一種單光子成像探測(cè)器及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光電成像探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種單光子成像探測(cè)器及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著生物醫(yī)學(xué)、空間探測(cè)以及環(huán)境輻射檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)微弱光的檢測(cè)要求越來(lái)越高，而由于極微弱目標(biāo)無(wú)法使用傳統(tǒng)的相機(jī)和常規(guī)的探測(cè)技術(shù)得到圖像，特別是當(dāng)光微弱到單個(gè)光子發(fā)射時(shí)，一般的弱光成像器件更是不能滿(mǎn)足需求，因而單光子成像探測(cè)技術(shù)已成為當(dāng)前國(guó)際科技界一個(gè)研究熱點(diǎn)?；陔姾捎H合器件(<XD，Charge-coupledDevice)和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS，Complementary Metal Oxide Semiconductor 有源像素傳感器(APS，Active Pixel Sensor體系結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)成像器件一直在努力提高速度和靈敏度。然而，極低的光子計(jì)數(shù)采用這些技術(shù)通常檢測(cè)不到或需要深度冷卻和高度優(yōu)化的超低噪聲讀取電路。
[0003]近二十年，單光子成像探測(cè)器的研制取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。目前可以用來(lái)做單光子成像的探測(cè)器主要有增強(qiáng)電荷親合器件(ICO), Intensified Charge-coupled Device)、電子轟擊電荷親合器件(EBCCD, Electron-Bombarded Charge-coupled Device)、電子倍增電荷親合器件(EMCCD, Electron-Multiplying Charge-coupled Device)以及微通道板(MCP，Micro-channel Plate)與電荷親合器件(CCD，Charge-coupled Device)或互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS，Complementary Metal Oxide Semiconductor)直接親合的復(fù)合光子探測(cè)器件等。
[0004]不同的單光子成像探測(cè)器有著各自的優(yōu)缺點(diǎn)。ICCD因熒光屏降低空間分辨率，體積大和成本高使其不能夠適用于大眾市場(chǎng)。EBCCD在ICCD基礎(chǔ)上取消熒光屏和中繼系統(tǒng)，即光陰極將輸入光子轉(zhuǎn)換成光電子，在靜電電壓的加速下，光電子直接轟擊CCD。與ICCD相比，既減小了體積和重量，又提高了信噪比和成像分辨力，然而其壽命短的特點(diǎn)限制其推廣。EMCCD是采用電子倍增技術(shù)的CCD，在讀出寄存器和輸出放大器之間加入倍增存儲(chǔ)器，信號(hào)電荷在讀出之前實(shí)現(xiàn)了倍增，極大的提高了信噪比。相比ICCD和EBCCD，EMCCD具有成像分辨力高、成本低、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。但EMCCD需要制冷，所以體積大、功耗高，而且增益后的信噪比不夠高，不能達(dá)到單光子探測(cè)的水平。
[0005]傳統(tǒng)微通道板(MCP，Micro-channel Plate)以玻璃薄片為基底，形成數(shù)微米到十幾微米周期的微孔。與電荷親合器件(CCD，Charge-coupled Device)或互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS，Complementary Metal Oxide Semiconductor)直接親合后形成的成像探測(cè)器件，具有耦合性差的缺點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明實(shí)施例提供一種高靈敏、高速、高分辨率、低成本、低功耗、高幀頻、無(wú)需冷卻、尺寸緊湊的單光子成像探測(cè)器及其制造方法。
[0007]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0008]一種單光子成像探測(cè)器的制造方法，包括如下步驟:
[0009]制備硅基底微通道板，所述硅基底微通道板上設(shè)有微通孔陣列；
[0010]制備CMOS成像傳感器陣列；
[0011]在封裝設(shè)備中制備和測(cè)試光電陰極，并將所述硅基底微通道板、所述CMOS成像傳感器陣列和所述光電陰極進(jìn)行器件晶圓級(jí)結(jié)構(gòu)整合，形成單光子成像探測(cè)器，然后對(duì)所述單光子成像探測(cè)器進(jìn)行測(cè)試。
[0012]進(jìn)一步地，所述制備硅基底微通道板，包括如下步驟:
[0013]以硅晶圓為基底，采用硅微通孔刻蝕成形技術(shù)在所述基底上形成微孔陣列，再采用化學(xué)氣相沉積法在所述微孔陣列上制備微通道內(nèi)壁功能層，形成硅基底微通道板。
[0014]進(jìn)一步地，所述制備CMOS成像傳感器，包括如下步驟:
[0015]在襯底上形成梯度摻雜的Pinned Photod1de結(jié)構(gòu)；
[0016]采用深注入P-Well工藝，在所述襯底上形成自頂向下貫穿的像素串?dāng)_保護(hù)注入層；
[0017]將所述襯底翻轉(zhuǎn)倒置在轉(zhuǎn)臺(tái)上，采用化學(xué)機(jī)械拋光方法去除多余的襯底厚度至Pinned Photod1de 結(jié)構(gòu)的底部；
[0018]采用高劑量低能硼注入并通過(guò)激光退火進(jìn)行雜質(zhì)激活，形成對(duì)化學(xué)機(jī)械拋光晶格缺陷的鈍化層。
[0019]進(jìn)一步地，所述在封裝設(shè)備中制備和測(cè)試光電陰極，并將所述硅基底微通道板、所述CMOS成像傳感器陣列和所述光電陰極進(jìn)行器件晶圓級(jí)結(jié)構(gòu)整合，形成單光子成像探測(cè)器，然后對(duì)所述單光子成像探測(cè)器進(jìn)行測(cè)試，包括如下步驟:
[0020]在所述封裝設(shè)備的光電陰極制造腔裝入光電陰極玻璃基底，在所述封裝設(shè)備的檢測(cè)腔裝入所述硅基底微通道板和所述CMOS成像傳感器陣列；
[0021]清理所述光電陰極玻璃基底表面雜質(zhì)，將所述封裝設(shè)備抽真空；
[0022]在所述光電陰極玻璃基底上蒸鍍陰極，獲得光電陰極；
[0023]檢測(cè)所述光電陰極光譜響應(yīng)特性；
[0024]對(duì)所述硅基底微通道板、所述CMOS成像傳感器陣列和所述光電陰極進(jìn)行器件晶圓級(jí)結(jié)構(gòu)整合，并對(duì)整合后的器件進(jìn)行測(cè)試。
[0025]進(jìn)一步地，所述清理所述光電陰極玻璃基底表面雜質(zhì)，包括如下步驟:
[0026]對(duì)所述光電陰極制造腔抽真空，使真空系統(tǒng)內(nèi)大氣壓小于10 6Pa ;
[0027]升溫烘焙，用加熱燈的熱輻射對(duì)所述光電陰極制造腔的腔體加溫，使所述光電陰極玻璃基底的溫度達(dá)到270?300°，這樣所述光電陰極玻璃基底表面雜質(zhì)和殘留氣體可以清理干凈。
[0028]進(jìn)一步地，所述在所述光電陰極玻璃基底上蒸鍍陰極，包括如下步驟:
[0029]在陰極材料池，對(duì)陰極材料加熱到能夠使光電陰極材料蒸發(fā)，陰極氣態(tài)分子到達(dá)所述光電陰極玻璃基底，并附著在所述光電陰極玻璃基底表面，當(dāng)所述光電陰極玻璃基底的透過(guò)率下降到經(jīng)驗(yàn)閾值時(shí)停止蒸鍍。
[0030]進(jìn)一步地，所述檢測(cè)所述光電陰極光譜響應(yīng)特性，包括如下步驟:
[0031 ] 所述封裝設(shè)備中的操作機(jī)械手將蒸鍍好的光電陰極移至單色儀下方的檢測(cè)處，單色儀掃描光譜，測(cè)試制作的光電陰極的光譜響應(yīng)特性，如果達(dá)到預(yù)期的響應(yīng)曲線(xiàn)，移至檢測(cè)腔。
[0032]進(jìn)一步地，所述對(duì)所述硅基底微通道板、所述CMOS成像傳感器陣列和所述光電陰極進(jìn)行器件晶圓級(jí)結(jié)構(gòu)整合，并對(duì)整合后的器件進(jìn)行測(cè)試，包括如下步驟:
[0033]操作機(jī)械手將光電陰極移至檢測(cè)位置，與已安裝好的所述硅基底微通道板和所述CMOS成像傳感器陣列對(duì)準(zhǔn)，組裝成完整的器件結(jié)構(gòu)；根據(jù)分辨力要求，可以選擇相應(yīng)倍率的顯微鏡作為中繼透鏡將紫外點(diǎn)光源縮小成像在整合后的器件上，檢測(cè)所述器件讀出的光斑強(qiáng)度和尺寸，最終達(dá)到檢測(cè)所述器件的增益和分辨力的目的。
