであるときには約１０１９ｃｍ−３超のドーパント濃度を用いうるのに対し、シリコンが約１μｍ超の厚みであるときには、約１０１９ｃｍ−３未満のドーパント濃度が好適となりうる。他の実施形態では、シリコン基板１０１を多結晶シリコン即ち複数結晶シリコンで構成する。フォトカソードの想定動作波長域を踏まえ、シリコンの厚みを約１０ｎｍ〜約１００μｍにするとよい。シリコン基板１０１は約１．１ｅＶのバンドギャップを呈するので、その真空波長が約１．１μｍ未満の光が吸収される。この１．１ｅＶはシリコン基板１０１の間接バンドギャップであるので、スペクトラムの赤色部及び赤外部内波長の吸収が弱い。シリコン基板１０１には約３．５ｅＶの直接バンドギャップもあるので深ＵＶ波長が強く吸収される。フォトカソード１００の想定用途を踏まえシリコン基板１０１の厚みＴ１は約２０ｎｍ〜約１００μｍの範囲内とする。例えば、スペクトラムの赤外部内の光子の高確率吸収を実現すべくシリコン基板１０１を約１０μｍ又は数十μｍの厚みＴ１で以て形成する。或いは、ＵＶ波長を吸収させるべくシリコン基板１０１を数十ｎｍ〜約１００ｎｍの範囲内の厚みＴ１で以て形成する。ある実際的実施形態では、シリコン基板１０１の厚みＴ１を約１μｍとすることで、真空ＵＶから可視スペクトラムの赤色端付近たる約６７０ｎｍに至る波長域に亘り未反射入射光子のうち少なくとも８５％を吸収させる。シリコン基板１０１が単結晶（単一結晶）構造を有しており、その単結晶構造が既知技術を用い極低結晶欠陥密度及び高純度で以て成長されている場合、シリコン基板１０１内で生じた光電子の潜在寿命は数十又は数百μｓｅｃ（μｓ）となる。加えて、その単結晶構造によって光電子の余剰エネルギがかなり失われ、それら光電子が部分的に又は実質的に低再結合確率で以て熱平衡化される。
【００３３】
ある好適な現実的実施形態では、フィールドエミッタ突起１０４がシリコン基板１０１上に標準的なＣＭＯＳ製造技術を用い作り込まれる。各フィールドエミッタ突起１０４は、放出面１０３に一体連結された比較的幅広な基部１０５を有するものとし、放出面１０３より上方、少なくとも１００ｎｍの高さ方向距離Ｈ１に亘り、比較的幅狭な先端（自由端）部分１０６まで延ばす。ある実施形態では、最適なフィールドエミッタ動作を実現すべく、各フィールドエミッタ突起１０４の基部１０５の最小直径／幅寸法Ｄ１を約１００ｎｍとし、先端部分１０６の最大直径／幅寸法Ｄ２を２００ｎｍ、より好ましくは約１００ｎｍ以下とする。製造中には、二酸化シリコン又は窒化シリコンをマスク素材として用いること及びＰＥＣＶＤ等によって堆積させることができ、またフォトリソグラフィを用いパターニングすることができる。ドライエッチング（例えばＲＩＥ、ＩＣＰ及びＥＣＲ），ウェットエッチングのどちらを用いても、フィールドエミッタ突起が二次元的周期性パターンをなして並ぶアレイ（例．後述の図２Ｂに示すそれ）を形成することができる。フィールドエミッタ特性に影響を及ぼす重要なパラメタの一つはエミッタ突起１０４間の間隔（ピッチ）Ｐである。既知の通り、エミッタを密配置するとスクリーニング効果によって電界増強因子が抑制され、個別エミッタ間の電界浸透が不十分になる。従って、電界遮蔽効果を軽減し且つ電界放出電流密度を最適化するには、垂直配向エミッタ間距離をそれらの高さの約２倍〜約２０倍とすべきである（例えば非特許文献３参照）。例えば、フィールドエミッタ突起の定格高さＨ１が５００ｎｍに等しいのであれば間隔Ｐを約１μｍ〜約１０μｍとすべきである。
【００３４】
本発明の他の態様では、ｐｎダイオードと同じく逆バイアスモードで動作し、エミッタ表面における強電界によって空乏層が生じるよう、フィールドエミッタを構成する。この実施形態では、フィールドエミッタ突起１０４の先端近傍領域に、それら突起形成の前又は後にｎ型ドーパント（例えば燐又はヒ素）をドーピングするのがよい。電界放出が生じるのは、印加電界が十分に強いためシリコン対真空界面上の電位障壁が下がっていて、電子がその障壁をトンネリングで抜けられるときである（量子力学的トンネリング）。半導体では電子濃度が局所ドーピングレベル及び電位により決まるので、フィールドエミッタを逆バイアスモードに設定することができる。放出電流密度は、それらフィールドエミッタによる電界増強因子を勘案した修正版ファウラーノルドハイム理論により推定することができる。
【００３５】
本発明の他の態様では、ホウ素層１１０を、放出面１０３上に直接配置された実質的に純粋なホウ素で以て構成することで、フィールドエミッタ突起１０４のうち少なくとも先端部分１０６を密閉封止する。本願で用いられている語句「実質的に純粋なホウ素」はその純度が９５％以上のホウ素という意味であり、語句「上に直接」の趣旨は、ホウ素対シリコン界面との絡みでは、Ｓｉ対Ｂ界面にまま生じるＳｉＢｘ薄層（即ち数個の単分子層）を除けば、フィールドエミッタ突起１０４の放出面とホウ素層１１０とを隔てる連続的な介在層（例．酸化物又はＳｉＮｘ層）が存在していない、という意味である。更に注記すべきことに、語句「上に直接」は、ホウ素層１１０の形成に先立ち又はそのさなかに不測に形成される等して、ホウ素及びシリコンの諸部分間に不連続な酸化物分子群又はパッチ群が存在することを、排除するものではない。ある実施形態では、実質的に純粋なホウ素層１１０を、清浄で滑らかなシリコン上に、高温（即ち約５００℃超、好ましくは約６００℃〜８００℃間の温度）で、非特許文献４により教示される技術を用い成長させることで、ホウ素により、ピンホールフリーでその厚みＴ２が約１ｎｍ〜５ｎｍ、好ましくは約２〜３ｎｍの範囲内の被覆を形成する。