专利名称：用于在带电粒子设备中使用的检测器的制作方法
用于在带电粒子设备中使用的检测器本发明涉及一种用于检测X射线的辐射检测器，该检测器包括硅漂移二极管(SDD)，SDD示出阳极和输出端，SDD响应于单个检测到的光子在输出端上产生脉冲，脉冲高度与由光子的检测所生成的电子空穴对的数量成比例，该输出端被连接到用于测量输出信号的电子电路。从还被称为Niculae[-I-]的 “Optimized readout methods of silicon driftdetectors for high-resolution X-ray spectroscopy，，，A. Niculae 等人，NuclearInstruments & Methods in Physics Research A, 568 (2006) 336 342 中获悉这样的检测器。已知的出版物公开了包括硅漂移二极管(SDD)和相关电子电路的检测器。
SDD示出了活性容积(active volume),其中诸如X射线光子之类的碰撞福射生成电子空穴对。作为二极管中的内电场的结果，电子漂移到阳极，在此处它们将阳极充电到对应的电势。阳极是非常小的，并且因此具有相对于阴极而言非常小的电容。获得小于0.5pF、现今通常为0. 15 pF的电容，并且因此少量的电子已经产生对于检测而言足够大的信号。采用与SDD集成的FET来缓冲在阳极上感应的信号，除非布线(wiring)的电容已经使信号恶化了。已知使用SDD的检测器被用在例如扫描电子显微镜(SEM)中。在SEM中，精细聚焦的电子射束在样本的表面上面扫描。电子通常具有200 eV与30 keV之间的能量，尽管已知使用了更低的和更高的能量。电子与样本相互作用并且因此辐射从样本出射。该辐射通常包括二次电子(SE，从样本出射，具有低于50 eV的能量)、背散射电子(BSE，从样本出射，具有高于50 eV的能量)以及特征X射线光子(X射线)。X射线给出了关于样本的材料的成分的信息。SDD的局限性是能够被计数的每秒脉冲的数量
SDD的速度受到电子行进到阳极所花费的时间和在此时间期间电子的排斥效应(也称为弹道亏损效应)的限制。这导致大约50到100 nsec的有限上升时间。另外，随后的电子限制了计数速率。实际上，能够获得每秒5X105次计数到每秒IXlO6次计数的计数速率。集成电容器上的电荷定期需要被复位。常常通过当输出信号超过特定阈值时被触发的外部复位电路来完成这个。复位该设备通常花费几微秒，在该时间内SDD不能对输入信号进行响应，从而进一步限制了计数速率。注意到SDD也能够工作在内部的、自偏置复位模式下，其中阳极电荷由从FET的漏极到阳极的泄漏来补偿。然而，此模式导致轻微更坏的性能(能量甄别)。原则上，SDD还能够被用于检测电子，假如电子是足够高能的从而到达SDD的活性容积。当在SDD被BSE击中的位置处在SEM中使用所述检测器时的问题是所生成的BSE的数量比X射线光子的数量大得多。当SEM通常工作于其中BSE电流超过I PA、更具体地100 PA的模式下时，并且在BSE电流可以是更大的数量级(I nA或更大)的情况下，每秒检测IO6个电子相当于仅0. 16 PA的电流。
注意到，为了避免这样的检测器被BSE ‘致盲(blind)’，这样的检测器常常配备有透射X射线和阻挡电子的窗口。作为示例而提及美国专利申请US2010/0163742的检测器。同样地，诸如BSE的偏转之类的避免BSE到达检测器的其它更复杂的方式是已知的。使用SDD的检测器的缺点是它们未被配备成检测具有超过I PA、更具体地超过InA的电流的BSE信号。另一方面，因为检测器通常被放置在同样地能够检测到BSE的位置中(就在样本的上方)，所以存在对于具有能检测BSE的SDD的检测器(对于其作为X射线检测器的性能)的需求。本发明旨在提供对所述问题的解决方法。为此，根据本发明的检测器特征在于硅漂移二极管包括在I/O端口与阳极之间的电压/电流转换器(208)，该检测器被配备为经由开关(209)选择性地连接模拟反馈回路中的电压/电流转换器，作为其结果，该硅漂移二极管被配备成可切换地工作于脉冲高度测量模式(PHMM)或电流测量模式(CMM)。
