Поиск технологических решений, направленных на снижение количества дефектов изображения в гибридном приборе ближнего инфракрасного диапазона

Цели. Основная цель работы – уменьшение дефектов изображения, получаемого в гибридном фотоприемнике с диапазоном чувствительности 0.95–1.65 мкм на основе фотокатода из фосфида индия/арсенида галлия-индия (InP/InGaAs). Для этого необходимо улучшить качество поверхности фотокатода перед взрывной фотолитографией, а также обеспечить высокую воспроизводимость фотолитографического процесса.

Методы. Для достижения поставленной цели проведена серия экспериментов по очистке поверхности и по усовершенствованию технологического процесса взрывной фотолитографии. Для подготовки поверхности опробованы следующие методы: химическое травление поверхности InGaAs, покрытие поверхности фотокатода защитным слоем фоторезиста перед резкой пластины, использование различных способов удаления фоторезиста (в диметилформамиде и плазме), внедрение механической очистки поверхности. Для усовершенствования фотолитографии проведены эксперименты со временем и способами сушки фоторезиста, проведено варьирование режимов экспонирования и проявления, заменен фоторезист.

Результаты. Изготовленные по усовершенствованной технологии образцы демонстрируют более чем девятикратное снижение среднего процента дефектов от общей площади поверхности фотокатода по сравнению со старыми образцами: с 0.317% до 0.035%. Благодаря улучшению качества поверхности фотокатода изображение в готовом приборе стало более однородным, количество дефектов изображения значительно уменьшилось. Обеспечена высокая воспроизводимость процесса.

Выводы. Усовершенствованная технология подготовки поверхности, а также уменьшение толщины фоторезиста, используемого во взрывной фотолитографии, привело к увеличению однородности изображения в гибридном приборе, а также к уменьшению дефектов. Предлагаемый подход может быть применен при серийном производстве гибридных высокочувствительных фотоприемников ближнего инфракрасного (ИК) диапазона и позволяет им быть конкурентоспособными с мировыми аналогами.

1. Криксунов Л.З. Справочник по основам инфракрасной техники. М.: Сов. Радио; 1978, 400 с.

2. Hansen M.P., Douglas S.M. Overview of SWIR detectors, cameras, and applications. In: Proceedings of SPIE 6939 Defense and Security Symposium (Thermosense XXX). 2008. P. 69390I-1–69390I-11. https://doi.org/10.1117/12.777776

3. Айнбунд М.Р., Егоренков А.А., Пашук А.В. Особенности изображений воды, льда, снега, предметов и человека, формируемых гибридной телевизионной камерой в ближнем инфракрасном диапазоне. Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2021;21(5):619–625. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2021-21-5-619-625

4. Song H., Yeo S., Jin Y., Park I., Ju H., Nalcakan Y., Kim S. Short-Wave Infrared (SWIR) Imaging for Robust Material Classification: Overcoming Limitations of Visible Spectrum Data. Appl. Sci. 2024;14(23):11049. https://doi.org/10.3390/app142311049

5. Pavlovic M.S., Milanovic P.D., Stankovic M.S., Peric D.B., Popadic I.V., Peric M.V. Deep Learning Based SWIR Object Detection in Long-Range Surveillance Systems: An Automated Cross-Spectral Approach. Sensors. 2022;22(7):2562. https://doi.org/10.3390/s22072562

6. Wilson R.H., Nadeau K.P., Jaworski F.B., Tromberg B.J., Durkina A.J. Review of short-wave infrared spectroscopy and imaging methods for biological tissue characterization. J. Biomed. Opt. 2015;20(3):030901. http://doi.org/10.1117/1.JBO.20.3.030901

7. Егоренков А.А., Зубков В.И., Соломонов А.В., Миронов Д.Е., Пашук А.В., Айнбург М.Р. Гибридный матричный фотоприемник для ИК-области спектра. Известия СПбГЭТУ “ЛЭТИ”. 2021;4:15–22. https://www.elibrary.ru/wvtgwi

8. Enloe W., Sheldon R., Reed L., Amith A. Electron-bombarded CCD image intensifier with a GaAs photocathode. In: Proceedings of Symposium on Electronic Imaging: Science and Technology. 1992. P. 41–49. https://doi.org/10.1117/12.60337

