InGaAs单光子探测器工作在0.91.7 μm波段单个光子的能量变化也分辨得出灵敏度高、体积小、全固态天文、生物医学、军事、制造都在用。它有个绕不开的结构短板芯片上的光敏面只占像素的一小块落在光敏区外的红外光等于白扔光能利用率上不去。Flexfilm费曼仪器探针式台阶仪可以实现表面微观特征的精准表征与关键参数的定量测量精确测定样品的表面台阶高度与膜厚为材料质量把控和生产效率提升提供数据支撑。这次针对两款InGaAs探测器各做一种方形孔径微透镜阵列材料取GaP和Si。微透镜用光刻胶热熔法独立成形球冠是光刻胶、其余是半导体再以光学胶单片式粘合。成品用台阶仪和共聚焦显微镜验形貌随后实测焦距、反推曲率偏差。设计参数跟着探测器与工艺走两款探测器InGaAs APD响应波长同为1.064 μm衬底都是InP、厚260 μm差别在光敏面一款是直径10 μm的圆间隔50 μm另一款是25 μm见方的区域间隔100 μm。阵列单元与焦平面单元一一对应孔径、规模和周期得按探测器规格来。材料要兼顾高折射率和高透过率。1.064 μm下GaP折射率3.173 2、透过率按1算Si折射率3.554 8、透过率0.783 58InP透过率只有1.758 0×10⁻⁸基本不透光Al₂O₃透过率虽也是1折射率1.616 5却差了一截。比下来基底材料只剩GaP和Si。微透镜结构参数设计流程设计走闭环流程先明确要求和焦平面参数初选材料与工艺定下孔径、冠高等结构初值再用仿真校核光学性能、加工难度和提升效果不达标就返回修改。硬性要求四条光线偏转角不超过±5°光敏面内能量集中度80%以上聚焦光斑小于光敏面厚度200300 μm。微透镜结构结构参数里孔径、冠高与曲率决定焦距和F数焦距要把透镜和衬底的厚度都算进去F数牵连景深、光斑尺寸和制作难度。光刻胶热熔法也框住参数胶体要够大够高才能在表面张力下拱成球面孔径和冠高由此受限厚度太薄制作使用中易裂太厚又拖累性能提升。方形孔径微透镜占空比示意图方形孔径本身是为提高填充因子。占空比等于孔径平方与单元间距平方之比衡量微透镜对光能的利用程度间隙里的光线聚不回光敏区间隙越小越划算。受工艺限制两种阵列的间隙都压到5 μm占空比分别为81.00%和90.25%。结构参数交给仿真把关单元微透镜仿真图像初值定好后由光线追迹软件校核以RMS半径和能量集中度为优化目标。单个单元的光路不复杂光线进曲面穿过透镜基底和芯片衬底落在衬底底面的光敏区。两种微透镜阵列曲率与厚度、艾里斑半径的关系曲线RMS半径是像差造成的弥散斑半径反映光能集中程度艾里斑由衍射极限决定躲不开也超不过RMS斑装得进艾里斑系统就算良好。能量集中度也叫圈入能量以光敏区中心为圆心看半径扩大时圈进来的能量比例。艾里斑得整个落在光敏区内GaP小于5 μm、Si小于12.5 μm再叠上厚度约束曲率的取值范围就框住了。左GaP微透镜仿真图像右Si微透镜仿真图像GaP最终取冠高0.70 μm、孔径45 μm、曲率362 μm、厚度290 μmSi取冠高3.00 μm、孔径95 μm、曲率378 μm、厚度250 μm厚度取整是方便生产。校核结果全在设计值以内GaP在视场角0°、2.5°、5°下RMS半径0.3210.354 μm艾里斑4.951 μm5 μm圈内能量83.71%Si的RMS半径0.1690.201 μm艾里斑2.015 μm12.5 μm圈内能量97.21%。形貌和焦距实测来验收两种微透镜的3D成像图两种微透镜形貌阵列做出来后形貌检测上场台阶仪和共聚焦显微镜各司其职。共聚焦显微镜负责看量冠高、单元直径和周期能做3D成像、观察整体形貌台阶仪负责量靠触针扫出表面高度轮廓属于接触式轮廓测量。两边多次测得的冠高与孔径互相印证实际曲率就从这两组数反推。放大的图像上能看到工艺痕迹刻蚀各阶段腔体压力不同、速率不同中心偶尔留下螺纹黑点多半是没洗净的灰尘、微纤维或刻蚀残留。实测GaP冠高0.691 μm、孔径45.03 μmSi冠高3.00 μm、孔径96.65 μm都贴近设计值反推出的实际曲率分别为367 μm和391 μm对照设计值362 μm和378 μm偏差1.38%和3.44%。微透镜焦距测试结果焦距另搭装置测试1.064 μm激光器、扩束器加显微镜激光从阵列下方入射上下调镜头找光斑最清晰、中心最亮的位置该像平面到球面所在平面的距离差就是焦距。景深让光斑在一段镜头高度里都显得清楚只能靠多次测量取稳。按实测厚度GaP 240 μm、Si 293 μm算空气中理想焦距为334 μm和362 μm实测315 μm和352 μm偏差5.69%和2.76%。偏差有来处流程能复用两处偏差同源成品形貌与理想设计没有完全对上。匀胶的转速与加速度、曝光功率与时间、显影时间、热回流与刻蚀方法一环一环都在改写着球面外形。这些工艺参数本身存在波动曲率和焦距的偏差因此落在设计预期内满足应用需求。整套工作把设计、制作、表征串成一条链设计走闭环、结构参数靠仿真把关、成品由实测验收每一步都有数据兜底。集成微透镜的InGaAs单光子探测器想往成熟走这套流程可以直接接着用。Flexfilm费曼仪器探针式台阶仪费曼仪器Flexfilm探针式台阶仪在半导体、光伏、LED、MEMS器件、材料等领域表面台阶高度、膜厚的准确测量具有十分重要的价值尤其是台阶高度是一个重要的参数对各种薄膜台阶参数的精确、快速测定和控制是保证材料质量、提高生产效率的重要手段。✔ 配备500W像素高分辨率彩色摄像机✔ 亚埃级分辨率台阶高度重复性1nm✔ 360°旋转θ平台结合Z轴升降平台✔ 超微力恒力传感器保证无接触损伤精准测量费曼仪器作为国内领先的薄膜厚度测量技术解决方案提供商Flexfilm探针式台阶仪可以对薄膜表面台阶高度、膜厚进行准确测量保证材料质量、提高生产效率。原文参考《用于InGaAs单光子探测器的微透镜阵列及表征》*特别声明本账号所发布的原创及转载文章仅用于学术分享和传递行业相关信息。未经授权不得抄袭、篡改、引用、转载等侵犯本账号相关权益的行为。文章内容仅供参考如涉及版权问题请及时联系我司进行删除。