(57)【要約】  固体デバイス（ＳＳＤ）ベースの電子計数装置のアレイを用いる定量的な二次電子検出（ＱＳＥＤ）が、半導体、ナノ材料、生体試料などの複数の材料に対する臨界寸法計測測定を可能にする（図３）。複数の方法及びデバイスが、多数の固体検出器を含む固体検出器のアレイを用いる二次電子の定量的な検出に効果を奏する。アレイは、複数の固体検出器を用いて多数の二次電子を感知し、計数モードにおける時間／デジタル変換器回路を用いて多数の二次電子をカウントする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
定量的二次電子検出デバイスであって、
多数の二次電子のカウントを集計する回路と、
多数の二次電子のカウントを格納する回路と、
時間／デジタル変換器を有する回路と、
複数の二次電子を分散パターンで前記固体検出器のアレイの上へ引き付ける電子デバイスまたは磁気デバイスと、
固体検出器のアレイと
を備え、
前記固体検出器のアレイは、グリッドを有し、前記グリッドは、
少なくとも４行の固体検出器の複数の行と、少なくとも４列の固体検出器の複数の列と、固体検出器の複数のセルとを含み、
複数の前記固体検出器は、滞留時間にわたって、多数の二次電子を検出及びカウントする、
定量的二次電子検出デバイス。
【請求項２】
前記電子デバイスまたは前記磁気デバイスは、ファラデーケージまたは磁気レンズを有する、請求項１に記載の定量的二次電子検出。
【請求項３】
さらに、前記固体検出器のアレイは、多数の二次電子を検出及びカウントし、前記電子ビームは、標準エミッタと、複数の揮発性試料に適した低電力エミッタと、高電力エミッタとを含む、請求項１に記載の定量的二次電子検出。
【請求項４】
複数の前記固体検出器は、
計数装置内部回路への接続と、
ＰＮ接合と
を有する複数の単独電子検出器である、請求項１に記載の定量的二次電子検出。
【請求項５】
前記固体検出器のアレイは、少なくとも１０００行の固体検出器と、少なくとも１０００列の固体検出器とを含むグリッドである、請求項１に記載の定量的二次電子検出。
【請求項６】
前記ＰＮ接合は、２マイクロ秒に等しいか又はそれより小さい応答時間を有し、
前記アレイは、８１列の前記固体検出器と、８１行の前記固体検出器とを有し、
前記アレイは、毎秒およそ１０００万の電子を放射する電子ビームのためのものである、請求項３に記載の定量的二次電子検出。
【請求項７】
前記複数の単独電子固体検出器は、シリコンダイオード検出器、ＣＭＯＳ検出器、またはＣＣＤ検出器を含む、請求項１に記載の定量的二次電子検出。
【請求項８】
前記固体検出器は、逆バイアスモードにおいて正電位で動作する、請求項１に記載の定量的二次電子検出。
【請求項９】
前記グリッドは、正方形、矩形、菱形、円形、及び楕円を含む前記グループから選択される形状である、請求項１に記載の定量的二次電子検出。
【請求項１０】
既存の二次電子検出器を置換するためのキットをさらに備え、前記キットは、前記固体検出器のアレイからのデータ出力を処理するためのソフトウェアを含む、請求項１に記載の定量的二次電子検出。
【請求項１１】
複数の固体検出器を有する固体検出器のアレイを用いる複数の二次電子の定量的検出のための方法であって、
荷電粒子のビームをターゲット上で走査する段階と、
ファラデーケージを用いて多数の二次電子を引き付ける段階と、
固体検出器のアレイに、多数の二次電子を分配する段階と、
複数の前記固体検出器を用いて前記多数の二次電子を検出し、電流変化及び電圧変化を生成する段階と、
前記電流変化または前記電圧変化の何れか、または前記電流変化及び前記電圧変化の両方を含む前記データを、前記固体検出器のアレイに集計する段階と、
計数モードにおける時間／デジタル変換器回路を用いて前記多数の二次電子をカウントする段階と、
前記カウントを画素に割り当てる段階と、
複数の前記固体検出器をリセットする段階と
を備える
方法。
【請求項１２】
前記固体検出器のアレイを用いて前記多数の二次電子を検出する前記段階は、時間／デジタル変換器回路を用いて前記多数の二次電子をカウントする前記段階の前に、行われる、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
複数のもっと後の段階をさらに備え、前記固体検出器のアレイは、リセットされ、前記方法は、繰り返され、ポアソン統計が前記データに適用される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記多数の固体検出器のうちの１つの固体検出器が、フォトダイオード検出器、ＣＭＯＳ検出器、及びＣＣＤ検出器の前記グループから選択される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
逆バイアスモードにおいて正電位で前記固体検出器を動作させる段階をさらに備える請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
前記検出器は、レンズ、レンズのセット、またはファラデーケージと一体化される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
前記多数の二次電子のうち２つ以上が滞留時間にわたって固体検出器のうち１つに到達する可能性を１０パーセント未満の確率に設定するように、前記固体検出器の滞留時間を設定し、前記多数の固体検出器を調整する段階をさらに備える請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
複数の固体検出器を含む固体検出器のアレイを用いて複数の荷電粒子または電離放射線の検出に関わるノイズを低減するための方法であって、前記電離放射線または前記複数の荷電粒子は、固体検出器のアレイに分配され、
前記複数の固体検出器を用いて電離放射線または複数の荷電粒子を検出する段階であって、パルスが、前記複数の固体検出器に生成され、格納される、段階と、
デジタルデータのストリームを生成する計数モードにおける時間／デジタル変換器回路を用いて電離放射線または複数の荷電粒子をカウントする段階と、
前記デジタルデータのストリームに対してポアソンプロセスの前記適用である段階と、
ポアソンプロセスの複数の結果を集計する段階と、
前記カウントを画素に割り当てる段階と
を備える
方法。
【請求項１９】
前記固体検出器はさらに、単独電子固体検出器または単独光子電離放射線検出器であり、前記時間／デジタル変換器回路は、時間／デジタル変換器のアレイである、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記方法は、前記デジタルデータのストリームを多重化及び逆多重化する段階をさらに備える請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
複数の光子及び複数の粒子のうち少なくとも一方の検出のための定量的検出デバイスであって、
複数の光子及び複数の粒子のうち少なくとも一方のカウントを集計する回路と、
複数の光子及び複数の粒子のうち少なくとも一方の前記カウントを格納する回路と、
時間／デジタル変換器を有する回路と、
物体上の単独スポットから、複数の光子及び複数の粒子のうち少なくとも一方を、前記固体検出器のアレイに、分散させるデバイスと、
固体検出器のアレイと
を備え、
前記固体検出器のアレイは、
少なくとも４行の固体検出器の複数の行と、少なくとも４列の固体検出器の複数の列とを含むグリッドを有し、さらに、前記グリッドは、少なくとも多数の固体検出器を含み、よりさらに、前記多数の固体検出器は、複数の前記固体検出器の前記スイッチング周波数により分割された前記アレイに衝突する複数の光子または粒子の割合より大きい、
定量的検出デバイス。
