专利名称：薄电子探测器中的反向散射降低的制作方法
技术领域：
本发明涉及改进在用于透射电子显微术的电子探测器中的分辨率。
背景技术：
在90年代早期，为了可见光的探测而发明了 CMOS单片有源像素传感器(MAPS)。 因为在CMOS技术中的不断的改进，所以在商业数字照相机和科学应用中，CMOS传感器正在变成主要的图像感测装置。首先对于粒子物理学并且然后对于其它应用诸如透射电子显微术，还作为带电粒子探测器提出并且示范了 CMOS MAPS。在透射电子显微镜(“TEM”)中的电子能量通常从大约IOOkeV至大约500keV变动。TEM通常使用电荷耦合装置(“(XD”)探测器，该探测器被高能电子损坏。为了防止损坏CCD探测器，TEM探测器包括闪烁器，该闪烁器将电子转换成光， 然后由CCD探测所述光。介入的闪烁器降低了探测器的分辨率。CMOS MAPS能够被用作带电粒子的直接探测器，即，CMOS MAPS是更加稳健的并且能够直接地探测电子。CMOS MAPS能够提供良好的信噪比、高分辨率和高敏感性，并且相对于使用闪烁器的当前CCD技术是显著的改进。CMOS MAPS包括在更厚的基板之上的、薄的外延层。基本上全部的探测均在外延层中发生，该外延层提供了探测部(volume)。对于电子探测器的一个问题在于被从在探测器部下面的基板反向散射的电子能够返回到探测器部中，从而随机地增加信号并且在多个像素之上分散该信号。如果能够防止电子反向散射，则能够改进 CMOS MAPS的性能。一种降低反向散射的已知方法是使在探测器部下面的基板变薄，这被称作反向薄化(backthirming)。高能电子然后更加可能完全地通过变薄的基板而不反向散射。CMOS APS的、百分之九十的硅基板并不对探测器的性能作出贡献，但是基板的确对降低信噪比并且使图像模糊的反向散射作出贡献。图1示出在300 μ m厚的硅传感器104中的300keV初级电子102的散射的Monte Carlo (蒙特卡洛)模拟。迹线106代表如由该模拟确定的、不同的可能的电子轨迹。个体电子遵循的轨迹是偶然地确定的。示出了电子能够遵循的很多可能的轨迹中的、仅仅少数几条轨迹。在顶表面下面大约35 μ m处绘制了线条108，35 μ m是典型的传感器可以被反向薄化于此的深度。传感器的敏感部是大致5μπι到20μπι厚的顶层110。迹线106示出当传感器未被反向薄化时的电子轨迹。迹线116示出某些电子在传感器104内被散射回到敏感顶层110中。这种被反向散射的电子通过产生外来信号而降低了传感器的分辨率，所述电子中的很多电子远离初级电子102的冲击点。利用被反向薄化至线条108的传感器，相对很少的电子在变薄的基板内被反向散射到敏感顶层110，因此传感器的分辨率得以改进。在厚传感器中，能够在离初级电子102的冲击点的大距离处产生相当大的信号。薄传感器因此能够大大地改进探测器性能。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种用于改进的电子探测的照相机。
本发明的实施例通过降低被反向散射的电子的影响而提供改进的照相机性能。通过薄传感器的电子可以仍然具有足以被从在传感器下面的材料散射回到传感器中并且降低探测器信号的能量。某些实施例移除了在薄探测器基板下面的某些或者全部材料以防止将电子散射回到探测器部中。某些实施例提供在传感器下面的结构，该结构防止电子反向散射到探测部中。这种结构能够通过结合在防止电子到达传感器的方向上散射电子的几何形状；通过具有低的反向散射系数；或者通过组合几何形状和材料性质而防止反向散射到探测部中。前面已相当宽泛地概述了本发明的特征和技术优点从而随后的本发明的详细描述可以得到更好的理解。将在下文中描述本发明的另外的特征和优点。本领域的技术人员应该理解，可以容易利用所公开的概念和具体实施例作为用于修改或者设计用于执行本发明相同意图的其它结构的基础。本领域的技术人员还应该意识到，这种等价构造并不偏离如在所附权利要求中阐述的本发明的精神和范围。
为了更加彻底地理解本发明及其优点，现在对结合附图所进行的以下说明进行参考，其中
