CN104704640A - 包含具有硼层的硅衬底的光阴极 - Google Patents

包含具有硼层的硅衬底的光阴极 Download PDF

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Abstract

在具有相对所照射(顶部)表面和输出(底部)表面的单晶硅衬底上形成光阴极。为防止所述硅氧化，使用使氧化和缺陷降到最低的方法将薄(例如，1nm到5nm)硼层直接安置于所述输出表面上，并且然后在所述硼层上方形成低功函数材料层以增强光电子的发射。所述低功函数材料包含碱金属(例如，铯)或碱金属氧化物。在所述所照射(顶部)表面上形成可选第二硼层，并在所述硼层上形成可选抗反射材料层以增强光子进入所述硅衬底中。在所述相对所照射(顶部)表面与输出(底部)表面之间产生可选外部电位。所述光阴极形成新颖传感器和检查系统的一部分。

Description

包含具有硼层的硅衬底的光阴极
相关申请案
本申请案主张2012年8月3日申请的标题为“具有低噪声和高量子效率的光阴极、高空间分辨率低噪声图像传感器和纳入图像传感器的检查系统(Photocathode With LowNoise And High Quantum Efficiency，High Spatial Resolution Low-Noise Image Sensor AndInspection Systems Incorporating an Image Sensor)”的美国临时专利申请案61/679,200的优先权。
技术领域
本发明大概来说涉及与半导体晶片、光罩或光掩模检查系统结合使用的低光感测检测器(传感器)，且更具体来说涉及用于所述检查系统的传感器中的光阴极。
背景技术
光阴极是通常用于光检测装置(例如光电倍增管、图像增强器和电子轰击CCD(EBCCD))的带负电电极。光阴极包括光敏化合物，其在受到光的量子(光子)撞击时由于光电效应响应每一所吸收光子产生一个(或多个)电子。现代光阴极中所用的光敏化合物通常包括碱金属，因为其低功函数允许电子容易地从光阴极逸出用以由主体图像传感器装置的其它结构检测。也使用如GaAs和InGaA等复合半导体来制备光阴极，尤其对于红外敏感装置来说。过去已制得硅光阴极，但尚未发现显著商业用途，因为尽管硅有效捕获光，但极少所产生电子能够从硅逸出，从而导致低总体效率。
光阴极通常划分为两个宽群组：透射式光阴极和反射式光阴极。透射式光阴极通常是形成于窗(例如，玻璃)面向要测量的光源的表面上，并且离开光阴极的电子穿过光阴极的输出表面以用于检测(即，电子移动远离光源)。反射式光阴极通常是形成于不透明金属电极基极上，其中光进入和电子离开于同一“所照射”表面进行。尽管反射式光阴极简化了下文所论述光阴极厚度与灵敏度之间的一些折衷，但并不适用于例如图像增强器和EBCCD装置等成像装置(但可适用于一些光电倍增管配置中)。因此，在下文论述中，除非另有说明，否则术语“光阴极”仅指透射式光阴极。
光阴极通常是形成或安装于适宜主体传感器的外壳(例如，半导体或真空管)上，并且传感器外壳经定位使得所照射表面面向目标光源(即，以使得光阴极定位于光源与主体传感器的电子测量结构之间)。当光子被光阴极吸收时，平均约50％所产生电子将朝向光阴极的所照射侧(即，面向光源光子穿过其进入光阴极的侧)行进。其它50％光电子将行进到光阴极的输出表面，并且如果光电子具有足够能量，那么将朝向传感器的电子测量结构发射。当电子从光阴极的输出表面发射时，其通常将由主体传感器内的电场朝向阳极加速，从而产生指示捕获一或多个光子的相应可测量电压或电流。
光电倍增管是包含光阴极、阳极和一系列倍增管电极(dynode)(电极)的真空光电管，其中每一倍增管电极处于相继比其前一者更大的正电位，且阳极处于比最后一个倍增管电极的正电位高的正电位。从光阴极发射的光电子是通过光阴极-倍增管电极电场来加速且通常将撞击倍增管电极，从而产生多个待发射二次电子，所述二次电子通过后续倍增管电极-到-倍增管电极电场来加速。几乎所有的这些二次电子均将撞击另一倍增管电极并产生更多电子。最终，电子通常将在经多个倍增管电极的多个阶段扩增后到达阳极。因此，每次光子被吸收并在正确方向上发射光电子时，光电倍增管产生电流(即，电荷)脉冲。由于所产生电荷等于许多电子上的电荷，因此当增益足够高时，可产生高于电子学的噪声级的电荷。因此，光电倍增管可为对在电磁波谱的紫外、可见和近红外范围内的光极为敏感的检测器。这些检测器使入射光产生的电流在多个倍增管电极阶段中倍增高达100百万倍(即，160dB)，从而能够在光的入射通量极低时检测(例如)个别光子。
图像增强器是另一类型的真空管传感器装置，其在光学系统中使用磷光体来增加所检测光的强度以促进(例如)低光工艺的视觉成像，或用于将不可见光源(例如近红外或短波红外)转化成可见光源。在典型图像增强器中，从光阴极发射的光电子是朝向涂布有磷光体的透明阳极加速，使得光电子以高能量(通常约1keV到约20keV)撞击磷光体，此使得磷光体产生许多光子。在一些图像增强器中，在光阴极与磷光体之间放置微通道板以从每一光电子产生多个二次电子。即使在没有微通道板的情况下，每一所吸收光子也可在图像增强器的输出处产生多个光子。所发射光子通过光学器件(例如光纤束或透镜)定向到图像传感器。由于每一所吸收光子可产生许多输出光子，因此可检测并测量极低光能级，在一些条件下可能甚至检测并测量单一光子。
