Способ получения распределения чувствительности по площади пикселя матричного фотоприёмника
METHOD FOR OBTAINING THE SENSITIVITY DISTRIBUTION OVER THE MATRIX PHOTODETECTOR PIXEL AREA

Изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых фотоприемников (ФП) и может использоваться для создания матричных фотоприемников (МФП) различного назначения, в том числе гибридных, в которых БИС считывания соединяется с фоточувствительной матрицей при помощи In микроконтактов с последующим утоньшением [Болтарь К.О., Киселева Л.В., Лопухин А.А., Савостин А.В. Способ изготовления матричного фотоприемника (варианты) // Патент № RU2460174C1 от 04.05.2011].
Одним из важнейших параметров МФП средневолнового ИК-диапазона является пространственное разрешение. Современные МФП изготавливаются со все меньшим шагом, вплоть до 10÷5 мкм [L. Shkedy, Е. Armon, Е. Avnon, N. Ben Ari, М. Brumer, С. Jakobson, Р.С. Klipstein, Y. Lury, O. Magen, B. Milgrom, T. Rosenstock, N. Shiloah, I. Shtrichman // «НОТ MWIR detector with 5jim pitch», Proc. SPIE 11741, Infrared Technology and Applications XLVII, 117410W (12 April 2021)]. В стандартном способе анализа пространственного разрешения получается распределение чувствительности по площади пикселя матричного фотоприемника путем сканирования сфокусированного пятна вдоль фокальной плоскости, откуда вычисляются такие важные параметры как величина взаимосвязи и частотно-контрастная характеристика. С увеличением формата МФП растет фоточувствительная площадь, что усложняет получение пространственного разрешения во всех точках МФП, особенно, в связи с уменьшением шага вблизи дифракционного предела и требует его оперативного контроля по всей площади МФП. Также этому способствует, например, зависимость пространственного разрешения от толщины и диффузионной длины неосновных носителей заряда фоточувствительного слоя МФП на основе InSb, которые могут значительно отличаться не только по площади МФП, но и от образца к образцу [К.О. Болтарь, П.В. Власов, П.С. Лазарев, А.А. Лопухин, В.Ф. Чишко // Зависимость пространственного разрешения матричного фотоприемного устройства на основе антимонида индия от толщины фоточувствительного слоя, Прикладная физика, 2020, №1, С. 18-24]. В этом случае возникают большие трудности в создании аппаратуры формирования точки размером меньше пикселя, особенно в случае использования охлаждаемой диафрагмы, которая ограничивает относительное отверстие и, тем самым, увеличивает дифракционное размытие.
3
5
Известны способы получения распределения чувствительности по площади пикселя матричного фотоприемника. Один, классический и наиболее широко распространенный, основан на формировании сфокусированного пятна и перемещении его вдоль фокальной плоскости. Однако у этого способа есть недостатки, обусловленные наличием искажающих оптических элементов - входное окно, возможно охлаждаемая диафрагма и фильтр. Другой метод на основе клиньев (наклонного острого края) для измерения частотно-пространственного отклика как аппроксимации частотно-контрастной характеристики описан в стандарте ISO 12233:2000 [ISO/TC42/WG18, "Resolution and spatial frequency response," International Organization for Standardization (ISO), 2000] и применен, например, в двухцветном фотоприемнике средневолнового и длинноволнового ИК-диапазонов сверхрешеток II-типа на основе АВ [Pierre-Yves Delaunay, Brett Z. Nosho, Alexander R. Gurga, Sevag Terterian and Rajesh D. Rajavel // Advances in III-V Based Dual-Band MWIRLWIR FPAs at HRL (SLS), Infrared Technology and Applications XLIII, Proc. of SPIE Vol.10177, 101770T-1, 2017]. В этом методе металлическая маска сформирована непосредственно на тыльной стороне утоньшенного фотоприемника, что исключает ошибки, связанные с частотно-контрастной характеристикой оптической системы, фокусирующей пятно. Прототипом данного изобретения признан способ из работы [Itay Shtrichman, Tal Fishman, Udi Mizrahi, Vered Nahum, Zippora Calahorra, Yoram Aron // Spatial resolution of SCD's InSb 2D detector arrays, Haifa 31021, Israel, 2007], основанный на методе сканирующей маски, изготовленной напылением золотого покрытия непосредственно на утоньшенной структуре матричного фотоприемника и сформированной системой маленьких прозрачных окошек специальным образом с шагом, близким к кратности шага матричного фотоприемника (фиг. 1), позволяющий получать одновременно как распределение чувствительности по площади пикселя, так и по всей площади матричного фотоприемника. У последних двух способов основными недостатками являются разрушающее формирование маски на матричном фотоприемнике и невозможность стандартной процедуры калибровки (двухточечной коррекции) для выравнивания чувствительности [A.F. Milton, F.R. Barone, M.R. Krue // Influence of nonuniformity on infrared focal plane array performance, Optical Engineering 24(5), PP. 855-862 (September/October 1985]. Кроме того, вышеприведенные способы характеризуются низкой оперативностью, высокой трудоемкостью и стоимостью измерения зависимостей от различных параметров, влияющих на распределение чувствительности по площади пикселя матричного фотоприемника.
