硅光电二极管探测器EUV响应的温度依赖性

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硅光电二极管探测器EUV响应的温度依赖性摘要使用同步加速器和实验室辐射源测量了硅光电二极管在3至250nm波长范围内从-100℃到+50℃的响应性。研究了两种类型的硅光电二极管，具有薄氮化二氧化硅表面层的AXUV系列和具有薄金属硅化物表面层的SXUV系列。根据波长的不同，响应率随着温度的升高而增加，AXUV光电二极管的速率为0.013%/C至0.053%/C，SXUV光电二极管为0.020%/C至0.084%/C。响应度的增加与硅带隙能量的减少相一致，这导致对产生能量的增加。这些结果对于极紫外（EUV）光刻步进器和光源中的剂量测量尤其重要，因为所涉及的高EUV强度通常会导致探测器温度增加。I.简介硅光电二极管探测器广泛应用于从X射线到可见光区域的国外波长范围。在极紫外（EUV）区域，具有良好稳定性和辐射硬度的硅光电二极管已被用作绝对校准标准。几种类型的硅光电二极管的响应率，定义为光电二极管外部电路中出现的电流与入射辐射功率（A/W）的比率，已在EUV区域和室温下准确测量。然而，在EUV区域中还没有测量到响应度随温度的变化。对于硅基器件光谱响应的温度依赖性，已经提出了一些分析模型并进行了测量，但这些模型和结果通常在紫外线和可见光波长下应用和测试。响应度随温度的变化对于探测器在恶劣环境中使用的应用至关重要，如同步加速器设施、航天器仪器和EUV光刻步进器和光源。响应度的变化尤其重要，因为所研究的光电二极管正被世界各地的实验室用作绝对校准标准。此外，为了降低噪声水平，光电二极管检测器通常被冷却（通常冷却到-70℃以下），其响应性可能与室温值有很大差异。两种硅光电二极管AXUV和SXUV，来自International Radiation Detector Inc.进行了研究。图1显示了所研究的n-n-型AXUV和SXUV光电二极管的横截面结构，它们都具有10×10 mm的有效面积。AXUV光电二极管具有薄的氮化SiO表面层（约7 nm厚）和100%的内量子效率。众所周知，二氧化硅层具有固定的正电荷，通过强烈吸收EUV辐射来排斥表面产生的少数载流子空穴。这导致在EUV区域中几乎理想的理论响应度。SXUV光电二极管具有金属硅化物表面层，它取代了AXUV光电二极管上的氧化物层，并提高了辐射硬度。然而，氧化物层的缺失会导致SXUV光电二极管中的显著表面重组，并将内部量子效率降低到低于ASUV光电二极管特性的100%值。图1.AXUV和SXUV光电二极管示意图使用3至88 nm波长范围的同步辐射和120至250 nm波长范围内的实验室辐射源测量AXUV和SXUV光电二极管的响应度随温度的变化。研究了AXUV和SXUV光电二极管，因为它们被所有EUV步进器和光源制造商普遍使用。这些设备也被用于或计划用于卫星仪器，如SOHO、GOES、EOS、SDO和CORONAS-PHOTON。II、同步加速器测量对于3–88 nm的波长测量，测试硅光电二极管安装在国家同步加速器光源的海军研究实验室光束线X24C的真空室中。所研究的光电二极管经过定制封装，包括一个集成温度传感器，用于在EUV测量过程中测量光电二极管温度。光电二极管封装安装在一个支撑夹具上，该夹具包括一个由50-W加热器和一个单独的温度传感器组成的温度控制器。通过使液氮流过由柔性铜带耦合到光电二极管支撑夹具的真空馈通来实现冷却。这种布置使得将光电二极管冷却到大约-100℃成为可能。使用与温度控制器相关联的加热器将光电二极管温度调节到选定的更高温度。