EBCCD是以与图像增强器类似的方式操作的另一传感器。使用例如CCD等图像传感器代替磷光体屏幕作为输出来检测从光阴极发射并通过电场加速的电子。在EBCCD中，通常使用约-2kV或更大的电位差以在光阴极与CCD之间产生电场，由此使光阴极所发射的光电子加速并使其以高能量撞击CCD，此在CCD内部产生多个电子，然后所述电子被捕获。因为所检测的每一光子产生多个电子，因此CCD的读数和暗噪声对于光子的直接检测将不是那么重要。与图像增强器相比，EBCCD避免了将光从磷光体转移到图像传感器所需的光学器件的成本，而且还避免了由那些光学器件导致的图像分辨率的降格。
图11显示常规EBCCD 50，其包括包含窗53的外壳52、安置在窗53的内部表面上的光阴极54和安置于外壳52的下端的电荷耦合装置(CCD)55，使得光阴极54与CCD55由真空间隙56间隔开。通过对光阴极施加相对于CCD为负的电压以在光阴极54与CCD 55之间产生电场。入射光子61穿过窗53进入并被光阴极54吸收，从而产生光电子。当光电子62具有足够能量以经由光阴极54的输出侧(即，在图中向下)逸出时，其进入间隙区域56。由于CCD 55相对于光阴极54处于通常2kV或更大的正电位，因此朝向CCD 55加速光电子62使得其达到大于约2keV的能量，由此光电子通常将在CCD55内部产生多个电子。然后将在CCD 55内部产生的电子传输(例如，借助接脚57)到处理系统(未显示)，所述处理系统经配置以产生相关图像或与所检测光电子相关的其它数据。
现有技术光阴极需要在与吸收光子和发射光电子相关的相矛盾要求之间作出艰难的折衷。良好的光阴极需要在感兴趣波长下具有高吸收光子的机率和从所述所吸收光子产生一个(或多个)光电子的高机率。良好的光阴极还需要具有由所吸收光子产生的任一光电子从光阴极逸出的高机率。较厚的光阴极增加入射光子将被吸收的机率，而且增加所得发射光电子将在其逸出之前重组(即，损失)的机率。更特定来说，重组通常在形成光阴极的材料中的缺陷或杂质处发生，因此光电子必须行进穿过光阴极材料的距离越长，其将遭遇缺陷或杂质并重组的机率越大。所述材料必须具有低功函数，因为只有能量接近或大于功函数的光电子才具有合理的逸出机率。
通常，针对相对较窄波长范围最优化光阴极。举例来说，在半导体工业中UV波长尤其可用于检测半导体晶片上的小粒子和缺陷，因为一般来说从小粒子散射的光的量除其它因素外还取决于粒子或缺陷大小对波长的比率。大多数光阴极材料强烈地吸收UV光。针对UV波长最优化的现有技术光阴极通常需要较薄，因为UV光子将在接近所照射表面处被吸收。如果光阴极不薄，那么光电子可具有低的从光阴极的输出表面逸出的机率。通常只有在光阴极面向磷光体或图像检测器的侧上逸出的光电子将产生输出信号。针对UV波长最优化的此薄光阴极通常在可见和红外波长下将具有差的灵敏度，因为在较长波长下大部分入射光子将穿过光阴极而不被吸收。
现有技术光阴极的另一限制是所发射光电子的能量随所吸收光的波长而变化且当UV光子被吸收时可能为若干eV。因为光电子发射的方向是随机的，因此此电子能量导致信号在水平方向上散布。此外，所述散布将随所吸收光子的波长而变化，波长越短，所述散布越大。在厚的光阴极中，光电子通常在发射前将经历多次碰撞且将更有可能具有接近于由光阴极的温度所决定的能量的能量(即，电子更有可能经热化)。然而，当电子在光阴极内经历多次碰撞时，其可能由于在现有技术光阴极材料内和/或其表面上的大量缺陷而重组并损失。因此，降低的能量散布将以实质上降低的灵敏度为代价(大多数入射光子将不再产生信号)。
单晶体(单晶)硅似乎将克服刚刚所述的许多缺点。硅吸收所有短于约1.1μm的波长。硅晶体可以极高纯度和极少晶体缺陷生长。电子在高质量单晶体硅中的重组寿命可为许多微秒，在最好质量的材料中甚至数百微秒。所述长重组寿命允许远离表面许多微米所产生的电子能够以低重组机率迁移到表面。
然而，尽管其具有许多优点，但用于商业用途的基于硅的光阴极的研发受两个主要缺点的阻碍。
硅的一个缺点在于硅具有相对较大功函数(约4.8eV，艾伦(Allen)和伽贝利(Gobelli)，“自动清洁硅的功函数、光电阈值和表面状态(Work Function，Photoelectric Threshold，and Surface States of Atomically Clean Silicon”)，物理学评论(Physical Review)第127卷第1期，1962，第150页到第158页)，此不利于通过吸收光子所产生的光电子的发射。材料的功函数是在费米能级(Fermi level)下的电子与在真空能级下的电子(即已从材料逸出的电子)之间的能量差。硅的相对较大带隙意味着经热化电子不能从硅逸出。甚至接近硅表面吸收的UV光子不会产生太多光电流，因为光电子不具有足够能量逸出。举例来说，6.5eV的光子能量产生能量为约3eV的光电子(因为在此波长下直接吸收比间接吸收更有可能发生)。由于硅的功函数，能量为约3eV的光电子不能从硅逸出。
第二，使用硅作为光阴极材料更严重的问题是硅极易在其表面上形成自然氧化物。即使在真空中，因为真空中存在的少量氧和水将与硅表面反应，因此仍将最终形成自然氧化物。硅与二氧化硅之间的界面具有缺陷(由于悬挂键)，在此处电子重组的机率极高。此外，二氧化硅的带隙大(约8eV)，从而产生高于必须克服所述势垒才能逸出的功函数的额外势垒，即使氧化物极薄(极光滑硅表面上的自然氧化物通常是约2nm厚)。可通过去除自然氧化物并在高温(例如约900℃到1000℃)下生长热氧化物来降低在硅与氧化物的界面处的缺陷密度。当生长到约1.5nm到2nm的厚度时，此层可为稳定的。然而，即便良好质量的热氧化物在其与硅的界面处仍具有显著缺陷密度(通常109个缺陷/cm2到1011个缺陷/cm2)，并且即便可克服功函数，最小厚度接近2nm的经组合氧化物的高带隙仍为电子逸出提供显著势垒。可使用薄氮化硅层来防止硅上自然氧化物层的生长，但在硅与氮化硅的界面处的缺陷密度高于在硅与二氧化硅的界面处的缺陷密度，并且氮化硅的带隙(约5eV)大到足以阻止大多数电子从表面逸出。出于这些原因，尚未发现硅作为光阴极的重要商业用途。
