CN105609511A - 一种单光子成像探测器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光电成像探测技术领域，尤其涉及一种单光子成像探测器及其制造方法。所述制造方法，包括如下步骤：制备硅基底微通道板，所述硅基底微通道板上设有微通孔阵列；制备CMOS成像传感器阵列；在封装设备中制备和测试光电阴极，并将所述硅基底微通道板、所述CMOS成像传感器阵列和所述光电阴极进行器件晶圆级结构整合，形成单光子成像探测器，然后对所述单光子成像探测器进行测试。本发明采用晶圆级封装处理技术，利用光电阴极、硅基底微通道板和CMOS成像传感器阵列直接耦合，形成高灵敏、高速、高分辨率、低成本、低功耗、高帧频、无需冷却、尺寸紧凑的单光子成像探测器。
Description
技术领域
本发明涉及光电成像探测技术领域，尤其涉及一种单光子成像探测器及其制造方法。
背景技术
随着生物医学、空间探测以及环境辐射检测技术的发展，对微弱光的检测要求越来越高，而由于极微弱目标无法使用传统的相机和常规的探测技术得到图像，特别是当光微弱到单个光子发射时，一般的弱光成像器件更是不能满足需求，因而单光子成像探测技术已成为当前国际科技界一个研究热点。基于电荷耦合器件(CCD，Charge-coupledDevice)和互补金属氧化物半导体(CMOS，ComplementaryMetalOxideSemiconductor有源像素传感器(APS，ActivePixelSensor体系结构的传统成像器件一直在努力提高速度和灵敏度。然而，极低的光子计数采用这些技术通常检测不到或需要深度冷却和高度优化的超低噪声读取电路。
近二十年，单光子成像探测器的研制取得了长足的发展。目前可以用来做单光子成像的探测器主要有增强电荷耦合器件(ICCD,IntensifiedCharge-coupledDevice)、电子轰击电荷耦合器件(EBCCD,Electron-BombardedCharge-coupledDevice)、电子倍增电荷耦合器件(EMCCD,Electron-MultiplyingCharge-coupledDevice)以及微通道板(MCP，Micro-channelPlate)与电荷耦合器件(CCD，Charge-coupledDevice)或互补金属氧化物半导体(CMOS，ComplementaryMetalOxideSemiconductor)直接耦合的复合光子探测器件等。
不同的单光子成像探测器有着各自的优缺点。ICCD因荧光屏降低空间分辨率，体积大和成本高使其不能够适用于大众市场。EBCCD在ICCD基础上取消荧光屏和中继系统，即光阴极将输入光子转换成光电子，在静电电压的加速下，光电子直接轰击CCD。与ICCD相比，既减小了体积和重量，又提高了信噪比和成像分辨力，然而其寿命短的特点限制其推广。EMCCD是采用电子倍增技术的CCD，在读出寄存器和输出放大器之间加入倍增存储器，信号电荷在读出之前实现了倍增，极大的提高了信噪比。相比ICCD和EBCCD，EMCCD具有成像分辨力高、成本低、寿命长等优点。但EMCCD需要制冷，所以体积大、功耗高，而且增益后的信噪比不够高，不能达到单光子探测的水平。
传统微通道板(MCP，Micro-channelPlate)以玻璃薄片为基底，形成数微米到十几微米周期的微孔。与电荷耦合器件(CCD，Charge-coupledDevice)或互补金属氧化物半导体(CMOS，ComplementaryMetalOxideSemiconductor)直接耦合后形成的成像探测器件，具有耦合性差的缺点。
发明内容
本发明实施例提供一种高灵敏、高速、高分辨率、低成本、低功耗、高帧频、无需冷却、尺寸紧凑的单光子成像探测器及其制造方法。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种单光子成像探测器的制造方法，包括如下步骤：
制备硅基底微通道板，所述硅基底微通道板上设有微通孔阵列；
制备CMOS成像传感器阵列；
