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公開番号2025137560
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-09-19
出願番号2025115514,2022103169
出願日2025-07-09,2022-06-28
発明の名称時間ゲート検出、デュアルレイヤSPADベースの電子検出
出願人エフイーアイカンパニ,FEI COMPANY
代理人弁理士法人ITOH
主分類H01J 37/22 20060101AFI20250911BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】本開示は、時間分解電子顕微鏡法に関する。
【解決手段】方法であって、電子顕微鏡において、電子ビームをサンプルに誘導するステップと、第1の単一光子検出器(SPD)アレイにおいて前記サンプルに誘導された対応するポンプパルスに応答する前記電子ビームの変調に基づいて、イベントを検出するステップと、前記検出されたイベントを、前記対応するポンプビームパルスの印加からの経過時間に対応する時間ビンに関連付けるステップと、を有する、方法。
【選択図】図1A

特許請求の範囲【請求項１】
方法であって、
電子顕微鏡において、
電子ビームをサンプルに誘導するステップと、
第１の単一光子検出器（ＳＰＤ）アレイにおいて前記サンプルに誘導された対応するポンプパルスに応答する前記電子ビームの変調に基づいて、イベントを検出するステップと、
前記検出されたイベントを、前記対応するポンプビームパルスの印加からの経過時間に対応する時間ビンに関連付けるステップと、
を有する、方法。
続きを表示（約 950 文字）【請求項２】
さらに、前記検出されたイベントの数のヒストグラムを形成するステップを有する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
さらに、対応するポンプパルス間の時間インターバルの少なくとも一部について、前記電子ビームを繰り返しブランキングするステップを有する、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記電子ビームは、前記ポンプパルスの印加に基づいてブランク解除される、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記電子ビームは、前記ポンプパルスに対する固定時間遅延でブランク解除される、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記ポンプパルスおよび前記電子ビームブランキングは、一定の繰り返し周波数で印加される、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記一定の繰り返し周波数は、１００Ｈｚ～３００ＭＨｚであり、前記電子ビームは、前記一定の繰り返し周波数に関連付けられた固定周期の少なくとも９５％のインターバルで繰り返しブランク化される、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記第１のＳＰＤアレイは、単一光子アバランシェ検出器（ＳＰＡＤ）アレイであり、さらに、
前記第１のＳＰＡＤアレイに固定された第２のＳＰＡＤアレイを用いて、前記第１のＳＰＡＤアレイで検出された前記イベントに対応する一致イベントが検出されたかどうかを判定するステップと、
前記一致イベントに基づいてヒストグラムを形成するステップと、
を有し、
各一致イベントについての時間ビンは、関連するポンプビームパルスに対する時間に基づく、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記第１のＳＰＡＤアレイおよび前記第２のＳＰＡＤアレイは、それぞれ、第１および第２の基板上に画定され、前記第１の基板は、前記第２の基板に対して固定されており、
前記第１のＳＰＡＤアレイおよび前記第２のＳＰＡＤアレイに結合された第３の基板は、前記第１のＳＰＡＤアレイおよび前記第２のＳＰＡＤアレイの複数の対応するＳＰＡＤアレイ要素についての検出イベントのヒストグラムを形成するように動作可能である、請求項８に記載の方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本開示は、時間分解電子顕微鏡法に関する。
続きを表示（約 4,100 文字）【背景技術】
【０００２】