【請求項２２】
前記アレイは、最適数の固体検出器を含み、用いられる特定のスイッチング周波数において、単独光子または粒子が独立事象において前記検出器に衝突する可能性が、少なくとも９０％である、請求項２１に記載の定量的検出デバイス。
【請求項２３】
グリッド状パターンで前記試料を反復して照らす、複数の光子または粒子のエミッタをさらに備え、前記アレイは、前記試料による放射及び反射のうち少なくとも一方がなされる複数の粒子及び複数の光子のうち少なくとも一方を検出するために用いられる、請求項２１に記載の定量的検出デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の相互参照］  ２０１４年１０月２２日に出願された米国仮特許出願第６２／０６７，１６３号が参照により組み込まれている。本出願は、２０１４年１０月２２日に出願された該米国仮特許出願第６２／０６７，１６３号に基づく優先権を主張する。
【背景技術】
【０００２】
本開示の分野は、試料により放射される粒子または光子の量を決定するよう共に動作する複数の固体検出器アレイに関する。本開示の他の複数の態様は、固体デバイスアレイを用いて二次電子をカウントするための検出器及び複数の方法、及び固体デバイスアレイに由来するデータによるノイズを低減するための方法を含む。
【０００３】
走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）は、材料科学、電子工学、エネルギー、医療科学、並びに国家の及び公共の福祉にきわめて重要な他の専門分野における基本ツールである。二次電子（ＳＥ）のトポグラフィックな撮像が、ＳＥＭにおいて最も一般的な動作モードである。しかしながら、その現在の制限の関係で、ＳＥ撮像においてその制限がなければ実現され得る進歩が妨げられている。 
【０００４】
ＳＥ撮像は、最も一般には、シンチレータ−光電子増倍管ベースのＥｖｅｒｈａｒｔ−Ｔｈｏｒｎｌｅｙ（Ｅ−Ｔ）検出器またはそれのあるバリエーションを用いて実行される。Ｅ−Ｔ検出器は、検出器に対する角度、傾斜、エッジ効果、及びシャドーイングに起因するＳＥ収集差異から起こるコントラストを有する複数の対象物の全ての側面を撮像する。図１は、従来のＥｖｅｒｈａｒｔ−Ｔｈｏｒｎｌｅｙ（Ｅ−Ｔ）シンチレータ−光電子増倍管の、試料の表面層から脱出した複数のＳＥから画像を形成する操作上の機構を図示する。電子ビームが画素毎に試料をラスタすると、Ｅ−Ｔ検出器は、低エネルギー（５〜５０ｅＶ）の複数のＳＥを収集する。さらに、ファラデーケージが、Ｅ−Ｔ検出器の不可欠な部分である。＋１０ｋＶに維持されている検出器の表面が、複数のＳＥをさらに加速させる。シンチレータ層は、それらのＳＥにより衝突されると、複数の光子を放射する。それらの光子は、下へ光パイプを進み、光電陰極に当たり、電気信号に変換され、増幅される。アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）が、信号をデジタル画素に変換する。 
【０００５】
検出器における構成要素の数、及び信号処理は、ノイズ、歪み、及び非線形性の原因になりやすい。従って、Ｅ−Ｔ信号を用いる測定が、高分解能で、低減された定量的な有用性（Ｒｅｉｍｅｒ，１９８５）を有する。図２において、同一構造のアレイにわたって走査するよう、ＳＥＭトレースが電子ビームを用いて実行され（Ｊｏｙ，２０１２）、Ｅ−Ｔ検出器から記録された。ビームが第１対象物の左縁部に到達すると、信号は、急激に上昇する。結果として、アナログフィードバックループが、システムゲイン及びＤＣオフセットを低減し始める。ビームがその対象物の他の側面上を走査し続けると、フィードバックループがまだ信号を下へ駆動しているので、信号のレベルは低下するが、さらにより速く減衰する。結果として、信号は、フィードバックによりかなり歪められ、増加したＤＣオフセット、抑制されたダイナミックレンジ（図２参照）、画素から画素へと変動する「暗」レベル、低信号対ノイズ比（ＳＮＲ）、及びコントラストとＳＥ収集との間の非線形関係を示す（Ｊｏｙ，２０１２；Ｍｅｒｌｉ，１９９５；Ｋａｚｅｍｉａｎ，２００７；Ｐｏｓｔｅｋ，２０１２；Ｂｏｇｎｅｒ，２００７；Ｏｈｏ，２００７；Ｊｏｙ，１９９２；Ｉｓａａｃｓｏｎ，１９７７；ＩＴＲＳ，２０１１：Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ  Ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ）。ＤｏＥ電子散乱ワークショップ（ＤＯＥ＿ＢＥＳ，２００７）が、電子顕微鏡法における広範囲の研究の必要性を認識している。同様に、半導体産業が、計測学的課題を認識している（ＩＴＲＳ，２０１１）。 
【発明の概要】
【０００６】
本発明は、複数の固体検出器（例えば、ダイオード、キャパシタ、ＣＣＤ）の複数のアレイを用いて複数の光子または粒子を検出するための複数のデバイス及び複数の方法を備える。本発明は、複数の固体検出器アレイ、並びに使用の方法を備え、アレイは、デジタル計数装置として、複数の単独光子または粒子を検出及びカウントすることができる複数の固体検出器を含む。 
【０００７】
それらの固体検出器は、それらが、二次電子をカウントするために再び利用可能となり得るようにリセットされるよう構成される。アレイは、１つまたは複数の固体検出器から、出力をデジタル形式に変換する計数モードにおけるデジタル変換器への電気的接続も含み、その接続は、多重化され得る。における複数の固体検出器から生成されたパルスのカウントが、単独画素に関連する。ポアソン統計が、このデータに対して用いられ得る。
【０００８】
好ましい実施形態において、二次電子検出器が、固体検出器アレイにおいて二次電子を分散パターンで方向付けるファラデーケージにより構成され得、パターンは、そのアレイの固体検出器の大部分を包囲する。固体検出器は、複数の単独二次電子を検出及びカウントするよう構成され得、そのアレイは、複数の行及び複数の列の固体検出器からなるグリッドである。固体検出器アレイは、計数モードにおける時間／デジタル変換器回路と、集計する回路と、多数の光子または粒子のカウントを格納する回路とをさらに含む。 
【０００９】
別の好ましい実施形態が、固体検出器の構成であり、複数の固体検出器が、ポアソン統計誤差補正を用いて試料から１つの画素を検出するよう構成される。固体検出器の構成は、試料の複数の画素の段階的な検出をさらに可能にする。
【００１０】
固体デバイス（ＳＳＤ）ベースの電子計数装置のアレイを用いる定量的な二次電子検出（ＱＳＥＤ）は、半導体、ナノ材料、及び生体試料などの複数の材料における臨界寸法計測測定を可能にする（図３）。
【００１１】
本発明の他の複数の実施形態は、多数の固体検出器を含む固体検出器アレイを用いて二次電子の定量的な検出の方法を用いる。方法は、ターゲットに荷電粒子のビームを走査する段階と、ファラデーケージを用いて多数の二次電子を引き付ける段階と、固体検出器のアレイに多数の二次電子を分配する段階と、多数の固体検出器を用いて多数の二次電子を検出する段階と、計数モードにおける時間／デジタル変換器回路を用いて多数の二次電子をカウントする段階と、固体検出器アレイにカウントの結果を集計する段階と、そのカウントを画素に割り当てる段階と、固体検出器アレイをリセットする段階とを備える。
【００１２】
固体検出器のアレイを用いて荷電粒子または電離放射線の検出に関わるノイズを低減する方法は、電離された放射線または複数の荷電粒子をアレイに分散させる段階と、複数の固体検出器を用いて検出する段階であって、パルスが生成され固体検出器に格納される、段階と、画素に割り当てられたデジタルデータのストリームを生成する集積回路デジタル計数装置を用いてそのパルスをカウントする段階と、ポアソン統計分析をデジタルデータのストリームに適用する段階と、次に、新しい画素で複数の前の段階を繰り返す段階とを備える。