在封装设备中制备和测试光电阴极，并将所述硅基底微通道板、所述CMOS成像传感器阵列和所述光电阴极进行器件晶圆级结构整合，形成单光子成像探测器，然后对所述单光子成像探测器进行测试。
进一步地，所述制备硅基底微通道板，包括如下步骤：
以硅晶圆为基底，采用硅微通孔刻蚀成形技术在所述基底上形成微孔阵列，再采用化学气相沉积法在所述微孔阵列上制备微通道内壁功能层，形成硅基底微通道板。
进一步地，所述制备CMOS成像传感器，包括如下步骤：
在衬底上形成梯度掺杂的PinnedPhotodiode结构；
采用深注入P-Well工艺，在所述衬底上形成自顶向下贯穿的像素串扰保护注入层；
将所述衬底翻转倒置在转台上，采用化学机械抛光方法去除多余的衬底厚度至PinnedPhotodiode结构的底部；
采用高剂量低能硼注入并通过激光退火进行杂质激活，形成对化学机械抛光晶格缺陷的钝化层。
进一步地，所述在封装设备中制备和测试光电阴极，并将所述硅基底微通道板、所述CMOS成像传感器阵列和所述光电阴极进行器件晶圆级结构整合，形成单光子成像探测器，然后对所述单光子成像探测器进行测试，包括如下步骤：
在所述封装设备的光电阴极制造腔装入光电阴极玻璃基底，在所述封装设备的检测腔装入所述硅基底微通道板和所述CMOS成像传感器阵列；
清理所述光电阴极玻璃基底表面杂质，将所述封装设备抽真空；
在所述光电阴极玻璃基底上蒸镀阴极，获得光电阴极；
检测所述光电阴极光谱响应特性；
对所述硅基底微通道板、所述CMOS成像传感器阵列和所述光电阴极进行器件晶圆级结构整合，并对整合后的器件进行测试。
进一步地，所述清理所述光电阴极玻璃基底表面杂质，包括如下步骤：
对所述光电阴极制造腔抽真空，使真空系统内大气压小于10-6Pa；
升温烘焙，用加热灯的热辐射对所述光电阴极制造腔的腔体加温，使所述光电阴极玻璃基底的温度达到270～300°，这样所述光电阴极玻璃基底表面杂质和残留气体可以清理干净。
进一步地，所述在所述光电阴极玻璃基底上蒸镀阴极，包括如下步骤：
在阴极材料池，对阴极材料加热到能够使光电阴极材料蒸发，阴极气态分子到达所述光电阴极玻璃基底，并附着在所述光电阴极玻璃基底表面，当所述光电阴极玻璃基底的透过率下降到经验阈值时停止蒸镀。
进一步地，所述检测所述光电阴极光谱响应特性，包括如下步骤：
所述封装设备中的操作机械手将蒸镀好的光电阴极移至单色仪下方的检测处，单色仪扫描光谱，测试制作的光电阴极的光谱响应特性，如果达到预期的响应曲线，移至检测腔。
进一步地，所述对所述硅基底微通道板、所述CMOS成像传感器阵列和所述光电阴极进行器件晶圆级结构整合，并对整合后的器件进行测试，包括如下步骤：
操作机械手将光电阴极移至检测位置，与已安装好的所述硅基底微通道板和所述CMOS成像传感器阵列对准，组装成完整的器件结构；根据分辨力要求，可以选择相应倍率的显微镜作为中继透镜将紫外点光源缩小成像在整合后的器件上，检测所述器件读出的光斑强度和尺寸，最终达到检测所述器件的增益和分辨力的目的。
一种单光子成像探测器，通过上述制造方法得到，包括硅基底微通道板、CMOS成像传感器阵列和光电阴极，所述硅基底微通道板上设有微通孔阵列，所述CMOS成像传感器阵列为若干个成像传感器阵列排布在硅基片上，所述光电阴极为半透明的；当光照射到半透明的所述光电阴极上，所述光电阴极与所述硅基底微通道板间的电场将所述光电阴极表面释放的电子推入所述硅基底微通道板，所述硅基底微通道板将以104-108数量级放大电子数量，通过调节所述硅基底微通道板两端的放大电压来控制放大倍数，离开所述硅基底微通道板的电子撞击所述CMOS图像传感器阵列来产生电子图像。
本发明的技术方案产生的有益效果如下：
采用晶圆级封装处理技术，利用光电阴极、硅基底微通道板和CMOS成像传感器直接耦合，形成高灵敏、高速、高分辨率、低成本、低功耗、高帧频、无需冷却、尺寸紧凑的单光子成像探测器。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种快速单光子成像探测器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种快速单光子成像探测器的工作原理示意图；