通过将反馈电流馈送到阳极，SDD被用在CMM中，其中检测器的输出信号取决于每秒生成的电子/空穴对的数量。不需要复位，因为由于反馈回路的原因而导致阳极上的电压保持在恒定电压处。当最大计数速率被超过时，当检测到例如BSE时，优选此模式。要提及的是，措辞“模拟反馈回路”被用来描述被反馈的信号能够沿着基本上连续的标度取任何值，其与能够取仅两个值的逻辑信号形成对照。开关能够是机械开关(例如簧片继电器)或电子开关(例如包括一个或多个FET)。其还可以是输出信号为数字输出信号，并且在反馈回路中，此数字信号被使用数字到模拟转换器(DAC)来加以转换。在该情况下，开关可以采用控制DAC的转换的形式，其中控制的一个状态使DAC的输出保持恒定，而不管到DAC的(数字)输入如何。注意到，Niculaet-I-]描述了电压/电流转换器，其被放置在I/O端口与阳极之间，但经由比较器，从而使得反馈的信号是逻辑信号。进一步注意到，在“ACMOS charge preamplifier for silicon drift detectorswith on-chip JFET and feedback capacitor”，C. Fiorini 等人，Nuclear Instruments& Methods in Physics Research A, 568 (2006) 322-328 中，在其图 I 中示出了一个电路，其中经由电阻器R1和Rg提供模拟反馈。然而，此电路不具有用以可切换地工作于脉冲高度测量模式(PHMM)或电流测量模式(CMM)下的、输出端与阳极之间的开关。如果电压/电流转换器是电阻的，则检测器的输出信号与电子/空穴对的数量成比例。如果该转换器示出对数电压/电流特性(例如由二极管造成的)，则输出信号示出对电子/空穴对的数量的对数依赖关系。注意到，通常存在于SDD上的复位二极管能够被用作示出对数依赖关系的电压/电流转换器。通过断开电压/电流反�。琒DD在其公知的PHMM下工作，因此检测每事件的能量。当检测X射线的能量时优选此模式。注意到，当在PHMM下操作检测器时，应该避免检测器暴露于BSE。能够通过用磁或静电场来偏转电子、通过使用如此低以致于它们不透入到检测器中的能量将电子减速到它们不到达检测器或者击中检测器的这样的能量、或者通过在电子源与检测器之间机械地安置箔(foil)来完成这个，所述箔对X射线是透明的(例如薄塑料箔)。进一步要提及的是，在PHMM下应该使用复位电路或自偏置复位，但是在CMM下这不是必要的。在本发明的优选实施例中，SDD示出了敏感表面，该敏感表面对辐射敏感，该敏感表面与阳极被形成在其上的表面相对，并且SDD示出了接近该敏感表面的活性容积，活性容积到敏感表面的距离足够小以便具有20 keV、更具体地2 keV、最具体地500 eV的能量的电子透入到此活性容积，并且在该活性容积中生成电子/空穴对，作为其结果，检测器能够被选择性地用作用于检测X射线的检测器，或者用作用于检测带电粒子设备中的X射线和电子的检测器。SDD示出了其中生成电子/空穴对并且该电子/空穴对被收集到阳极(电子)或阴极(空穴)的活性容积。在现有技术SDD中，活性容积到敏感表面的距离足够小以便X射线透入活性容积并且生成电子/空穴对。为了电子生成电子/空穴对，对于商售的现有技术SDD而言，敏感表面与活性容积之间的距离对于具有例如I keV的能量的电子来说太大而不能透入活性容积。通过在敏感表面(其应该是导电的，因为它充当阴极)的紧下方形成活性层，低能量电子也能够透入到 活性容积中。用于形成该薄层的技术是为本领域技术人员所知的。作为示例，欧洲申请公开EP2009705教导了如何能够形成这样的层(例如硼层)。同样地，欧洲申请EP11150672教导了这样的层。使用其它材料的薄层也是为本领域技术人员所知的。