所有报告的测量都是在光电二极管上没有偏压的情况下进行的。实验程序是允许光电二极管在多个选定温度下稳定，并在每个选定温度下在多个波长范围内扫描入射辐射束的波长。1×3毫米辐射束大约入射在光电二极管的10×10毫米有源区的中心。在每个离散波长步长，光电二极管电流由精密静电计测量。波长扫描由计算机控制的单色仪进行，单色仪由两个光学元件、600凹槽/mm衍射光栅和金镜组成。单色仪的光栅和反射镜被旋转和平移，同时保持固定的入口和出口狭缝。光谱分辨率约为600。对于每个波长扫描范围，在辐射束中插入一个薄金属滤波器，以传输所需的波长范围，并衰减来自单色仪的高次谐波辐射。先前使用透射光栅的研究表明，在每个波长扫描范围内，高次谐波对光束的污染都在1%或更低的水平。随着电子从存储环中丢失，辐射束的强度在数小时内缓慢衰减。束强度与存储环中循环的电子电流成比例。通过将光电二极管电流相对于环电流归一化，消除了束强度降低的影响。还进行了从照明电流中减去暗电流的操作。这一步骤非常重要，尤其是对于高温下的测量，其中光电二极管暗电流随着温度的升高而增加。使用同步辐射在表I中列出的前八个波长范围内测量光电二极管响应度的变化。从17.1–19.0-nm范围内的AXUV光电二极管获得的波长扫描示例如图2所示。在该波长范围内，使用300 nm厚的铝滤波器传输17.1–19.0 nm的波长，并衰减高次谐波（较短波长）。在-91.5℃至+40.7℃的八个光电二极管温度下测量电流，并将其归一化为接近室温（26.3℃）测量的电流。归一化电流本质上是光电二极管响应度随温度变化的度量。图2.在17.1至19.0nm波长范围内，AXUV光电二极管的归一化响应度（在指示温度下来自AXUV光电管的电流归一化为26.3℃的电流）。表I测量波长和22℃时响应度的变化。指示辐射源（SR是同步加速器辐射，灯是实验室源）如图2所示，AXUV光电二极管的归一化响应度（等于归一化电流）倾向于随着温度的升高而增加。在每个光电二极管温度下，对每个波长范围的归一化响应度进行平均，并表示在每个平均波长值下的归一化响应率。表I中列出了从3.0到88.2 nm的八个波长范围中的每个波长范围的平均波长。AXUV光电二极管的平均归一化响应度值作为指示波长下的温度的函数，如图中的数据点所示。图3（a），误差条表示与平均值的标准偏差。图3（a）中的曲线表示通过最小二乘法对数据点的最佳拟合。曲线的导数表示响应度随温度的变化，这些值以每摄氏度（%/C）的变化百分比为单位，如图3（b）所示。响应度值的变化如图所示。ASUV光电二极管的3（b）通常在0.015%/C至0.05%/Crange范围内，除了在较低温度下具有较高值的两个波长56.8和88.2nm。这些异常高的值可归因于水分在光电二极管表面上的积聚，该光电二极管表面在56.8和88.2nm处具有相对低的透射率，如下所述。图3.（a）AXUV光电二极管在指示波长下的归一化响应度作为温度的函数。（b）在指示的波长下，ASUV光电二极管的电流随温度的变化，单位为每摄氏度（%/C）的百分比变化。计算厚度在0.1–4-nm范围内的水膜的透射率，如图4所示。可以意识到，光电二极管表面上薄至0.1 nm的水膜的冷凝可以显著吸收入射辐射束，并影响响应值的变化，特别是在56.8和88.2 nm的测量波长下。当真空室中的压力更高或更低时，薄膜完全有可能在低温下积聚在光电二极管表面，并影响这些波长下的响应度变化值。为了显示响应度值随波长变化的趋势，从图中得出的AXUV响应度变化值如图所示。图3（b）在两个选定温度（a）80℃和（b）22℃下。SXUV光电二极管的类似值如图6所示。