图3为本发明实施例中CMOS成像传感器阵列的示意图。
具体实施方式
为使本申请一实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
本实施例提供一种单光子成像探测器的制造方法，包括如下步骤：
步骤110，制备硅基底微通道板，所述硅基底微通道板上设有微通孔阵列；
具体地，以硅晶圆为基底，采用硅微通孔刻蚀成形技术在所述基底上形成微孔阵列，再采用化学气相沉积法在所述微孔阵列上制备微通道内壁功能层，形成硅基底微通道板；上述步骤可保证微孔尺寸高精度，硅基底微通道板外形尺寸可以做到更大面积，便于批量化生产；
步骤120，制备CMOS成像传感器阵列
具体地，所述步骤120包括如下步骤：
步骤1201，在衬底上形成梯度掺杂的PinnedPhotodiode结构，以便加速硅基底微通道板注入电子的吸收和读出；
步骤1202，采用深注入P-Well工艺，在所述衬底上形成自顶向下贯穿的像素串扰保护注入层；
步骤1203，将所述衬底翻转倒置在转台上，采用化学机械抛光方法去除多余的衬底厚度至PinnedPhotodiode结构的底部；
步骤1204，采用高剂量低能硼注入并通过激光退火进行杂质激活，形成对化学机械抛光晶格缺陷的钝化层，避免硅基底微通道板注入电子被晶格缺陷所形成的复合中心湮灭，降低探测灵敏度；
步骤130，在封装设备中制备和测试光电阴极，并将所述硅基底微通道板、所述CMOS成像传感器阵列和所述光电阴极进行器件晶圆级结构整合，形成单光子成像探测器，然后对所述单光子成像探测器进行测试；
具体地，所述步骤130包括如下步骤：
步骤1301，在封装设备的光电阴极制造腔装入光电阴极玻璃基底，在封装设备的检测腔装入硅基底微通道板和CMOS成像传感器阵列；
步骤1302，清理所述光电阴极玻璃基底表面杂质，将封装设备抽真空；
具体地，所述步骤1302包括如下步骤：
步骤13021，对光电阴极制造腔抽真空，使真空系统内大气压小于10-6Pa；
步骤13022，升温烘焙，用加热灯的热辐射对所述光电阴极制造腔的腔体加温，使所述光电阴极玻璃基底的温度达到270～300°，这样所述光电阴极玻璃基底表面杂质和残留气体可以清理干净；
步骤1303，在所述光电阴极玻璃基底上蒸镀阴极，获得光电阴极；
具体地，所述步骤1303包括如下步骤：
在阴极材料池，对阴极材料加热到能够使光电阴极材料蒸发，阴极气态分子到达所述光电阴极玻璃基底，并附着在所述光电阴极玻璃基底表面，当所述光电阴极玻璃基底的透过率下降到经验阈值时停止蒸镀；
步骤1304，检测光电阴极光谱响应特性；
具体地，所述步骤1304包括如下步骤：
封装设备中的操作机械手将蒸镀好的光电阴极移至单色仪下方的检测处，单色仪扫描光谱，测试制作的光电阴极的光谱响应特性，如果达到预期的响应曲线，移至检测腔；
步骤1305，对所述硅基底微通道板、所述CMOS成像传感器阵列和所述光电阴极进行器件晶圆级结构整合，并对整合后的器件进行测试；
具体地，所述步骤1305包括如下步骤：
操作机械手将光电阴极移至检测位置，与已安装好的所述硅基底微通道板和所述CMOS成像传感器阵列对准，组装成完整的器件结构；根据分辨力要求，可以选择相应倍率的显微镜作为中继透镜将紫外点光源缩小成像在整合后的器件上，检测所述器件读出的光斑强度和尺寸，最终达到检测所述器件的增益和分辨力的目的。
具体地，光电阴极(PhotoCathode)和硅基底微通道板(Micro-channelPlate)对表面污染和残留气体非常敏感，最终的封装和测试在高真空环境下完成。
本实施例是在一套可在外部操作的真空系统中实现的，这个系统具有安装和高温烘焙基底腔、光电阴极蒸镀腔、可以由人工操作的光谱响应测试腔体以及封装和测试成像分辨力的腔体。
实施例2：