9. Zhang Y., Chen J., Yang J., Fu M., Cao Y., Dong M., Yu J., Dong S., Yang X., Shao L., Hu Z., Cai H., Liu C., Huang F. Sensitive SWIR Organic Photodetectors with Spectral Response Reaching 1.5 μm. Adv. Mater. 2024;36(41):2406950. https://doi.org/10.1002/adma.202406950

10. Costello K.A., Davis G.A., Weiss R.E., Aebi V.W. Transferred electron photocathode with greater than 5% quantum efficiency beyond 1 micron, In: Proceedings SPIE 1449 (Electron Image Tubes and Image Intensifiers II). 1991. P. 40–50. https://doi.org/10.1117/12.44264

11. Мусатов А.Л., Израэльянц К.Р., Коротких В.Л., Филиппов С.Л., Руссу Е.В., Дякону И.И. Эмисионные характеристики полупроводниковых гетероструктур с барьером Шоттки InGaAs-InP-Ag. Физика и техника полупроводников, 1990;24(9):1523–1530.

12. Aebi V., Costello K., Davis G., LaRue R., Weiss R. Near IR Photocathode Development. In: Proceedings of 1997 Meeting of the IRIS Specialty Group on Active System. 1997. Tucson. US.

13. Wang X., Shi M., Su L., Yang L., Deng X., Zhang Y., Tan H. NEA GaAs photocathode for electron source: From growth, cleaning, activation to performance. Mater. Today Phys. 2025;52:101680. https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2025.101680

14. Sun Y., Liu Z., Pianetta P. Surface dipole formation and lowering of the work function by Cs adsorption on InP(100) surface. Vac. Sci. Technol. A. 2007;25(5):1351–1356. https://doi.org/10.1116/1.2753845

15. Долгих А.В., Леонов И.А. Сканирующая эллипсометрия высокого разрешения как метод контроля чистоты поверхности ОЭС-фотокатодов при производстве электронно-оптических преобразователей. Прикладная физика. 2007;4:121–123. https://www.elibrary.ru/iadlst

16. Терещенко О.Е., Шайблер Г.Э., Ярошевич А.С., Шевелев С.В., Терехов А.С., Лундин В.В., Заварин Е.Е., Бесюлькин А.И. Низкотемпературная методика очистки поверхности p-GaN(0001) для фотоэмиттеров с эффективным отрицательным электронным сродством. Физика твердого тела. 2004;46(10):1881–1885. https://www.elibrary.ru/rczyer

17. Machucaa F., Liu Z., Sun Y., Pianetta P., Spicer W.E., Pease R.F.W. Simple method for cleaning gallium nitride (0001). Am. Vac. Soc. A. 2002;20(5):1784–1786. https://doi.org/10.1116/1.1503782

18. Pastuszka S., Terekhov A.S., Wolf A. ‘Stable to unstable’ transition in the (Cs, O) activation layer on GaAs (100) surfaces with negative electron affinity in extremely high vacuum. Appl. Surf. Sci. 1996;99(4):361–365. https://doi.org/10.1016/0169-4332(96)00106-7

19. Jin M., Zhang Y., Chen X., Hao G., Chang B., Shi F. Effect of surface cleaning on spectral response for InGaAs photocathodes. Appl. Opt. 2015:54(36):10630–10635. https://doi.org/10.1364/AO.54.010630

20. Choi I-C., Kim H-T., Yerriboina N.P., Lee J.H., Teugels L., Kim T-G., Park J-G. Post-CMP Cleaning of InGaAs Surface for the Removal of Nanoparticle Contaminants for Sub-10nm Device Applications. ECS J. Solid State Sci. Technol. 2019;8(5):3028–3034. https://doi.org/10.1149/2.0051905jss

21. Na J., Lim S. Elemental behaviors of InGaAs surface after treatment in aqueous solutions. Microelectron. Eng. 2019;212: 27–36. https://doi.org/10.1016/j.mee.2019.04.002

22. Brussaard G.J.H., Letourneur K.G.Y., Schaepkens M., van de Sanden M.C.M., Schram D.C. Stripping of photoresist using a remote thermal Ar/O2 and Ar/N2/O2 plasma. J. Vac. Sci. Technol. B. 2003;21(1):61–66. https://doi.org/10.1116/1.1532021

23. Kim J.H., Choi N., Kim Y.-H., Kim T.-S. Thickness dependence of the lithographic performance in 193nm photoresists. In: Proceedings of SPIE 6153, Advances in Resist Technology and Processing XXIII. 2006. V. 615337. https://doi.org/10.1117/12.655777