【００１３】
従って、本発明の複数の実施形態は、固有の固体検出器の前述した利点から恩恵を受けると同時に、特に、従来技術と比較してより低いノイズで二次電子撮像を達成し得る。
【００１４】
［デジタル電子検出器の応用］
用いられる基板／材料に依存する定量的なデジタル電子／光子検出器は、マイクロスコピーにおける二次電子検出器から、位置感応型検出器、暗視カメラの赤外線検出器、超速時間的分光法における単独光子検出器、ＣＣＤカメラ、エネルギー分散型Ｘ線検出器などにわたり、多種多様の応用に用いられ得る。
【００１５】
電子顕微鏡法において、標準、大型で非効率的なＥｖｅｒｈａｒｔ−Ｔｈｏｒｎｌｅｙ検出器は、はるかにより効率的なＳｉ系のＣＭＯＳ技術の電子検出器に置換され得る。これらのＳｉ検出器は、低消費電力を有し、迅速で、向上した量子効率で動作するようにスマートに設計されるであろう。例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、またはＧａＡｓウェハが、標準ＣＭＯＳ工程を用いてデジタル二次電子検出器を製造するために用いられ得る。Ｓｉ、Ｇｅ、及びＧａＡｓのバンドギャップが、０．６６ｅＶから１．４３ｅＶまでの範囲内にあるので、これらの材料は、空乏幅、キャリアの拡散長、及び電場の強度に依存する小さい逆バイアス電圧の有無を問わず、二次電子の検出のために用いられ得る。
【００１６】
同一材料は、比較的に低い信号対ノイズ比で量子効率を増大すること、及び検出器の設計におけるわずかな変更で増加した感度によって、電子顕微鏡法における効率的な直接後方散乱型電子検出器としても、用いられ得る。
【００１７】
Ｇｅ及びＩｎＧａＡｓも、標準ＣＭＯＳ製造工程を用いて近赤外線検出器を製造するために用いられ得る。中及び遠赤外線放射の検出に対して、Ｈｇ添加のＣｄＴｅのような、はるかにより小さいバンドギャップ（０から０．５ｅＶまでの範囲のバンドギャップ）の材料が、用いられ得る。 
【００１８】
また、３ｅＶから４．５ｅＶまでの範囲のバンドギャップエネルギーを有するＳｉＣ及びダイヤモンドのような新世代材料が、いかなるシンチレータまたは光ファイバ結合なしで、直接Ｘ線検出器を製造するために用いられ得る。これらの材料は、高感度及び高量子効率で深ＵＶ光を検出し得る検出器を製造するためにも用いられ得る。
【００１９】
位置感応型検出器の実装が行われる限り、当業者は、基板の前面及び背面を用いてダブルＰＮ接合を生成し、一方の接合をＸ位置の検出用のために用い、他方の接合をＹ位置の検出のために用い得る。フォトダイオードアレイを生成することによって、次に、ダイオードの表面抵抗における変更を測定することによっても実装され得る。
【００２０】
質量分光解析において、それらも、質量分析器により分析され得るイオン検出のための電子増倍管として用いられ得る。回折パターンの具現化のため、相検出を伴う直接デジタル単独電子検出器は、ＴＥＭにおいて使用されるようなものにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】ＥＴ検出器によるＳＥ検出が、計測に適しないノイズ及び歪みのいくつかの原因に関わることを示す図である。
【図２】ベースライン「黒」が下へシフトされ、フィードバックループにＤＣ復元が存在しないことを示す図である。
【図３】直接ＳＥ検出が、ノイズ源を取り除くＳＳＤアレイにより達成され得ることを示す図である。
【００２２】
【図４】（ａ）衝突電離が電子−正孔対を生成することを示し、（ｂ）電場中のｅ−ｈ対の動力学を示し、（ｃ）ｐ‐ｎ接合にわたるビルトイン電圧を示し、（ｄ）計数装置ＩＣが多数のＳＥをカウントすることを示す。
【００２３】
【図５】ビーム電流（ＩＢ）の機能として８ビットのグレースケールに正規化されたＱＳＥＤデバイス電流（強度、Ｊ）を示す。（ＳＮＲ＝３４ｄＢ、ＤＣオフセット＝−３５ｄＢ、線形（Ｒ２＝０．９９２））
【図６】格納されたキャパシタ電荷から複数のＳＥをカウントすることを示す。
【図７】ＳＳＤの処理段階のためのマスクを示す。マスク０番（不図示）が、位置合わせマークのために用いられた。
【００２４】
【図８】信頼できるＳＥ検出のためにどのくらいのＳＳＤが必要かを決定するよう、様々なスイッチング周波数で多数のダイオードを変動させるための計算を示す。０．９を示す線は、アレイにおける一ＳＳＤにより電子が検出される確率が９０％であることに相当する。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
［発明］
直接デジタル二次電子撮像が、ナノスケールの定量的な測定を実行できるより良い方法である。ＱＳＥＤは、固体検出器（例えば、ダイオード、ＣＭＯＳ、ＣＣＤ）のアレイに基づき、各デバイスは、「一回限り」の電子計数装置として動作し、次に、リセットされる。固体検出器（ＳＳＤ）ベースの電子計数装置のアレイを用いる定量的な二次電子検出（ＱＳＥＤ）は、臨界寸法計測を可能にする（図３）。ＱＳＥＤの特性は、上に列挙された技術的課題に取り組む（ＤＯＥ＿ＢＥＳ，２００７；ＩＴＲＳ，２０１１；Ｚａｊａｃ，２０１２；Ｂａｒｂｉ，２０１２）。
【００２６】
［二次電子を検出する技術的アプローチ］
電子ビームで物体を走査する段階、当該物体からの出力放射線を固体検出器アレイ上へ方向付ける段階と、多数の二次電子を検出する段階と、多数の二次電子を一カウントする段階と、固体検出器をリセットする段階とが、複数の定量性画像を取得するために続いて行われる。試料をラスタする画素に電子ビームが滞留すると、それらの二次電子がリリースされ、ファラデーケージ、レンズ、及び／またはガイドのうちの１つまたは複数へ向けて拡散される。
【００２７】
図３に図示されているＱＳＥＤは、複数のＳＥを収集する固体検出器（ＳＳＤ）のアレイからなる。そのようなＳＳＤ（ｐｎ接合ダイオード）の働きが、図４に図示されている。ｎ側ではＬｐでｐ側ではＬｎである１拡散長内に入射ＳＥにより生成された過剰な少数キャリア（電子−●、正孔−○）が、ｐｎ接合（幅Ｗ）へ拡散される。それらは次に、ビルトインポテンシャルΨｏにより接合にわたって掃引され、パルスが生成される。次に、画素の電子カウントが１つ増加され、ＰＮ接合がリセットされる。
【００２８】
二次電子が固体検出器アレイに衝突し、カウントのためのパルスを生成する。滞留期間の終わりにおいて、固体検出器の全てからのカウントが、各画素に対して集計される。ビームは次に、画像上の次の画素に対応する次の点に移動する。これらの段階は、全ての画素がカバーされるまで続く。最終的に、それらのカウントは、ターゲット上のエリアに対応してＸ×Ｙのマトリクスに正規化され、グレースケールで較正された画像を生成する。 
【００２９】
単独二次電子検出事象により生成されたパルスは、時間／デジタル変換器を用いてデジタル形式に変換される。時間／デジタル変換器は、１つずつパルスを処理する場合に最適に動作する。時間／デジタル変換器は、１以上の比で、固体デバイスを時間／デジタル変換器に多重化する。
【００３０】
一実施形態において（数１参照）、アレイは、検出器により用いられる特定のスイッチング周波数に対して、固体検出器に衝突する電子の平均数に画素滞留時間を乗じたものより多いまたは等しい最小数の固体デバイスを含み、その粒子または放射線は、固体デバイスに測定可能な検出事象をトリガすることができる。
【００３１】
ポアソン統計も、どのように固体デバイスアレイ毎に最適数の固体デバイスを決定するかについてのことを我々に示す。アレイにおける最適数の固体デバイスは、特定のスイッチング周波数に対する計算により決定され、１つまたはより少ない二次電子が滞留時間毎にアレイの任意の特定の固体検出器に衝突する確率は、９０％より高い。 