Ｓａｒｕｂｂｉ  ｅｔ  ａｌ．が非特許文献４の第１６３頁にて説明している通り、重要なのは、湿式洗浄及びそれに続くインサイチューな熱水素洗浄等によってシリコンから全ての自然酸化物を除去した上で、ホウ素を堆積させることである。ホウ素の低温堆積も可能ではあるが、被覆があまり均一にならない可能性があり、また確とピンホールフリーにするには２ｎｍ超の厚手被覆が必要になろう。実質的に純粋なホウ素層１１０をこうした要領で形成することの利点の一つは、もたらされるピンホールフリーなホウ素被覆が清浄なシリコン表面に付着してハーメチックシール（密閉封止材）として働き、その下側にあるシリコン表面上での自然酸化物の形成が防がれることである。本願で用いられている語句「密閉配置された」は上述した要領でホウ素層１１０が形成されることを意味しており、語句「少なくとも先端部分上」は、密閉配置されたホウ素被覆が各フィールドエミッタ突起１０４に沿い先端部分１０６から少なくとも距離Ｈ２、即ち総突起高Ｈ１の少なくとも１０％に当たる距離Ｈ２に亘り延びていることを意味している。ある好適実施形態では、放出面１０３全体を覆うようにホウ素層１１０が密閉配置される。上述の通り、二酸化シリコン層のバンドギャップは広いので、薄い層であっても、電子の大部分がシリコンから脱出することを阻止することができる。即ち、ホウ素層１１０があるため低エネルギな電子でも動作中に先端部分１０６から去ることができる。従来デバイスでは低仕事関数アルカリ金属又はアルカリ金属酸化物素材、例えばセシウム又は酸化セシウムの使用を避けにくかった。本件技術分野にて既知の通り、アルカリ金属層によってフォトカソードの放出面に負電子親和力デバイスを形成することで、その放出面の仕事関数を下げることができるが、ある程度の使用時間を経た後は、アルカリ金属が放出面から去るにつれこの層が薄くなる。実質的に純粋なホウ素層１１０を放出面１０３上��密閉配置することによってフォトカソード１００にもたらされるフィールドエミッタアレイにより、この制限が迂回されると共に、先の尖ったフィールドエミッタ突起１０４により、電界増強及び放出電流増大が実現される。加えて、従来デバイスでは、そのシリコン層が被覆時に酸化物フリーであっても、シリコンと低仕事関数素材との間に二酸化シリコン界面層が形成されることを避けにくかった。即ち、不浸透性でピンホールフリーな保護層がシリコン上に存在していない場合、いずれは酸素がシリコン表面へと移動して酸化物層が形成されることとなろう。密閉配置された実質的に純粋なホウ素層１１０を放出面１０３上に設けることの利点は、極薄（例．１ｎｍ）のピンホールフリーなホウ素層でさえも酸素に対しては不浸透性でありシリコンが酸化から守られる点にある。密閉配置されたほぼ純粋なホウ素層１１０を放出面１０３上に１ｎｍ〜５ｎｍの範囲内の厚みで以て設けることの他の利点は、シリコン対ホウ素界面における界面トラップ及び欠陥の密度が通常はシリコン対二酸化シリコン界面でのそれより低いため、実質的に純粋なホウ素層１１０が電子のうちその放出が可能になる前に表面での再結合により失われる部分を減らすようにも働く点にある。
【００３６】
ある代替的具体的実施形態では、フィールドエミッタ突起１０４が様々な幾何学的形態、例えば丸み付のひげ、丸み付の円錐又はピラミッドを用い実現され、それらが二次元的周期性パターンをなし放出面１０３上に配列される。
【００３７】
図２Ａ及び図２Ｂに、平坦な入射面（上面）１０２Ａを有する基板１０１Ａと、その裏面たる放出面１０３Ａ上に一体形成されたピラミッド状のフィールドエミッタ突起１０４Ａのアレイと、上述の要領で放出面１０３Ａ上に密閉配置された実質的に純粋なホウ素層１１０Ａと、を備えるフォトカソード１００Ａを示す。各フィールドエミッタ突起１０４Ａはピラミッド状構造を構成しており、その構造に備わる４個の傾斜壁が比較的幅広な固定部分（基部）１０５Ａから比較的幅狭な先端（自由端）部分１０６Ａへと延びている。ある実施形態では、シリコン基板１０１を異方性エッチングすることによって、好ましいことに、そのエッチングプロセスにより形成されるフィールドエミッタ突起１０４Ａの傾斜角αが５４．７°付近となるよう、ピラミッド状フィールドエミッタ突起１０４Ａが実現される（即ち、この傾斜角が単結晶シリコンにおける（１００）面・（１１１）面間交差角に相当しているためである）。隣り合うピラミッド状フィールドエミッタ突起１０４Ａが比較的平坦な放出面（下面）１０３の狭隘部分によって分離されている様子を示したが、実施形態によっては、シリコンを更にエッチングして隣り合うピラミッド状構造の周縁部同士を接触させる（即ち放出面１０３Ａのほぼ全てをフィールドエミッタ突起１０４Ａで構成する）ことで、それらの狭隘平坦部分が除かれることもある。図２Ｂに示したフィールドエミッタ突起のアレイは正方形グリッド上に配置されているが、それら突起を他のパターンのグリッド、例えば六角形グリッド上に所在させることもできる。
【００３８】