従来の時間分解電子顕微鏡法は、レーザパルス、マイクロ波パルス、温度パルス、機械的または他の励起などのポンプパルスを同期させて、サンプルプロービングプロセスを開始することを中心に展開される。典型的には、ポンプパルスは、サンプルに方向付けられて、サンプルと相互作用し、サンプル応答を開始する。次に、プローブパルスが、ポンプされたサンプルに方向付けられ、プローブパルスへの応答が測定される。時間的応答は、ポンプパルスに対するプローブパルスの時間的遅延を変化させることによって得ることができる。プローブパルスは、ポンプレーザに応答して生成される電子ビームパルスであり得、多くの場合、ポンプパルスの周波数を２倍にし、周波数を２倍にしたポンプパルスに応答して電子ビームパルスを発生させることによる。パルス／プローブパルスは、信号対雑音比の増加を可能にするために繰り返され、パルス／プローブの時間的遅延を変化させることにより、サンプルの時間的応答の再構築が可能になる。これらのポンプ／プローブ測定では、適切な信号対雑音比を提供するために長い取得時間が必要になる場合がある。加えて、電子ビーム変調および関連する時間的遅延により、測定のセットアップが複雑になる。
【０００３】
特定の電子検出器は高い時間的分解能を提供することができるが、高いノイズを提示し、その結果、信号対ノイズ比が低い。例えば、単一光子アバランシェ検出器（ＳＰＡＤ）は、単一電子に応答してアバランシェベースの出力信号を生成することができる。残念ながら、ＳＰＡＤはまた、電子ビーム入力がない場合にも出力信号（ダークカウント）を生成する。これらのダークカウントは、ＳＰＡＤ冷却によって低減することができるが、実信号と区別することはできない。
【０００４】
上記を考慮して、従来のポンプ／プローブ測定アプローチに対する代替物、ならびに、代替的な検出器構成が必要である。
【発明の概要】
【０００５】
荷電粒子（ＣＰ）検出器は、第１の単一光子検出器（ＳＰＤ）アレイとＣＰビーム軸に沿って第１のＳＰＤアレイに対して整列した第２のＳＰＤアレイとを備える。一致検出器が、第１のＳＰＤアレイおよび第２のＳＰＤアレイのうちの１つに固定され、所定の時間窓内で第１のＳＰＤアレイおよび第２のＳＰＤアレイの対応するＳＰＤアレイ要素における荷電粒子の検出に対応する検出イベントを示すように動作可能である。いくつかの例では、第１のＳＰＤアレイおよび第２のＳＰＤアレイは、それぞれ第１の基板および第２の基板上に画定され、第１の基板は、第２の基板に対して固定されている。さらなる例では、第１の基板および第２の基板は、それぞれ第１のＳＰＤアレイおよび第２のＳＰＤアレイのＳＰＤアレイ要素が画定されている半導体基板であり、第１のＳＰＤおよび第２のＳＰＤは、単一光子アバランシェ検出器（ＳＰＡＤ）である。典型的な例では、一致検出器は、第１のＳＰＤアレイおよび第２のＳＰＤアレイの対応するＳＰＤアレイ要素の各対に対して対応する一致検出器要素を含む。場合によっては、第１のＳＰＤアレイおよび第２のＳＰＤアレイは、異なる数のＳＰＤ要素を含み、一致検出器は、第１のＳＰＤアレイの少なくとも１つのＳＰＤ要素および第２のＳＰＤアレイの少なくとも１つのＳＰＤ要素における荷電粒子の検出に応答して検出イベントを示すように構成されている。一致検出器は、第１の基板および第２の基板のうちの少なくとも１つに固定された第３の基板上に画定することができる。他の例では、フレームが、第１のＳＰＤアレイおよび第２のＳＰＤアレイを整列させるために配置され、少なくとも１つのスペーサが、第１のＳＰＤアレイおよび第２のＳＰＤアレイの分離を確定するために配置される。第１のＳＰＤアレイおよび第２のＳＰＤアレイは、それぞれ第１および第２の基板上に画定することができ、第１の基板は、第２の基板に対して固定することができる。第３の基板は、第１のＳＰＤアレイおよび第２のＳＰＤアレイから検出イベントを受信し、第１のＳＰＤアレイおよび第２のＳＰＤアレイの複数の対応するＳＰＤアレイ要素について各受信した検出イベントに関連付けられたタイムスタンプを生成するように、第１のＳＰＤアレイおよび第２のＳＰＤアレイに結合される。いくつかの例では、第３の基板は、第１のＳＰＤアレイおよび第２のＳＰＤアレイから検出イベントを受信し、第１のＳＰＤアレイおよび第２のＳＰＤアレイの複数の対応するＳＰＤアレイ要素について検出イベントのヒストグラムを生成するように、第１のＳＰＤアレイおよび第２のＳＰＤアレイに結合される。第１のＳＰＤおよびＳＰＤアレイは、単一光子アバランシェ検出器（ＳＰＡＤ）アレイであることができる。
【０００６】