【００３２】
この計算は、数２の使用に関わる。各測定またはカウントが、同一画素滞留時間において同一固体検出器に衝突する別の粒子または光子の影響とは無関係の独立事象である場合、ポアソン統計に基づく統計処理が最良に働く。数２は、粒子または光子（例えば、電子検出器に対する電子）が、独立事象において検出器と相互作用する確率を決定するために用いられ得る。統計処理が、電子顕微鏡検出器に関連するノイズを低減させるために役に立つ技術である。９０％より高い確率を有する多数の固体検出器を含むアレイが好ましい。 
【００３３】
本定量的な二次電子デバイスの設計の一目標は、単独電子検出を達成するよう、アレイ（ｎ）において十分なＳＳＤを有することである。さらに、デバイスの最適動作は、独立事象である各検出に依存し、ポアソン統計処理を可能にする。数１において、ｎは、アレイにおけるデバイスの数を示し、ｍは、スイッチング周波数を示し、ｑは、画素滞留時間を示し、τは、毎秒カウントされた電子を示す。
【数１】
2017537426.tif 000003
【００３４】
各ＳＥ検出が独立事象である確率が少なくとも９０パーセントある場合、デジタル計数装置が、ポアソン統計がアレイにおける固体ダイオードの最適数を推定するために用いられることを可能にし得る。この確率は、数２として表されている。数２におけるｋは、ダイオード毎の電子数を示し、μは、ダイオード毎の電子の平均数を示す。
【数２】
2017537426.tif 000004
【００３５】
［光子または荷電粒子を検出する技術的アプローチ］
光子ビームを用いて物体を走査する段階と、当該物体からの出力放射線を固体検出器アレイ上へ方向付ける段階と、多数の光子を検出する段階と、多数の光子をカウントする段階と、固体検出器をリセットする段階とが、複数の定量性画像を取得するために続けて行われる。光子ビームが、ラスタする画素に滞留すると、複数の光子がその検出器へ向けて反射される。ＱＳＥＤの別の実施形態は、光子を収集する一レンズ、複数のレンズ、または光ガイド及び固体検出器（アバランシェフォトダイオード）のアレイ、及び、固体検出器のアレイを計数装置に接続させる内部回路からなる。ＳＳＤ（ｐｎ接合ダイオード）は、ｎ側ではＬｐでｐ側ではＬｎである１拡散長内に入射光子により生成され、ｐ＋ｎ−接合（幅Ｗ）へ拡散される過剰な少数キャリア（電子−●、正孔−○）を含む。それらは次に、ビルトインポテンシャルΨｏにより接合にわたって掃引され、パルスが生成される。次に、画素の光子カウントが１つ増加され、ＰＮ接合がリセットされる。
【００３６】
［アレイ毎の検出器数の最適化の技術的アプローチ］
一実施形態において（数１）、アレイは、検出器により用いられる特定のスイッチング周波数に対して、固体検出器に衝突する電子の平均数に画素滞留時間を乗じたものより多いまたは等しい最小数の固体デバイスを含み、当該粒子または放射線は、固体デバイスに測定可能な検出事象をトリガすることができる。
【００３７】
固体ダイオードの最適数は、数２の使用によっても決定され得る。各測定またはカウントが、同一画素滞留時間において同一固体検出器に衝突する別の粒子または光子の影響とは無関係の独立事象である場合、ポアソン統計が最良に働く。数２は、粒子または光子（例えば、電子検出器に対する電子）が、独立事象において検出器と相互作用する確率を決定するために用いられ得る。
【００３８】
本モデリング実験の結果が、図８のグラフに示されている。図８のグラフにおける黒線が、９０％の確率を示す。よって、９０％より高い確率で示されている構成も好ましい。この計算は、新しい構成をもたらす異なるスイッチング周波数においても行われ得る。
【００３９】
［応用］  ＱＳＥＤは、顕微鏡ユーザ団体の間のナノスケールの動的研究に関連する科学的課題の解決に役に立つであろう（Ｂａｒｂｉ，２０１２）。例えば、高κゲート、薄膜誘電体キャパシタ、インターフェース層、及び１６ｎｍ未満のノードにおける相互接続バリアに対するＣｕ／低κ配線工程（ＢＥＯＬ）サブ５ｎｍの範囲におけるギャップのナノスケール性質の測定（難易度の高い計測課題（ＩＴＲＳ，２０１１））である。これらの科学的課題に取り組むことが、半導体（ＩＴＲＳ，２０１１；Ａｂｂｏｔｔ，２０１２）、触媒作用（Ｚａｊａｃ，２０１２）、ナノ技術、医療デバイス、及びクリーンエネルギー（ＤＯＥ＿ＢＥＳ）における技術的な進歩に直接利益を与えるであろう。
【００４０】
［結果］
発明者らは、ｐ‐ｎ接合を含んだ固体検出器アレイを設計して製造し、以下の研究発見が行われた。
１）ＱＳＥＤはもはや、その動作範囲において、−３０ｄＢより大きな検出器ノイズを生成しなかった。 
【００４１】
ＳＥの直接デジタル検出として、幾何効率（Ｊｏｙ，１９９６）に等しい検出量子効率（ＤＱＥ）で特性づけられる、ＱＳＥＤを用いて改善されたＳＮＲは、ノイズレスとなる閾値であり得る（Ｆａｒｕｑｉ，２００５）。
２）ゼロに近いＤＣオフセットが、全ての動作条件に対して達成された。 
【００４２】
ダイナミックレンジが、４０ｄＢであると決定され、ＳＥ検出においてＤＣオフセットは観察されなかった。
３）ＱＳＥＤ画像のコントラストは、ＳＥ収集とは（測定値の±５％以内で）線形関係に近い関係を達成した。
【００４３】
画素信号とビーム電流との間の（±４％の偏差での）線形関係に近い関係が観察された。ゼロＤＣオフセットとの線形関係が、ＳＥＭ画像（ＣＤ−ＳＥＭ）から、定量的でナノスケールの臨界寸法測定を可能にした。 
【００４４】
現代の複数のＳＥＭ（例えば、ＡＤＤＡ３を有するＡｇｉｌｅｎｔ８５００  ＦＥ−ＳＥＭ）を用いて、信号の大部分が、アナログからデジタルへの変換器（ＡＤＣ）及びデジタルからアナログへの変換器（ＤＡＣ）を用いてデジタル方式で扱われる（Ｏｌｙｍｐｕｓ）。次世代のアナログ／デジタル変換器は、ダイナミックレンジを最大１４ビットまで改善し、画像サイズが１２０００×１２０００まで拡大され、画像取得速度が、アクティブモードにおいて６００×６００画素で最大２５ｆｐｓまで増加される。
【００４５】
「ＳＳＤアレイ」
図６において機能が図示されているＱＳＥＤデバイスは、１００００×１００００（または、代替的に、１０００列及び１０００行の固体検出器）のＰＮ接合アレイによりＳＥ収集を達成するよう、設計され形成された。３〜５ｅＶのエネルギーを有する二次電子は、ＳＥをカウントするベースを形成する衝突電離をもたらすために十分なエネルギーを与えることが示された。または代替的に、８１列及び８１行の固体検出器を有する複数のデバイスも、典型的な電力の電子ビームを用いて１Ｍｈｚで動作されている場合に、複数のＳＥを確実にカウントし得ることも示され得る。 
【００４６】
ＱＳＥＤデバイスの一実施形態が、二次電子検出器として用いられるための単独電子固体検出器のアレイであり、検出器は、毎秒およそ１０００万の電子の電子ストリームにより衝突され、アレイは、少なくとも４列の単独電子固体検出器と少なくとも４行の単独電子固体検出器とを含み、当該グリッドは、少なくとも６５６１セルの単独電子固体検出器を含む。単独電子固体検出器のアレイが正方形の構成であり、固体検出器のサイクルが少なくとも１Ｍｈｚまたはそれより速い場合、定量的なデータを提供する。単独電子固体検出器のアレイの他の形状は、当業者の能力内で作られる。上記単独電子固体検出器のアレイの好ましい構成が、８１列の単独電子固体検出器及び８１行の単独電子固体検出器である。
【００４７】
本単独電子固体検出器のアレイのより好ましい構成が、１０００列の単独電子固体検出器及び１０００行の単独電子固体検出器であり、１０ｋＨｚまたはそれより速いサイクルを有する。
【００４８】
「固体デバイス」