在本发明的一方面中，带电粒子设备配备有根据本发明的检测器，该设备被配备成使用精细聚焦的带电粒子束来扫描样本，作为其结果，包括X射线、背散射电子以及二次电子的二次辐射从样本出射，该设备配备有用于选择性地阻挡从样本出射的背散射电子和二次电子到达检测器或者用于使背散射电子和/或二次电子通过的装置，该装置使从样本出射的X射线通过。被配备成使用精细聚焦的带电粒子束扫描样本、作为其结果包括X射线、背散射电子以及二次电子的二次辐射从样本出射的设备被技术人员已知为例如扫描电子显微镜(SEM)、扫描透射电子显微镜(STEM)或聚焦离子束仪器(FIB)。通过在能够选择性地使电子通过或阻挡电子到达检测器的设备中使用根据本发明的检测器，该检测器能够被用作标准X射线检测器，或者用作电子检测器。在后者模式中，检测例如BSE或SE，检测器还检测X射线，但是X射线对全部信号的贡献是可以忽略的，因为X射线被生成为具有比BSE和SE低得多的效能。所述装置能够采取下述形式偏转电子的可切换的磁或静电场、将电子减速到这样的能量以致于它们被反射或者以如此低以致于它们不透入到活性容积的能量到达检测器的可切换的电场、或移动(插入)或移除电子源(样本)与检测器之间的箔的机械装置(所述箔对X射线是透明的(例如薄塑料箔)。现使用图来阐明本发明，其中相同的附图标记指示相同的特征。对此
图IA示意性地示出了 SDD,
图IB示意性地示出了图IA中所示的SSD的中心部分，
图2A示意性地示出了现有技术检测器(的一部分)的电子表示，以及 图2B示意性地示出了根据本发明的检测器(的一部分)的电子表示。图IA示意性地示出了 SDD。
SDD由硅晶片丛形成，其示出了高纯度的容积，或者至少示出了第一侧11与第二侧丛之间的小的复合侧(recombination side)。侧 包括阳极16,而侧坦包括阴极19。在这两侧之间的容积中生成的任何电子/空穴对的电极将漂移到阳极而空穴漂移到(一个或多个)阴极。侧I!在第一侧I!处示出了形成FET的漏极的中心电极12。围绕中心电极的电极13形成FET的栅极，并且围绕电极13的电极14形成FET的源极。FET既横向地(laterally)而且在晶片“内部”被围绕电极12、13以及14的屏蔽电极15与硅晶片的剩余部分屏蔽。阳极被连接到FET的栅极(在图IA中连接未示出)。围绕阳极形成了多个同心电极17-i。这些同心电极的最内部被连接到接近阳极电压的电压，相继的环17-i被连接到这样的电压，该电压从稍微超过用于这些电极中的最内部的阳极电压增加到接近或等于用于最外边的电极的阴极电压的电压。环电极17-i产生将所有电子从电子/空穴对导引到阳极的晶片内部的�。艏鍪切〗峁共⑶乙虼私鍪境隽讼喽杂谝跫缘男〉缛�。注意到，在工作中，电压差被施加到阳极/阴极。从而相对于阴极而言的阳极的电容被减小。在工作中具有O. 15 pF的阳极电容的SDD是商售的。 图IB示意性地示出了图IA中所示的SDD的细节。图IB示出了从中心直到阳极的部分。在这里阳极16与FET的栅极之间的连接被示意性地示出为金属化21。侧丛是对辐射敏感的那侧。在此表面下面示出了敏感容积20。X射线入射在敏感表面上透入到该容积中，并且在此容积中生成多个电子/空穴对。电子/空穴对的量取决于光子的能量。在正常操作中，光子的数量是这样的即每个事件能够被分别地检测到，并且因此是每事件(即每入射光子)的电子/空穴对的数量。电荷积累在阳极上，迫使阳极的电压变得越来越负(相对于阴极)，直到通过使用例如复位二极管(未示出)对阳极复位来造成阳极的复位为止。可替换地，从FET的漏极到其栅极的漏电流能够被用来补偿平均电荷积累。注意到，常常在SDD上集成反馈电容器，将阳极连接到输出端，但是此电容器还能够被放置在SDD的外边。图2A示意性地示出了现有技术检测器(的一部分)的电子表示。该电子表示示出了在电荷放大器配置中使用的SDD。框200内的部分是SDD的部分，其它部分是SDD外部的。