方法は、電子顕微鏡において、電子ビームをサンプルに方向付けることと、第１の単一光子検出器（ＳＰＤ）アレイにおいてサンプルに方向付けられた対応するポンプビームパルスに応答する電子ビームの変調に基づいてイベントを検出することと、を含む。検出されたイベントは、対応するポンプビームパルスの印加からの経過時間に対応する時間ビンに関連付けられている。典型的には、検出されたイベントの数のヒストグラムが作成される。いくつかの実施形態では、電子ビームは、対応するポンプビームパルス間の時間間隔の少なくとも一部分について、繰り返しブランクされる。電子ビームは、ポンプパルスの印加に基づいてブランク解除することができ、いくつかの例では、電子ビームは、ポンプビームパルスに対して固定時間遅延でブランク解除され、ポンプビームパルスおよび電子ビームブランキングは、固定繰り返し周波数で印加される。固定繰り返し周波数は、１００Ｈｚ～３００ＭＨｚであることができ、電子ビームは、固定繰り返し周波数に関連付けられた固定周期の少なくとも９５％の間隔で繰り返しブランクすることができる。
【０００７】
代表的な実施形態によれば、第１のＳＰＤアレイは、単一光子アバランシェ検出器（ＳＰＡＤ）アレイであり、第１のＳＰＡＤアレイに固定された第２のＳＰＡＤアレイを用いて、第１のＳＰＡＤアレイで検出されたイベントに対応する一致イベントが検出されたかどうかが判定される。ヒストグラムは、一致イベントに基づいて形成され、各一致イベントについての時間ビンは、関連するポンプビームパルスに対する時間に基づいている。いくつかの例では、第１のＳＰＡＤアレイおよび第２のＳＰＡＤアレイは、それぞれ第１および第２の基板上に画定され、第１の基板は、第２の基板に対して固定され、第３の基板は、第１のＳＰＡＤアレイおよび第２のＳＰＡＤアレイに結合され、第１のＳＰＡＤアレイおよび第２のＳＰＡＤアレイの複数の対応するＳＰＡＤアレイ要素についての検出イベントのヒストグラムを生成するように動作可能である。
【０００８】
前述および他の特徴、ならびに開示された技術の効果は、添付の図を参照する以下の詳細な説明からより明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
ポンプビームおよび単一光子アバランシェ検出器（ＳＰＡＤ）アレイを使用するように構成された代表的な電子顕微鏡システムを示す。
図１Ａのシステムに関連付けられた代表的なタイミング図である。
ポンプビーム、ＳＰＡＤアレイを使用し、プローブ電子ビームをブランクおよびブランク解除するように構成された代表的な電子顕微鏡システムを示す。
図２Ａのシステムに関連付けられた代表的なタイミング図である。
ポンプビーム、ポンプビームに応答して生成されるプローブ電子ビーム、およびＳＰＡＤアレイを使用するように構成された代表的な電子顕微鏡システムを示す。
図３Ａのシステムに関連付けられた代表的なタイミング図である。
一緒に固定されたウェーハなどのそれぞれの基板上に画定された第１および第２のＳＰＡＤアレイを含むスタックされたＳＰＡＤアセンブリを示す。
間隔を空けて配置された第１および第２のＳＰＡＤアレイを含むスタックされたＳＰＡＤアセンブリを示す。
共通基板の対向する主面に画定された第１および第２のＳＰＡＤアレイを含むスタックされたＳＰＡＤアレイの断面図である。
関連する基板回路領域を含む、第１および第２の基板上に画定された二次元スタックされたＳＰＡＤアレイを示す。
第１の基板上に画定され、第２の基板上に画定された一次元ＳＰＡＤアレイと整列してスタックされた二次元ＳＰＡＤアレイを示す。
検出イベント回路が配置されているそれぞれの回路エリアを含む複数のサブアレイを備える二次元ＳＰＡＤアレイを示す。
ポンプパルスに応答するサンプル電子ビーム変調がＳＰＡＤアレイを使用して検出されて、ＳＰＡＤアレイの一部またはすべてのＳＰＡＤ要素の到着時間ヒストグラムを生成する代表的な方法を示す。
スタックされたＳＰＡＤアレイを使用する代表的な方法を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
序論
電子顕微鏡で使用される従来のポンププローブ法とは異なり、開示されたアプローチでは、電子ビームを変調する必要はないが、ＳＰＡＤアレイおよびポンプパルスは、ＳＰＡＤアレイに印加されるゲート信号と同期される。シンチレータベースの検出器を使用した場合でも、５～３０ｐｓ以上の時間分解能を達成することができる。プローブビームとして機能する電子ビームは、従来の透過型電子顕微鏡法と同様にオンのままにするか、あるいは、静電ブランカーまたは他の変調器を使用してより遅いタイムスケールで変調して、サンプルの線量を低減することができる。
（【００１１】以降は省略されています）

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