因此，需要克服一些或全部现有技术限制的光阴极。
发明内容
本发明涉及光阴极结构，其包含硅衬底、形成于至少所述硅衬底的输出表面上的硼(第一)层和形成于所述硼层上的低功函数(第二)层。硅衬底优选基本上为厚度在约10nm到约100μm范围内的无缺陷单晶(单晶体)硅，其中厚度部分地取决于要捕获光的波长。优选地使用高温沉积工艺(例如，在约600℃与800℃之间)在干净的光滑硅上以制造厚度在1nm到5nm范围内(优选地约2nm)的无针孔硼层的方式形成硼层，由此硼层通过可靠地密封硅表面抵抗氧化而规避硅的氧化问题。然后将低功函数材料(例如，碱金属(例如铯)或碱金属氧化物(例如氧化铯))沉积于硼层上以能够从硅衬底发射电子，由此低功函数材料层通过有效地产生负电子亲和性装置而规避硅的相对较高功函数问题。因此，通过制造形成于单晶体硅衬底上的具有光滑硼层和低功函数材料层二者的光阴极，本发明提供有益质量的硅(即，低于1μm的波长吸收、高纯度/低缺陷材料和长电子重组时间)，同时避免了先前阻碍基于硅的光阴极的广泛商业用途的不利方面。
根据本发明的各个替代实施例，使用不同额外层和结构来进一步增强发明性光阴极结构的有益质量。在一些实施例中，在硅衬底的所照射(第一)表面上形成第二硼层(第三层)以进一步防止可降低光子吸收的氧化物和缺陷，并且将抗反射材料层(第四层)安置于第三层上以进一步增强光子吸收。在一些实施例中，使用金属框架或栅格和电压源以在硅衬底的所照射表面与输出表面之间产生外部电位差，以使电子优先地朝向输出表面移动。在又一些实施例中，使硼(或另一p型掺杂剂)穿过所照射表面扩散到硅衬底中以形成p型掺杂剂区域，而产生驱使电子远离所照射硅表面(其在此处可重组并损失)的电位梯度。
根据替代特定实施例，将本发明的发明性光阴极结构并入到不同传感器结构中以提供展示优异低光传感能力的传感器。除光阴极(其邻近传感器的接收表面定位)以外，这些传感器结构还包含检测装置(例如，CCD或CMOS图像传感器)，所述检测装置具有面向光电二极管的输出表面且由中间间隙与低功函数材料层间隔开的检测表面，其中所述检测装置用于检测穿过光阴极的输出表面发射的光电子，并且用于产生指示光电子的捕获的电信号。在一些传感器实施例中，传感器结构是在光阴极的顶部上可具有(或可不具有)窗的电子轰击电荷耦合装置(EBCCD)。在本发明的其它实施例中，传感器是在光阴极的顶部上可具有(或可不具有)窗的图像增强器。在本发明的又一些实施例中，传感器是在光阴极的顶部上可具有(或可不具有)窗的光电倍增管。
在一些传感器实施例中，在光阴极的所照射所照射表面上形成第二硼层以防止在所照射表面上形成氧化物，并且在第二硼层上方提供抗反射材料层以改进光子捕获效率。在一些这些实施例中，将抗反射材料层安置在窗与光阴极之间，但在其它实施例中，抗反射材料层还充当传感器的接收表面(即，传感器在光阴极的所照射表面上方不具有窗)，此进一步增加传感器的光子捕获效率。在光阴极的所照射表面上方包含窗的其它传感器实施例中，将抗反射材料层提供于窗上以改进光子捕获效率。
在本发明的一些实施例中，包含本发明光阴极的传感器还包含在其接收表面(即，检测装置面向光阴极的表面)上具有额外硼层的基于硅的检测装置。举例来说，在其中传感器为电子轰击CCD(EBCCD)且检测装置为CCD的情形下(其通常形成于硅衬底上)，在制作期间直接在CCD的接收表面上形成硼层以通过防止在CCD的接收表面上形成二氧化硅层来改进传感器的电子捕获效率。在其它实施例中，传感器包含CMOS检测器(即，代替CCD)，并且在CMOS检测器的接收表面上形成额外硼层。
在本发明的其它实施例中，将包含发明性光阴极的传感器用于晶片、光罩或光掩模检查系统中。具体来说，发明性系统包含用于将光传输到样品/晶片上的照明源(例如，激光系统)、一或多个使用任一本文所述发明性光阴极来检测通过样品/晶片或由其反射的光子的传感器(例如，光电倍增管、图像增强器或EBCCD)和用于将光/光子从照明源引导到样品(晶片、光罩或光掩模)并从样品引导到传感器的相关光学系统。
附图说明
以实例方式而非以限制方式在所附图式的图中图解说明本发明，其中：
图1是说明根据本发明的简化实施例在硅衬底上形成的光阴极的剖面侧视图；
图2(A)、2(B)和2(C)是说明根据本发明的替代特定实施例的硅光阴极的剖面侧视图；
图3是说明根据本发明的另一例示性实施例在所形成的光阴极的硅衬底上形成的掺杂和额外结构的放大局部剖面侧视图；
图4是说明根据本发明形成的光阴极的硅衬底内部的例示性电子能级的能量图；
图5(A)、5(B)和5(C)是说明包含本发明的替代特定实施例的光阴极的例示性传感器的剖面侧视图；
图6是显示本发明的另一实施例的检查系统的简化图；
图7(A)、7(B)、7(C)和7(D)是显示根据本发明的其它实施例的检查系统的简化图；
图8是显示根据本发明的另一实施例的另一检查系统的简化图；
图9是显示根据本发明的另一实施例的另一检查系统的简化图；
图10是显示根据本发明的另一实施例的另一检查系统的简化图；且
图11是说明常规传感器的剖面侧视图。
具体实施方式
本发明涉及用于半导体检查系统的低光传感器的改良。呈现以下说明以使所属技术领域的技术人员能够制作并使用本发明，并且是在具体申请案和其要求的背景下提供。如本文所用，方向术语例如“顶部”、“底部”、“上方”、“下方”、“上部”、“向上”、“下部”、“下面”和“向下”出于说明的目的打算提供相对位置，且不打算表示绝对参考框架。所属技术领域的技术人员将易于了解对优选实施例的各种修改，并且本文所定义的一般原理可适用于其它实施例。因此，本发明不打算受限于所示和所述的具体实施例，而是将给予其与本文所揭示原理和新颖特征一致的最宽范围。