如图1所示，本实施例提供一种快速单光子成像探测器，通过实施例1的制造方法得到，包括硅基底微通道板1、CMOS成像传感器阵列2和光电阴极3，所述硅基底微通道板1上设有微通孔阵列，所述CMOS成像传感器阵列2为若干个成像传感器21阵列排布在硅基片上，所述光电阴极3为半透明的；当光照射到半透明的所述光电阴极上，所述光电阴极3与所述硅基底微通道板1间的电场将所述光电阴极3表面释放的电子推入所述硅基底微通道板1，所述硅基底微通道板1将以104-108数量级放大电子数量，通过调节所述硅基底微通道板1两端的放大电压来控制放大倍数，离开所述硅基底微通道板1的电子撞击所述CMOS图像传感器21来产生电子图像。
本实施例中，硅基底微通道板1在真空环境下可以承受高达1200℃的高温处理，在高温条件下有更多光电阴极材料的选择，拓宽微通道板探测响应波长的范围。同时，在高温条件下，还可以选择高二次电子发射系数的材料沉积在输入面，极大提高了粒子首次碰撞的电子产额。对于需要超高真空下使用的器件，烘烤温度的提高利于提高使用真空度与信噪比。
本实施例中，硅基底微通道板1所用单晶硅的纯度高，有害质量含量少，如氢、水等，避免使用类似玻璃中钾、铷等元素同位素产生的背景噪声和阳离子反馈噪声，而且不与光阴极材料作用，从而有效提高光电子器件的使用可靠性与使用寿命。
本实施例提供的探测器的工作原理，如图2所示，当光照射到半透明的光电阴极3(PC)上，由于光电效应，表面的电子将被释放。光电阴极3与硅基底微通道板1间的电场将电子推入硅基底微通道板1，硅基底微通道板1将以104-108数量级放大电子数量，通过调节硅基底微通道板1两端的放大电压来精确控制放大倍数。离开硅基底微通道板1的电子将撞击CMOS图像传感器21来产生电子图像。
本发明实施例的有益效果是：
1.高性价比、可实现大规模生产：采用基于硅晶圆封装技术的的快速单光子探测器将实现高精度的尺寸、大面积、高可靠性的硅基底微通道板。另一方面，可在硅晶圆上制造大尺寸的像素传感器。较传统探测器具有更高性价比，可实现大规模、批量化生产。
2.光学传感器分辨率高，小于15um。随着3DIC包装在近几年的快速发展，纵横比50的5um大小的过孔尺寸已经被广泛使用。本发明可适应更宽松的10um直径和15um厚度的硅通孔，这确保了再现性和均匀性。目前，最好的相机镜头的光学分辨率大约只有100lp/mm，这最佳匹配于5um像素。由于图像分辨率与像素的均方根成反比。像素尺寸太大不会改善系统分辨率，反而使图像尺寸越大。此外，由于较小的动态范围，小尺寸图像增加了图像的信噪比。因此，这是将来制造5um厚度的硅基底微通道板的价值。
3.高帧率，大于100FPS。帧频仅受限于目前的CIS晶片。相对于硅基底微通道板的15um的像素尺寸，CIS的只有1.4um。在光学分辨率方面，硅基底微通道板是限制因素。在将来，像素大小能够提高到与硅基底微通道板更加匹配，读出速度可以显著增加。
4.高灵敏度，小于10photons/pixel。传统相机依赖通过冷却来减少相机像素的热噪声。深度冷却(-40℃)，相较于室温，暗电流减少了10倍，也就是，暗噪音减少了10倍。硅基底微通道板中的电子放大在自由空间，类似于PMT，热噪声比半导体中的要小得多。根据不同的偏压，电子倍增系数的范围可以从1000到10000为一个单级。假设平均增益系数是5000，在低光情况下信噪比将改善5000。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (9)
1.一种单光子成像探测器的制造方法，包括如下步骤：
制备硅基底微通道板，所述硅基底微通道板上设有微通孔阵列；
制备CMOS成像传感器阵列；
在封装设备中制备和测试光电阴极，并将所述硅基底微通道板、所述CMOS成像传感器阵列和所述光电阴极进行器件晶圆级结构整合，形成单光子成像探测器，然后对所述单光子成像探测器进行测试。
2.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述制备硅基底微通道板，包括如下步骤：
以硅晶圆为基底，采用硅微通孔刻蚀成形技术在所述基底上形成微孔阵列，再采用化学气相沉积法在所述微孔阵列上制备微通道内壁功能层，形成硅基底微通道板。
