作者： 时间：2022-11-21
在极紫外光(EUV)下能令人满意地工作的硅光电二极管在过去的几年里已经有了商业应用。这些光电二极管对从X射线区域到近红外的辐射也有固有的反应，这一特性在许多极紫外光应用中是不可取的。在这种光电二极管的表面添加一层合适的过滤材料的薄膜，可以将硅的灵敏度限制在一个更窄的范围内，这就产生了一种坚固而敏感的光度计，适用于以下应用。应用包括等离子体诊断、太阳物理学、X射线光刻、X射线显微镜等平版印刷、X射线显微镜和材料科学。以前对这种装置的尝试导致了以下结果，分流电阻降低，背景噪声相应增加。现在，原型探测器已经使用直接沉积的铝、铝/碳、铝/碳/钪、银、锡的薄膜制造原型探测器。钛、钛/钇/碳和钛/锆/碳的直接沉积薄膜，而不会降低未涂层光电二极管的噪声特性。实测和理论上的灵敏度数据将被介绍，同时还将讨论相对简单的方法来减少这种过滤探测器的X射线反应。
纵观EUV技术的发展史，光学探测器的发展带来了特殊的挑战。该区域的探测器通常在干净的超高真空环境中运行，并且必须在极紫外线EUV辐射的情况下不发生交互性退化。此外，它们应该具有较低的噪音水平，以帮助检测相对较弱的来源。最近的进展使我们能够使用特殊制造的硅光电二极管在这个极紫外光谱区域的使用。这些新的探测器通常是用很薄的钝化二氧化硅表面层制成的，没有内部的转换损失，并被证明在EUV4的辐射中时相对稳定，这与早期技术的设计形成鲜明对比。
然而，对于某些EUV应用来说，仍然有一个重要的缺陷：固有的宽带响应，这是硅的特点，从X射线延伸到近红外。这种宽带特性对于极紫外探测器来说通常是不可取的，因为连续体（如同步辐射）或多线（等离子体等），都是这个光谱中常见的来源，它们可能有很大的带外辐射成分，这比辐射更引人注目。
对于硅和光敏型极紫外探测器来说，缓解这一问题的传统方法是使用一个或多个合适独立的金属薄膜滤波片与探测器一起使用，以实现一定程度的光谱选择性。许多薄膜材料的易碎性对这种方法造成了限制，有人建议，硅光电二极管的光谱响应可以通过在探测器本身上直接沉积这样一个滤波片来控制。原型探测器，涂有蒸发的铝或银，当时制备了原型探测器，并发现其光谱特性非常接近于EUV3的预期特性。铝涂层的硅光电二极管随后被用于火箭携带的太阳实验中，然而滤光膜沉积是在完全封装的光电二极管上进行的，在沉积薄膜的过程中，很难避免降低器件的分流电阻。二极管元件在前表面的物理分离是很小的，有很小的分流电阻，分离区域的少量蒸发剂可以弥合这个间隙。一般来说这种退化导致 "暗 "噪声的水平比无涂层的设备显著增加，限制了涂层光电二极管的潜在用途。
光电二极管公司在此报告了一种改进的技术，在该技术中，几种有用材料的滤光膜被应用在晶圆级的光电二极管制造过程中，这种方法，加上重新设计光电二极管的配置，以消除上述的桥接问题，在不影响光学涂层质量的情况下，基本上消除了噪音水平比无涂层器件的退化。
本研究中使用的光电二极管排列示意图见图1。这些光电二极管是在直径为100毫米的p型硅片上制造，其p型硅外延层的厚度约为5p.tm。芯片的1平方厘米有源区是通过磷/砷掺杂产生的，然后是热生长的薄的（15纳米）Si02钝化表面层。如图1所示，在有源区形成之前，通过扩散创造了一个深p-n侧结、一个p通道止点和一个n保护环。侧结的目的是为了通过隔离从辐射中产生的载流子，提高对未经过滤辐射的识别程度。进入结构侧面的载流子与主检测电路隔离，从而提高对未过滤辐射的辨别度。除靠近边缘的一个小区域外，每个光电二极管芯片的整个前表面都被涂上了过滤材料，几乎没有降低器件分流电阻的危险。器件的分流电阻。人们只需要避免在芯片的外围涂抹。
图1光学过滤的EUV极紫外光电二极管示意图
选择了六个在极紫外光谱中具有有用带通的涂层进行研究：铝、铝/碳，铝/碳/钪，钛，锡，和银。这些滤波片通常用于0.1至80纳米的区域，并有10到50纳米的带通。滤光材料涂层是由有经验的无支架滤光片供应商在晶圆上涂抹的，以确保光学质量是最先进的。
涂层和非涂层光电二极管的辐射测量是通过美国国家标准技术研究所（NIST）的极紫外探测器标准进行的。该设施同时利用了NIST电子存储环同步辐射源、SURF II和一个配备有等离子体的实验室系统。这些设施的实验系统和程序以前已经描述过，探测器效率是通过与NIST工作标准相互比较进行的，这些标准已经被校准使用稀有气体电离室（绝对检测器）。从这些测量结果中得出装置效率的不确定性（两个标准差），从这些测量中得出的设备效率在7%到22%之间，取决于波长。