图1以剖视图说明本发明的一般性实施例的光阴极100。光阴极100通常包含具有向上面向所照射(顶部/第一)表面102和相对向下面向输出(底部/第二)表面103的硅衬底101、安置于至少输出表面103上的硼(第一)层104和安置于硼层104的下表面上的低功函数(第二)层105。光阴极100以类似于常规光阴极的方式如下操作：当适当定位时，吸收穿过所照射(上)表面102进入硅衬底101的光子110并产生光电子112，所述光电子通常从衬底101穿过输出表面103发射。注意图1显示覆盖所照射表面102的虚线结构以指示在所照射表面102上任选存在窗和/或保护性和/或抗反射涂层，其中一些将在下文所讨论的各个特定实施例中进行阐释。
根据本发明的方面，硅衬底101优选包括为以小于约1019cm-3的掺杂水平(即约0.005Ωcm或更高的电阻率)经掺杂的p型单晶硅(即，硅单晶体)。由于少数载子寿命和扩散长度随着掺杂剂浓度增加而减小，因此当硅极薄(例如比约1μm薄)时可使用高于约1019cm-3的掺杂剂浓度，而当硅厚于约1μm时，低于约1019cm-3的掺杂剂浓度可能是优选的。在其它实施例中，硅衬底101包括多晶硅或多结晶硅。根据光阴极的预期波长操作范围，硅的厚度可介于约10nm与约100μm之间。硅衬底101展示约1.1eV的带隙，因此吸收真空波长短于约1.1μm的光。硅衬底101的1.1eV带隙是间接的，因此对光谱的红色和红外部分中的波长的吸收较弱。硅衬底101还具有约3.5eV的直接带隙，因此其强烈吸收深UV波长。视光阴极100的预期用途而定，硅衬底101具有在约20nm到约100μm范围内的厚度T1。举例来说，为促进在光谱的红外部分中的光子的高吸收机率，形成具有约10μm或数十μm的厚度T1的硅衬底101。或者，为吸收UV波长，形成具有在几十μm到约100nm范围内的厚度T1的硅衬底101。在实际实施例中，硅衬底101具有约1μm的厚度T1以吸收至少85％在从真空UV到约670nm(在靠近可见光谱的红色端)波长范围内的未反射的入射光子。当硅衬底101包括使用已知技术以极低晶体缺陷密度和高纯度生长的单晶(单晶体)结构时，硅衬底101内部产生的光电子具有数十或数百微秒(μs)的电位寿命。另外，单晶体结构使得光电子损失许多其过量能量且部分地或实质上以低重组机率热化。
根据本发明的另一方面，硼层104包括直接安置于硅衬底101的输出表面103上的基本上纯硼。如本文所用，结合硼-硅界面所用的词组“直接位于...上”打算指除可在Si/B界面处形成的可能SiBx薄层(即，一些单层)以外不存在隔开输出表面103与硼层104的连续中间层(例如，氧化物或SiNx层)。还应注意，词组“直接位于...上”不排除在硼与硅的一些部分之间存在氧化物。硼层104是使用F.萨鲁比(F.Sarubbi)等人“用于受控纳米深p+n结形成的硅上α-硼层的化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition of α-BoronLayers on Silicon for Controlled Nanometer-Deep p+n Junction Formation)”，电子材料杂志(Journal of Electronic Materials)，第39卷，第2期(2010年2月)第162页到第173页，ISSN 0361-5235教示的技术在清洁光滑的硅上高温(即，在高于约500℃、优选地介于约600℃与800℃之间的温度下)生长，使得硼形成厚度T2在约1nm到5nm范围内、优选地约2nm到3nm的无针孔涂层。如萨鲁比等人在所引用参考文献第163页说明，在沉积硼之前通过(例如)湿式清洁、随后通过原位热清洁以从硅去除所有自然氧化物很重要。硼的低温沉积也是可能的，但涂层可能较不均匀，并且可能需要涂层厚于2nm以确保其无针孔。硼层104的优点在于当施加到清洁硅表面时，此无针孔涂层防止在输出表面103上形成自然氧化物。在硅衬底101与低功函数材料层105(例如，碱金属或碱金属氧化物)之间提供硼层104的优点在于硼防止在低功函数材料与硅之间形成二氧化硅层。如先前所描述，二氧化硅层具有高带隙且即便薄层也会阻挡大部分电子离开硅。因此，硼层允许甚至具有低能量的电子离开硅并进入碱金属或碱金属氧化物层中。尽管业内已知用低功函数材料(例如氧化铯)涂布硅光阴极，但现有技术装置无法避免在硅与低功函数材料之间形成二氧化硅界面层，即便在涂布时硅层不含氧化物。也就是说，在硅上没有非渗透性无针孔保护层的情况下，氧最终迁移到硅表面并形成氧化物层。使用硼形成层104的优点在于薄无针孔硼层对氧来说是非渗透的且保护硅。硼涂层的另一优点在于硅与硼界面处的缺陷和界面陷阱的密度通常低于在硅与二氧化硅的界面处的密度。
根据本发明的另一方面，提供低功函数材料层105以通过在输出表面103处产生负电子亲和性装置来降低输出表面103的功函数。在一个实施例中，低功函数材料层105包括碱金属或碱金属氧化物中的至少一者，碱金属或碱金属氧化物具有低功函数，从而允许电子容易地逸出硅衬底101。在本发明的实施例中，将碱金属或碱金属氧化物涂布于硼层103的顶部上(即，涂布于光阴极100的输出侧上)。在一些实施例中，碱金属或碱金属氧化物是铯或氧化铯。在其它实施例中，使用其它碱金属、其它碱金属氧化物、不同碱金属或碱金属氧化物的混合物。在一些实施例中，将其它元素添加到碱金属或碱金属氧化物中。在优选实施例中，碱金属或碱金属氧化物层105具有小于约2nm厚的厚度T3。在一些实施例中，层105小于约1nm厚。长期以来，一直使用铯和氧化铯层在半导体光阴极上产生负电子亲和性表面。最近描述可参见B.S.亨德森(B.S.Henderson)日期为2009年8月7日的标题为“负电子亲合性GaAs光阴极的研究(Study of NegativeElectron Affinity GaAs Photocathodes)”的报告。