3.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述制备CMOS成像传感器，包括如下步骤：
在衬底上形成梯度掺杂的PinnedPhotodiode结构；
采用深注入P-Well工艺，在所述衬底上形成自顶向下贯穿的像素串扰保护注入层；
将所述衬底翻转倒置在转台上，采用化学机械抛光方法去除多余的衬底厚度至PinnedPhotodiode结构的底部；
采用高剂量低能硼注入并通过激光退火进行杂质激活，形成对化学机械抛光晶格缺陷的钝化层。
4.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述在封装设备中制备和测试光电阴极，并将所述硅基底微通道板、所述CMOS成像传感器阵列和所述光电阴极进行器件晶圆级结构整合，形成单光子成像探测器，然后对所述单光子成像探测器进行测试，包括如下步骤：
在所述封装设备的光电阴极制造腔装入光电阴极玻璃基底，在所述封装设备的检测腔装入所述硅基底微通道板和所述CMOS成像传感器阵列；
清理所述光电阴极玻璃基底表面杂质，将所述封装设备抽真空；
在所述光电阴极玻璃基底上蒸镀阴极，获得光电阴极；
检测所述光电阴极光谱响应特性；
对所述硅基底微通道板、所述CMOS成像传感器阵列和所述光电阴极进行器件晶圆级结构整合，并对整合后的器件进行测试。
5.如权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述清理所述光电阴极玻璃基底表面杂质，包括如下步骤：
对所述光电阴极制造腔抽真空，使真空系统内大气压小于10-6Pa；
升温烘焙，用加热灯的热辐射对所述光电阴极制造腔的腔体加温，使所述光电阴极玻璃基底的温度达到270～300°。
6.如权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述在所述光电阴极玻璃基底上蒸镀阴极，包括如下步骤：
在阴极材料池，对阴极材料加热到能够使光电阴极材料蒸发，阴极气态分子到达所述光电阴极玻璃基底，并附着在所述光电阴极玻璃基底表面，当所述光电阴极玻璃基底的透过率下降到经验阈值时停止蒸镀。
7.如权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述检测所述光电阴极光谱响应特性，包括如下步骤：
所述封装设备中的操作机械手将蒸镀好的光电阴极移至单色仪下方的检测处，单色仪扫描光谱，测试制作的光电阴极的光谱响应特性，如果达到预期的响应曲线，移至检测腔。
8.如权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述对所述硅基底微通道板、所述CMOS成像传感器阵列和所述光电阴极进行器件晶圆级结构整合，并对整合后的器件进行测试，包括如下步骤：
操作机械手将光电阴极移至检测位置，与已安装好的所述硅基底微通道板和所述CMOS成像传感器阵列对准，组装成完整的器件结构；根据分辨力要求，可以选择相应倍率的显微镜作为中继透镜将紫外点光源缩小成像在整合后的器件上，检测所述器件读出的光斑强度和尺寸，达到检测所述器件的增益和分辨力的目的。
9.一种使用权利要求1-8任一项的制造方法制造的单光子成像探测器，其特征在于，包括硅基底微通道板、CMOS成像传感器阵列和光电阴极，所述硅基底微通道板上设有微通孔阵列，所述CMOS成像传感器阵列为若干个成像传感器阵列排布在硅基片上，所述光电阴极为半透明的；当光照射到半透明的所述光电阴极上，所述光电阴极与所述硅基底微通道板间的电场将所述光电阴极表面释放的电子推入所述硅基底微通道板，所述硅基底微通道板将以104-108数量级放大电子数量，通过调节所述硅基底微通道板两端的放大电压来控制放大倍数，离开所述硅基底微通道板的电子撞击所述CMOS图像传感器阵列来产生电子图像。
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