פול ג’רום, דייויד בורט, ניל גוייאט, וינסנט הייבון, ג’ואל ואליאנט, יאן הנריון – e2v
בחלק הקודם עסקנו בעקרונות הבסיסיים של חיישני CCD ובנצילות הקוונטית המתאפשרת בשימוש בהארה קדמית. ראינו כיצד אפשר לשפר את התגובה בתחומי האדום והאולטרה–סגול והוכחנו שבעקבות התפתחויות חדשות בטכנולוגיית יצור הסיליקון אפשר לנצל את היתרונות של השימוש בחיישני CMOS במקום בחיישני CCD.
אידוש
בעיקרון קיימות שתי שיטות להקטנת ההשפעות של מלכודות המשטח האחורי למינימום. השיטה הראשונה היא זו הגורמת לתחמוצת המקומית להיות בעלת מטען שלילי, ובכך האלקטרונים נדחים מאזורי המשטח. השיטה השנייה, שהיא גם המועדפת בשימוש עם טכנולוגיות e2v בזכות יציבותה הגבוהה יותר, היא זו היוצרת שכבה דקה של אילוח בריכוז גבוה יותר במשטח האחורי, p+, כפי שמוצג באיור 5 עבור CCD אשר דומה לחיישן CMOS. מאחר שבכל מוליך למחצה, התוצאה המקומית של ריכוז החורים והאלקטרונים תוביל תמיד לניסיון להגיע לשיווי משקל של ni2, הריכוזים של נושאי מטען המיעוט בשכבת p+ ובסיליקון שמתחתיה יהיו ביחס הפוך לריכוזי אילוח p–. זהו גם היחס של ההסתברות שאלקטרון בדיפוזיית הסיליקון יחזור לשכבת p+. את האופי החוסם של שכבת p+ אפשר לתאר במושגי מדרגת מתח או שדה שוות–ערך, אך ההשפעה היא אותה השפעה.
ניתוח של העברת מטענים, בהנחה ששכבת אילוח p+ אחידה, מראה שההסתברות שאלקטרון הנוצר מאור שנאסף כאות, היא Po על פני השטח ומשם היא עולה ל–100% בשפת שכבת p+ ובתוך הסיליקון הפעיל. הערך הממשי של Po תלוי במגוון גורמים, בהם נכללים צפיפות המלכודות ומטען התחמוצת, שאת שניהם אין אפשרות למדוד בנפרד. ואולם, בריכוז מלכודות גבוה, Po הופך לאפס ומצב זה יכול להיחשב למצב הגרוע.
שילוב פונקצית הסתברות זו עם קצב ההיווצרות מהמשוואה בחלק הראשון יוצר משוואה דיפרנציאלית שפתרונה מספק את QE (בהנחה של השתקפות אפס):
כאשר d הוא עובי הסיליקון הכולל.
בתנאים שבהם היחס t/L גדול מ–3 בערך (בדרך כלל אורכי גל של כחול ואולטרה–סגול) וכאשר Po~0, אפשר לפשט את המשוואה לצורה הבאה:
QE~L/t
ברור לכן ש–t צריך להיות נמוך ככל שאפשר כדי לקבל תגובה מרבית בקצה האולטרה–סגול של הטווח הספקטרלי.
באורכי גל ארוכים יותר, שבהם t/L קטן, QE הופך להיות בערך (1–e–d/L) והתגובה בטווח הביניים אינה תלויה בעובי שכבת p+. התגובה באורכי גל ארוכים יותר תלויים בעובי הסיליקון הכולל d.
השיטה המשמשת את e2v Technologies ליצירת שכבת p+ היא בהחדרת יוני בור (implantation) באנרגיה נמוכה. החדרה כזו דורשת בדרך כלל הרפיה בטמפרטורה גבוהה להפעלת הבור, אם כי זו אינה יכולה להיות טיפול בכבשן בשימוש עם הדבקה, מאחר שהדבק אינו עומד בטמפרטורות של יותר מ–150 מעלות בערך. הפתרון הוא להשתמש בלייזר אולטרה–סגול לחימום עומק רדוד בלבד, בסיליקון לטמפרטורה הנדרשת. גם בשיטה חדשנית המבוססת על חימום בלייזר, טמפרטורת ההרפיה המרבית עדיין אינה יכולה להיות גבוהה מ–400 מעלות ולכן רק חלק קטן מאטומי הבור מומרים לתוך הסריג (lattice). עם זאת, התהליך יוצר QE מספיק לתחום הנראה, אבל הוא נופל במהירות באולטרה–סגול, ושם הוא תלוי יותר בטמפרטורת העבודה.
האילוח בשכבת p+ הוא בדרך כלל 1018 אטומים לסמ”ק לפחות ובעובי t של בערך 0.05 מיקרו–מטר. ליישומים דורשניים יותר, יש ליצור שכבה דקה יותר באמצעות איכול (etching) של חלק מהסיליקון.
