Waben im Silizium Diode unterscheidet Elektronen nach ihrem Einfallswinkel

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Haben zwei Elektronen nahezu dieselbe Energie, kann ein normaler Halbleiterdetektor sie nicht auseinanderhalten. Das Fraunhofer IZM und die Universität Münster nutzen deshalb einen anderen Unterschied: den Einfallswinkel. Mit einem Waferprozess bringen sie etwa 250 µm tiefe Wabenstrukturen in Si-PIN-Detektoren ein.

Bei vielen Messungen ist die Energie die wichtigste Größe, an der ein Detektor Signal und Untergrund trennt. Beim Karlsruher Tritium-Neutrino-Experiment KATRIN reicht sie dafür nicht aus. KATRIN misst das Elektronenspektrum des Tritium-Betazerfalls nahe der Endpunktenergie von 18,57 Kiloelektronenvolt. Aus der Form des Spektrums lässt sich die Masse des Neutrinos bestimmen. Ein Teil der Hintergrundelektronen erreicht den Detektor jedoch mit fast derselben kinetischen Energie wie die gesuchten Signalelektronen.

Die beiden Gruppen unterscheiden sich aber im Einfallswinkel. Laut Fraunhofer treffen viele Hintergrundelektronen typischerweise mit weniger als 10° auf den Detektor. Signalelektronen können dagegen mit bis zu etwa 50° ankommen. Mit konventionellen Detektoren lässt sich dieser Winkel unter den Bedingungen von KATRIN nicht erfassen. Dort treffen niedrige Teilchenenergien, starke Magnetfelder und Ultrahochvakuum zusammen.

Geometrie als Filter

Der aktive transversale Energiefilter (aTEF) nutzt dafür die Geometrie des Sensors. In die Oberfläche einer Si-PIN-Diode werden tiefe, hexagonale Kanäle geätzt. Ein Elektron mit großem Einfallswinkel trifft mit höherer Wahrscheinlichkeit auf eine aktive Seitenwand und erzeugt dort ein Signal. Ein Elektron mit kleinem Winkel fliegt meist bis zum inaktiven Boden des Kanals und wird nicht gezählt. Die Winkelselektion ergibt sich also aus der Wabengeometrie und nicht aus einer Auswertung im Nachgang.

Kleine Prototypen der Universität Münster haben bereits gezeigt, dass die Detektionseffizienz vom Winkel abhängt. Die Ergebnisse beschreiben Schneidewind et al. in einer Veröffentlichung. Dort heißt es auch, dass die Prototypen in Effizienz und Fertigungsqualität noch nicht ausreichen, um die Empfindlichkeit von KATRIN zu verbessern. Nach Simulationen könnte eine optimierte Struktur den Elektronenuntergrund um den Faktor drei bis fünf senken, je nach Zusammensetzung des Hintergrunds. Die Experten nennen dafür eine Signaleffizienz von rund 80 Prozent.

Vom Prototyp zum Wafer

Das Fraunhofer IZM sollte das Prinzip in einen reproduzierbaren Waferprozess übertragen. Die großflächigen Si-PIN-Detektorwafer haben eine ungewöhnliche, 24-seitige Geometrie. Nicht alle Anlagen im 200-mm-Reinraum können dieses Format verarbeiten. Das Team klebte die Detektorwafer deshalb mit Wachs auf 200-mm-Siliziumträger und strukturierte beide gemeinsam. Für die Belichtung musste es außerdem berücksichtigen, dass der Detektorwafer erhöht auf dem Träger sitzt.

Es standen nur zwei Detektorwafer zur Verfügung. Die Forschenden entwickelten die Prozesskette deshalb zuerst an eigenen Testwafern. Dazu gehören Lithografie, tiefes reaktives Ionenätzen (DRIE), das Entfernen von Prozessrückständen, das Ablösen vom Träger und die Passivierung der Seitenwände.

Silicon Grass hängt an der Wafertemperatur

Die Zieltiefe lag bei etwa 250 µm. Schwierig war vor allem, dabei möglichst senkrechte Seitenwände mit wenigen Defekten zu erzeugen. Für die Lithografie wählte das Team einen Positivlack mit nahezu vertikalen Flanken, der dem Tiefenätzen standhält. Der DRIE-Prozess wechselt zyklisch zwischen Passivierung sowie anisotropem und isotropem Ätzen. Mit statistischer Versuchsplanung variierten die Forschenden fünf Parameter, darunter Prozessdruck, Plasmaleistung, Gasfluss und Wafertemperatur. Dabei zeigte sich ein signifikanter Zusammenhang zwischen der Wafertemperatur und „Silicon Grass“. So nennt man die unerwünschten, nadelartigen Siliziumstrukturen am Ätzgrund. Das Team fand ein Prozessfenster mit weitgehend vertikalen Seitenwänden und wenigen Defekten.

Passivierung unter Temperaturgrenze

Nach dem Ätzen müssen die freigelegten Seitenwände elektrisch passiviert werden. Die Oxidschicht soll Oberflächenzustände absättigen, Aufladungen begrenzen und oberflächenbedingte Dunkelströme senken. Eine thermische Oxidation kam nicht infrage, weil die Wafer bereits metallisiert sind und nur wenig Temperatur vertragen. Das IZM scheidet SiO₂ deshalb per PECVD bei 175 °C ab. Gleichmäßig ist die Schicht in den tiefen Kanälen nicht. Gemessen wurden 161 nm oben, 80 nm in der Mitte und 55 nm im unteren Seitenwandbereich. Unten erreicht die Schicht also nur etwa ein Drittel der Dicke am oberen Rand. Laut IZM ist das eine verbesserte Abdeckung.

Noch kein fertiger Detektor

Die ersten Detektorwafer aus mehreren Designstufen werden nun in Münster vermessen. Fraunhofer betont selbst, dass die 3D-Energiefilter-Diode noch kein einsatzbereiter Detektor ist. Erst die Messungen werden zeigen, wie gut Leckstrom, Ladungssammlung an den Seitenwänden und Winkelselektivität beim Wafer-Demonstrator zusammenpassen.

Über die Teilchenphysik hinaus zeigt das Projekt, wie man Tiefenstrukturierung, Sonderformate auf Trägerwafern und Niedertemperatur-Passivierung auf bereits fertig prozessierte Sensoren anwenden kann. Diese Fragen stellen sich auch bei MEMS und anderen 3D-Siliziumsensoren. (heh)

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