图1示出在硅电子探测器中的300keV电子踪迹的Monte Carlo模拟。图2示出通过传感器并且从比较靠近传感器底部的材料反向散射的电子的几条可能的轨迹。图3示出通过传感器并且从在传感器底部下面比较远的材料反向散射的电子的几条可能的轨迹。图4示出本发明的一个实施例，其中照相机底部的几何形状防止到探测器部的反向散射。图5示出本发明的另一实施例，其中照相机底部的几何形状防止到探测器部的反向散射。图6示出本发明的另一实施例，其中传感器后侧的几何形状防止到探测器部的反向散射。图7示出本发明的另一实施例，其中传感器后侧的材料防止到探测器部的反向散射。图8示出类似于在图5和6中示出的结构的组合的本发明的另一实施例，其中照相机底部的几何形状防止到探测器部的反向散射。图9A和9B示出本发明的其它实施例，其中照相机底部的几何形状防止到探测器部的反向散射。图10示出结合本发明的实施例的透射电子显微镜。
具体实施例方式电子不仅被探测器基板而且还被在探测器基板下面的材料反向散射。在这里使用术语“在传感器下面”以意指沿着从传感器的电子运动的方向上的“下游”或者更远，而与在照相机中电子是竖直地还是水平地移动无关。初级高能电子束将通过薄传感器并且可以
5在传感器下面的材料上散射回到传感器中并且降低探测器分辨率。随着传感器被制造地更薄以降低在传感器基板中的散射，更多的电子以更高的能量通过传感器并且从基板下面的反向散射问题被加剧。本发明的各种实施例防止电子从传感器下面的结构的反向散射。使用“防止反向散射”来意指消除或者大大地降低反向散射量，而并不要求不存在反向散射的任何可能性。“薄”传感器意指其中相当大的百分比(即，大于百分之十)的进入电子通过样本并且离开后侧的传感器。在特定应用中传感器是否是“薄”的部分地依赖于进入电子的能量和制成传感器的材料。用于TEM的典型硅传感器具有在大约5 μ m和50 μ m之间的像素尺寸。传感器厚度包括电子敏感探测器部的厚度和为探测器部提供机械支撑的基板部的厚度。在大多数应用中比大约100 μ m更薄的传感器是“薄”传感器，但是优选的传感器小于大约50 μ m、小于大约35 μ m或者小于大约25 μ m。理论上，传感器基板部能够被完全地移除，从而仅仅留下在5 μ m和20 μ m厚之间的探测器部。图2示出在具有基板206和敏感探测器部208的反向薄化探测器204下面的照相机底部202中的材料的影响。图2示出电子在通过反向薄化传感器204之后可能采取的几条可能的轨迹220。遵循轨迹220之一的电子能够被照相机底部202反向散射并且可能采取轨迹222之一并且返回和撞击探测器204。如果返回电子具有足够的能量以到达探测器部208，则它能够引起错误信号。将理解，任何个体电子的路径都是不可能预测的并且所示的轨迹220和222仅仅代表几条可能的路径。根据本发明的优选实施例，在探测器下面的部分(volume)或者没有材料或者存在的任何材料均被配置为或者通过它的几何形状或者通过它的组成而降低反向散射。图3示出如果照相机300在传感器204下面不具有足够靠近的材料，则通过传感器的大多数电子将不被反向散射到传感器204中。图3示出通过传感器204并且然后被从在传感器204的底部下面的相对大距离305处的材料304散射的电子210的三条实例轨迹 302。轨迹306示出在散射之后的几条可能的轨迹。电子被以在零度和九十度之间的角度散射。随着在照相机底座304和传感器204之间的间隙的尺寸增加，几何形状使得被反向散射的电子将返回并且撞击探测器204是较不可能的。例如，遵循轨迹306的反向散射电子将不像遵循图2的轨迹222的电子那样返回并且撞击探测器204。在某些优选实施例中，在传感器下面的材料位于大于传感器的最大线性表面尺寸诸如长度、宽度或者直径的四倍的距离处以基本降低电子到传感器204中的反向散射。例如，在矩形传感器中，在传感器底部和最靠近的材料之间的距离优选地大于传感器长度或者宽度中的较长者的四倍。在其它实施例中，使用大于最大尺寸的两倍、大于最大尺寸的三倍或者大于最大尺寸的五倍的距离。在某些优选实施例中，能够利用缓和反向散射的材料诸如具有低原子序数的材料来覆盖探测器的底部或者在探测器下面的材料。例如，具有原子序数九的铍；具有原子序数十二的碳；或者具有小于硅的原子序数(二十八)的原子序数的任何材料将降低电子的反向散射。具有相对高的氢含量的化合物诸如碳氢化合物具有低的平均Z并且将降低反向散射。在本发明的某些实施例中，在探测器下面的照相机底部提供其形状防止电子反向散射到探测器中的结构特征。