图2(A)到2(C)说明本发明的各替代实施例的发明性光阴极，其中使用额外层和结构来进一步增强发明性光阴极结构的有益质量。所说明例示性实施例不打算是详尽的，并且应理解，包含下文所述额外层和结构的组合的光阴极是可能的。
图2(A)以剖视图说明第一替代实施例的光阴极100A。与上文所述结构类似，光阴极100A包含具有安置于输出表面103上的硼层104的硅衬底101和安置于硼层104上的低功函数层105。另外，光阴极100A包含第二硼层(第三层)106，其是使用上文参照硼层103的形成所述的技术在硅衬底101的向上面向所照射(第一)表面102上形成。尽管硼在UV波长下吸收，但通过形成具有约3nm或更小的厚度T4的第二硼层106，仅吸收小部分入射光子。此外，由于硼在硅中是p型掺杂剂，因此硼涂层的存在将倾向于驱使光电子远离所照射表面102。此通过减小在所照射表面102处电子重组的可能性来改进光阴极100A的效率。通过在所述表面处以极浅层植入p型掺杂剂可实现类似结果，如下文参照图3所论述。在本发明的其它实施例(未显示)中，所照射表面103未经硼层保护，取而代之将硼(或另一p型掺杂剂)植入(扩散)到所照射表面102下方的硅中。所照射表面上氧化物涂层的存在无需使量子效率显著降格，且通过适当选择氧化物厚度通常可降低硅在感兴趣波长下的反射率。
图2(B)以剖视图说明根据第二替代实施例的光阴极100B，其包含硅衬底101、安置于输出表面103上的下部硼层104、安置于硼层104上的低功函数层105和安置于所照射表面102上的上部硼层106。光阴极100B与先前论述实施例不同之处在于，其进一步包含一或多个安置于上部硼层106上的抗反射涂层(第四层)107。抗反射涂层107是使用可用于UV和深UV抗反射层的材料(包含(但不限于)二氧化硅、氮化硅、氟化镁和二氧化铪)形成。对于在UV波长下需要高量子效率的光阴极来说，必须使在所照射表面102处和其附近的缺陷和陷获电荷的密度保持较低，因为UV光子在所照射表面102附近被吸收。如上文所提到，直接涂布于硅衬底101的表面上的任一电介质材料均将在电介质的表面处和其本体内产生缺陷和陷获电荷，并且将使光阴极的量子效率降级，尤其对于在接近表面处被吸收的深UV波长来说。通过首先形成上部硼层106作为薄无针孔层(例如，约2nm到5nm)，所照射表面102保持基本上不含缺陷和陷获电荷，并且光阴极100B包含由抗反射涂层107提供的增强的高量子效率。上部硼层106还可至少部分地遮蔽硅衬底101免受安置于抗反射涂层107上方的任何额外层中的陷获电荷的影响。
图2(C)说明根据第三替代实施例的光阴极100C，其包含硅衬底101、安置于输出表面103上的下部硼层104、安置于硼层104上的低功函数层105和安置于所照射表面102上的上部硼层106。光阴极100C与先前实施例的不同之处在于，连接外部电压源120以在所照射表面102与输出表面103之间产生外部电位差，以使硅衬底101中所产生的电子优先地朝向输出表面103移动。在此实施例中，输出表面103相对于所照射表面102保持处于正电位。由于形成衬底101的高度掺杂硅是弱导体，此在所照射表面102与输出表面103之间产生适宜电位差(例如，小于约5V)以用于产生光电子穿过输出表面103的更高流动。在一些实施例中，在上部硼层106和低功函数层105上分别形成围绕光阴极边缘的金属边界(未显示)或稀疏金属栅格108-1和108-2，以确保与光阴极100C的相对表面的良好的电连接。
图3显示本明的另一实施例的光阴极100D的剖视图，其中掺杂剂的梯度有意地从所照射表面102和输出表面103中的一者或两者扩散到衬底101中以使硅内的光电子朝向输出表面103定向。为简便起见，省略低功函数材料层。在所说明实施例中(即，其中所照射表面103经上部硼层106涂布)，在硅与硼之间形成薄硅化硼层126。一些硼将扩散到硅中以形成扩散区101-1(由阴影区指示)，由此产生将倾向于驱使电子远离所照射表面102进入衬底101中的电位梯度。在本发明的在所照射表面上无硼涂层的那些实施例中，p型掺杂剂(例如硼)从所照射表面植入或扩散到硅中以产生扩散区101-1。同样地，在输出表面103上，在硅衬底101与硼层104之间形成极薄(一个或一些单层)硅化硼层134，并且一些硼将短距离扩散到硅中以形成扩散区101-1(由阴影指示)。在一些实施例中，扩散层101-2可包括植入到硅中的其它p型或n型掺杂剂以改变输出表面103附近的电场梯度。
图4是说明在根据上文所述实施例形成的例示性发明性光阴极的横剖面内例示性能级随电子位置变化的图式。垂直方向代表能量。注意，此图未按比例，经变形并放大一些方面以更清晰地说明光阴极的关键方面。在左侧显示光阴极的所照射(顶部)表面410，并且在右侧显示输出(底部)表面412。虚线402代表当未向光阴极施加外部电压时光阴极内的费米能级。当未施加外部电压时，光阴极内各处费米能级基本上相同。
线403代表半导体内价带的顶部。通过明确掺杂或通过使硼从表面硼涂层(未显示，因为如果存在其仅为数nm厚)扩散、或通过二者的组合对光阴极的所照射表面410实施重度p掺杂。由于表面附近的重度p型掺杂，因此费米能级恰好在价带的顶部上方。举例来说，对于高硼掺杂水平来说，费米能级与价带的顶部之间的间隙可小到约0.045eV。随着掺杂剂浓度远离表面减小，费米能级与价带的顶部之间的间隙增加，此使得导带和价带向下弯曲远离所述表面，如由箭头420指示。
