MARIE FREEBODY

Photonics Spectra, Nov 2022

（本文為部分節選）

現代電子產品的特征尺寸不斷縮小——接近甚至小于光的波長。為了檢測更小的結構，設備制造商正在尋找新的方法來提高其系統的光學分辨率，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，而如今一些應用正在轉向近紫外、深紫外 (DUV) 甚至極紫外 (EUV)波段。

為了應對在紫外線（UV）下工作的挑戰，制造商提高產品設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。此為相機在傳統研究中的示例，但此相機也適用于在前端半導體測試中應對質量控制日益增長的挑戰性要求。

UV相機的設計

現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。當光從正面照射電荷耦合器件 (CCD) 或互補式金屬氧化物半導體 (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。

制造技術的進步使背照式圖像傳感器的經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應用更為重要。

“現在，UV的穿透深度足以在硅中產生電荷載流子，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品和應用科學家 Gerhard Holst 說， “通過適當的涂層和材料，還可以創建靈敏波段低至 2 nm 的圖像傳感器，即EUV和軟 X 射線波段。”

硅遠非唯一對UV有吸收的光學材料。標準光學玻璃吸收 290 nm 以下區域的光。為了避免這個問題，早期的 UV 相機移除了阻擋元件。現代相機則使用熔融石英（Silica、Quartz）和/或氟化鈣制成的光學元件，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，說明了不同設計對調制傳遞函數（MTF）的影響。

“我猜可以預期，半導體行業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備好滿足要求，但對鏡頭材料的需求會更大。”

UV 成像的應用

半導體行業是UV成像的最大市場。在不斷尋求尺寸更小的半導體的過程中，UV成像儀必須解析半導體掩模上更精細的結構，以用于晶圓生產、質量測試以及檢測或測量有害顆粒。因此，近年來，用于半導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還在檢查光學透明塑料、玻璃、涂層和粘合劑方面發揮作用。本質上，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。

再如，隱形眼鏡在UV范圍內具有很強的吸收性，UV 光可用于分辨透明隱形眼鏡與透明環境，而使用傳統的可見成像技術很難區分。

其他應用包括塑料或玻璃廢物分類、發電廠檢查、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業和食品檢測系統的重要分析波段。

產品介紹：pco.edge 4.2 bi XU

針對 EUV 和軟 X 射線應用進行了優化

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，動態范圍為 88 dB，噪聲水平為 1.9 e^- med。該相機結構緊湊，并提供各種軟件集成選項。

產品介紹：pco.edge 4.2 bi UV

基于制冷型背照式sCMOS技術的紫外成像相機

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

它方便靈活的制冷系統采用風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節的。在這樣一個溫度下，暗電流低至 0.2 e^-/pixel/s。

可根據您的應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，保證了圖像的高質量。并且，pco.edge 4.2 bi 相機具有一個強大的USB 3.1數據接口，進一步增強了其性能表現。