例如，图4示出包括传感器402和被形成为一系列倾斜表面 406诸如脊或者锥体的照相机底部404的照相机400。图4示出通过传感器402的电子的几条可能的轨迹220。在图4的示意轨迹中的两条轨迹中，电子210撞击倾斜表面406并且遵循更深进入由倾斜表面406限定的凹槽410之一并且远离传感器402的轨迹408。在多次碰撞之后，电子损失能量、被吸收到照相机底部404中并且被带走。在另一条可能的轨迹 412中，电子被从倾斜表面406反向散射远离探测器402。能够针对特定照相机几何形状优化凹槽410的优选深度和倾斜表面406的角度以最大化反向散射在照相机的物理约束内的衰减。图4还在照相机400的右侧上示出靠近照相机400的边缘撞击的初级电子420能够被照相机侧壁414散射回到传感器402中。能够例如如在照相机400的左侧上示出的那样通过包括翼片432或者某些其它屏障的壁结构430来防止该反向散射。翼片432可以是水平的或者可以成一定角度(优选地向下的角度)延伸以引导被散射的电子远离传感器 402。当初级电子434通过传感器402并且沿着轨迹436朝向照相机一侧从斜向表面406 散射出去时，反向散射的电子撞击翼片432之一并且不到达探测器402。图5示出包括传感器502和包括多个竖直翼片506的照相机底部504的另一照相机500。竖直翼片506形成高纵横比通道508。高纵横比在这种情况和其它实施例的情况下意指大于1、更加优选地大于2并且最优选地大于5的纵横比。图5的实施例利用了以下事实大多数电子被以一定角度反向散射而非以180°直返。图5示出初级电子510通过探测器502并且遵循轨迹512之一。撞击照相机底部504的平坦部分514的某些电子被从照相机底部504反向散射。当被以一定角度散射时，它们撞击翼片506之一的表面。在多次撞击翼片之后，电子损失能量并且被吸收。以一定角度离开传感器502的某些电子撞击翼片506的侧壁并且在通道508内跳弹(ricochet)直至它们失去能量为止。S卩，通过传感器 502的电子将在通道508之一中被捕获。能够使用通常在航空构造中使用的材料诸如蜂窝状铝薄片或者利用通道板诸如在通道板探测器中使用的那些来制造通道508。通道508能够与传感器502的像素对准从而被从竖直翼片506的顶部反向散射的少数电子将对探测器信号具有最小的影响。竖直翼片506的顶端能够渐缩(taper)成一点以进一步降低到达传感器502的反向散射电子。在某些实施例中，翼片506在大约Imm和20mm高之间并且被隔开50 μ m和2000 μ m之间。翼片506的顶部优选地在传感器502下面大约0_和50_之间。用于降低反向散射的翼片或者其它反向散射降低几何特征的优选尺寸将随着照相机几何形状和传感器的尺寸而改变。任何通道结构均可以降低反向散射，并且能够实验性地或者通过对任何特定传感器几何形状使用模拟而确定最佳尺寸。图6示出本发明的另一实施例，其中照相机600包括传感器604，传感器604具有在传感器自身的后侧中形成高纵横比通道608的翼片606。不是均勻地薄化传感器604的后侧，通道608是例如通过光刻而在后侧中蚀刻的。可替代地，带有翼片的(firmed)或者通道结构能够被结合到或者被以其它方式联结到薄传感器结构。图6示出通过传感器604 并且遵循轨迹614之一的初级电子610通过撞击照相机底部616而被以一定角度散射并且撞击翼片606多次。电子损失足够的能量，类似于电子被图5的翼片506吸收的方式， 从而电子不太可能到达传感器604中的敏感探测器部624。某些电子在传感器604内被以更大的角度散射并且遵循在撞击照相机底座616之前撞击翼片606的轨迹626。除了降低反向散射电子的数目，翼片606还提供机械强度。在某些实施例中，当通道608被蚀刻时围绕传感器604留下固体硅或者其它材料的更厚或者更深的支撑性边缘630以提供另外的机械强度。在某些实施例中，通道608在大约IOym和2000 μ m深之间并且被隔开10 μ m和2000 μ m之间。翼片606的底部优选地位于在照相机底部616上方大约Omm和50mm之间。因为由翼片606提供的另外的支撑，所以传感器604能够被制得更薄，例如小于 30 μ m，因为薄化部分必须桥接小得多的跨距，在某些实施例中，仅仅几十微米而非几十毫米。更薄的传感器将进一步降低在基板内的反向散射。