図３に、平坦な入射面（上面）１０２Ｂを有する基板１０１Ｂと、その裏面たる放出面１０３Ｂ上に一体形成された隙間付フィールドエミッタ突起１０４Ｂのアレイと、放出面１０３Ｂ上に密閉配置された実質的に純粋なホウ素層１１０Ｂと、を備えるフォトカソード１００Ｂを示す。この実施形態では、フィールドエミッタ突起１０４Ｂが、ほぼ円形の基部１０５Ｂと、放出面１０３Ｂから遠ざかり丸み付の先端部分１０６Ｂに向かい外方に延びるほぼ円筒状の中葉部と、を有する丸み付のひげとして形成されている。ある代替的実施形態では、突起１０４Ｂのうちほぼ円筒状の中葉部に角度を付けることで丸み付円錐状構造、好ましくは０°又は近０°半角を有するそれを形成することができる。既知の通り、丸み付のひげ又は丸み付の円錐であり近０°半角を有するものでは、丸み付の円錐又はピラミッドであり０°超の半角を有するものに比べ強力な電界増強が実現される（例えば非特許文献５を参照）。いわゆる当業者にとり既知のドライエッチング技術例えばＲＩＥ、ＥＣＲ及びＩＣＰを利用し丸み付ひげ状のフィールドエミッタ突起１０４Ｂを製造することが可能である。
【００３９】
図４Ａ〜図４Ｆに、本発明の様々な代替的実施形態に係る特徴的なフォトカソードとして、上述した特徴的フォトカソード構造の有益品質を更に増強すべく付加的な諸層及び諸構造が利用されているものを示す。図示した例示的実施形態は網羅を意図したものではなく、これから述べる付加的な層及び構造の組合せを備えるフォトカソードを実現可能であることを、理解されたい。
【００４０】
図４Ａに、平坦な入射面１０２Ｃを有するシリコン基板１０１Ｃと、その裏面たる放出面１０３Ｃ上に配置されたフィールドエミッタ突起１０４Ｃのアレイと、フィールドエミッタ突起１０４Ｃを覆うよう放出面１０３Ｃ上に配置されたホウ素層１１０Ｃと、を備えるフォトカソード１００Ｃの断面を示す。フォトカソード１００Ｃが上述実施形態と異なる点は、連続的なゲート又は制御電極１２０Ｃがフィールドエミッタ突起１０４Ｃの先端部分１０６Ｃとほぼ同じ高さに置かれ、誘電体構造１２１Ｃを介し放出面１０３に取り付けられている点にある。基板に対し約１０Ｖ〜１００Ｖの制御電圧を用いゲート１２０Ｃを動作させることで、動作中のフィールドエミッタ突起１０４Ｃからの放出電流に対する迅速且つ正確な制御を達成することができる。基板１０１Ｃに比し正の抽出電圧をゲート１２０Ｃに印加することで放出を増強することができ、必要ならその基板に比し負の電圧を印加することで放出を抑制することができる。ゲート１２０Ｃ及び誘電体構造１２１Ｃからなるゲート層は標準的なＣＭＯＳ製造技術で製造可能である。図示実施形態ではゲート１２０Ｃがトライオード型の構成で形成されている（即ち全てのゲート１２０Ｃが単一のゲート層内に位置している）。他の実施形態（図示せず）では２個以上のゲート層が利用されることもありうる。
【００４１】
図４Ｂに、平坦な入射面１０２Ｄを有するシリコン基板１０１Ｄと、その裏面たる放出面１０３Ｄ上に配置されたフィールドエミッタ突起１０４Ｄのアレイと、フィールドエミッタ突起１０４Ｄを覆うよう上述した要領で放出面１０３Ｄ上に配置された（第１）ホウ素層１１０−１Ｄと、を備えるフォトカソード１００Ｄを示す。それに加え、フォトカソード１００Ｄは、シリコン基板１０１Ｄの上向きの入射面（被照明面）１０２Ｄ上に形成された第２ホウ素層１１０−２Ｄを備えている。ホウ素層１１０−１Ｄ及び１１０−２Ｄは、いずれも、ホウ素層１１０（図１参照）の形成との関連で上述した技術を用い基板１０１Ｄ上に形成されている。ホウ素は確かにＵＶ波長を吸収するが、形成する第２ホウ素層１１０−２Ｄの厚みＴ３を約５ｎｍ以下とすることにより、入射光子の小部分しか吸収されなくなる。更に、ホウ素はシリコンにおいてはｐ型ドーパントであるから、第２ホウ素層１１０−２Ｄが存在することで光電子が被照明面１０２Ｄから遠ざけられる傾向が生じる余地があり、被照明面１０２Ｄにて電子が再結合する蓋然性がその作用で低下する分、フォトカソード１００Ｄの効率が改善される。同様の結果は、表面１０２Ｄに非常に浅い層の態でｐ型ドーパントをインプラントすることでも得られる。これを踏まえ、ある代替的実施形態（図示せず）では、被照明面１０２Ｄを残留ホウ素フリーとし、ホウ素（その他のｐ型ドーパント）をシリコン基板１０１Ｄ内に向かい被照明面１０２Ｄの下方にインプラントし又は拡散させる。即ち、ホウ素層１１０−２Ｄの働きにより被照明面１０２Ｄ上での酸化物の形成を妨げうるものの、被照明面１０２Ｄ上に酸化物被覆が存在していてもフォトカソード１００Ｄの量子効率が大きく劣化するとは限らないし、酸化物の厚みの適正選択で以て、注目波長における被照明面１０２Ｄの反射率を有効に低下させることが可能である。
【００４２】
図４Ｃに、平坦な入射面（被照明面）１０２Ｅを有するシリコン基板１０１Ｅと、その裏面たる放出面１０３Ｅ上に配置されたフィールドエミッタ突起１０４Ｅのアレイと、フィールドエミッタ突起１０４Ｅを覆うよう放出面１０３Ｅ上に配置された下側（第１）ホウ素層１１０−１Ｅと、被照明面１０２Ｅ上に配置された上側（第２）ホウ素層１１０−２Ｅと、を備え、それら全てが上述の要領で形成されているフォトカソード１００Ｅを示す。フォトカソード１００Ｅが上述実施形態と異なる点は、上側ホウ素層１１０−２Ｅ上に配置された１個又は複数個の抗反射被覆層１１２Ｅが更に備わる点にある。ある例示的具体的実施形態では、抗反射被覆層１１２Ｅが、ＵＶ及び深ＵＶ抗反射層向けに有用な素材、例えば（これに限られるものではないが）二酸化シリコン、窒化シリコン、フッ化マグネシウム及び二酸化ハフニウムを用い形成される。高い量子効率がＵＶ波長にて求められるフォトカソードについては、ＵＶ光子が被照明面付近で吸収されることから、被照明面及びその付近における捕獲電荷及び欠陥の密度を低く保つ必要がある。上述の通り、何であれ誘電体素材をシリコン基板の被照明面上に直に被せると、その誘電体のバルク内及び表面に欠陥及び捕獲電荷が生じ、フォトカソードの量子効率、特に表面付近で吸収される深ＵＶ波長についての量子効率が劣化することとなろう。薄いピンホールフリー層（例．約２ｎｍ〜５ｎｍ）たる上側ホウ素層１１０−２Ｅをまず形成することにより、被照明面１０２Ｅが本質的に欠陥フリー且つ捕獲電荷フリーに保たれ、フォトカソード１００Ｄが、抗反射被覆層１１２Ｅによってもたらされた、優れて高い量子効率を呈することになる。また、上側ホウ素層１１０−２Ｅによって、シリコン基板１０１Ｅを、抗反射被覆層１１２Ｅを覆うよう配置されたあらゆる付加層内の捕獲電荷から、少なくとも部分的に遮蔽することができる。