线404代表导带的底部。导带的底部与价带的顶部之间的差称为带隙。对于硅来说，带隙为约1.1eV，但在掺杂剂浓度高时降低。当通过吸收光子产生自由电子时，所述电子将处于导带中。电子最初产生时具有大约等于光子能量与带隙之间的差的能量。在硅中，过量能量通常迅速损失，以便电子迅速达到接近导带的底部的能量。由于导带中由箭头420指示的向下斜坡接近所照射表面，因此在所述表面附近产生的任何电子将快速移动远离所述表面且不可能在所照射硅表面410上或其附近存在的任何缺陷处重组。由于深UV光子极可能在距所照射硅表面410数nm内被吸收，因此在所述表面附近的此掺杂剂轮廓有可能实现光阴极在深UV波长下的高量子效率。
在直接位于硅上的薄硼层的顶部上如上所述用低功函数材料涂布光阴极的第二表面412。由于低功函数材料具传导性，因此其费米能级在其导带内。此由费米能级与导带合并时的实线425显示。由于硼层和低功函数层二者均仅数nm厚，因此其显示为一个组合的传导层。如上文所解释，一些硼扩散到硅中，从而在表面附近产生p型硅。在一些实施例中，可将额外掺杂剂纳入硅中。电子可通过从低功函数材料移动到p型掺杂硅中来降低其能量。由此在表面412上产生正电荷。所述正电荷使导带和价带向下弯曲，如422显示。在422处导带和价带的斜坡形状可不为单调的，这是因为存在远离硅表面411进入硅中的掺杂剂浓度轮廓和因电子从低功函数材料迁移到硅中所产生的空乏区域二者。视掺杂剂浓度轮廓的确切形状而定，在表面附近的导带和价带的能量曲线中可具有小局部最小值或最大值。如果其高度不超过零点几eV和/或任何最大值的宽度不超过数nm，那么与单调形状的所述小偏离不会显著影响装置的性能。
虚线405代表真空能级。405与425之间的差代表光阴极表面412上的低功函数材料的功函数。在一些优选实施例中，低功函数材料的功函数足够低，以使真空能级405低于在硅内导带的实质上平坦区域的能级。已知此导致称为负电子亲和性装置。硅导带的电子可容易地从表面412逸出，从而产生有效光阴极。即便真空能级405高于硅内导带的实质上平坦区域零点几eV，电子逸出机率仍可极高。如果真空能级405高于硅内导带的实质上平坦区域，如果使表面412相对于表面410略微正性，那么电子可容易地从表面412逸出。
相对于表面410向表面412施加正电压使得费米能级从左向右向下倾斜，从而产生待添加到导带和价带中的固有斜坡的类似斜坡。当电子从表面410朝向表面412移动时此将使其加速，并允许其以足够能量到达表面412以具有高逸出机率。
在基于硅的现有技术光阴极中，在硅的表面411上将具有薄氧化物层。此氧化物即便仅约2nm厚也代表任何电子试图逸出的实质势垒。二氧化硅的带隙是约8eV。此大带隙在导带内产生高于硅内导带数eV的局部峰值。表面411上的硼层阻挡氧或水达到硅表面并防止氧化物层的生长，因此能够实现有效光阴极。
图5(A)到5(C)是显示替代特定实施例的不同传感器结构的简化剖视图，其中所述传感器实施例中的每一者包含至少一个上文所陈述实施例的发明性光阴极结构，由此提供可用于(例如)半导体检查系统中的具有优良低光感测能力的传感器。尽管图5(A)到5(C)中所显示的简化传感器结构与EBCCD型传感器一致，但应理解，所绘示传感器结构还可适用于其它传感器结构(例如，图像增强器和光电倍增管传感器)。
图5(A)以横剖面说明本发明的第一传感器实施例的传感器200A。传感器200A通常包含上文所述硅光阴极100、检测装置210(例如，CCD或CMOS图像传感器)和外壳210，所述外壳是以可操作方式连接在光阴极100与检测装置210之间，使得检测装置210的检测表面212由中间间隙区域206与光阴极100的低功函数材料(第二)层105分隔开。光阴极100是邻近传感器200A的接收表面203A安置且经布置使得所照射表面102背朝检测装置210，由此使光阴极100定向以接收辐射(例如，光子110)并跨越中间间隙区域206将光电子112发射到检测装置210。如上文参照图1所陈述，光阴极100的特征在于具有在(例如，单晶)硅衬底101的输出(第二)表面103上形成的硼(第一)层104和安置于硼层104上的低功函数材料层105。与大多数CCD和CMOS图像传感器装置类似，检测装置210包含用于检测光电子112的感测结构和用于响应所检测光电子产生电信号S的电路(例如，借助一或多个输出接脚217)。
根据所说明实施例的一个方面，将光阴极100结合或以其它方式气密密封到非传导性或高电阻玻璃或陶瓷窗204A，所述玻璃或陶瓷窗与外壳202A的侧壁和其它部分结合用于其内部抽真空的包封(即，间隙区域206基本上充满真空)。在一个特定实施例中，通过围绕光阴极100的边缘安置的二氧化硅层来形成窗204A与光阴极100之间的结合。在一些实施例中，光阴极100的硅衬底101可为数十微米到数百微米厚。在光阴极的顶部无任一窗的情况下，所述厚度强到足以承受来自外部大气压的力。适用于形成窗204A的材料包含熔融硅石、石英、氧化铝(蓝宝石)、氟化镁和氟化钙。
根据第一传感器实施例的另一方面，传感器200包含导电结构(例如，与上文参照图2(C)所述的栅格结构类似)，其以可操作方式安置于光阴极100和检测装置210上或邻近其安置，使得当将适宜电源220以可操作方式耦合到传感器200A时，在光阴极100与检测装置210之间产生电场，其用以使从光阴极发射到间隙区域206中的电子112朝向检测装置210加速。在一些实施例中，如上文参照图2(C)所解释，通过第二电压源(未显示)使光阴极100的输出表面103保持在小于约5V的电位(相对于照明表面102为正)。当吸收辐射(光子)110时，光阴极100发射电子，并且发射到间隙区域206中的电子112朝向检测装置210加速，因为通过电压源220使光阴极110相对于检测装置210保持处于负电位。在优选实施例中，由电压源220产生的电位差在约100V到约1500V范围内。