Предложен способ сканирующей маски с использованием открытой зондовой установки ускоренного тестирования МФПУ при температуре жидкого азота [Болтарь К.О., Чишко В.Ф., Лопухин А.А., Власов П.В., Акимов В.М., Ефимов И.В., Ерошенков В.В., Киселева Л.В., Савостин А.В. «Открытая зондовая установка тестирования матричных фотоприемников и способ ускоренного тестирования матричных фотоприемников» // Патент № RU 2624623 С1 от 04.07.2017 Бюл. №19] отличающийся тем, что маску с шагом окошек, превышающим диффузионную длину неосновных носителей заряда формируют на пластине (типично из кремния с целью
совпадения температурного коэффициента линейного расширения с БИС считывания) размером больше габаритов фоточувствительной матрицы для исключения паразитных боковых подсветок, которая опускается на утоньшенную и просветленную структуру неразрушающим способом непосредственно во время охлаждения под тяжестью собственного веса и выравнивается по углу при помощи зондового манипулятора с фиксированным расположением контактов в зондовой установке открытого типа (перед этим МФП калибруется с проведением двухточечной коррекции для выравнивания чувствительности) (фиг. 2 и фиг. 3). Выравнивание по углу поворота в горизонтальной плоскости осуществляется при поднятии зондового манипулятора с фиксированным расположением контактов относительно БИС считывания до уровня верхнего края пластины с маской и сдвигом ее по оси перпендикулярно линии выравнивания фиксированных зондов. При этом пластина с маской должна быть порезана по линиям параллельным направлению расположения окошек в маске. Без выравнивания по углу поворота возникают искажения формы распределения чувствительности, обусловленные несовпадением направления сканирующей маски с направлением строк или столбцов пикселей МФП.
Сущность изобретения поясняется фигурами:
На фиг. 1 показан рисунок топологии сканирующей маски.
На фиг. 2 показан рисунок оперативного неразрушающего метода получения распределения чувствительности по площади пикселя матричного фотоприемника с помощью сканирующей маски на основе открытой зондовой установки, где:
1 - Источник излучения;
2 - Диафрагма источника излучения;
3 - Маска;
4 - Непрозрачный рисунок;
5 - Подложка;
6 - Плоскость ФЧЭ;
d - диаметр диафрагмы источника излучения;
Н - расстояние от диафрагмы до маски;
α - угол падения излучения от края диафрагмы;
β - угол преломления излучения в маске;
γ - угол преломления излучения в подложке;
а - апертура сканирующей маски;
L - зазор между непрозрачным рисунком и подложкой;
mask
mask
t n - толщина и показатель преломления маски;
subst
subst
t, n - толщина и показатель преломления подложки;
Δа - геометрическое размытие;
λ - длина волны падающего излучения.
