華林科納用于硅探測(cè)器設(shè)計(jì)的紫外線抗反射涂層

我們?nèi)A林科納報(bào)道了用于電荷耦合器件（CCD）探測(cè)器的涂層的開發(fā)，該探測(cè)器優(yōu)化用于固定色散紫外光譜儀。由于硅的折射率快速變化，單層寬帶抗反射（AR）涂層不適合在所有感興趣的波長(zhǎng)下提高量子效率。相反，我們描述了一種創(chuàng)造性的解決方案，它在紫外線波長(zhǎng)下提供了出色的性能。我們描述了在120至300nm波長(zhǎng)下理論量子效率（QEs）大于60%的涂層CCD探測(cè)器的開發(fā)進(jìn)展。這種高效率可以通過用一系列薄膜AR涂層涂覆背面照明的、減薄的、delta摻雜的CCD來實(shí)現(xiàn)。測(cè)試的材料包括MgF2（針對(duì)120–150 nm的最高性能進(jìn)行了優(yōu)化）、SiO2（150–180 nm）、Al2O3（180–240 nm）、MgO（200–250 nm）和HfO2（240–300 nm）。測(cè)試了各種沉積技術(shù)，并將硅測(cè)試晶片上的反射率最小化的涂層應(yīng)用于功能器件。華林科納還討論了未來的用途和改進(jìn)，包括分級(jí)和多層涂層。

電荷耦合器件（CCD）于1969年在貝爾實(shí)驗(yàn)室首次發(fā)明，并從此徹底改變了成像。CCD能夠快速有效地?cái)?shù)字化數(shù)據(jù)，其相對(duì)較低的噪聲能力，以及100倍于膠片的靈敏度，這意味著它們很快成為現(xiàn)代天文學(xué)不可或缺的組成部分。對(duì)于紫外線天文學(xué)來說，CCD在歷史上并不成功。雖然薄膜對(duì)幾乎所有波長(zhǎng)的光都很敏感，但未經(jīng)修飾的CCD存在許多缺陷。CCD的前端電路在紫外線波長(zhǎng)下是可吸收的。為了實(shí)現(xiàn)高效率，CCD采用背光；然而，硅襯底反過來又具有高反射性。更關(guān)鍵的是，紫外線光子在硅中的吸收深度很短。由此產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)在表面發(fā)現(xiàn)陷阱，永遠(yuǎn)不會(huì)到達(dá)柵極進(jìn)行最終讀出。這些特性在開發(fā)高效的基于CCD的UV檢測(cè)器方面產(chǎn)生了問題。圍繞這些問題的一項(xiàng)值得注意的工作是用于哈勃太空望遠(yuǎn)鏡（HST）上的寬視場(chǎng)行星相機(jī)2（WFPC2）。WFPC2使用厚的前照CCD，但將其涂覆在一層紫外線磷光體Lumogen中，通過將紫外線光子下變頻至510–580 nm光子，Lumogen在200至400 nm范圍內(nèi)提供10%–15%的紫外線響應(yīng)。HST上的當(dāng)前相機(jī)WFC3也使用CCD（減薄并用帶電的背面照明背面）和用于近紫外線（NUV）的抗反射（AR）涂層，但具有幾個(gè)百分比的量子效率（QE）滯后。其他類型的紫外線探測(cè)器已經(jīng)開發(fā)出來，并在當(dāng)前的任務(wù)中使用，包括微通道板（MCP）（如JUNO、FUSE、GALEX、ALICE和FIREBall等）。雖然它們的光子計(jì)數(shù)能力使其有用，并且沒有紅色泄漏問題，但MCP仍然存在低QE【GALEX MCP在遠(yuǎn)紫外線（FUV，1344–1786?）下為25%，在NUV（1771–2831?）上為8%】，生產(chǎn)和利用具有挑戰(zhàn)性。在這項(xiàng)工作中，我們研究了一種能夠克服上述困難的改進(jìn)CCD。

我們?nèi)A林科納選擇了MgF2、MgO、HfO2、Al2O3和SiO2作為合適的AR涂層進(jìn)行測(cè)試。所選擇的材料反映了紫外線AR涂層的獨(dú)特要求，包括良好的折射率和在所需波段的低吸收。必須能夠以均勻的方式沉積薄膜，同時(shí)不會(huì)對(duì)CCD本身造成損壞。這消除了電子束蒸發(fā)（電介質(zhì)涂層的常見選擇）這一潛在技術(shù)，因?yàn)樗鼤?huì)對(duì)CCD造成x射線損傷。我們測(cè)試了濺射、原子層沉積（ALD）和熱蒸發(fā)技術(shù)的一致性，并測(cè)量了未涂覆Si襯底上薄膜的反射率。這是一種低成本、快速的功能器件測(cè)試替代方案。不利的一面是，測(cè)試僅限于該表面的反射率，這必然會(huì)忽略任何吸收損失。然后，我們將測(cè)量結(jié)果與理論模型進(jìn)行比較。沉積技術(shù)及其對(duì)薄膜質(zhì)量的影響將在即將發(fā)表的論文中進(jìn)一步討論。

選擇了在保持50%以上的寬范圍的同時(shí)提供接近峰值透射的厚度。然后在測(cè)試期間使用與該厚度相對(duì)應(yīng)的反射率作為目標(biāo)。我們?cè)噲D制作一系列以這個(gè)目標(biāo)為中心的薄膜厚度。通常，我們測(cè)試了幾層厚度在靶上方和下方5至10nm之間變化的薄膜。硅襯底有幾個(gè)已公布的折射率，這導(dǎo)致了預(yù)測(cè)反射率的一些不確定性。所有材料的折射率均取自Palik，但HfO2除外，HfO2來自Zukic等人。還查閱了Si的另一種折射率，取自Philipp和Taft。Philipp值在最短波長(zhǎng)（低于150nm）處不同，并且預(yù)測(cè)比Palik值更低的反射率。

進(jìn)行了進(jìn)一步的測(cè)試以確?？煽啃浴２捎门c最佳貼合膜相同的沉積工藝，為每種材料制作兩到三層膜。這里測(cè)試了兩件事：沉積程序的可重復(fù)性和樣品之間性能的一致性。所有的沉積已被證明是非?？芍貜?fù)的（厚度從靶變化1nm），并且對(duì)于ALD沉積尤其可重復(fù)。反射率的值在相同材料的樣本之間也是一致的。

為更好的服務(wù)客戶，華林科納特別成立了監(jiān)理團(tuán)隊(duì)，團(tuán)隊(duì)成員擁有多年半導(dǎo)體行業(yè)項(xiàng)目實(shí)施、監(jiān)督、控制、檢查經(jīng)驗(yàn)，可對(duì)項(xiàng)目建設(shè)全過程或分階段進(jìn)行專業(yè)化管理與服務(wù)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量監(jiān)理，降本增效。利用仿真技術(shù)可對(duì)未來可能發(fā)生的情況進(jìn)行系統(tǒng)的、科學(xué)的、合理的推算，有效避免造成人力、物力的浪費(fèi)，助科研人員和技術(shù)工作者做出正確的決策，助力工程師應(yīng)對(duì)物理機(jī)械設(shè)計(jì)和耐受性制造中遇到的難題。

審核編輯 黃宇