【００４３】
図４Ｄに、平坦な入射面（被照明面）１０２Ｆを有するシリコン基板１０１Ｆと、その裏面たる放出面１０３Ｆ上に配置されたフィールドエミッタ突起１０４Ｆのアレイと、フィールドエミッタ突起１０４Ｆを覆うよう放出面１０３Ｆ上に配置された下側（第１）ホウ素層１１０−１Ｆと、被照明面１０２Ｆ上に配置された上側（第２）ホウ素層１１０−２Ｆと、を備え、それら全てが上述の要領で形成されているフォトカソード１００Ｆを示す。フォトカソード１００Ｆが上述実施形態と異なる点は、フォトカソード１００Ｆが導電構造１１５−１Ｆ及び１１５−２Ｆを備え、それらがそれぞれ基板１０１Ｆの別の側に配置されており、それらを適切な外部電圧源１３０Ｆに接続することでシリコン基板１０１Ｆをまたいだ外部電位差の印加が可能で、ひいてはシリコン基板１０１Ｆ内で生じた光電子をフォトカソード１００Ｆの動作中に優先的に放出面１０３Ｆへと移動させうることにある。ある代替的具体的実施形態では、導電構造１１５−１Ｆ及び１１５−２Ｆが、基板１０１Ｆの周縁部を巡り配置された金属ボーダか、下側ホウ素層１１０−１Ｆ上及び上側ホウ素層１１０−２Ｆ上にそれぞれ配置された粗配置金属グリッドを備え、それらによって基板１０１Ｆの表裏両面への良好な電気的接続が確保される。基板１０１Ｆを形成している高濃度ドープドシリコンは弱導電体であるので、被照明面１０２Ｆ・放出面１０３Ｆ間に適切な電位差（例．約５Ｖ未満）を発生させることは、放出面１０３Ｆを通る強い光電子流を発生させるのに役立つ。
【００４４】
図４Ｅに、平坦な入射面（被照明面）１０２Ｇを有するシリコン基板１０１Ｇと、その裏面たる放出面１０３Ｇ上に配置されたフィールドエミッタ突起１０４Ｇのアレイと、フィールドエミッタ突起１０４Ｇを覆うよう放出面１０３Ｇ上に配置された下側（第１）ホウ素層１１０−１Ｇと、被照明面１０２Ｇ上に配置された上側（第２）ホウ素層１１０−２Ｇと、を備え、それら全てが上述の要領で形成されているフォトカソード１００Ｇを示す。フォトカソード１００Ｇが先の実施形態と異なる点は、既知技術を用いシリコン基板１０１Ｇを処理することでｐドープド領域１０１Ｇ−Ｐ及びｎドープド領域１０１Ｇ−Ｎが作り込まれ、それらドープド領域が、被照明面１０２Ｇ全体がｐドープド領域１０１Ｇ−Ｐ上に位置し（フィールドエミッタ突起１０４Ｇを含め）放出面１０３Ｇ全体がｎドープド領域１０１Ｇ−Ｎ上に位置するよう構成されていることにある。ｐドープド領域１０１Ｇ−Ｐがｎドープド領域１０１Ｇ−Ｎに基板１０１Ｇ内で接することでｐｉｎフォトダイオード構造が形成されること、並びにｎドープド領域１０１Ｇ−Ｎの働きでフォトダイオード１００Ｇの動作中にフィールドエミッタ突起１０４Ｇによりｎ型シリコンフィールドエミッタが実現されることに留意されたい。加えて、図４Ｄを参照して上述したそれに類する導電構造１１５−１Ｇ及び１１５−２Ｇを利用することで、基板１０１Ｇの表裏両面に対する外部電圧源１３０Ｇの良好な電気的接続を確保することができる。この構成では、電圧源１３０Ｇによって被照明面１０２Ｇ・放出面１０３Ｇ間に高電圧（例．数十〜数百Ｖオーダのそれ）が印加されたときに、それらｎ型シリコンフィールドエミッタ及びｐｉｎフォトダイオード構造がアバランシェ増倍条件にて動作する。このアバランシェの利得によって有効量子効率が増強されるためフォトカソード１００Ｇの性能が改善される。
【００４５】
図４Ｆに、平坦な入射面（被照明面）１０２Ｈを有するシリコン基板１０１Ｈと、その裏面たる放出面１０３Ｈ上に配置されたフィールドエミッタ突起１０４Ｈのアレイと、フィールドエミッタ突起１０４Ｈを覆うよう放出面１０３Ｈ上に配置された下側（第１）ホウ素層１１０−１Ｈと、被照明面１０２Ｈ上に配置された上側（第２）ホウ素層１１０−２Ｈと、を備え、それらが全て上述の要領で形成されているフォトカソード１００Ｈを示す。フォトカソード１００Ｈが先の実施形態と異なる点は、ｐ型ドーパント及びｎ型ドーパントが被照明面１０２Ｈ及び放出面１０３Ｈのうち一方又は双方から基板１０１Ｈ内へと拡散されており、その拡散が、シリコン表面の近くでは比較的高いドーピング濃度、同表面から遠くでは比較的低いドーピング濃度を呈する傾斜ドーピング部１０１Ｈ−１及び１０１Ｈ−２が生じる要領で行われていることにある。傾斜ドーピング部１０１Ｈ−１及び１０１Ｈ−２は、シリコン基板１０１Ｈ内で生じた光電子を突起１０４Ｈの先端１０６Ｈ方向に差し向ける（付勢する）よう構成されている。図示実施形態では、被照明面１０２Ｈ・上側ホウ素層１１０−２Ｈ間に薄いケイ化ホウ素層１２７Ｈを形成することによって傾斜ドーピング部１０１Ｈ−１が生成されている。