[0034]一種單光子成像探測(cè)器，通過(guò)上述制造方法得到，包括硅基底微通道板、CMOS成像傳感器陣列和光電陰極，所述硅基底微通道板上設(shè)有微通孔陣列，所述CMOS成像傳感器陣列為若干個(gè)成像傳感器陣列排布在硅基片上，所述光電陰極為半透明的；當(dāng)光照射到半透明的所述光電陰極上，所述光電陰極與所述硅基底微通道板間的電場(chǎng)將所述光電陰極表面釋放的電子推入所述硅基底微通道板，所述硅基底微通道板將以14-1O8數(shù)量級(jí)放大電子數(shù)量，通過(guò)調(diào)節(jié)所述硅基底微通道板兩端的放大電壓來(lái)控制放大倍數(shù)，離開(kāi)所述硅基底微通道板的電子撞擊所述CMOS圖像傳感器陣列來(lái)產(chǎn)生電子圖像。
[0035]本發(fā)明的技術(shù)方案產(chǎn)生的有益效果如下:
[0036]采用晶圓級(jí)封裝處理技術(shù)，利用光電陰極、硅基底微通道板和CMOS成像傳感器直接耦合，形成高靈敏、高速、高分辨率、低成本、低功耗、高幀頻、無(wú)需冷卻、尺寸緊湊的單光子成像探測(cè)器。
【附圖說(shuō)明】
[0037]圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種快速單光子成像探測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038]圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種快速單光子成像探測(cè)器的工作原理示意圖；
[0039]圖3為本發(fā)明實(shí)施例中CMOS成像傳感器陣列的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0040]為使本申請(qǐng)一實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本申請(qǐng)實(shí)施例中的附圖，對(duì)本申請(qǐng)實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本申請(qǐng)一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本申請(qǐng)中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0041]實(shí)施例1:
[0042]本實(shí)施例提供一種單光子成像探測(cè)器的制造方法，包括如下步驟:
[0043]步驟110，制備硅基底微通道板，所述硅基底微通道板上設(shè)有微通孔陣列；
[0044]具體地，以硅晶圓為基底，采用硅微通孔刻蝕成形技術(shù)在所述基底上形成微孔陣列，再采用化學(xué)氣相沉積法在所述微孔陣列上制備微通道內(nèi)壁功能層，形成硅基底微通道板；上述步驟可保證微孔尺寸高精度，硅基底微通道板外形尺寸可以做到更大面積，便于批量化生產(chǎn)；
[0045]步驟120，制備CMOS成像傳感器陣列
[0046]具體地，所述步驟120包括如下步驟:
[0047]步驟1201，在襯底上形成梯度摻雜的Pinned Photod1de結(jié)構(gòu)，以便加速娃基底微通道板注入電子的吸收和讀出；
[0048]步驟1202，采用深注入P-Well工藝，在所述襯底上形成自頂向下貫穿的像素串?dāng)_保護(hù)注入層；
[0049]步驟1203，將所述襯底翻轉(zhuǎn)倒置在轉(zhuǎn)臺(tái)上，采用化學(xué)機(jī)械拋光方法去除多余的襯底厚度至Pinned Photod1de結(jié)構(gòu)的底部；
[0050]步驟1204，采用高劑量低能硼注入并通過(guò)激光退火進(jìn)行雜質(zhì)激活，形成對(duì)化學(xué)機(jī)械拋光晶格缺陷的鈍化層，避免硅基底微通道板注入電子被晶格缺陷所形成的復(fù)合中心煙滅，降低探測(cè)靈敏度；
[0051]步驟130，在封裝設(shè)備中制備和測(cè)試光電陰極，并將所述硅基底微通道板、所述CMOS成像傳感器陣列和所述光電陰極進(jìn)行器件晶圓級(jí)結(jié)構(gòu)整合，形成單光子成像探測(cè)器，然后對(duì)所述單光子成像探測(cè)器進(jìn)行測(cè)試；
[0052]具體地，所述步驟130包括如下步驟:
[0053]步驟1301，在封裝設(shè)備的光電陰極制造腔裝入光電陰極玻璃基底，在封裝設(shè)備的檢測(cè)腔裝入硅基底微通道板和CMOS成像傳感器陣列；
[0054]步驟1302，清理所述光電陰極玻璃基底表面雜質(zhì)，將封裝設(shè)備抽真空；
[0055]具體地，所述步驟1302包括如下步驟:
[0056]步驟13021，對(duì)光電陰極制造腔抽真空，使真空系統(tǒng)內(nèi)大氣壓小于10_6Pa ;
[0057]步驟130