SDD包括阴极201和阳极202，FET 203 (它的栅极被内部地连接到阳极202)，反馈电容器205 (它的一侧被连接到阳极202)，以及具有二极管204的形式的复位元件(它的阴极被连接到阳极202)。连接到SDD的输出端的是其阴极，FET的源极和漏极，未连接到阳极202的反馈电容器的所述侧，和复位二极管的阳极。阴极201和FET的源极的外部连接被结合在一起到地电势。FET的漏极被连接到放大器206。放大器的输出端被连接到SDD上的反馈电容器并且因此形成电荷放大器。进一步地，复位逻辑207被连接到放大器的输出端，其向复位二极管的阳极产生脉冲，作为其结果SDD被复位了。要提及的是，当FET被用作源极跟随器时，并且在漏极和栅极之间的电压Vdg变化的情况下，检测器能够在所谓的“连续复位模式”下工作，其中复位逻辑是不起作用的或者甚至不存在，并且FET的漏极/栅极电压生成补偿所感应的(平均)阳极/阴极电流的(电压相关的)漏电流。
未示出但对于操作检测器而言所必需的是用于偏置阳极202、FET的漏极以及同心环107-i的电子器件。注意到，用于同心环的电压能够源自其阳极与其阴极之间的集成在SDD上的电阻网络。注意到，放大器的输出端被连接到另外的电子器件和逻辑以确定由入射光子引起的电荷放大器的脉冲高度。在申请备忘录(Applicationnote) AN-SDD-Q03 :Amptek 桂漂移检测器(http://www.amDtek.com/Ddf/ansdd3.Ddf )中，更具体地在
图10和相关文本中，讨论了此电路的噪声。图2B示意性地示出了根据本发明的检测器(的一部分)的电子表示。根据本发明的检测器与图2A中所示的现有技术检测器相似。通过增加能够通过开关209选择性地连接在反馈回路中的具有反馈电阻器208的形式的反馈元件，检测器能够被从其中开关209被打开并且反馈元件是不起作用的其正常脉冲高度测量模式(PHMM)切换到其中开关209被闭合并且反馈元件是反馈回路的一部分的电流测量模式(CMM)。在此模式下，复位逻辑207应该被禁用。注意到，开关209能够是诸如簧片继电器之类的机械继电器或诸如FET之类的电子开关。经由电容器205的反馈无需被禁用，因为这不影响经由电阻器208的反馈。然而，当作为双刀开关执行时，该开关还可以选择电容器206与电阻器之间的反馈。进一步注意到，反馈元件还能够示出为非线性(非欧姆)的电压/电流特征，换句话说，其可以不同于电阻器。例如，通过将二极管用作反馈元件，能够实现对数响应。同样地，二极管常常已经以复位二极管的形式存在，检测器然后能够使用现有技术SDD。作为结果的检测器在CMM下具有大的动态范围。在此模式下，将二极管用作反馈元件与其中复位逻辑207产生连续为高的信号的现有技术检测器是不相同的。复位逻辑产生具有规定电压的脉冲以复位阳极。在CMM下，二极管上的电压依赖于阳极202与阴极201之间感应的电流通过二极管的电流等于阳极与阴极之间的电流。注意到，美国专利NO. 7，858，946描述了包括其中第一放大器的输入端被连接到FET的源极的SDD的检测器。尽管此专利将此描述为典型的用途，但是诸如http://home.dei. polimi. it/sampietr/Ratex/RATEXl. html之类的其它文献阐明“源极跟随器配置的缺点通过阳极所经受的总电容所引起的电荷到电压转换的不稳定性来表示”，并且主张在电荷敏感放大器配置中使用检测器。然而，本发明还与包括处于源极跟随器模式下的SDD的检测器有关。注意到，放大器的放大的极性对于两个模式而言是不同的(源极跟随器，具有连接到放大器的源极或连接到放大器的漏极)。注意到，在这些示例和实施例中示出了圆形对称的SDD，但是例如像泪珠形状的非对称SDD也是已知的，其中阳极/FET被远离中心以及被集成在硅的一个部分上的多个SDD放置。为了用在诸如SEM、STEM或FIB之类的带电粒子设备中，可以设想示出了中心通孔 的SDD或布置在中心通孔周围的多个SDD，该中心通孔用于使对样本进行辐射的带电粒子束通过。