こうした構成では、幾ばくかのホウ素をケイ化ホウ素層１２７Ｈからシリコン基板１０１Ｈ内へと被照明面１０２Ｈ越しに拡散させることで、基板１０１Ｈ内で被照明面１０２Ｈから離れた位置にある部分よりも被照明面１０２Ｈ付近の部分でそのｐ型ドーパント濃度が高いｐ型傾斜拡散領域１０１Ｈ−１が形成されているため（図中の陰影付エリア）、電子を被照明面１０２Ｈから退け基板１０１Ｈ内に追いやる傾向の電位勾配が発生する。本発明の実施形態のうち被照明面上にホウ素層がない実施形態では、ｐ型ドーパント例えばホウ素を被照明面からシリコン内にインプラントし又は拡散させることで、傾斜拡散領域１０１Ｈ−１を発生させることができる。同様に、極薄の（１個又は複数個の単分子層たる）ケイ化ホウ素層１２８Ｈをフィールドエミッタ突起１０４Ｈの先端部分１０６Ｈと下側ホウ素層１１０Ｈ−１との間に形成することで、幾ばくかのホウ素をシリコン内に短距離拡散させて傾斜拡散領域１０１Ｈ−２を形成することができる（陰影により示す）。ある実施形態では、傾斜拡散領域１０１Ｈ−２を構成すべくシリコン内に他のｐ型又はｎ型ドーパントをインプラントすることで、突起１０４Ｈの先端部分１０６Ｈ付近における電界勾配を修飾することができる。
【００４６】
図５は、上述実施形態に従い形成された特徴的フォトカソード例の電子電界放出を描いたエネルギダイアグラム例である。縦方向はエネルギを表している。なお、この図は等尺図ではなく歪んでおり、フォトカソードの主要側面をより明瞭に示すため幾つかの側面が強調されている。破線４０２はこのフォトカソードにおけるフェルミ準位を表している。線４０３はこの半導体における価電子帯の上縁を表している。線４０４は伝導帯の下縁を表している。伝導帯の下縁と価電子帯の上縁の差分がバンドギャップと呼ばれている。シリコンではバンドギャップが約１．１ｅＶであるが、ドーパント濃度が高い場合はより小さくなる。一点鎖線４０５は真空のエネルギ準位を表している。真空領域内にある小点破線４０６は、アノード（図示せず）が遠距離、例えば数μｍ超の距離に所在しているフィールドエミッタについての電位分布を表している。フィールドエミッタ突起の先端の位置は符号４１２によって示されている。
【００４７】
フォトカソードの被照明面（図示せず）は、ホウ素の直接的なドーピングによって、表面ホウ素被覆（存在していても数ｎｍ厚に過ぎないため図示せず）からのホウ素の拡散によって、或いは両者の組合せによって、高濃度ｐドーピングされている。その面付近が高濃度ｐ型ドーピングされているためフェルミ準位は価電子帯上縁のすぐ上となる。例えば、高濃度ホウ素ドーピングの場合、フェルミ準位・価電子帯上縁間ギャップは約０．０５ｅＶ以下といった小ささになりうる。その面から遠ざかるにつれドーパント濃度が低下し、それにつれフェルミ準位・価電子帯上縁間ギャップが大きくなるので、矢印４２０で示す通り、その面から遠いところでは伝導帯及び価電子帯が下向きに曲がっている。
【００４８】
光子吸収によって自由電子が生じる際、その電子は伝導帯に存在しているはずである。この電子が生成当初に有しているエネルギは光子エネルギ・バンドギャップ間差分にほぼ等しい。普通、シリコンでは余剰エネルギが速やかに失われるため、この電子のエネルギは伝導帯下縁付近に速やかに到達する。伝導帯の下方傾斜が被照明面付近にあるため、被照明面付近で生じたいずれの電子も速やかにその面から離れるであろうから、シリコンの被照明面上又はその付近に存するいずれかの欠陥でその電子が再結合することは起こりにくい。深ＵＶ光子はシリコンの被照明面から数ｎｍ以内で非常に吸収されやすいので、その面付近のこうしたドーパントプロファイルによって、深ＵＶ波長におけるフォトカソードの量子効率を高めることができる。
【００４９】
シリコンフィールドエミッタからの電界放出については、周知のファウラーノルドハイムトンネリングによって記述することができる。エミッタ先端の局所電界は電界増強因子により印加電界に比べ増強されている。外部電界が半導体内に浸透するにつれ近表面領域におけるキャリア濃度が変化し、符号４２２により示す如く伝導帯４０４，価電子帯４０３がエミッタ表面にて曲がる。
【００５０】
伝導帯が十分なエネルギによって曲げられた場合、伝導帯４０４の下縁がフェルミ準位４０２より下に入り込み、４２３に示したディップ内に電子が集まる。その電子群の最高充填準位はフェルミ準位４０２と一致し、半導体バルク内を通じ一定に保たれる。外部電界により、電子を加速されつつフォトカソード表面４１２に向かい移動させ、高い脱出確率を呈するのに十分なエネルギで以て電子を表面４１２に到達させることができる。
【００５１】
静電付勢電界が例えば１０７Ｖ／ｃｍといった強電界である場合、ｐ型フィールドエミッタの伝導帯はその表面にて縮退することとなり、フェルミ準位４０２がエネルギギャップの中葉に位置する空乏領域が内部のｐ型と表面のｎ型との間に生じる。ひいては、逆バイアスｐｎ接合の場合と同じく、同領域における電子及び正孔の密度が最低になる。
【００５２】
シリコンベースの従来型フォトカソードでは、そのシリコン表面上に薄い酸化物層が大抵存在する。この酸化物は、約２ｎｍ厚しかないが、脱出目前のどの電子にとっても大きな障壁となる。二酸化シリコンのバンドギャップは約８ｅＶである。こうした大きなバンドギャップは、シリコン内伝導帯よりも数ｅＶ高い伝導帯内局所ピークを発生させる。フォトカソードの表面上のホウ素層によって、酸素や水がシリコン表面に到達することが阻止され、酸化物層の成長が妨げられるので、高効率なフォトカソードが実現される。
【００５３】