固体デバイス（ＳＳＤ）におけるｐ‐ｎ接合ベースの容量は、（約２ｃｍ×２ｃｍのアクティブエリアにおいて約１００００×１００００の）密度を増加するよう小型化され得る。ＳＳＤに格納され得る電荷の量が、ビルトイン電圧及びその容量性により制限される。撮像の空間的及び時間的分解能を改善するべく、ｐ‐ｎ接合にわたる高容量性及び高いビルトイン電圧が望ましい。
【００４９】
固体デバイスが、電子と衝突すると、光子、電圧、または電流のパルスを生成し得る。各ＰＮ接合ダイオードユニットは、ＳＥの検出器として動作し得る。図６の右上隅に概略的に示されているように、ＳＥは、ダイオードにおいて電子−正孔対を生成する（Ｍａｅｓ，１９９５）。
【００５０】
過剰な少数キャリア（ｐ領域にある電子（●）及びｎ領域にある正孔（○））が、接合へ向けて拡散される。１拡散長（ｎ側及びｐ側上のそれぞれのＬｐ及びＬｎ）を生成した少数電荷キャリアは、それらが再度結合する前に、ＰＮ接合（幅ｘｄ）に到達し得る（ｄｅｌＡｌａｍｏ，１９８７）。一旦インターフェースに到達すると、それらは、Ψ0により接合にわたって掃引される。ＳＥがいつ収集されるかを決定する工程は、これにより、パルスをトリガする（表１及び図４）。１０３Ｖ／ｃｍまでの電場が、０．７２Ｖのビルトイン電位（Ψ0）に対して空乏域（＜１μｍ）にわたって観察された。その空乏域は、一ＳＳＤの大部分のスペースを占めている。
【表１】
2017537426.tif 000005
【００５１】
［容量性］
一旦生成されると、電子−正孔対（ｅｈｐ）が、空乏域において、ｐｎ接合キャパシタへ導く反対方向に分離される。検出器の効率を増加するべく、容量性（Ｃｊ）が、最大化されなければならない。しかしながら、デバイスの応答時間（τ）は、時定数であるτ＝ＲＣｊの通り、減少する。ＲＣｊは、ｐ型基板を周りに有するｐｎ接合を形成するｎ＋領域から決定される。ドーパント集中プロファイルが、スイッチング時間及び寄生遅延に影響を及ぼす。時定数が２μｓまでとして、相Ｉデバイスの平均Ｃｊが、０．１３ｐＦであり、Ｒが１２ｋΩである。時定数であるＲＣは、より速い応答のために＜２ｎｓまでさらに減少され得る。スイッチングにおける変動を最小化するよう、Ｒ及びＣｊにおける変動の原因を制御しなければならない。 
【００５２】
［ＳＳＤアレイ］
理想的には、固体検出器全体は、ＳＥを収集するための準備ができているｐ‐ｎ接合空乏域からなるべきである。絶縁体、金属パッド、及び他の回路は、ＳＥ収集のために利用可能な空間を減少する。検出器の最適エリアがコンピュータ処理された。例えば、イオン注入または貫通穴が、ＳＥ収集のために前面のエリアを解放し、背面のルーティング及びパッドのコンタクトを可能にする。さらに、信号は、デイジーチェーンにおける複数のキャパシタを接続することによって向上され得る。（デイジーチェーンにおける）キャパシタ群の動作をずらすことによって、ＳＥ収集のオフ時間が最小化され得る。（＋１５０Ｖから＋３００Ｖまでの）バイアス電圧が、ＳＥを検出器に向けて引き付けるよう、ファラデーケージに印加された。適切なバイアス電圧が、十分なＳＥがその検出器に到達することを保証し得る。 
【００５３】
［ＩＣ製造工程によるＱＳＥＤデバイス］
１μｍ×１μｍのデバイスの１００００×１００００のアレイに小型化され得る１０００列及び１０００行の固体検出器のアレイにおいて、１００μｍ×１００μｍのｐ‐ｎ接合エリアにわたって、ＳＥ信号が収集された。 
【００５４】
ＱＳＥＤは、馬蹄型キャパシタを作るための６つのマスクを利用した（図７）。直径１５０ｍｍで約０．７５ｍｍの厚みで、非常に正規でフラットな表面を得るように研磨された単独結晶ｐ−Ｓｉウェハが用いられた。所望の回路を生成する複数の処理段階が、ｐ‐ｎ接合ベースの容量性デバイスのための基板工程（ＦＥＯＬ）処理及び配線工程（ＢＥＯＬ）処理または金属接触という２つの主な部分にグループ化された。ドーピング化学及び寸法公差は、信号対ノイズ比を向上するよう厳密に制御された。ドーピング密度及び寸法の一例が、表１に示されている。複数のさらなる実施形態は、当業者の対応範囲内である。固体検出器アレイは、標準プレーナフォトリソグラフィック及び化学処理工程段階シーケンスを介して製造され得、その間において、ＳＳＤ及びＩＣがウェハに徐々に生成される。 
【００５５】
［ＳＥ計数装置集積回路］
ＱＳＥＤにおいて、固体検出器は、デバイス（例えば、ダイオード、キャパシタ、ＣＣＤ）であり、各デバイスが、「一回限り」の電子計数装置として動作し、次に、リセットされる。ＩＣは、計数装置の機能をＱＳＥＤに提供する。時間０では、ＳＥが衝突し、複数の正孔−電子対を生成するよう電離する。読み出された電子は次に、パルス電流に対して「１」を足す。可能な場合、電荷キャリアは、すぐに再結合し、デバイスは、リセットされる。ｐｎ電位が平衡（電流＝０、電位＝Ψ０）に戻り、次のＳＥを検出するための準備ができている。ＳＥ並びにＳＳＤが独立で無相関なので、ポアソン統計はこの状況に適用し、入射ビーム電流ＩＢ（ｐＡ）に対してラスタする画素毎に平均数Ｎの電子が生成され、電荷は、滞留時間τ（μｓ）において測定され、次に、Ｎ＝６ＩＢδτとなる。 
【００５６】
可能にする技術が、迅速な相補的金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）の時間／デジタル変換器回路に基づく電子計数装置である。ＳＥ検出が、たとえただ１つの単独ＳＥの検出にも応答して速い電気パルスを生成する（図７参照）。シンプルなレベルシフトを用いて、このパルスは、画素内に組み込まれるデジタルＣＭＯＳ回路をトリガし得る。単独ＳＥの感度が、サブナノ秒のタイミング精度と共に達成された。タイミング情報が、画素回路においてデジタル化されるので、ノイズレスで読み出される。
【００５７】
時間／デジタル変換器回路の多重化されたトランジスタアレイが、特性づけのための複数の固体検出器への高密度アクセスを提供するために用いられる（Ｒｅａｌｏｖ，２００９）。時間／デジタル変換器の多重化されたトランジスタアレイ回路は、特性づけのための複数のデバイスへの高密度アクセスを提供するよう設計され製造された。オンチップの電流−電圧特性づけシステムによれば、多重化されたデバイスの大型で密集したＳＳＤアレイの迅速な特性づけを可能にし、スイッチ抵抗の影響を取り除く（Ｆａｒｕｑｉ，２００５）。
【００５８】
［引用書誌及び参照文献］
［Ｂａｒｂｉ，２０１１］：Ｎ  Ｂａｒｂｉ  ｅｔ  ａｌ（２０１１）．Ａ  ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ  ＳＳＤ  ｆｏｒ  ｉｍａｇｉｎｇ，Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ＆Ｍｉｃｒｏａｎａｌｙｓｉｓ，１７（２）．  ［Ｂａｒｂｉ，２０１２］：Ｂａｒｂｉ  ｅｔａｌ；Ｐｕｌｓｅ  Ｔｏｒ，ＬＬＣ；Ｓｃｉｎｔｉｌｌａｔｏｒ−Ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ  Ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ＆Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ…，  ［Ｂｏｇｎｅｒ，２００７］：Ｂｏｇｎｅｒ  Ａ  ｅｔ  ａｌ．，Ａ  ｈｉｓｔｏｒｙ  ｏｆ  ＳＥＭ  ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ："ｗｅｔ−ＳＴＥＭ"ｉｍａｇｉｎｇ，Ｍｉｃｒｏｎ，３８（４），２００７．  ［ｄｅｌＡｌａｍｏ，１９８７］：ｄｅｌＡｌａｍｏ  ＪＡ  ａｎｄ  Ｒ．Ｍ．Ｓｗａｎｓｏｎ，Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．