在80℃下测量的56.8和88.2 nm波长的响应性变化平均值的表观散射被认为是AXUV光电二极管在低温下工作时表面凝结水的结果。然而，响应度随波长变化值的剩余散射（除上述原因外）表明响应度变化值的波长依赖性相当显著。对于SXUV光电二极管，响应范围值中的散射略高于AXUV光电二极管。这可能是表面污染以及SXUV金属硅化物表面氧化的结果，此外还有低温下的冷凝水效应。此外，SXUV光电二极管的信号电流低于AXUV光电二极管，并可能导致SXUV数据的显著变化。图4.厚度在0.1nm至4nm范围内的水膜的计算透射率。图5.AXUV光电二极管在（a）-80℃和（b）+22℃的温度下的响应性随波长的变化。图6.SXUV光电二极管在（a）-80℃和（b）+22℃的温度下的响应性随波长的变化III、 实验室测量为了研究同步加速器测量过程中水分凝结的可能性，使用可用的实验室辐射源和带通滤波器在波长120、160和250 nm处进行了额外的测量。实施了许多程序技术来减少水分凝结的影响。真空室比用于同步辐射测量的真空室小得多。通过涡轮分子泵对腔室进行抽真空，并通过用液氮冷却的大盘进一步降低压力。在0℃的温度下进行测量时，压力通常为10-7托。参考光电二极管是热隔离的，在整个测量过程中处于室温。辐射源是一个带有aMgF2窗口的氘放电灯。该灯连接到一个真空室，真空室中装有用于同步加速器测量的相同测试光电二极管支撑夹具和温度控制系统。真空室有几个机械真空馈通，用于将带通滤波器、苏打玻璃滤波器和室温参考AXUV光电二极管移动到光束中。与同步加速器测量类似，测试光电二极管由连接到液氮库的铜带冷却。室温参考AXUV光电二极管监测灯的强度。三个薄膜干涉带通滤波器中的一个可以插入灯和光电二极管之间的辐射束中。这些滤光片在120、160和250nm的波长处具有峰值透射率。由于衬底透射率低，滤波器在比峰值波长短得多的波长下具有低透射率，但在更长的波长下可能具有显著的透射率。例如，使用同步辐射测量的160nm滤光片的透射率如图7所示。虽然滤光片在150–170 nm波长范围内具有相对较高的透射率，而在145 nm以下的透射率可忽略不计，但滤光片在200 nm以上的波长下具有显著的透射率。图7.同步辐射法测量160nm带通滤波器的透射率通过使用和不使用钠玻璃过滤器进行测量来说明较长波长的影响，该过滤器在波长为<250 nm时具有低透射率。测量量为（TD-TG）/（RD-RG），其中TD是带通滤波器和不带玻璃滤波器的测试（温控）光电二极管电流，TG是带通滤波和玻璃滤波器的试验光电二极管电流；RD是带通滤光片和不带玻色滤波器的参考（室温）光电二极管流，RG是带通滤光器和玻璃滤光片的参考光电二极管电流。因此，量（TD-TG）/（RD-RG）基本上是由温度控制的测试光电二极管测量的带内电流除以由标准温度参考光电二极管测得的带内电压。将（TD-TG）/（RD-RG）值归一化为22℃时的值，如图8所示。AXUV测试光电二极管的数据点是在每个温度下进行的五次测量的平均值，误差条是五次测量值的标准偏差。虚线是使用最小二乘法对平均值的最佳拟合（在这种情况下是线性的）。虚线的斜率是响应度随温度的变化。对于波长120和160nm，AXUV光电二极管的响应度变化值分别为0.053%/C和0.021%/C。120nm处的响应度变化值相当高，这可能意味着我们防止水凝结的方法可能不是有效的。由于SXUV测试光电二极管的电流比AXUV光电二极管的低10倍，因此SXUV数据不足以准确确定响应度的变化。图8.AXUV光电二极管在（a）120和（b）160nm波长下的归一化响应度。图9.AXUV和SXUV光电二极管在250nm波长下的归一化响应度。