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CMOS-Back-End-of-Line-Prozesse für optische Bauelemente

Hochschulz, Frank

Möchte man CMOS-Bildsensoren in wissenschaftlichen und technischen Anwendungen einsetzen, treten Probleme auf, die bei herkömmlichen Anwendungen vernachlässigbar sind. So kommt es durch eine schmalbandige Beleuchtung zu starken Schwankungen der Empfindlichkeit abhängig von der Wellenlänge, prozessbedingten Schichtdickenschwankungen, dem Einfallswinkel und der spektralen Breite der einfallenden Strahlung. Außerdem ist in wissenschaftlichen und technischen Anwendungen häufig ein über den sichtbaren Bereich hinausgehender Spektralbereich von Interesse. In dieser Arbeit werden drei Back-End-of-Line-Prozesse für optische Bauelemente untersucht, welche die Eignung von CMOS-Bildsensoren für wissenschaftliche und technische Anwendungen mit oben genannten Anforderungen verbessern. Alle behandelten Prozesse lassen sich mit Hilfe herkömmlicher CMOS-Fertigungsanlagen nutzen. Durch die Entwicklung einer UV-transparenten Siliziumnitrid-Passivierung konnte die Empfindlichkeit von optischen Bauelementen bis in den fernen UV-Bereich ausgedehnt werden, wobei eine gute Schutzwirkung beibehalten werden konnte. Dieser Prozess ist für die Entwicklung sämtlicher Bildsensoren interessant, besonders jedoch für die Spektroskopie, bei der interessante Spektrallinien im UV-Bereich liegen. Durch die sogenannte Stufenätzung, bei der mehrere optische Weglängen in ein einzelnes optisches Bauelement integriert werden, konnten die Schwankungen der Empfindlichkeit in Abhängigkeit aller oben genannten Parameter deutlich reduziert werden, ohne die durchschnittliche Empfindlichkeit zu beeinflussen. Dieser Prozess ist vor allem für Anwendungen mit Laser-Beleuchtung wie dem 3D-time-of-flight-imaging interessant, bei dem eine Reduzierung der Schwankungen der Empfindlichkeit die Herstellung und Nutzung vereinfacht. Durch die sogenannte Oxidstapelätzung, bei der das Back-End-of-Line in photoaktiven Gebieten bis auf dünne Schichten nachträglich entfernt wird, konnten die Schwankungen der Empfindlichkeit verringert und die Empfindlichkeit bis in den extremen UV-Bereich des Spektrums ausgedehnt werden. Allerdings ergeben sich durch diesen Prozess mögliche Zuverlässigkeitsrisiken. Es sind Anwendungen dieses Prozesses in der Mikroskopie geplant. So wurde ein Bildsensor mit diesem Prozess gefertigt, der für den Einsatz bei der Inspektion von Maskenrohlingen für die kommende EUV-Lithographie gedacht ist und der derzeit auf seine Charakterisierung wartet. Mit Hilfe der untersuchten Back-End-of-Line-Prozesse konnten die Schwankungen der Empfindlichkeit verringert und der nutzbare Spektralbereich von optischen Bauelementen vergrößert werden. Diese Prozesse verbessern daher die Eignung von CMOS-Bildsensoren für wissenschaftliche und technische Anwendungen.

When CMOS image sensors are to be employed in scientific and technical applications problems arise that are negligible in common imaging applications. Specifically, when the spectral width of the illumination is small, strong variations of the sensitivity dependent on the wavelength, process-induced thickness variations, the angle of incidence and the spectral width of the incident radiation become dominant. Furthermore, in scientific and technical applications a larger spectral range is of interest than in common imaging applications. In this thesis three Back-End-of-Line processes for CMOS photo detectors are investigated, which intend to improve the applicability of CMOS image sensors for scientific and technical imaging applications. All three processes can be used with standard CMOS manufacturing tools. By developing an UV-transparent silicon nitride passivation the sensitivity of photo detectors could be extended into the far UV-range of the spectrum, while maintaining good protective properties. This process is interesting for the development of any image sensor, especially for spectroscopic applications where interesting spectral lines are in the UV-range of the spectrum. Using the so called step etching, which introduces multiple optical path lengths into a single photo detector, the variations of the sensitivity dependent on all above-mentioned parameters could be reduced significantly, without changing the average sensitivity. This process is especially interesting for applications that feature laser illumination, like 3D-time-of-flight-imaging, where a reduction of the variations of the sensitivity simplifies the manufacturing and usage. Using the so called deep optical stack etching, where the Back-End-of-Line in photoactive areas is removed down to thin layers, the variations of the sensitivity could be removed and the sensitivity could be extended into the extreme UV-range of the spectrum. However, this process introduces possible reliability risks. Applications for this process include microscopy. An image sensor using this process has been manufactured, which is intended for mask blank inspection tools for the coming EUV-lithography and is currently waiting for its characterization. Using the investigated Back-End-of-Line processes the variations of the sensitivity could be reduced and the usable spectral range of photo detectors could be increased. These processes therefore improve the applicability of CMOS image sensors for scientific and technical applications.

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Hochschulz, Frank: CMOS-Back-End-of-Line-Prozesse für optische Bauelemente. 2013.

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