ציפויים נגד החזרה
בספקטרום התגובה השמיש, מקדם שבירת האור של הסיליקון, שהוא 3.5 בתחום האינפרה–אדום, עולה בהדרגה ל–7 באורך גל של 400 ננו–מטר וקטן במהירות באורכי גל באולטרה-סגול עם רכיב דמיוני גדל. ההחזרה התואמת גדלה מ–30% בערך ל–60% בערך. השיטה הקלאסית להקטנת ההחזרה היא באמצעות ציפוי עם מקדם שבירה השווה לממוצע הגיאומטרי של מקדמי הסיליקון והאוויר.
איור 6 מראה שאפשר להשיג ביצועים שמתקרבים לאידיאלי באורכי גל ארוכים מ–400 ננו–מטר באמצעות שכבת תחמוצת הפניום של 1.9 בערך. אפשר להשתמש גם בחומרים אחרים, למשל ב– Si3N4.
איור 7 מראה שניתן להשיג תגובה רחבה יותר באופן כללי עם ציפוי דו–שכבתי, כשלשכבה העליונה יש מקדם שבירה שהוא הממוצע הגיאומטרי של מקדמי האוויר והשכבה הבאה.
תוצאות מעשיות של חיישני CCD לעומת תוצאות מעשיות של חיישני CMOS
חיישני CCD
איור 8 מציג דוגמה של תוצאות שאותן אפשר להשיג עם חיישני CCD. ערכי QE נמצאים בהתאמה מצוינת עם התחזית התיאורטית בהתבסס על עובי שכבת p+ והציפוי נגד ההחזרה והם הדירים ביותר מהתקן להתקן.
חיישני CMOS
מאחר שחיישני CMOS מיוצרים בדרך כלל בסיליקון בעל תבנית אפיטקסית, אפשר להשתמש באותן טכניקות איכול המשמשות עבור CCD. עם זאת, מאחר שעובי השכבה יכול להיות קטן, עד כדי 5 מיקרו–מטר, והאיכול חודר לתוך השכבה בדרך כלל לעומק של כמה מיקרו–מטר, שימוש בהתקן סטנדרטי יגרום לכך שהסיליקון יהפוך להיות דק במידה לא סבירה. לכן יש צורך לוודא שההתקנים ייוצרו בסיליקון עם עובי שכבה מוגדל.
חיישן של 0.5 מגה–פיקסלים
לחיישן יש 864 x 640 פיקסלים, כל אחד מהם בריבוע של 5.8 מיקרו–מטר ומיועד ליישומים תעשייתיים כלליים. הפיקסלים מסוג 5T עם דיודת פוטו מסוג pin ופונקצית צמצם. קצב המסגרות הוא 60 הרץ עם יציאה ספרתית של 8 סיביות.
לתגובה מוגברת באדום ובאינפרה–אדום קרוב, ההתקנים מיוצרים בסיליקון אפיטקסי עם עובי שכבה מוגדל. לאחר שהופכים את השכבה לדקה יותר, הסיליקון הופך להיות בעובי של 8 מיקרו-מטר בערך. הציפוי נגד החזרה הוא 85 ננו–מטר של Si3N4. התוצאות מוצגות באיור 9.
העובדה שהביצועים בפועל והביצועים הנגזרים מהמודל דומים, מרמזת על כך שההפסדים הפנימיים קטנים ביותר. זו תוצאה חשובה, שמשמעותה ש”בור” p שבו מיוצרים הטרנזיסטורים שבתוך הפיקסל מספק הגנה יעילה, כדי למנוע איסוף של מטען הנוצר בשכבת הסיליקון שבבסיסו (כלומר כמעט כל המטענים הנוצרים מאור זורמים לדיודת האור). מכאן שטכנולוגיית CMOS הבסיסית מתאימה במיוחד ליישומים מדעיים שנדרש להם QE הגבוה ביותר. הציפי נגד החזרה אינו קבוע כמובן, אבל אפשר להתאים אותו באופן מיוחד עבור דרישות מיוחדות.
יעילות הצמצם הגלובלי נמדדה אף בתנאי הארה אחורית והערכים מוצגים כפונקציה של אורך הגל באיור 10. באורכי גל קצרים יותר, כאשר כל האלקטרונים נוצרים באזור ללא שדה ליד המשטח האחורי של הסיליקון, הנצילות היא 500:1 בערך, כלומר, 0.2% בלבד של המטען מגיע לצומת הגילוי. יחס זה מרמז שהשדות מועילים במובן זה שהם מושכים אלקטרונים לדיודת הפוטו. באורכי גל ארוכים יותר, המטען נוצר עמוק יותר בתוך הסיליקון ומכאן שהוא נוצר ישירות בצומת הגילוי, ולכן יהיה קשה יותר להגיע לנצילות, (כלומר הערכים כאן יהיו בערך 200:1). אפשר לציין שהתקן זה לא היה מתוכנן עבור הארה אחורית ועם שיפורים גיאומטריים אפשר בהחלט לשפר את היחס הזה. לצורך השוואה, הנצילות של הצמצם הגלובלי בהארה מלפנים היא 1700:1 ב–480 ננו–מטר ו–600:1 ב–660 ננו–מטר.