図６Ａ〜図６Ｃは代替的具体的実施形態に係る様々なセンサ構造を示す概略断面図であり、図中の各センサ実施形態は、上述実施形態のうち少なくとも１個に係る特徴的フォトカソード構造を有し、ひいては半導体検査システム等で利用しうる秀逸な弱光感知能力を有するセンサを提供している。図６Ａ〜図６Ｃに示したセンサ構造概要はＥＢＣＣＤ型センサに沿っているが、ご理解頂けるように、図示されているセンサ構造は他のセンサ構造（例．イメージインテンシファイア及び光電子増倍管型センサ）にも遜色なく適用できる。
【００５４】
図６Ａに、本発明の第１センサ実施形態に係るセンサ２００Ａの断面を示す。センサ２００Ａは、大略、上述のシリコンフォトカソード１００と、検出デバイス２１０（例．ＣＣＤ型又はＣＭＯＳ型イメージセンサ）と、検出デバイス２１０の検出面２１２がフォトカソード１００の下側ホウ素層１１０から介在ギャップ領域２０６によって分離されるようフォトカソード１００・検出デバイス２１０間を可作動連結するハウジング２０２Ａと、を備えている。フォトカソード１００は、センサ２００Ａの受光面２０３Ａに対し近隣配置されると共に、被照明面１０２が検出デバイス２１０とは逆を向くよう配列されているので、フォトカソード１００は、輻射（例．光子Ｐ）を受け取ること及び光電子ＰＥを介在ギャップ領域２０６をまたぎ検出デバイス２１０へと放出することができる向きとなる。図１を参照して上述した通り、フォトカソード１００には、（例．単結晶）シリコン基板１０１の放出面（第２面）１０３上に一体形成されたエミッタ突起１０４と、放出面１０３上に配置された（第１）ホウ素層１１０とが備わるという特徴がある。大抵のＣＣＤ型及びＣＭＯＳ型イメージセンサデバイスと同じく、検出デバイス２１０は、光電子ＰＥを検出する感知構造と、光電子の検出に応じ（例．１本又は複数本の出力ピン２１７を介し）電気信号Ｓを生成する回路とを備えている。
【００５５】
図示実施形態のある態様では、フォトカソード１００が非導電性又は高抵抗性のガラス又はセラミクス窓２０４Ａに対し密閉封止例えば接合され、ハウジング２０２Ａの側壁及びその他の部分の連携で、その内部が脱気された外被が形成される（即ちギャップ領域２０６が真空で以て基本的に満たされる）。ある具体的実施形態では、フォトカソード１００の縁を巡り配置された二酸化シリコン層によって窓２０４Ａ・フォトカソード１００間接合が形成される。ある実施形態では、フォトカソード１００のシリコン基板１０１が数十μｍ〜数百μｍ厚とされよう。そうした厚みなら、十分な強さがあるため、フォトカソードの頂部に窓が全くなくても、大気圧による外部からの力に耐えることができる。窓２０４Ａの形成に好適に利用できる素材としては、熔融シリカ、石英、アルミナ（サファイア）、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム等がある。
【００５６】
第１センサ実施形態のもう一つの態様では、センサ２００が導電構造（例．図２Ｅ及び図２Ｆを参照して上述したグリッド構造に類するもの）を備え、相応な電源２２０をセンサ２００Ａに可作動結合させたときにフォトカソード１００・検出デバイス２１０間に電界が生じるようその導電構造をフォトカソード１００及び検出デバイス２１０上又はその近隣に可作動配置し、フォトカソードから放出された電子１１２をその電界の働きでギャップ領域２０６内へと加速し検出デバイス２１０へと向かわせる。ある実施形態では、図２Ｅ及び図２Ｆを参照して先に説明した通り、フォトカソード１００の放出面１０３が第２の電圧源（図示せず）によって被照明面１０２に対し正電位に保たれる。電子がフォトカソード１００によって放出されるのは輻射（光子）が吸収されたときであり、ギャップ領域２０６内に放出された光電子は検出デバイス２１０の方へと加速されていく；これは、フォトカソード１００が電圧源２２０によって検出デバイス２１０に対し負電位に保たれているためである。好適実施形態では、電圧源２２０により生成される電位差が約１００Ｖ〜約１５００Ｖの範囲内とされよう。
【００５７】
図６Ｂに、第２センサ実施形態に係るセンサ２００Ｂとして、フォトカソード１００Ｄと、（第２）シリコン基板２１１Ｃ上に形成された検出デバイス２１０Ｂ（例．ＣＣＤ型又はＣＭＯＳ型イメージセンサ）と、検出デバイス２１０Ｂからフォトカソード１００Ｂまでの距離を一定に保つハウジング２０２とを、備えるものを示す。図４Ｄを参照して上述した通り、フォトカソード１００Ｄは、シリコン基板１０１の被照明面（第１面）１０２上に直接配置された第２ホウ素層（第３層）１１０−２と、第２ホウ素層１１０−２上に配置された抗反射素材層（第４層）１１２と、を備えることを特徴としている。この実施形態では、ハウジング２０２Ｂがフォトカソード１００の上方に位置する窓を備えていないため、センサ２００Ｂの受光面２０３Ｂが抗反射素材層（第４層）１１２の外面（上面）によって形成されている。即ち、センサ２００Ｂには、窓による反射又は吸収に起因した損失がない分、窓付のセンサよりも敏感である（即ちより少量の光を検出できる）という長所がある。そのため、センサ２００Ｂは近赤外波長からＸ線波長にかけて割合に高い感度を呈する。
【００５８】
図６Ｃに、第３センサ実施形態に係るセンサ２００Ｃとして、フォトカソード１００と、（第２）シリコン基板２１１Ｃ上に形成されたシリコンベースの検出デバイス２１０Ｃ（例．ＣＣＤ型又はＣＭＯＳ型イメージセンサ）とを備え、その検出デバイス２１０Ｃが図６Ａを参照し上述したそれと同様の要領でハウジング２０２Ｃにしっかり固定されているものを示す。
【００５９】