因为水在250nm波长下基本上是透明的（见图4），所以使用更亮的氘灯在该波长下进行实验室测量。在这种情况下，测试光电二极管没有容纳在真空室中，而是通过热电冷却器冷却，在光电二极管表面上进行适当的氮气吹扫。测试光电二极管电流仅在0摄氏度至50摄氏度的温度范围内测量，并标准化为室温值。电流在该温度范围内呈线性变化，并通过最小二乘法将直线拟合到数据中。两个AXUV和两个SXUV光电二极管的归一化响应率如图所示。9。两个AXUV光电二极管的响应度变化分别为0.034%/C和0.039%/C，相应的SXUV值分别为0.027%/C和0.029%/C。IV、讨论AXUV和SXUV光电二极管都具有正的温度依赖性，这意味着它们的响应度随着温度的升高而增加。除了在水缩聚可行的低温和吸水率高的波长下具有异常高的响应度变化值外，AXUV光电二极管的平均响应度变化（以%/C为单位）对温度相对不敏感，并且可以在室温（22℃）下表示，如表I所示。AXUV光电管的响应度的变化值范围从18.0 nm波长下0.013%/C的低值到120 nm波长下0.053%/C的高值。与之相比，22℃时的SXUV值范围为0.020%/Cat 13.9 nm至88.2 nm时的0.084%/C。由于AXUV光电二极管基本上具有100%的内量子效率，并且在EUV波长下表面反射可以忽略不计，因此可以随温度变化的参数是硅对产生能量，该能量与硅带隙有关，并且已知会随温度降低。温度依赖性由下式给出 带隙能量随温度的降低百分比从-100℃时的0.018%/C变化到+50℃时的0.027%/C，并且这些值表示对产生能量（也称为电离能）的降低和响应性随温度的相应增加。在室温（295K）下，硅带隙能量的变化为0.025%/C，并且在表I中所示的AXUV和SXUV光电二极管响应度的测量变化范围内。AXUV和SXUV光电二极管中响应度值随波长的变化可能与Si吸收系数随波长和温度的变化有关。然而，也有可能的是，这种波长变化与在宽波长范围内测量响应度的微小变化的困难有关，其中表面污染的影响是高度可变和显著的。导致上述变化的其他可能误差是测量过程中光电二极管响应度的不稳定性（与光电二极管的响应时间和在每个温度下获取数据之前的稳定时间有关），以及对入射辐射变化的不完整解释，尤其是当强度较低时。需要指出的是，先前的工作报告称，在205–885 nm波长范围内，响应度的温度依赖性小于0.01%，其中响应度与温度无关。这些光电二极管是p-on-n，难以以100%的内部量子效率生产（因为具有固定正电荷的钝化氧化物通过强吸收的UV光子吸引在前p区产生的少数载流子电子）。因此，这些器件可能具有已知具有负温度依赖性的表面复合。由于波长小于350nm的所有光子都存在量子产率，其正温度依赖性将抵消表面复合的负温度依赖性，从而导致观察到的低温依赖性。在350nm以上的波长下，为什么响应度可能与温度无关的唯一解释可能是，这种p-on-n器件中少数载流子的扩散长度比所涉及的光子穿透深度长。光电二极管响应度在350nm以上的温度依赖性超出了本研究的范围，应成为未来研究的主题。V.结论在3至250nm波长范围内测量了两种类型的硅光电二极管的响应度随温度的变化。响应度随温度的变化对所有波长都是正的，可以用量子产率的增加（对产生能量的减少）来解释，这是由于硅带隙随温度的升高而减小。观察到响应度值随温度和波长的变化，这归因于表面污染（特别是低温下的水分凝结）的影响、硅吸收系数的变化以及这种微小变化可能的测量误差。在3至250nm波长范围内和室温下，AXUV光电二极管的响应度值的测量变化范围为0.013%/C至0.053%/C，SXUV光电二极管为0.020%/C至0.084%/C。