通道608优选地与像素阱对准，以最小化在翼片606处来自探测器基板的更厚部分的反向散射对探测器信号的影响。图7示出另一照相机700，其中通过降低来自传感器基板下面的电子反向散射而改进了分辨率。传感器702的后侧利用降低反向散射的材料层704进行涂覆。例如，材料层 704能够具有低的反向散射系数，这是具有低的平均原子序数的材料的特征，所述材料包括碳氢化合物诸如蜂蜡、或者低密度材料薄片诸如网状心室碳(“RVC”)。这个实施例还具有为薄探测器702提供结构支撑的优点。与在不带支撑的情况下将可能的相比，另外的支撑允许把探测器制得更薄。在一个实施例中，一毫米的RVC层降低了到达探测器702的探测部的反向散射电子的数目。材料704应该是真空相容的，S卩，具有低的蒸汽压力。可以使用高 Z材料的薄层来覆盖并且保护更高蒸汽压力材料(诸如碳氢化合物)以免受真空影响。只要高Z层是薄的，例如小于50 μ m，则对于很多应用而言，增加的反向散射将在可接受的水平内。初级电子720遵循轨迹722之一通过传感器702。对于某些材料诸如碳氢化合物，当遵循轨迹722的电子通过材料704时，它们损失能量。被照相机底部730反向散射的电子再次进入材料704中，在此处它们损失足够的能量从而大多数没有到达探测器部732。图8示出包括图5和6的实施例的组合的照相机800。图8的照相机包括具有通道608的传感器604。在传感器604下面是包括限定通道508的多个竖直翼片506的照相机底部504。照相机底部504或者传感器602还能够在通道内包括降低反向散射电子的材料，诸如关于图7描述的材料。如关于图5和6描述的，通过探测器604并且遵循轨迹822之一的初级电子820 在通道608和508中跳弹并且被吸收。图9A和9B示出用于降低从薄传感器向下游的电子反向散射的结构的另外的实施例。图9A示出包括斜向翼片906a的结构900a，所述斜向翼片906a在它们之间具有空间 908a。翼片906a的角度优选地足以防止来自传感器的电子直接地冲击照相机底部914a。 通过传感器的电子被从斜向翼片908a的侧面散射并且在结构900a中被有效地捕获。斜向翼片906a的顶部相对于传感器的底部表面能够是斜向的以防止来自翼片顶部的反向散射。图9B的结构900b类似于图9A的结构900a，但是斜向翼片906b的高度改变。如在结构900a中，通过传感器的电子变得被捕获在斜向翼片906b之间的空间908b中。图10示出体现本发明的透射电子显微镜1000的简化框图。显微镜1000包括电子源1002和将高能电子束聚焦到样本1006上的聚焦镜筒1004。通过样本1006的电子由照相机1010的薄传感器1008探测。通过防止电子因从照相机底座1014散射而反向散射回到传感器1008中，结构1012改进了探测器分辨率。以上在图3-8中描述了结构1010的某些可能的实施例。存在透射电子显微镜的很多已知配置，并且能够在包括薄传感器的任何显微镜上使用本发明。例如，本发明的实施例能够与具有用于能量损失能谱法或者用于形成能量过滤图像的能量过滤器的显微镜一起使用。虽然已分开地描述了几个实施例，但是技术人员将认识到，在不偏离本发明的原理的情况下，用于降低反向散射的、所描述的各种结构均能够被以各种方式组合以降低反向散射。例如，替代如上所述的规则几何图案，照相机底部表面能够包括不规则的、粗糙的表面以降低反向散射。与光滑表面的任何偏差均将降低反向散射。所谓的“照相机底部”指的是在传感器下游的照相机的部分，并且不限于底部真空腔室壁或者任何特定构件。在以上实施例中的全部尺寸都是作为实例提供的，并且用于防止反向散射的各种结构的尺寸将根据每一个照相机的特性诸如传感器尺寸而改变。虽然因为目前的制造技术而在以上的某些实施例中提到“反向薄化”传感器，但是本发明可应用于任何薄传感器，并且不限于起初是厚的并且被从后侧薄化的传感器。本发明不仅可应用于CMOS APS，而且可应用于任何类型的薄传感器，诸如硅带探测器、或者使用雪崩光电二极管或者目前已知或者待被研制的其它薄传感器(包括基于半导体或者非半导体的传感器)的矩阵探测器。
