[发明专利]定量二次电子检测

说明书

相关申请的交叉引用

于2014年10月22日提交的临时申请号62/067,163通过引用的方式并入本文。本申请要求2014年10月22日提交的临时申请号62/067,163的优先权。

关于联邦政府资助的研究或开发的声明。

这项研究不受联邦研究资助。

技术领域

本公开的领域涉及协作以确定由样品发射的粒子或光子的数量的固态检测器的阵列。本公开的其他方面包括用于使用固态装置阵列来计数二次电子的检测器和方法，以及用于减少来自固态装置阵列的数据的噪声的方法。

背景技术

扫描电子显微镜(SEM)是材料科学、电子、能源、医学科学和其他学科的基本工具，对国家和公共福利至关重要。二次电子(SE)层析成像是SEM中最常见的操作模式。然而，其当前的限制阻碍了在其他方面可以在SE成像中实现的进步。

SE成像最常使用基于变型闪烁体-光电倍增管的Everhart-Thornley(E-T)检测器或其中的一些变型而进行。由于检测器的对角、倾斜、边缘效应和阴影，所有E-T检测器对来自SE收集差异的对比的特征的所有侧进行成像。图1描绘了传统Everhart-Thornley(E-T)闪烁体-光电倍增管的操作特征，用于从样品表面层逸出的SE形成图像。当电子束逐像素地对样品进行光栅扫描时，E-T检测器收集低能量(5-50eV)SE。此外，法拉第笼是E-T检测器的主要部分。维持在+10kV的检测器表面进一步加速SE。闪烁体层在被SE撞击时发射光子。光子沿着光管传播，撞击光电阴极，转换成电信号，并被放大。模数转换器(ADC)将信号转换为数字像素。

检测器中的部件数量和信号处理受到噪声、失真和非线性的影响。因此，使用E-T信号的测量在高分辨率下降低了定量效用[Reimer，1985]。在图2中，使用电子束进行SEM扫描，以扫描通过E-T检测器记录的相同结构的阵列[Joy，2012]。当光束到达第一特征的左边缘时，信号急剧上升。结果，模拟反馈环路开始减小系统增益和直流偏移。当光束在特征的另一侧保持扫描时，信号电平下降，但是衰减得更快，因为反馈回路仍然驱动信号下降。结果，信号通过反馈而被高度失真，并且呈现出增加的直流偏移，抑制的动态范围(参见图2)，从像素到像素改变“暗”电平，对比度和SE收集之间差的信噪比(SNR)和非线性关系[Joy,2012；Merli,1995；Kazemian,2007；Postek,2012；Bogner,2007；Oho,2007；Joy,1992；Isaacson,1977；ITRS,2011:计量挑战]。DoE电子散射研讨会[DOE_BES，2007]已经确定了电子显微镜的广泛研究需求。同样地，半导体工业也发现了计量挑战[ITRS，2011]。

发明内容

本发明包括用于使用固态检测器(例如，二极管、电容器，CCD)的阵列来检测光子或粒子的装置和方法。本发明包括固态检测器阵列以及使用方法，其中该阵列包括作为数字计数器的能够检测和计数单个光子或粒子的多个固态检测器。

固态检测器被配置为被重置，因此它们将再次可用于计数二次电子。该阵列还包括电连接件，该电连接件以计数器模式从一个或多个固态检测器连接到数字转换器，以将输出转换为数字形式，其中该连接件可以被多路复用。从多个固态检测器生成的脉冲的计数与单个像素相关联。泊松统计可用于此数据上。

在一个优选实施例中，二次电子检测器可以配置有法拉第笼以在固态检测器阵列处分散二次电子的图案，其中该图案包括阵列的大多数固态检测器。固态检测器可以被配置为检测和计数单个二次电子，其中阵列是由固态检测器的列和固态检测器的行组成的网格。固态检测器的阵列还包括处于计数器模式的时数转换器电路，计数的电路以及用于存储计数光子或粒子的数量的电路。

另一优选实施例是固态检测器的配置，其中多个固态检测器被配置为使用泊松统计误差校正从样品检测一个像素。固态检测器的配置还允许逐步检测样品的多个像素。

使用基于固态装置(SSD)阵列的电子计数器的定量二次电子检测(QSED)使得能够在诸如半导体、纳米材料和生物样品的材料中进行关键尺寸计量测量(图3)。