На фиг. 3 показана фотография матричного фотоприемника на основе антимонида индия с шагом 40 мкм с размещенной сверху сканирующей индиевой маской, охлажденного на зондовой установке открытого типа до температуры жидкого азота.
На фиг. 4 показана фотография образца индиевой маски.
На фиг. 5 показаны измеренные форма окошек и их площадь изготовленного образца индиевой маски.
На фиг. 6 показаны измеренные интегральные чувствительности каждого окошка индиевой маски в пределах всех ближайших к окошку пикселей МФП.
На фиг. 7 показано изображение выходного сигнала МФП с шагом 40 мкм на основе InSb с размещенной на нем кремниевой пластинкой с индиевой маской.
На фиг. 8 показан рисунок интегрального распределения угла поворота расположения In маски.
На фиг. 9 показано влияние геометрического разброса окошек индиевой маски, изготовленной манипуляцией микрозондов с микроподвижками, в случаях без коррекции разбросов маски, с коррекцией по площади и с
коррекцией полной чувствительности окошек на точность определения чувствительности.
На фиг. 10 показан рисунок трехмерного представления распределения чувствительности по площади пикселя матричного фотоприемника на основе антимонида индия, полученного с помощью сканирующей индиевой маски, изготовленной способом из Примера 1.
На фиг. 11 показаны распределения чувствительности по оси ординат в зависимости от толщины фоточувствительного слоя матричного фотоприемника на основе антимонида индия, полученные с помощью индиевой маски.
На фиг. 12 показаны распределения чувствительности по диагонали в зависимости от толщины фоточувствительного слоя матричного фотоприемника на основе антимонида индия, полученные с помощью индиевой маски.
На фиг. 13 показана фотография образца хром-никелевой маски.
На фиг. 14 показаны измеренные форма окошек и их площадь
изготовленного образца хром-никелевой маски.
На фиг. 15 показаны измеренные интегральные чувствительности каждого окошка хром-никелевой маски в пределах всех ближайших к окошку пикселей МФП.
На фиг. 16 показано изображение выходного сигнала МФП с шагом 40 мкм на основе InSb с размещенной на нем кремниевой пластинкой с хром-никелевой маской.
На фиг. 17 показано влияние геометрического разброса окошек хром-никелевой маски в случаях без коррекции разбросов маски, с коррекцией по площади и с коррекцией полной чувствительности окошек на точность определения чувствительности.
На фиг. 18 показаны в сравнении интегральные распределения площадей прозрачных областей индиевой и хром-никелевой масок.
На фиг. 19 показан рисунок трехмерного представления распределения чувствительности по площади пикселя матричного фотоприемника на основе антимонида индия, полученного с помощью сканирующей хром- никелевой маски, изготовленной способом из Примера 2.
На фиг. 20 показан рисунок трехмерного представления распределения чувствительности по площади пикселя матричного фотоприемника на основе антимонида индия с искажениями формы распределения чувствительности, обусловленными существенным несовпадением направления сканирующей маски с направлением строк пикселей МФП (угол поворота 4.5° в горизонтальной плоскости).
Технический результат достигается тем, что измерения осуществляют неразрушающим способом при помощи пластины (типично из кремния) больше габаритов фоточувствительной матрицы, прозрачной в области спектральной чувствительности МФП с частично закрытыми металлическим слоем (типично Cr-Ni) непрозрачными областями, которая контактируется металлической поверхностью непосредственно с МФП под тяжестью собственного веса и выравнивается по углу поворота в горизонтальной плоскости при помощи зондового манипулятора с фиксированным расположением контактов в зондовой установке открытого типа (фиг. 2). Без выравнивания по углу поворота возникают искажения формы распределения чувствительности, обусловленные несовпадением направления сканирующей маски с направлением строк или столбцов пикселей МФП, как показано на фиг. 20. Перед размещением пластины с маской МФП калибруется с проведением двухточечной коррекции для выравнивания чувствительности.