３０，１１（１９８７）１１２７−１１３６．  ［ＤＯＥ＿ＢＥＳ，２００７］：Ｆｕｔｕｒｅｓｃｉｅｎｃｅ  ｎｅｅｄｓ  ａｎｄ  ｏｐｐｏｒｔｕｎｉｔｉｅｓ  ｆｏｒ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ：ＢＥＳ  ｗｏｒｋｓｈｏｐ，Ｍａｒ  ２００７．  ［Ｆａｒｕｑｉ，２００５ａ］：ＡＲ  Ｆａｒｕｑｉ  ｅｔ  ａｌ；Ｄｉｒｅｃｔ  ｓｉｎｇｌｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ｗｉｔｈ  ａ  ＣＭＯＳ  ｄｅｔｅｃｔｏｒ  ｆｏｒ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ；  Ｎｕｃｌｅａｒ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ＆Ｍｅｔｈｏｄｓ；Ａ５４６；２００５．  ［Ｆａｒｕｑｉ，２００５ｂ］：ＡＲ  Ｆａｒｕｑｉ  ｅｔ  ａｌ，Ｎｏｉｓｅｌｅｓｓ  ｄｉｒｅｃｔ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ｅｌｅｃｔｒｏｎｓ  ｆｏｒ  ＥＭ，Ｎｕｃｌｒ  Ｉｎｓｔｒ；Ａ５４６（１−２），２００５．  ［ＩＴＲＳ，２０１１］：Ｉｎｔｅｒｎ  Ｔｅｃｈ  Ｒｏａｄｍａｐ  ｆｏｒ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ  （ＩＴＲＳ）；Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｉｎｄｕｓｔｒｙ  Ａｓｓｏｃ（ＳＩＡ），２０１１．  ［ＦＥＩ，２０１０］ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｆｅｉ．ｃｏｍ／ｕｐｌｏａｄｅｄｆｉｌｅｓ／ｄｏｃｕｍｅｎｔｓ／ｃｏｎｔｅｎｔ／ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ＿ｔｏ＿ｅｍ＿ｂｏｏｋｌｅｔ＿ｊｕｌｙ＿１０．ｐｄｆ．  ［Ｇｏｌｄｓｔｅｉｎ，１９９０］：Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ  ｏｆ  Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ；Ｇｏｌｄｓｔｅｉｎ  Ｊ，Ｊｏｙ  ＤＣ，Ｒｏｍｉｇ  ＡＤ；１９９０．  ［Ｈｉｔａｃｈｉ］ＳＵ８０４０；ｗｗｗ．ｈｉｔａｃｈｉ−ｈｔａ．ｃｏｍ／ｓｉｔｅｓ／ｄｅｆａｕｌｔ／ｆｉｌｅｓ／ｌｉｔｅｒａｔｕｒｅ／ＨＴＤ−Ｅ１８７−ＨｉｔａｃｈｉＳＵ８０４０ｄａｔａｓｈｅｅｔ．ｐｄｆ．  ［Ｉｓａａｃｓｏｎ，１９７７］：Ｍ  Ｉｓａａｃｓｏｎ  ｅｔ  ａｌ；Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａｔｏｍｉｃ  ｄｉｆｆｕｓｎ  ｂｙ  ＳＴＥＭ；７４（５），Ｐｒｏｃ．  Ｎａｔｌ．Ａｃａｄ．Ｓｃｉ．１９７７．  ［Ｊｏｙ，２００９］：Ｊｏｙ  ＤＣ，"ＳＥＭ：Ｓｅｃｏｎｄ  ｂｅｓｔ  ｎｏ  ｍｏｒｅ"，Ｎａｔｕｒｅ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ８，（２００９）  ［Ｊｏｙ，１９９６］：ＤＣ  Ｊｏｙ，ＣＳ  Ｊｏｙ，Ｒ．Ｄ．Ｂｕｎｎ：  "Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ  ｔｈｅ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｏｆ  ＳＥＭ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ"；Ｓｃａｎｎｉｎｇ  １８，１��９６．  ［Ｊｏｙ，１９９２］：Ｊｏｙ  ＤＣ；Ｐａｗｌｅｙ  ＪＢ；Ｈｉｇｈ−ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ  ＳＥＭ；Ｕｌｔｒａｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ４７（Ｉ  ９９２）８０−１００．  ［Ｊｏｙ，１９９１ａ］：Ｊｏｙ，Ｄ．Ｃ．（１９９１  ａ）． Ｃｏｎｔｒａｓｔ  ｉｎ  ｈｉｇｈ  ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ  ＳＥＭ  ｉｍａｇｅｓ．Ｊ．Ｍｉｃｒｏｓｃ．１６１（１１），３４３−３５５．  ［Ｊｏｙ，１９９１ｂ］：Ｊｏｙ  ＤＣ．ＬＶＳＥＭ．Ｉｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ  ａｎｄ  Ｍｉｃｒｏａｎａｌｙｓｉｓ  １９８７，Ｉｎｓｔ  Ｐｈｙｓ  Ｃｏｎｆ  Ｓｅｒｉｅｓ，Ｉ．Ｏ．Ｐ．［Ｊｏｙ，１９８７］：Ｊｏｙ，Ｄ．Ｃ．（１９８７）．Ａ  ｎｏｔｅ  ｏｎ  ｃｈａｒｇｉｎｇ  ｉｎ  ＬＶＳＥＭ．Ｍｉｃｒｏｂｅａｍ  Ａｎａｌ．２２，８３−８６．［Ｊｏｙ，１９８５］：Ｊｏｙ，Ｄ．Ｃ．（１９８５）．Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ  ｉｎ  ＬＶＳＥＭ．Ｊ．Ｍｉｃｒｏｓｃ．１４０（１１１），２８３‐２９２．  ［Ｊｏｙ，１９８２］：Ｊｏｙ  ＤＣ  ｅｔ  ａｌ'ｆａｓｔ  ＳＥ  ｉｎ  ｄｅｇｒａｄｉｎｇ  ｓｐａｔｉａｌ  ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｉｎ  ａｎａｌｙｔｉｃａｌ  ＥＭ．Ｊ．Ｍｉｃｒｏｓｃ．１２８（１１），ＲＰＩ，１９８２  ［Ｋａｚｅｍｉａｎ，２００７］：Ｐ．Ｋａｚｅｍｉａｎ  ｅｔ  ａｌ； Ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ  ＳＥ  ｅｎｅｒｇｙ  ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ  ｉｎ  ａ  ＳＥＭ；Ｕｌｔｒａｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ  １０７（２００７）．  ［Ｍａｅｓ，１９９０］：Ｗ．Ｍａｅｓ，Ｋ．Ｄｅ  Ｍｅｙｅｒ；Ｒ．Ｖａｎ  Ｏｖｅｒｓｔｒａｅｔｅｎ；"Ｉｍｐａｃｔ  Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ  ｉｎ  Ｓｉｌｉｃｏｎ：Ａ  Ｒｅｖｉｅｗ  ａｎｄ  Ｕｐｄａｔｅ"；  Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｖｏｌ．３３，Ｎｏ．６，ｐｐ．７０５−７１８，１９９０．  ［Ｍｅｒｌｉ，１９９５］：ＰＧ  Ｍｅｒｌｉｅｔ  ａｌ '…  rｅｓｏｌｕｔｉｏｎ  ｏｆ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｓ  ｗｉｔｈ  ａ  ＳＥＭ'；Ｕｌｔｒａｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ６０，１９９５．  ［Ｏｈｏ，２００７］：Ｏｈｏ  Ｅ，Ｓｕｚｕｋｉ  Ｋ，Ｙａｍａｚａｋｉ  Ｓ；Ｑｕａｌｉｔｙ  Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ  ｏｆ  Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ  Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｕｓｉｎｇ  Ｈｅｌｉｕｍ  Ｇａｓ  ｉｎ  Ｖａｒｉａｂｌｅ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ＳＥＭ；Ｓｃａｎｎｉｎｇ；Ｖｏｌ．