UV成像揭示有用的細節(jié)：埃賽力達科技PCO相機助力紫外線應(yīng)用

MARIE FREEBODY

Photonics Spectra, Nov 2022

（本文為部分節(jié)選）

現(xiàn)代電子產(chǎn)品的特征尺寸不斷縮小——接近甚至小于光的波長。為了檢測更小的結(jié)構(gòu)，設(shè)備制造商正在尋找新的方法來提高其系統(tǒng)的光學(xué)分辨率，其中一種方法是減小照明的波長。

在過去，已將光源移至可見光譜的藍端，而如今一些應(yīng)用正在轉(zhuǎn)向近紫外、深紫外 (DUV) 甚至極紫外 (EUV)波段。

為了應(yīng)對在紫外線（UV）下工作的挑戰(zhàn)，制造商提高產(chǎn)品設(shè)計的同時也使用改性材料，讓新一代傳感器成功適用于UV應(yīng)用。

圖 1：埃賽力達的 pco.edge 4.2 bi XU 是一款對EUV和軟 X 射線范圍敏感的相機，本圖為它被使用在意大利 Elettra Sincrotrone Trieste 的同步加速器上。此為相機在傳統(tǒng)研究中的示例，但此相機也適用于在前端半導(dǎo)體測試中應(yīng)對質(zhì)量控制日益增長的挑戰(zhàn)性要求。

UV相機的設(shè)計

現(xiàn)代圖像傳感器主要由硅制成，UV不能很好地穿透硅，波長小于 350 nm 的UV在小于 1 μm 的深度被硅完全吸收。當(dāng)光從正面照射電荷耦合器件 (CCD) 或互補式金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS) 圖像傳感器時，檢測及成像效果并不好。

圖 2：帶微透鏡的前照式 CMOS 圖像傳感器（左）和帶微透鏡的背照式 CMOS 圖像傳感器（右）的橫截面示意圖，說明了它們在穿透深度和性能方面的差異。

制造技術(shù)的進步使背照式圖像傳感器的經(jīng)濟晶圓級制造成為可能，這些傳感器通過減薄硅層來提高穿透深度。制造這種傳感器時，采用沉積法來組裝不同層，然后翻轉(zhuǎn)晶圓，蝕刻或減薄基板材料，以便從背面照射圖像傳感器。該技術(shù)已被廣泛用于改善低光可見光成像，而其對于穿透深度很差的UV應(yīng)用更為重要。

“現(xiàn)在，UV的穿透深度足以在硅中產(chǎn)生電荷載流子，從而將量子效率/靈敏波段降低至 193 nm 或更低波段，”埃賽力達科技的高級成像產(chǎn)品和應(yīng)用科學(xué)家 Gerhard Holst 說， “通過適當(dāng)?shù)耐繉雍筒牧?，還可以創(chuàng)建靈敏波段低至 2 nm 的圖像傳感器，即EUV和軟 X 射線波段?！?/p>

硅遠非唯一對UV有吸收的光學(xué)材料。標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)玻璃吸收 290 nm 以下區(qū)域的光。為了避免這個問題，早期的 UV 相機移除了阻擋元件。現(xiàn)代相機則使用熔融石英（Silica、Quartz）和/或氟化鈣制成的光學(xué)元件，允許更多UV光通過。

空氣會吸收180 至 190 nm 以下的光，也會成為 UV 成像的一個問題。這部分紫外線光譜通常稱為真空紫外線 (VUV)，需要非常高的真空或氮氣環(huán)境。

圖 3：不帶微透鏡（左）和帶微透鏡（右）的背照式 CMOS 圖像傳感器的橫截面示意圖，說明了不同設(shè)計對調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）的影響。

“我猜可以預(yù)期，半導(dǎo)體行業(yè)將進一步提高單位面積晶體管的集成度，因此 目前193 nm的實際照明波長可能會變得更低。” Gerhard Holst說，“圖像傳感器解決方案將準(zhǔn)備好滿足要求，但對鏡頭材料的需求會更大。”