泪珠形状的SDD以及具有中心孔的四重SDD的示例从例如http://www. pnsensor.de/ffelcome/Detector/SDD/index, html中知晓。每个与其自身的电子器件连接的一个芯片
上的更大量的SDD的优点是最大计数速率提高了，因为存在若干SDD处于并行检测中。
权利要求
1.用于检测X射线的辐射检测器，所述检测器包括硅漂移二极管(10，200)，所述硅漂移二极管示出阳极(16，202)和输出端，处于工作中的所述硅漂移二极管响应于单个检测到的光子在所述输出端上产生脉冲，所述输出端被连接到用于测量输出信号的电子电路， 其特征在于 所述硅漂移二极管包括在I/O端口与所述阳极之间的电压/电流转换器(208)，所述检测器被装备成经由开关(209)选择性地连接模拟反馈回路中的所述电压/电流转换器，作为其结果，所述硅漂移二极管被装备成可切换地工作于脉冲高度测量模式或电流测量模式下。
2.根据权利要求I所述的辐射检测器，其中所述电压/电流转换器是电阻器(208)，作为其结果，所述电流测量模式是线性电流测量模式。
3.根据权利要求I所述的辐射检测器，其中所述电压/电流检测器是二极管，作为其结果，所述电流测量模式是对数电流测量模式。
4.根据前述权利要求中任一项所述的辐射检测器，所述硅漂移二极管(10)示出对辐射敏感的表面(18)，所述敏感表面与其上形成所述阳极(16，202)的所述表面(11)相对，并且所述SDD示出接近所述敏感表面的活性容积(20)，所述活性容积至所述敏感表面的距离足够小以便具有20 keV、更具体地2 keV、最具体地500 eV的能量的电子透入到此活性容积，并且在所述活性容积中生成电子/空穴对，作为其结果，所述检测器能够被选择性地用作用于检测X射线的检测器或者用作用于检测带电粒子设备中的X射线和电子的检测器。
5.配备有根据前述权利要求中任一项所述的检测器的带电粒子设备，所述设备被装备成使用精细聚焦的带电粒子束来扫描样本，作为其结果，包括X射线、背散射电子以及二次电子的二次辐射从所述样本出射，所述设备配备有用于选择性地阻挡从所述样本出射的所述背散射电子和二次电子到达所述检测器或者用于使所述背散射电子和/或二次电子通过的装置，所述装置使从所述样本出射的X射线通过。
6.根据权利要求5所述的带电粒子设备，其中用于选择性地阻挡从所述样本出射的所述背散射电子和二次电子到达所述检测器或者用于使所述背散射电子和/或二次电子通过的装置采取可切换的磁或静电偏转场的形式。
7.根据权利要求5所述的带电粒子设备，其中用于选择性地阻挡从所述样本出射的所述背散射电子和二次电子到达所述检测器或者用于使所述背散射电子和二次电子通过的装置采取可切换的静电减速场的形式，当阻挡所述电子时反射所述电子。
8.根据权利要求5所述的带电粒子设备，其中用于选择性地阻挡从所述样本出射的所述背散射电子和二次电子到达所述检测器或者用于使所述背散射电子和二次电子通过的装置采取箔的形式，当阻止所述电子时所述箔被插入到检测器与样本之间，而当使电子通过时所述箔在样本与检测器之间被移除。
全文摘要
本发明涉及一种用于检测X射线的辐射检测器，所述检测器包括硅漂移二极管(10,200)，所述硅漂移二极管示出阳极(16,202)和输出端，处于工作中的所述硅漂移二极管响应于单个检测到的光子在所述输出端上产生脉冲，所述输出端被连接到用于测量输出信号的电子电路，其特征在于所述硅漂移二极管包括在I/O端口与所述阳极之间的电压/电流转换器(208)，所述检测器被装备成经由开关(209)选择性地连接模拟反馈回路中的所述电压/电流转换器，作为其结果，所述硅漂移二极管被装备成可切换地工作于脉冲高度测量模式或电流测量模式下。
文档编号G01T1/00GK102866413SQ20121023311
公开日2013年1月9日 申请日期2012年7月6日 优先权日2011年7月7日
发明者C.S.库伊曼, G.N.A.范维恩 申请人:Fei 公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