结果：涂层光电二极管的光谱效率测量结果在图2中显示为不连续的数据点。图中还显示了根据硅的转换效率和薄膜涂层的透射率计算出来的光电二极管效率，包括15纳米厚的二氧化硅钝化层在内的薄膜涂层的透过率。一个硅的转换效率为每3.63eV的光子能量有一个电子-空穴对。假设这些计算在这个光谱区域的反射损失可以忽略不计（在正常入射下），因为薄膜涂层的密度可以随着沉积方法的不同而变化，涂层的厚度被调整，以为了使计算结果更好地适应测量数据。可以看出，计算值和测量的设备效率之间有合理的一致性。
图2硅光电二极管的计算（曲线）和测量（点）效率
图2硅光电二极管的计算（曲线）和测量（点）效率,涂有几种常见的EUV过滤材料。计算结果包括滤波器和光电二极管表面的Si02钝化氧化物中的损失。计算中使用的有效薄膜厚度在表1中给出。
表1计算中使用的单个薄膜组件的厚度,图2中所示。15纳米厚的二氧化硅层的吸收损失被包括在内，括号中的厚度是假设的氧化铝层，也包括在计算中。
图3显示了涂有Ti、Y、Zr和C的组合的光电二极管的测量和计算响应。给出了一个带通，在5纳米附近有一个自然的短波长截止。这些设计有一个类似于Be涂层的光电二极管的带通，其测量的响应被显示出来进行比较，但不存在使用Be时发现的毒性问题。
图3涂有Ti/Y/C（6 nm/210 nm/55 nm）或Ti/Zr/C（6 nm/195 nm/50 nm）的硅光电二极管的测量和计算响应，与涂有Be（400纳米）的光电二极管的响应进行比较。
每个芯片的暗电流在沉积过滤层之前和之后都进行了测量，在所有的情况下，测量值都没有明显增加，涂层前后的典型暗电流值约为100 fA，该电流的噪声变化约为一个数量级。
对有涂层的光电二极管进行额外的测试，以确定任何可见光泄漏的程度，通过不透明的滤光片涂层确定任何可见光泄漏的程度。该程序包括用一束直径约为1mm氦氖激光束扫描有源区以测量对可见光的排斥，并检测涂层中是否存在任何针孔。涂层中的任意针孔，发现相对于未过滤的响应，典型的拒绝量级为5到6个量级，这代表了比没有特殊侧结的光电二极管结构的重大改进。大多数涂层发现边缘附近有一些与加工芯片有关的针孔，我们预计，更好的沉积和处理技术将提供更多的无针孔涂层。
X射线排斥技术
在某些应用中，通过减少对X射线的反应来改善滤光片涂层硅光电二极管的隔离反应是非常有用的，通过减少它们对X射线的反应来提高隔离度。其中最明显的受益环境是那些涉及来自能量水平高于500-1000MeV的机器的同步辐射。一个相对简单的方法，可以用来减少X射线的反应，在适当的入射角度下，从一个合适的镜子中增加一次反射，肯定会阻止X射线辐射到硅。人们可以改变镜子的角度或材料，以及滤波片材料来调整所需的反应。图4显示了一个简单安排的示意图，可能的配置，它可能适合于某些应用。
图4单一反射光度计的设计实例，配置为减少对X射线的反应
图5显示了具有图4所示配置的探测器组件的计算效率，以及没有滤膜和镜面的裸硅探测器的计算效率。
图5，图4中所示类型的单反射光度计的计算效率。光谱带通可以通过反射器材料的选择来改变，掠射角和滤波片材料的选择来改变光谱带通。一个无涂层的硅光电二极管的计算效率也显示出来。
图6显示了较窄带通配置的第二个例子。这里的滤光膜和镜子都是银色的，掠射角是20°。
图6利用银镜和光电二极管表面银涂层的单反射光度计的计算效率，计算结果不包括表面薄膜。
另一种x射线排斥辐射的技术是减少活性硅层的厚度。入射辐射的1/e吸收(单位光学深度)所需的硅厚度作为波长的函数如图7所示。这些计算是用晶体硅吸收系数进行的，通过使用绝缘体上的硅晶圆，在技术上可以使活性约1 um厚的硅层，在这种硅厚度下，小于2纳米波长的x射线辐射将被大量拒绝，因此大多数光子将通过活性硅层而不被检测到。
图7计算了硅中的1/e吸收深度作为波长的函数
结论：一种生产高质量硅光电二极管与集成滤波片的选择性带通在EUV已被证明。在已完成的器件上的效率测量结果表明，与基于硅的转换效率和滤光材料的光学特性的建模计算结果吻合良好。涂有适当过滤材料的极紫外光电二极管可在多种EUV学科中找到应用，如等离子体诊断学、太阳物理学、x射线光刻术、x射线显微镜和材料科学，并可减少对相对脆弱的无支撑金属滤波片进行光谱识别的依赖。这些涂覆光电二极管的光谱选择性可以通过添加适当的反射镜来提高，从而产生带通更窄的探测器组件。使用适当的掠射入射反射镜配合滤光片涂层可保持相对较高的峰值检测效率，同时对波长较短或较长的带外辐射产生数量级的分辨。此外，该滤光涂层可应用于由薄(-1 um)有源外延硅层制成的光电二极管上，因此小于约2 nm波长的辐射只需通过探测器就能减少了带外辐射的x射线部分的响应。