UV 成像的應(yīng)用

半導(dǎo)體行業(yè)是UV成像的最大市場。在不斷尋求尺寸更小的半導(dǎo)體的過程中，UV成像儀必須解析半導(dǎo)體掩模上更精細的結(jié)構(gòu)，以用于晶圓生產(chǎn)、質(zhì)量測試以及檢測或測量有害顆粒。因此，近年來，用于半導(dǎo)體圖像分析的照明波長已從 254 nm降至 193 nm，Gerhard Holst 如此評價。

UV還在檢查光學(xué)透明塑料、玻璃、涂層和粘合劑方面發(fā)揮作用。本質(zhì)上，只要能利用被成像物體的材料特性，就會采用 UV 成像。

例如，油脂往往會在UV下發(fā)出熒光，這簡化了確定滾珠軸承和其他的活動接頭中有多少油脂的任務(wù)。

再如，隱形眼鏡在UV范圍內(nèi)具有很強的吸收性，UV 光可用于分辨透明隱形眼鏡與透明環(huán)境，而使用傳統(tǒng)的可見成像技術(shù)很難區(qū)分。

其他應(yīng)用包括塑料或玻璃廢物分類、發(fā)電廠檢查、鈔票水印識別、精細劃痕檢查、多光譜成像和電力電纜維護燈。紫外光譜也是一些農(nóng)業(yè)和食品檢測系統(tǒng)的重要分析波段。

產(chǎn)品介紹：pco.edge 4.2 bi XU

針對 EUV 和軟 X 射線應(yīng)用進行了優(yōu)化

pco.edge 4.2 bi XU 基于背照式 sCMOS 傳感器，具有非常特殊的涂層，允許在從可見光下至極紫外 (EUV) 和軟 X 射線輻射下應(yīng)用。該相機適用于超高真空操作，并已使用能量范圍為 30 eV 至 1000 eV 的軟 X 射線進行表征。該圖像傳感器具有 2048 x 2048 像素，像元尺寸為 6.5 μm x 6.5 μm²，允許以 40 Hz 的頻率采集全幀，動態(tài)范圍為 88 dB，噪聲水平為 1.9 e^- med。該相機結(jié)構(gòu)緊湊，并提供各種軟件集成選項。

產(chǎn)品介紹：pco.edge 4.2 bi UV

基于制冷型背照式sCMOS技術(shù)的紫外成像相機之王者

此相機系統(tǒng)基于我們久經(jīng)市場考驗而備受信任的pco.edge制冷型 sCMOS 相機系列的技術(shù)，采用了最新的背照式成像芯片，而該相機內(nèi)部特殊的光信號輸入窗口輕而易舉地在紫外波長范圍內(nèi)實現(xiàn)了高QE。

它方便靈活的制冷系統(tǒng)采用風(fēng)冷或水冷將圖像傳感器冷卻到最低至 -25 °C，而且制冷溫度是可以通過軟件調(diào)節(jié)的。在這樣一個溫度下，暗電流低至 0.2 e^-/pixel/s。

可根據(jù)您的應(yīng)用選擇適用于紫外或可見光波段的窗口玻璃。它具有 2048 x 2048 的高分辨率和 6.5 x 6.5 μm2 的像元尺寸，配合高達95 %的量子效率，保證了圖像的高質(zhì)量。并且，pco.edge 4.2 bi 相機具有一個強大的USB 3.1數(shù)據(jù)接口，進一步增強了其性能表現(xiàn)。

【關(guān)于埃賽力達科技Excelitas Technologies Corp.】

埃賽力達科技是科技領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，提供高性能、市場驅(qū)動的光子創(chuàng)新產(chǎn)品，滿足全球客戶對照明、光學(xué)、傳感、檢測和成像的需求。埃賽力達服務(wù)于汽車、消費品、半導(dǎo)體、工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、安全、安保以及科學(xué)領(lǐng)域的眾多應(yīng)用，致力于促進客戶取得成功。我們的團隊由 7,500 多名專業(yè)人員組成，他們在北美、歐洲和亞洲工作，為全球客戶提供服務(wù)。

PCO^? 為埃賽力達旗下品牌。