第３センサ実施形態のある態様では、ハウジング２０２Ｃが、フォトカソード１００を覆うよう配置された上側窓部２０４Ｃと、センサ２００Ｃによる光子捕捉を改善すべく窓２０４Ｃ上に形成された抗反射素材層２０７Ｃとを備える。ある代替的実施形態では、更なる抗反射素材層（図示せず）がフォトカソード１００・窓２０４Ｃ間に配置される（即ち図４Ｄを参照して上述したフォトカソード１００Ｄ等を用いフォトカソード１００が実現される）。
【００６０】
第３センサ実施形態のもう一つの態様では、フォトカソード１００を参照して上述した技術を用いイメージセンサ２１０Ｃの検出面（上面）２１２上に（第３）ホウ素被覆層２１４Ｃを直に形成することで、フォトカソード１００から放出された電子のイメージセンサ２１０Ｃによる効率的吸収を可能にするものがある。好適実施形態では、フォトカソード１００・イメージセンサ２１０Ｃ間ギャップ距離Ｇが約１００μｍ〜約１ｍｍとされる。ホウ素被覆層２１４Ｃの働きでイメージセンサ２１０Ｃの低エネルギ電子向け効率が高まるので、従来デバイスにて通例であったそれに比べ低い加速電圧及び小さいギャップを用いることができる。加速電圧を下げギャップを狭くすることの長所としては、そのセンサの空間分解能が改善され応答時間が縮まる（即ち最高動作周波数が高まる）点がある。シリコンフォトカソード内における光電子の熱平衡化によってもイメージセンサの空間分解能が改善される。
【００６１】
本発明の他種の実施形態に係るウェハ、レティクル又はフォトマスク検査システムは、サンプル／ウェハ上へと光（光子）を送る照明源（例．レーザシステム）と、サンプル／ウェハ内を透過し又はサンプル／ウェハによって反射された光子を上述した本発明のフォトカソードのうちいずれかを利用し検出するセンサ（例．光電子増倍管、イメージインテンシファイア又はＥＢＣＣＤ）と、照明源からサンプル（ウェハ、レティクル又はフォトマスク）へまたそのサンプルからセンサへと光／光子を案内する関連した光学システムと、を備える。それら実施形態の例を図６〜図１０に示す。
【００６２】
図７に、暗視野検査モード及び明視野検査モードを有する検査システム３００Ａの主要構成部材を示す。システム３００Ａにより利用される光学系は、高数値開口大視野対物レンズ１２８と、倍率を設定又は調整するためのチューブレンズ１３９と、上述実施形態のうちいずれかに従い構成されたフォトカソードが組み込まれている検出器２００と、を備えている。暗視野モードにて動作させる場合は、本発明のフォトカソードを検出器２００に組み込み、図６Ａ〜図６Ｃのうちいずれかに示したそれに類する構成のＥＢＣＣＤ又はイメージインテンシファイアの態にする。この検査システムの他態様の更なる子細を特許文献３中に見いだすことができるので、この参照を以てその全容を本願に繰り入れることにする。
【００６３】
図８Ａ〜図８Ｄに、本発明の他の例示的実施形態に従い本発明のフォトカソードが組み込まれた態様の暗視野検査システムを示す。図８Ａ中の検査システム３００Ｂ−１ではライン１８が光１４によって照明されており、その光１４がレンズ又はミラー１２を備える光学系１１を介し検査対象ウェハ又はフォトマスク（サンプル）の表面２０上へと通されている。集光光学系２１は、レンズ及び／又はミラー例えば２２ａ及び２２ｂを用いそのラインからの散乱光をセンサ２００へと差し向ける。その集光光学系の光軸２８はライン１８の照明面から外れている。ある実施形態では、軸２８がライン１８に対しほぼ垂直とされる。センサ２００はアレイセンサ例えばリニアアレイセンサであり、本発明のフォトカソード、例えば図６Ａ、図６Ｂ及び図６Ｃのうちいずれかに示した実施形態に係るそれが組み込まれる。図８Ｂ、図８Ｃ及び図８Ｄに示すのは暗視野集光システムの複数通りの代替的構成であり（順に３００Ｂ−２、３００Ｂ−３及び３００Ｂ−４）、本発明のフォトカソードと併せライン照明例えば図８Ａに示したそれを有する検出器２００が組み込まれている。これら検査システムの更なる子細を特許文献４中に見いだすことができるので、この参照を以てその全容を本願に繰り入れることにする。この参照を以て同じくその全容が本願に繰り入れられる特許文献５にも、未パターニングウェハやパターニング済ウェハの検査に適するライン照明システムが記載されている。
【００６４】
図９に、本発明の他の例示的実施形態に係る特徴的なフォトカソードが組み込まれた未パターニングウェハ検査システム３００Ｃを示す。レーザ１０１４からの光は偏向光学系１０１６、ビーム形成光学系１０２０、並びに転向ミラー例えば１０２２及び１０２４によりウェハ１０１２へと差し向けられる。そのウェハからの散乱光がミラー及びレンズ例えば１０３８及び１０３２によって集められ、上述実施形態のうちいずれかに従い構成されたフォトカソードが組み込まれている検出器２００−１及び２００−２へと送られる。ある実施形態では、検出器２００−１及び２００−２が、本発明のフォトカソードが組み込まれた光電子増倍管を以て構成される。未パターニングウェハ検査システムの更なる子細を特許文献６中に見いだすことができるので、この参照を以てその全容を本願に繰り入れることにする。
【００６５】
