בלעדי ל-Techtime: אפלייד מטיריאלס ישראל ונאס"א פיתחו חיישן תמונה מהפכני
21 אפריל, 2015
חיישן ה-UV החדש, שיוצר בחלקו ב-TowerJazz, הצליח להשיג יעילות קוונטית של 100% ואורך חיים של יותר מ-5 שנים. הוא ישמש במערכות המטרולוגיה העתידיות של אפלייד מטיריאלס
החיישן החדש, שיוצר בחלקו ב-TowerJazz, השיג יעילות קוונטית של 100% ואורך חיים של יותר מ-5 שנים. ישמש במערכות המטרולוגיה העתידיות של אפלייד מטיריאלס
לאחרונה הסתיים פרוייקט משותף של אפלייד מטיריאלס ישראל בשיתוף פעולה עם נאס"א, שהביא לפריצת דרך בתחום הטכנולוגיה של חיישני תמונה לאור אולטרא סגול (UV). במהלכו פותחה טכנולוגיה חדשה של חיישני תמונה בעלי נצילות קוונטית של 100%.
הנושא מעניין את נאס"א בגלל שהחיישנים החדשים מאפשרים לה לבצע מחקרים אסטרונומיים בחלל ולפתח טלסקופים יעילים יותר. עבור חברת אפלייד מטיריאלס הנושא חשוב, מכיוון שהחיישנים החדשים מאפשרים לשפר את היעילות של מערכות מטרולוגיה לבדיקת תהליכי הייצור של מוליכים למחצה.
בעיות מהותיות בחיישני UV
כיום התעשייה מתבססת על שני תדרים מרכזיים באור אולטרא סגול: קרינת UV באורך גל של 193 ננומטר לבדיקת הדיוק של מסיכות הליתוגרפיה המשמשות לייצור טרנזיסטורים, וקרינת UV באורך גל של 263 ננומטר, המשמשת לבדיקת האיכות של הסמיקונדקטור המוגמר.
בראיון ל-Techtime סיפר ראש צוות המחקר בישראל, שרגא צור, שהפרוייקט המשותף התמקד במציאת פתרון לשתי בעיות מהותיות המאפיינות חיישנים לאור אולטרא סגול: אורך חיים קצר מדי, וקיומה של עקומת היסטרזיס, כלומר, החיישן לא חוזר למצבו ההתחלתי אחרי החשיפה ולכן יוצר שגיאות התמונה שהוא מייצר.
אורך החיים הקצר בא לידי ביטוי בכך שהחיישנים כיום (בעיקר בתחום 193 ננומטר) נהרסים אחרי 1-4 מיליארדי חשיפות לאור לייזר, ופירוש הדבר שבכל 6-24 חודשים יש צורך להחליפם. מטרת המחקר היתה לפתח חיישן השומר על עמידות לאורך יותר מ-10 מיליארד פולסים ויוכל לעבוד יותר מ-5 שנים בקו הייצור.
בעיית ההיסטרזיס מונעת יכולת לבצע מדידות הדירות. מכיוון שכל חשיפה משאיחרה חותמת על החיישן, נוצרת בו מעין צללית של התמונה הקודמת. כאשר יש צורך להשוות בין שתי חשפיות, מבצעים החסרה של התוצאה המתקבלת, ואם התוצאה היא אפס, סימן ששתי התמונות זהות. ואילו כאשר נותרת חתימה על-גבי החיישן, התוצאה אינה אפס, גם כאשר הייצור מושלם.
מדוע חיישני ה-UV כל-כך בעייתיים וכיצד התגברתם על כך?
צור: "בגלל התדר הגבוה, עוצמת האנרגיה של פוטון UV גדולה בקירוב פי שלושה מאשר של הפוטון באור נראה, וכאשר הם חודרים לסיליקון, הם מתחילים להרוס את הגביש ומייצרים את עקומת ההיסטרזיס. בנוסף, הנזקים האלה מתבטאים בכך שהם יוצרים מטען חיובי הפרוש על-פני שטח הגלאי בעומק של עד 5 ננומטר. מטען זה מושך אליו את האלקטרונים הנוצרים בגביש עקב פגיעת הפוטונים, ומונע מהם להגיע אל המעגל החשמלי. התוצאה היא ירידה ברמת הגילוי של האותות האופטיים, מכיוון שגלאי אופטי מבוסס על הרעיון של המרת פוטונים לאלקטרונים, כלומר הפיכת אור לזרם חשמלי.
"במהלך הפיתוח, יוצרה במעבדה להינע סילוני (JPL) בנאס"א שכבה של אטומי בורון, המושכים אליהם אלקטרונים ומייצרים שכבה שלילית עם צפיפות מטען מאוד גבוהה, אשר מנטרלת ומתגברת על המטען החיובי בחזית החיישן. קיר המטען השלילי פועל כמו מגבר: הוא מעיף את האלקטרונים פנימה במהירות של כמה מאות מטרים בשנייה ומאפשר לגלות את כל האלקטרונים שנוצרו על-ידי פוטונים. המשמעות היא שייצרנו גלאי עמיד באור אולטרא סגול ובעל יעילות קוונטית של 100%. תיאורטית, זהו הגלאי הרגיש ביותר שאפשר לייצר.
TowerJazz שיתפה פעולה
הפרוייקט כלל מרכיבים נוספים, שבחלקם השתתפה גם חברת TowerJazz ממגדל העמק, אשר ייצרה עבורו חיישן נסיוני ברזולוציה של 3.2 מגה-פיקסל בטכנולוגיית Backside Illuminated. רוב חיישני ה-CMOS כיום מיוצרים בטכנולוגיית Frontside Illuminated, שבה הדיודה הפוטו-אלקטרית נמצאת מתחת למוליכים החשמליים.
שיטת הייצור הזו יעילה וזולה, אולם מפחיתה את כמות האור המגיעה לחיישנים. בנוסף, היא לא מתאימה לייצור חיישני UV, מכיוון שיכולת החדירה של הפוטונים היא נמוכה מאוד והם נעצרים אחרי מרחק של ננומטרים בודדים בתוך סריג הסיליקון, בהשוואה לכמה מאות ננומטרים חדירה של אור נראה.
בטכנולוגיית Backside Illuminated ממקמים את החיישנים מעל המוליכים החשמליים. הדבר דורש ייצור חיישן בטכניקה רגילה, שיוף שכבת הסיליקון, הפיכתו והצמדתו למשטח סיליקון המעניק לו הקשחה מכנית. לאחר פיתוח תהליך הייצור וההקשחה, שולב החיישן במצלמה ניסויית שנבנתה בחברת Alacron האמריקאית, והתוצר נבדק במעבדות בישראל.
עד כה החיישן נבדק תחת מטר של 2.1 מיליארד פולסי לייזר באורכי גל של 193 ננומטר ו-263 ננומטר בלא להראות סימני הרס וירידה ברגישות. על-פי ההערכה, אורך החיים שלו גדול מ-10 מיליארד חשיפות. לדברי שרגא צור, "מדובר בפיתוח מהפכני ובעל חשיבות עצומה שישמש בדור הבא של מערכות בדיקה למסיכות ליתוגרפיה ופרוסות סיליקון".
פורסם בקטגוריות: אלקטרואופטיקה , חדשות , ציוד בדיקה
פורסם בתגיות: featured