图5(B)显示第二传感器实施例的传感器200B，其包含光阴极100B、形成于(第二)硅衬底211C上的检测装置210B(例如，CCD或CMOS图像传感器)和将光阴极100B维持在距检测装置210B固定距离处的外壳202。如上文参照图2(B)所述，光阴极100B的特征在于包含直接安置于硅衬底101的所照射(第一)表面102上的第二硼层(第三层)106和安置于第二硼层106上的抗反射材料(第四)层107。在此实施例中，外壳202B不含安置于光阴极100上方的窗，因此传感器200B的接收表面203B是由抗反射材料(第四)层107的外(上部)表面形成。因此，传感器200B因为没有因被窗反射或吸收而致的损失而具有比具有窗的传感器更敏感(即，能够检测较少量的光)的优点。因此，传感器200B在近红外波长到X-射线波长下均展示相对较高灵敏度。
图5(C)显示第三传感器实施例的传感器200C，其包含光阴极100和基于硅的检测装置210C(例如，形成于(第二)硅衬底211C上的CCD或CMOS图像传感器)，其是以与上文参照图5(A)所述类似的方式紧固到外壳202C。
根据第三传感器实施例的方面，外壳202C包含安置于光阴极100上方的上部窗部分204C和形成于窗204C上以改进传感器200C的光子捕获的抗反射材料层207C。在替代实施例中，在光阴极100与窗204C之间安置额外抗反射材料层(未显示)(即，光阴极100是使用(例如)光阴极100B来实现，其是上文参照图2(B)所述)。
根据第三传感器实施例的另一方面，(第三)硼涂层214C是使用上文参照光阴极100所述的技术直接在图像传感器210C的检测(上部)表面212上形成以使图像传感器210C能够有效吸收从光阴极100发射的电子。在优选实施例中，光阴极100与图像传感器120之间的间隙距离G介于约100μm与约1mm之间。因为硼涂层214C改进图像传感器210C对低能量电子的效率，因此可使用比现有技术装置中典型所用更低的加速电压和更小的间隙。更低的加速电压和更小的间隙的优点是改进传感器的空间分辨率且减少响应时间(即，增加最大操作频率)。硅光阴极内的光电子的热化也改进图像传感器的空间分辨率。
在本发明的其它实施例中，晶片、光罩或光掩模检查系统包含用于将光(光子)传输到样品/晶片上的照明源(例如，激光系统)、使用任一上述发明性光阴极来检测穿过样品/晶片或由其反射的光子的传感器(例如，光电倍增管、图像增强器或EBCCD)和用于将光/光子从照明源引导到样品(晶片、光罩或光掩模)并从样品引导到传感器的相关光学系统。这些实施例的实例显示于图6到图10中。
图6显示具有暗场和明场检查模式的检查系统300A的关键组件。系统300A所用光学器件包括高数值孔径大视野物镜128、用于设置或调整放大倍率的镜筒透镜139和纳入根据任一上述实施例构造的光阴极的检测器200。当以暗场模式操作时，检测器200以与图5(A)到5(C)中的任一者中所显示类似的EBCCD或图像增强器布置纳入发明性光阴极。关于此检查系统的其它方面的更多细节可参见美国专利7,345,825，其以全文引用方式并入本文中。
图7(A)到7(D)说明纳入本发明的其它例示性实施例的发明性光阴极的暗场检查系统的方面。在图7(A)中，检查系统300B-1通过穿过包括透镜或镜12的光学器件11的光14照射待检查晶片或光掩模(样品)的表面20上的线18。收集光学器件21使用透镜和/或镜(例如22a和22b)将散射光从所述线定向到传感器200。收集光学器件的光轴28不在线18的照明平面中。在一些实施例中，轴28大致垂直于线18。传感器200是纳入(例如)图5(A)、5(B)和5(C)中的任一者中所说明实施例的发明性光阴极的阵列传感器(例如线性阵列传感器)。图7(B)、7(C)和7(D)说明纳入具有发明性光阴极与线照明的组合的检测器200(例如图7(A)中所显示者)的多个暗场收集系统(分别为300B-2、300B-3和300B-4)的替代布置。这些检查系统的更多细节可参见美国专利7,525,649，其以全文引用方式并入本文中。美国专利6,608,676还描述适用于检查未经图案化或图案化晶片的线照明系统，其以全文引用方式并入本文中。
图8显示纳入本发明的另一例示性实施例的发明性光阴极的未经图案化晶片检查系统300C。来自激光1014的光借助偏振光学器件1016、光束形成光学器件1020和转向镜(例如1022和1024)定向到晶片1012。从晶片散射的光通过镜和透镜(例如1038和1032)收集并发送到纳入根据任一上述实施例构造的光阴极的检测器200-1和200-2。在一些实施例中，检测器200-1和200-2包括纳入发明性光阴极的光电倍增管。关于未经图案化晶片检查系统的更多细节可参见美国专利6,271,916，其以全文引用方式并入本文中。
图9显示本发明的另一替代实施例的泛光照明晶片检查系统300D。通过偏轴光源来照射晶片(样品)区。通过收集物镜来收集从晶片散射的光，穿过一或多个孔、分光器和偏振器，且然后定向到一或多个纳入根据任一上述实施例构造的光阴极的图像传感器200-1和200-2。在一些实施例中，图像传感器200-1和200-2包括纳入发明性光阴极的EBCCD或图像增强器。此检查系统的更多细节可参见罗马诺夫斯基(Romanovsky)等人的标题为“晶片检查(Wafer Inspection)”的共同拥有且待决的美国专利申请案第2013/0016346号，其以全文引用方式并入本文中。在这些检查系统实施例中，在检查期间优选使晶片连续移动。用于本发明的此实施例的图像传感器可有利地纳入标题为“电子轰击电荷耦合装置和使用EBCCD检测器的检查系统(Electron-BombardedCharge-Coupled Device And Inspection Systems Using EBCCD Detectors)”的共同拥有且共同待决的美国专利申请案第2013/0148112号中所述技术中的任一者，其以全文引用方式并入本文中。