図１０に、本発明の他の代替的実施形態に係るフラッド照明ウェハ検査システム３００Ｄを示す。ウェハ（サンプル）の一領域がオフアクシス光源（軸外し光源）によって照明される。そのウェハからの散乱光が集光対物系によって集められ、１個又は複数個のアパーチャ、スプリッタ及び偏光子を通り、その上で、上述実施形態のうちいずれかに従い構成されたフォトカソードが組み込まれている１個又は複数個のイメージセンサ２００−１及び２００−２へと差し向けられる。ある実施形態では、イメージセンサ２００−１及び２００−２が、本発明のフォトカソードが組み込まれたＥＢＣＣＤ又はイメージインテンシファイアを以て構成される。この検査システムの更なる子細を、同一出願人に係り係属中でありＲｏｍａｎｏｖｓｋｙ  ｅｔ  ａｌ．が発明者で「ウェハ検査」(Wafer Inspection)と題する米国特許出願第１３／５４４９５４号（特許文献７として発行）中に見いだすことができるので、この参照を以てその全容を本願に繰り入れることにする。これらの検査システム実施形態では、好ましくは、ウェハを連続的に動かしながら検査が行われる。本発明のこの実施形態にて用いられるイメージセンサには、同一出願人に係り係属中であり「電子衝撃電荷結合デバイス及びＥＢＣＣＤ検出器を用いた検査システム」(Electron-Bombarded Charge-Coupled Device And Inspection Systems Using EBCCD Detectors)と題する米国特許出願第１３／７１０３１５号（特許文献８として発行）、並びに同一出願人に係り係属中であり「パルス照明を用いた移動像の高速捕捉方法及び装置」(Method and apparatus for high-speed acquisition of moving images using pulsed illumination)と題する米国特許出願第１４／０９６９１１号（特許文献９として発行）に記載されている技術のいずれをも、成功裏に組みこむことができるので、この参照を以て両者の全容を本願に繰り入れることにする。
【００６６】
図１１に、本発明の他の代替的実施形態に係るウェハ検査システム３００Ｅを示す。検査システム３００Ｅは図中の光学システムを介し斜行照明及びほぼ垂直な照明を供給する照明サブシステム１１０Ｅを備えており、その光学システムによって散乱光が集められその光が様々なアパーチャ及び偏向ビームスプリッタを介し複数個のセンサ２００−１〜２００−５へと差し向けられており、それらセンサに上述実施形態のうちいずれかに係る本発明のフォトカソードが組み込まれている。ウェハ検査システム３００Ｅ及び他態様のウェハ検査システムの更なる子細、特に本願記載のフォトカソードが組み込まれた検出器を成功裏に使用しうるそれの子細を、「ウェハ検査」(Wafer Inspection)と題しＺｈａｏ  ｅｔ  ａｌ．を発明者とする２０１１年１２月７日付米国特許出願第１３／８２２２８１号中に見いだすことができるので、この参照を以てその米国特許出願を本願に繰り入れることにする。
【００６７】
従来型のイメージインテンシファイア及び電子衝撃ＣＣＤでは、感度・スペクトル帯域幅間で折り合いを付けねばならなかった。最良でも、良好な感度が得られるのはある狭い波長域のみであった。本発明では、シリコンをフォトカソードとして使用可能としているので、より広い波長域に亘り高感度とすることができる。更に、本発明のフォトカソードは高効率で放出電流が大きく、実施形態次第ではイメージインテンシファイア、光電子増倍管及び電子衝撃ＣＣＤを低めの加速電圧で以て動作させうるので、デバイス寿命が延び且つ最高動作周波数及び／又は空間分解能が高まる。
【００６８】
従来型シリコンフォトカソードでは、各表面上にある酸化物層が光電子の脱出を邪魔するため、得られる効率が低かった。シリコンの放出面上にホウ素層を形成することにより、電子がより容易に脱出可能となり、得られる効率がより高くなる。表面上のフィールドエミッタアレイが更にその効率を高める。
【００６９】
本発明のフォトカソードを、ホウ素被覆されたＣＣＤ型又はＣＭＯＳ型イメージセンサと組み合わせたイメージセンサでは、明らかに、フォトカソード内量子効率が高まるだけでなくそのホウ素被覆ＣＣＤの感度が高まる。
【００７０】
本発明のフォトカソードを有する検出器が組み込まれた暗視野検査システムは、従来のイメージセンサや光センサでは実現できなかった高い効率、非常に低いノイズレベル及び高速動作を併せ持つものとなる。
【００７１】
本発明についてある種の具体的実施形態との関連で記述してきたが、いわゆる当業者には明らかになる通り、本発明の特徴的構成は他の実施形態にも遜色なく適用可能であり、それらがいずれも本発明の技術的範囲内に包含されるものと考えられる。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図４Ｆ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７】
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【図８（Ａ）】
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【図８（Ｂ）】
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【図８（Ｃ）】
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【図８（Ｄ）】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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