２９，２２５−２２９（２００７）．  ［Ｐｏｓｔｅｋ，２０１２］：Ｐｏｓｔｅｋ  Ｍ，'Ｄｏｅｓ  ＳＥＭ  ｒｅａｌｌｙ  ｔｅｌｌ  ｔｈｅ  ｔｒｕｔｈ？'  ＳＰＩＥ  Ｄｅｆｅｎｓｅ  Ｓｅｎｓｉｎｇ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ；８３７８．  ［Ｒｅａｌｏｖ，２００９］：Ｓ．Ｒｅａｌｏｖ，Ｗ．ＭｃＬａｕｇｈｌｉｎ，Ｋ．Ｌ．Ｓｈｅｐａｒｄ，"Ｏｎ−ｃｈｉｐ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ  ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ  ａｒｒａｙｓ  ｗｉｔｈ  ｄｉｇｉｔａｌ  ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ  ｆｏｒ  ｖａｒｉａｂｉｌｉｔｙ  ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ"Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  ｏｎ  Ｑｕａｌｉｔｙ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｄｅｓｉｇｎ，２００９．  ［Ｒｅｉｍｅｒ，１９８５］：Ｒｅｉ��ｅｒＬ；ＳＥＭ−ｐｈｙｓｉｃｓ  ｏｆ  ｉｍａｇｅ  ｆｏｒｍａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｍｉｃｒｏａｎａｌｙｓｉｓ，Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ（１９８５）．
【００５９】
［用語の解釈］
カウントとは、項目または事象の数の個別の測定であり、そのインクリメントが１または０の何れかである。時間／デジタル変換器とは、アナログデータの分散パケットを取り、１つずつそれらをデジタルの数字に変換する計数装置として動作する回路または回路のアレイである。ＳＥとは、二次電子の略語である。ＳＥＭとは、走査電子顕微鏡の略語である。ＳＳＤとは、固体検出器の略語である。ＱＳＥＤデバイスとは、定量的な二次電子検出デバイスである。Ｅ−Ｔ検出器とは、Ｅｖｅｒｈａｒｔ−Ｔｈｏｒｎｌｅｙ（Ｅ−Ｔ）検出器に基づくシンチレータ−光電子増倍管である。ＣＭＯＳ相補的金属酸化物半導体とは、集積回路を構築するための技術である。"ＣＭＯＳ"は、特定のスタイルのデジタル回路設計、及び、集積回路（チップ）にその回路を実装するために用いられる工程のファミリーの両方を指す。アレイとは、共に配置される複数のユニットのセットである。複数のユニットは、論理的繰り返しのパターンで配置される。複数のアレイが、線形、矩形、菱形、または異なる２次元の形状において配置されているように説明されている。しかしながら、個々のユニットは、３次元の形状を有する。カウントとは、項目または事象の数の個別の測定である。時間／デジタル変換器とは、アナログデータの分散パケットを取り、１つずつそれらをデジタルの数字に変換する計数装置として動作する回路または回路のアレイである。
【図１】
2017537426.tif 000006
【図２】
2017537426.tif 000007
【図３】
2017537426.tif 000008
【図４】
2017537426.tif 000009
【図５】
2017537426.tif 000010
【図６】
2017537426.tif 000011
【図７】
2017537426.tif 000012
【図８】
2017537426.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成29年4月28日(2017.4.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
定量的二次電子検出デバイスであって、
多数の二次電子のカウントを集計する回路と、
多数の二次電子のカウントを格納する回路と、
時間／デジタル変換器を有する回路と、
複数の二次電子を分散パターンで固体検出器のアレイの上へ引き付ける電子デバイスまたは磁気デバイスと
を備え、
前記固体検出器のアレイは、グリッドを有し、前記グリッドは、
少なくとも４行の固体検出器の複数の行と、少なくとも４列の前記固体検出器の複数の列と、前記固体検出器の複数のセルとを含み、
複数の前記固体検出器は、滞留時間にわたって、多数の二次電子を検出及びカウントする、
定量的二次電子検出デバイス。
【請求項２】
さらに、前記固体検出器のアレイは、多数の二次電子を検出及びカウントし、電子ビームは、標準エミッタと、複数の揮発性試料に適した低電力エミッタと、高電力エミッタとを含む、請求項１に記載の定量的二次電子検出デバイス。
【請求項３】
複数の前記固体検出器は、
計数装置内部回路への接続と、
ＰＮ接合と
を有する複数の単独電子検出器である、請求項１又は２に記載の定量的二次電子検出デバイス。
【請求項４】
前記ＰＮ接合は、２マイクロ秒に等しいか又はそれより小さい応答時間を有し、
前記アレイは、８１列の前記固体検出器と、８１行の前記固体検出器とを有し、
前記アレイは、毎秒およそ１０００万の電子を放射する電子ビームのためのものである、請求項３に記載の定量的二次電子検出デバイス。
【請求項５】
前記固体検出器は、逆バイアスモードにおいて正電位で動作する、請求項１から４の何れか一項に記載の定量的二次電子検出デバイス。
【請求項６】
既存の二次電子検出器を置換するためのキットをさらに備え、前記キットは、前記固体検出器のアレイからのデータ出力を処理するためのソフトウェアを含む、請求項１から５の何れか一項に記載の定量的二次電子検出デバイス。
【請求項７】
固体検出器のアレイを用いる複数の二次電子の定量的検出のための方法であって、
荷電粒子のビームをターゲット上で走査する段階と、
ファラデーケージを用いて多数の二次電子を引き付ける段階と、
前記固体検出器のアレイに、多数の二次電子を分配する段階と、
前記固体検出器のアレイを用いて前記多数の二次電子を検出し、電流変化及び電圧変化を生成する段階と、
前記電流変化または前記電圧変化の何れか、または前記電流変化及び前記電圧変化の両方を含むデータを、前記固体検出器のアレイに集計する段階と、
計数モードにおける時間／デジタル変換器回路を用いて前記多数の二次電子をカウントする段階と、
前記カウントを画素に割り当てる段階と、
前記固体検出器のアレイをリセットする段階と
を備える
方法。
【請求項８】
前記固体検出器のアレイを用いて前記多数の二次電子を検出する前記段階は、前記時間／デジタル変換器回路を用いて前記多数の二次電子をカウントする前記段階の前に、行われる、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
複数のもっと後の段階をさらに備え、前記固体検出器のアレイは、リセットされ、前記方法は、繰り返され、ポアソン統計が前記データに適用される、請求項７又は８に記載の方法。
【請求項１０】
逆バイアスモードにおいて正電位で前記固体検出器を動作させる段階をさらに備える請求項８又は９に記載の方法。
【請求項１１】
多数の二次電子のうち２つ以上が滞留時間にわたって前記固体検出器のうち１つに到達する可能性を１０パーセント未満の確率に設定するように、前記固体検出器の前記滞留時間を設定し、前記多数の固体検出器を調整する段階をさらに備える請求項７から１０の何れか一項に記載の方法。