Из условий преломления излучения на границе двух сред можно записать:
2
3
и , где Subst=InSb, GaAs, InP,AlO. Для максимального угла падения излучения в центре МФП через диафрагму следует (фиг. 2):
где sinα, sinβ, sinγ<<1
Решая ее, получаем условие подавления геометрического размытия:
Откуда видно, что для подавления геометрического размытия необходимо уменьшать диаметр диафрагмы источника излучения d и увеличивать расстояние Н от диафрагмы источника излучения до маски. Кроме этого, необходимо учитывать известное условие дифракционного размытия:
Видно, что для эффективного подавления дифракционного размытия необходимо уменьшать величину зазора L между непрозрачным рисунком и подложкой и утоньшать подложку Subst.
Предложенный способ оперативного получения распределения чувствительности по площади пикселя матричного фотоприемника при помощи сканирующей маски с использованием открытой зондовой установки ускоренного тестирования МФП при температуре жидкого азота был опробован и используется на предприятии-изготовителе при создании экспериментальных и опытных образцов матричных фотоприемных устройств на основе антимонида индия. Однако, предлагаемый способ получения распределения чувствительности по площади пикселя матричного фотоприемника применим и к матричным фотоприемным устройствам на основе других полупроводниковых материалов с утоньшенными подложками (например, на основе структур с квантовыми ямами с подложкой GaAs, InGaAs с подложкой InP, AlGaN с подложкой из сапфира).
Пример 1. Изготовление индиевой маски на кремнии для получения распределения чувствительности по площади пикселя матричного фотоприемника.
Вначале на пластину диаметром 60 мм из двухсторонне оптически полированного кремния марки КДБ12 напылялся слой индия толщиной 3,2 мкм. Далее стандартными фотолитографическими методами формировался рисунок на фоторезисте на основе фотошаблона для создания мезы 30×30 мкм каждого пикселя, используемого для изготовления фоточувствительной матрицы с шагом 40 мкм на основе InSb и манипулированием микрозондов с микроподвижками удалялся индий из квадратных окошек размером 10×10 мкм с одинаковым шагом следования 170 мкм по горизонтали и вертикали и общим количеством окошек, равным 8×8=64 шт. После чего методом дисковой резки из пластины с изготовленной маской вырезали прямоугольник больше габаритов фоточувствительной матрицы вдоль линий параллельных направлению расположения окошек в маске и полученный образец маски отмывали от фоторезиста. Изготовленный образец маски с частичным отслоением индия после резки показан на фиг. 4. На фиг. 5 показаны измеренные форма окошек и их площадь. Учитывая погрешности изготовления маски, применялось выравнивание по интегральной чувствительности каждого окошка маски в пределах всех ближайших к окошку пикселей МФП (фиг. 6). На фиг. 7 показано изображение выходного сигнала МФП с шагом 40 мкм на основе InSb с размещенной на нем кремниевой пластинкой с индиевой маской (фиг. 3). На фиг. 8 приведен рисунок интегрального распределения угла поворота расположения In маски, где случайный поворот оказался в диапазоне от -4,5° до 1°, что позволило получить достаточно точное распределение чувствительности после нескольких попыток совмещения (фиг. 10). Влияние геометрического разброса индиевой маски, изготовленной манипуляцией микрозондов с микроподвижками, на чувствительность показано на фиг. 9. Из результатов сравнения трех видов обработки распределения чувствительности: без коррекции разбросов маски, с коррекцией по площади и с коррекцией полной чувствительности окошек видно, что в последнем случае распределение чувствительности стало более равномерным. Таким образом, можно сделать вывод о необходимости улучшать точность изготовления сканирующей индиевой маски. Используя индиевую маску, были получены распределения чувствительности по оси ординат (фиг. 11) и диагонали (фиг. 12) в зависимости от толщины фоточувствительного слоя, из которых видно, что дифракционное размытие Френеля существенно меньше распределения чувствительности при полученном значении зазора ~15 мкм, а при уменьшении толщины менее 8 мкм взаимосвязь не превышает 5%.
Пример 2. Изготовление хром-никелевой маски на кремнии для получения распределения чувствительности по площади пикселя матричного фотоприемника.