虽然已详细描述了本发明及其优点，但是应该理解，在不偏离如由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，能够对在这里描述的实施例作出各种改变、替代和更改。而且，本申请的范围并非旨在限于在说明书中描述的过程、机器、制造、物质组成、装置、方法和步骤的特定实施例。如本领域的一位普通技术人员将根据本发明的公开而容易意识到的，根据本发明可以利用执行与在这里描述的对应实施例基本相同的功能或者实现与其基本相同的结果的、目前存在的或者将在以后研制的过程、机器、制造、物质组成、装置、方法或者步骤。因而，所附权利要求旨在在它们的范围内包括这种过程、机器、制造、物质组成、装置、方法或者步骤。
权利要求
1.一种用于透射电子显微镜的照相机(300，400，500，600，700，800)，包括传感器(204，402，502，604，702)，所述传感器具有小于100 μ m的厚度；其特征在于，所述照相机包括位于所述传感器下面的结构(406，508,608和704)，所述结构被配置为降低电子朝向所述传感器的反向散射以通过降低来自反向散射电子的噪声而改进所述传感器的分辨率。
2.根据权利要求1的照相机，其中所述传感器包括具有基板(206)和探测部(208)的 CMOS有源像素传感器，位于所述传感器下面的所述结构防止通过所述基板的电子再次进入所述基板并且到达所述探测部。
3.根据权利要求1的照相机，其中位于所述传感器下面的所述结构提供在传感器的基本整个底部表面下面延伸距离(305)的空空间，所述距离至少是所述传感器的长度、宽度或者直径中的较长者的四倍，由此降低由从所述传感器下面的材料反向散射的电子引起的、 在所述传感器中的信号。
4.根据权利要求3的照相机，其中所述传感器具有小于50μ m的厚度并且其中所述照相机底部位于离所述传感器的所述底部表面至少200 μ m。
5.根据权利要求1的照相机，其中位于所述传感器下面的所述结构包括多个翼片 (506，606)，所述翼片偏转并且吸收通过所述传感器的电子。
6.根据权利要求1的照相机，其中位于所述传感器下面的所述结构包括多个高纵横比通道(508，608)。
7.根据权利要求5的照相机，其中所述多个高纵横比通道(508)开口朝向所述传感器。
8.根据权利要求5的照相机，其中所述多个高纵横比通道(608)开口远离所述传感器。
9.根据权利要求1的照相机，其中位于所述传感器下面的结构(704)包括具有小于硅的原子序数的平均原子序数的材料以降低电子的反向散射。
10.一种透射电子显微镜，包括高能电子源(902)；用于朝向样本引导电子的聚焦镜筒(904)；用于从通过所述样本的电子记录电子图像的、根据以上权利要求中任何一项的照相机。
11.一种在透射电子显微镜中观察样本的方法，包括朝向样本引导高能电子束；使用薄传感器探测通过所述样本的电子，相当大的数目的电子通过所述薄传感器；其特征在于在所述薄传感器下面提供一种结构，所述结构防止已通过所述传感器的电子散射回到所述传感器中并且产生错误信号。
12.根据权利要求11的方法，其中在所述薄传感器下面提供一种结构包括提供一种包括多个高纵横比通道的结构。
13.根据权利要求11的方法，其中在所述薄传感器下面提供一种结构包括提供一种具有多个倾斜表面以偏转电子从而防止电子到达所述探测器部的结构。
14.根据权利要求11的方法，其中在所述薄传感器下面提供一种结构包括提供一种具有低的反向散射系数以防止电子到达所述探测器部的结构。
15.根据权利要求11的方法，其中在反向薄化的半导体传感器下面提供一种结构包括提供一种在所述传感器下面包括空空间的结构，所述空空间具有所述传感器尺寸的至少四倍的厚度。
全文摘要
本发明涉及薄电子探测器中的反向散射降低。在直接电子探测器中，防止电子从传感器下面到探测器部中的反向散射。在某些实施例中，在传感器下面保持空空间。在其它实施例中，在传感器下面的结构包括或者延伸到传感器或者从传感器延伸以捕获电子的几何形状，诸如多个高纵横比通道；或者用于偏转通过传感器的电子的斜向表面的结构。
文档编号H01J37/22GK102376516SQ201110222290
公开日2012年3月14日 申请日期2011年8月4日 优先权日2010年8月4日
发明者R. 法鲁奇 A., J. P. 舒尔曼斯 F., C. 范 霍夫滕 G., J. 麦克穆兰 G., 洛夫 J., A. W. 斯特克伦堡 M., C. 古里尼 N., A. D. 图尔切塔 R., 亨德森 R. 申请人:Fei 公司