【請求項１２】
固体検出器のアレイを用いて複数の荷電粒子または電離放射線の検出に関わるノイズを低減するための方法であって、前記電離放射線または前記複数の荷電粒子は、前記固体検出器のアレイに分配され、前記方法は、
前記固体検出器を用いて電離放射線または複数の荷電粒子を検出する段階であって、パルスが、前記固体検出器に生成され、格納される、段階と、
デジタルデータのストリームを生成する計数モードにおける時間／デジタル変換器回路を用いて電離放射線または複数の荷電粒子をカウントする段階と、
前記デジタルデータのストリームに対してポアソンプロセスを適用する段階と、
前記ポアソンプロセスの複数の結果を集計する段階と、
カウントを画素に割り当てる段階と
を備える
方法。
【請求項１３】
複数の光子及び複数の粒子のうち少なくとも一方の検出のための定量的検出デバイスであって、
複数の光子及び複数の粒子のうち少なくとも一方のカウントを集計する回路と、
複数の光子及び複数の粒子のうち少なくとも一方の前記カウントを格納する回路と、
時間／デジタル変換器を有する回路と、
物体上の単独スポットから、複数の光子及び複数の粒子のうち少なくとも一方を、固体検出器のアレイに、分散させるデバイスと
を備え、
前記固体検出器のアレイは、
少なくとも４行の前記固体検出器の複数の行と、少なくとも４列の前記固体検出器の複数の列とを含むグリッドを有し、さらに、前記グリッドは、少なくとも多数の固体検出器を含み、さらに、前記多数の固体検出器は、複数の前記固体検出器のスイッチング周波数により分割された前記アレイに衝突する複数の光子または粒子の割合より大きい、
定量的検出デバイス。
【請求項１４】
前記アレイは、最適数の固体検出器を含み、用いられる特定のスイッチング周波数において、単独光子または粒子が独立事象において前記固体検出器に衝突する可能性が、少なくとも９０％である、請求項１３に記載の定量的検出デバイス。
【請求項１５】
グリッド状パターンで試料を反復して照らす、複数の光子または粒子のエミッタをさらに備え、前記アレイは、前記試料による放射及び反射のうち少なくとも一方がなされる複数の粒子及び複数の光子のうち少なくとも一方を検出するために用いられる、請求項１３又は１４に記載の定量的検出デバイス。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
それらの固体検出器は、それらが、二次電子をカウントするために再び利用可能となり得るようにリセットされるよう構成される。アレイは、１つまたは複数の固体検出器から、出力をデジタル形式に変換する計数モードにおけるデジタル変換器への電気的接続も含み、その接続は、多重化され得る。複数の固体検出器から生成されたパルスのカウントが、単独画素に関連する。ポアソン統計が、このデータに対して用いられ得る。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
［デジタル電子検出器の応用］  用いられる基板／材料に依存する定量的なデジタル電子／光子検出器は、マイクロスコピーにおける二次電子検出器から、位置感応型検出器、暗視カメラの赤外線検出器、超速時間的分光法における単独光子検出器、ＣＣＤカメラ、エネルギー分散型Ｘ線検出器などにわたり、多種多様の応用を生成する手段として展開され得る。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
電子顕微鏡法において、標準、大型で非効率的なＥｖｅｒｈａｒｔ−Ｔｈｏｒｎｌｅｙ検出器は、はるかにより効率的なＳｉ系のＣＭＯＳ技術の電子検出器に置換され得る。これらのＳｉ検出器は、低消費電力を有し、迅速で、向上した量子効率で動作するようにスマートに設計されるであろう。例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、またはＧａＡｓウェハが、標準ＣＭＯＳ工程を用いてデジタル二次電子検出器を製造するために用いられ得る。Ｓｉ、Ｇｅ、及びＧａＡｓのバンドギャップが、０．６６ｅＶから１．４３ｅＶまでの範囲内にあるので、これらの材料は、空乏幅、キャリアの拡散長、及び電場の強度に依存する小さい逆バイアス電圧で二次電子の検出のために用いられ得る。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
［二次電子を検出する技術的アプローチ］  電子ビームで物体を走査する段階、当該物体からの出力放射線を固体検出器アレイ上へ方向付ける段階と、多数の二次電子を検出する段階と、多数の二次電子をカウントする段階と、固体検出器をリセットする段階とが、複数の定量性画像を取得するために続いて行われる。試料をラスタする画素に電子ビームが滞留すると、それらの二次電子がリリースされ、ファラデーケージ、レンズ、及び／またはガイドのうちの１つまたは複数へ向けて拡散される。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３２】
この計算は、数２の使用に関わる。各測定またはカウントが、同一画素滞留時間において同一固体検出器に衝突する別の電子の影響とは無関係の独立事象である場合、ポアソン統計に基づく統計処理が最良に働く。数２は、粒子または光子（例えば、電子検出器に対する電子）が、独立事象において検出器と相互作用する確率を決定するために用いられ得る。統計処理が、電子顕微鏡検出器に関連するノイズを低減させるために役に立つ技術である。９０％より高い確率を有する多数の固体検出器を含むアレイが好ましい。 
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３３】
本定量的な二次電子デバイスの設計の目標は、単独電子検出を達成するよう、アレイ（ｎ）において十分なＳＳＤを有することである。さらに、デバイスの最適動作は、独立事象である各検出に依存し、ポアソン統計処理を可能にする。数１において、ｎは、アレイにおけるデバイスの数を示し、ｍは、スイッチング周波数を示し、ｑは、画素滞留時間を示し、τは、毎秒カウントされた電子を示す。
【数１】
2017537426.tif 000014
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３６】
［アレイ毎の検出器数の最適化の技術的アプローチ］  一実施形態において（数１）、アレイは、検出器により用いられる特定のスイッチング周波数に対して、固体検出器に衝突する電子の平均数に画素滞留時間を乗じたものより多いまたは等しい最小数の固体デバイスを含み、当該電子は、固体デバイスに測定可能な検出事象をトリガすることができる。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５０】
過剰な少数キャリア（ｐ領域にある電子（●）及びｎ領域にある正孔（○））が、接合へ向けて拡散される。１拡散長（ｎ側及びｐ側上のそれぞれのＬｐ及びＬｎ）を生成した少数電荷キャリアは、それらが再度結合する前に、ＰＮ接合（幅ｘｄ）に到達し得る（ｄｅｌＡｌａｍｏ，１９８７）。一旦インターフェースに到達すると、それらは、Ψ0により接合にわたって掃引される。ＳＥがいつ収集されるかを決定する工程は、これにより、パルスをトリガする（表１及び図４）。１０３Ｖ／ｃｍまでの電場が、０．７２Ｖのビルトイン電位（Φｏ）に対して空乏域（＜１μｍ）にわたって観察された。その空乏域は、一ＳＳＤの大部分のスペースを占めている。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３】
2017537426.tif 000015
【国際調査報告】
2017537426.tif 000016