Вначале, аналогично Примеру 1, на оптически полированный диск из сапфира диаметром 22 мм и толщиной 1 мм напылялся слой индия толщиной 1 мкм. Далее стандартными фотолитографическими методами формировался рисунок на фоторезисте на основе фотошаблона для создания мезы 30×30 мкм каждого пикселя, используемого для изготовления фоточувствительной матрицы с шагом 40 мкм на основе InSb и манипулированием микрозондов с микроподвижками удалялся индий из квадратных окошек размером 5×5 мкм с одинаковым шагом следования 170 мкм по горизонтали и вертикали и общим количеством окошек, равным 8×8=64 шт. После этого изготовили фотошаблон стандартной операцией копирования фотошаблонов, используя заготовку фотошаблона с нанесенным фоторезистом и индиевую маску на сапфировом диске. С помощью таким образом изготовленного фотошаблона стандартным фотолитографическим методом «взрыва» сформировали металлическую маску на пластине диаметром 60 мм из двухсторонне оптически полированного кремния марки КДБ12 с толщиной металлического слоя хрома 200А и никеля 1200А. После чего методом дисковой резки из пластины с изготовленной маской вырезали прямоугольник больше габаритов фоточувствительной матрицы вдоль линий параллельных направлению расположения окошек в маске. Полученный образец маски показан на фиг. 13. На фиг. 14 показаны измеренные форма окошек (видны сглаженные и растравленные края в результате операции копирования фотошаблонов) и их площадь. Учитывая, аналогично Примеру 1, погрешности изготовления маски, применялось выравнивание по интегральной чувствительности каждого окошка маски в пределах всех ближайших к окошку пикселей (фиг. 15). На фиг. 16 показано изображение выходного сигнала МФП с шагом 40 мкм на основе InSb с размещенной на нем кремниевой пластинкой с хром-никелевой маской. Из результатов сравнения трех видов обработки распределения чувствительности: без коррекции разбросов маски, с коррекцией по площади и с коррекцией полной чувствительности окошек видно, что в последнем случае распределение чувствительности стало более равномерным (фиг. 17). Откуда можно сделать вывод о необходимости улучшать точность изготовления сканирующей хром-никелевой маски. На фиг. 18 из сравнения интегральных распределений площадей прозрачных областей In и CrNi масок видно, что площадь CrNi масок в среднем в ~2 раза меньше In масок, что соответствует средней величине стороны квадрата CrNi маски 7,5 мкм, которая значительно меньше, чем у In маски - 10 мкм. Таким образом, с помощью хром-никелевой маски получено трехмерное представление распределения чувствительности по элементу для МФП с толщиной 7 мкм (фиг. 19). Характерной особенностью полученного распределения чувствительности является пирамидальность формы и квадратоподобный характер среза в горизонтальной плоскости, что соответствует плотной упаковке элементов в матричном фотоприемнике, а именно квадратной форме мезы изготовления МФП.
Пример 3. Использование полученного распределения чувствительности по площади пикселя матричного фотоприемника для определения фотоэлектрической взаимосвязи.
Предложенный способ включен в новую редакцию ГОСТ [Метод 4.16 определения коэффициента фотоэлектрической связи с использованием маски. Оптика и Фотоника. Фотоприемные устройства второго и последующих поколений. Методы измерения фотоэлектрических параметров и определения характеристик. Проект 2021].
Таким образом, установлено, что влияние дефектов изготовления окошек сканирующей маски и величина зазора между маской и МФП являются наиболее значимыми факторами погрешности измерения распределения чувствительности по элементу. Проанализировано влияние зазора между сканирующей маской и МФП на геометрическое и дифракционное размытие и сделан вывод о необходимости его минимизации до достигнутого уровня неплоскостности утоньшенных структур МФП ~1÷2 мкм [А.А. Лопухин, К.О. Болтарь, П.В. Власов, В.В. Ерошенков, В.Ф. Чишко, Н.Ф. Кощавцев, Н.А. Ларионов К.О. // Оптимизация толщины фоточувствительного слоя матричного фотоприемного устройства на основе антимонида индия, Успехи прикладной физики, 2020, том 8, №5, С. 334-340].