图10显示本发明的另一替代实施例的晶片检查系统300E。检查系统300E包含借助所说明光学系统提供倾斜照明和实质上正常照明的照明子系统110E，其收集散射光并定向穿过各个孔和偏振束分光器的所述光到多个纳入任一上述实施例的发明性光阴极的传感器200-1到200-5。
现有技术图像增强器和电子轰击CCD必须在灵敏度与光谱带宽之间做出折衷。最多仅窄波长范围能够实现良好的灵敏度。本发明通过能够使用硅作为光阴极而允许在较宽波长范围内的高灵敏度。此外，由于发明性光阴极的高效率和低功函数，在一些实施例中，图像增强器、光电倍增管和电子轰击CCD可以较低加速电压操作，进而改进装置寿命并增加最大操作频率和/或空间分辨率。
现有技术硅光阴极在每一表面上均具有氧化物层，其阻碍光电子逸出并导致低效率。通过在硅的输出表面上形成硼层允许电子更容易地逸出，从而产生更高效率。
组合发明性光阴极与经硼涂布的CCD或CMOS图像传感器的图像传感器展示光阴极中更高的量子效率与经硼涂布的CCD的增加的灵敏度的组合。
纳入具有发明性光阴极的检测器的暗场检查系统具有常规图像和光传感器无法实现的高效率、极低噪声级和高速操作的组合。
尽管已针对某些特定实施例描述本发明，但所属领域技术人员应明了，本发明的发明性特征也可适用于其它实施例，所有所述实施例均打算在本发明的范围内。

Claims (20)

1.一种光阴极，其包括：
硅衬底，其具有相对第一表面和第二表面；
第一层，其基本上由硼组成且直接安置于所述硅衬底的所述第二表面上；和
第二层，其包括低功函数材料且安置于所述第一层上。
2.根据权利要求1所述的光阴极，其中所述低功函数材料包括碱金属和碱金属氧化物中的一者。
3.根据权利要求2所述的光阴极，其中所述低功函数材料包括铯。
4.根据权利要求1所述的光阴极，其中所述第一层具有在约1nm到5nm范围内的厚度。
5.根据权利要求1所述的光阴极，其进一步包括基本上由硼组成且直接安置于所述硅衬底的所述第一表面上的第三层。
6.根据权利要求5所述的光阴极，其进一步包括包括抗反射材料且安置于所述第三层上的第四层。
7.根据权利要求4所述的光阴极，其进一步包括用于在所述硅衬底的所述第一表面与所述第二表面之间产生外部电位差的构件。
8.根据权利要求1所述的光阴极，其中所述硅衬底包含p型扩散区，所述扩散区从所述第一表面朝向所述第二表面延伸，使得所述p型扩散区在靠近所述第一表面的部分中具有比远离所述第一表面安置的部分中高的p型掺杂剂浓度。
9.一种用于响应于定向到接收表面上的光子产生电信号的传感器，所述传感器包括：
光阴极，其邻近所述接收表面安置用于响应于所述光子发射光电子，所述光阴极包含：
硅衬底，其具有面向所述接收表面的第一表面和背朝所述接收表面的第二表面，
第一层，其基本上由硼组成且直接安置于所述硅衬底的所述第二表面上，和
第二层，其包括低功函数材料且安置于所述第一层上；
检测装置，其具有面向所述第二层的检测表面，所述检测装置包含用于检测由所述光阴极发射的所述光电子的构件和用于响应于所述所检测光电子产生所述电信号的构件；
外壳，其以可操作方式连接在所述光阴极与所述检测装置之间，使得所述检测装置的所述检测表面与所述光阴极的所述第二层由中间间隙区域分隔开；和
用于在所述光阴极与所述检测装置之间产生电场的构件，使得从所述光阴极发射进入所述间隙区域中的电子通过所述电场朝向所述检测装置加速。
10.根据权利要求9所述的传感器，其中所述低功函数材料包括碱金属和碱金属氧化物中的一者。
11.根据权利要求10所述的传感器，其中所述低功函数材料包括铯。
12.根据权利要求9所述的传感器，其中所述第一层具有在约1nm到5nm范围内的厚度。
13.根据权利要求9所述的传感器，其中所述传感器包括图像增强器、电子轰击电荷耦合装置EBCCD和光电倍增管中的一者。
14.根据权利要求9所述的传感器，其进一步包括基本上由硼组成且直接安置于所述硅衬底的所述第一表面上的第三层。
15.根据权利要求14所述的传感器，其进一步包括包含抗反射材料且安置于所述第三层上的第四层。
16.根据权利要求15所述的传感器，其中所述传感器的所述接收表面包括所述第四层的外表面。
17.根据权利要求9所述的传感器，其中所述接收表面包括安置于窗上的抗反射材料层。
18.根据权利要求9所述的传感器，其中所述检测装置包括第二硅衬底且包含直接安置于所述硅衬底的所述检测表面上的硼层。
19.一种检查系统，其包括：
照明源，其用于将光子传输到样品上；
传感器，其用于检测来自所述样品的光子；和
光学系统，其用于将所述光子从所述照明源引导到所述样品并从所述样品引导到所述传感器，
其中所述传感器包括：
光阴极，其邻近所述接收表面安置用于响应于所述光子发射光电子，所述光阴极包含：
单晶硅衬底，其具有经定向朝向所述光学系统的第一表面和背朝所述光学系统的第二表面，
第一层，其基本上由硼组成且直接安置于所述硅衬底的所述第二表面上，和
第二层，其包括低功函数材料且安置于所述第一层上；和
检测装置，其具有面向所述第二层的检测表面，所述检测装置包含用于检测由所述光阴极发射的所述光电子的构件和用于响应于所述所检测光电子产生所述电信号的构件。
20.根据权利要求19所述的检查系统，其中所述传感器包括图像增强器、电子轰击电荷耦合装置EBCCD和光电倍增管中的一者。
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