חיישן של 2 מגה–פיקסלים
לחיישן זה 1415 (אופקי) x 1430 (אנכי) פיקסלים שכל אחד מהם בגודל 14.81 מיקרו–מטר (אופקי) x 11.53 מיקרו–מטר (אנכי) עם ארבע יציאות אנלוגיות הפועלות ב–10 מגה–הרץ. הוא תוכנן על ידי Astrium בשיתוף עם ISAE/CIMI עבור מכשיר החלל GOCI עם ביצוע בדיקת כשירות לחלל והרכבה על ידי e2v.
על אף, שמלכתחילה תוכנן החיישן לפעולה בהארה קדמית, שתי פרוסות עברו הסרת שכבה לצורך שימוש בהארה אחורית. הפרוסה הראשונה עברה עיבוד בהרפיה תרמית בטמפרטורה נמוכה ולכן היא בעלת QE נמוך בתחום האולטרה–סגול, והציפוי נגד החזרה הוא בערך 65 ננו–מטר. עקומות QE של הגרסאות בהארה קדמית ובהארה אחורית של חיישן זה מוצגות באיור 11, כשיחס השטח הפתוח הקדמי הוא 55%. ערכי QE נמדדו באמצעות מונוכרומטור בעל רוחב פס צר ולכן אפשר לראות שינויים בתגובת המשטח הקדמי שנובעים מהפרעות אופטיות מהצטברות דיאלקטרית על דיודת הפוטו. שינויים אלו חסרים בתגובה של החיישן בהארה אחורית באורכי גל באור הנראה, אם כי עתה השינויים באורכי גל ארוכים יהיו יותר כתוצאה מהפרעת התאבכות בין המשטח הקדמי למשטח האחורי של הסיליקון.
הפרוסה השנייה עובדה בהחדרת בור רדודה ובמגוון של תהליכי הרפיה בלייזר המיועדים להקטין למינימום את עומק ההתכה של הסיליקון ומכאן ליצור QE גבוה יותר בתחום האולטרה–סגול. 12 תהליכים שונים בסך הכל שימשו להרפיה בלייזר וערכי QE נמדדו עבור כולם באורך גל של 320 ננו–מטר. מאחר שמספר ההתקנים הזמינים היה מוגבל, תהליכי ההרפיה בלייזר בוצעו על שלושה פסים נפרדים באזור הפעיל של כל אחד מהם. תמונת שדה אחיד [flat field image] של אחד ההתקנים מוצגת באיור 12 ומדגימה את התגובות השונות. הערך של QE ב–320 ננו–מטר שהושג בכל תהליך מוצג בטבלה 1. כפי שאפשר לראות, לכל גרסת יחידה יש ערכי QE גבוהים מ–25% כשהערך הטוב ביותר הוא 31%, עובדה המרמזת שאין חשיבות גדולה לתנאי התהליך המדויקים. שים לב שתוצאות אלו תואמות במידה רבה את התוצאות שהיו צפויות מתהליך מותאם באופטימיזציה לאולטרה–סגול כששכבת p+ עובדה להיות דקה אחרי הרפיה בלייזר. לפרוסה זו יש ציפוי נגד החזרה שלא עבר אופטימיזציה לביצועים באולטרה–סגול. עם ציפוי שעבר אופטימיזציה, QE היה גדול מ–60%.
מסקנות
תוצאות מעשיות הראו שטכניקות של הסרת שכבה ושל הארה אחורית שנמצאות כיום בשימוש נפוץ עבור חיישני CCD, יכולות לשמש בהצלחה עם CMOS שהתקבל מארבעה מפעלי ייצור שונים עם טווח של ארכיטקטורות מגעים. התגובה בכיוון האינפרה–אדום לא הייתה גבוהה במיוחד מאחר שהסיליקון היה דק באופן יחסי. בעתיד ייעשה ניסיון להשתמש בהתקנים עם חומר בעובי רב יותר, שבו יהיה צורך לבצע אילוח קל על מנת להשיג דילול מלא בעזרת מתחים נמוכים האופייניים לטכנולוגיית CMOS, או אולי תהיה אפשרות להשתמש בטכניקות Hi–rho. ואולם, סביר להניח שללא אופטימיזציה כזו הרזולוציה המרחבית תהיה גרועה.
*הכתבה נמסרה באדיבות חברת אלקטרונדארט בע”מ, נציגתה הבלעדית של חברת e2v בישראל.
