超表面探测器及其制造方法

本发明涉及一种超表面探测器及其制造方法，具体涉及到在面阵光电探测器表面镀膜，利用聚焦离子束(fib)在膜层表面直写所需超表面结构的技术，能够使探测器具备探测偏振、光谱、相位等能力并且尽可能减小衍射效应对超表面性能的影响。

背景技术：

1、超表面全称超构表面，是超材料的一种特殊形式，由于其厚度(通常为几百纳米)远远小于面积(微米、毫米甚至厘米量级)，因此也被视为准二维超材料。

2、超材料是最小结构单元小于入射光波长的人造结构，通过改变最小结构单元的形状、周期和排布，可以调控电磁波的振幅、频率、相位、偏振等参数，几乎是一种全能的光学材料。三维结构的超材料制备相当困难，而准二维结构的超表面则加工相对容易，并且可通过合理的设计使其具备相似的电磁波调控功能。目前，部分超表面偏振/滤波/相位调控器件的性能已经超越传统光学器件，具备十分广阔的研究前景。

3、超表面器件的制备通常采用微纳加工的方法，这就使得这类器件具备良好的集成性。将超表面器件制备成阵列结构并集成到面阵光电探测器的表面，可使探测器的每个像元除了探测振幅以外还具备探测其他光学参数的能力。面阵光电探测器通常置于光学系统的焦平面，其探测器像元将焦平面“分割”，通过集成超表面阵列结构，这类探测器可统称为分焦面超表面探测器(下文有时也称作“超表面探测器”)。例如，可以将按一定方式排布的多个亚波长金属光栅(各自用作偏振片，整体构成微偏振阵列)集成到光电探测器的表面构成分焦面偏振探测器，也可以将周期性的纳米孔集成到光电探测器的表面构成分焦面多光谱探测器。

4、超表面的厚度通常为百纳米量级，而面积甚至可以达到毫米量级，因此超表面是不具备自支撑性的，需要根据工作波段制备在相应的衬底上。通常将超表面结构的功能面与探测器的像敏面粘接在一起实现集成。这种粘接集成方案相对简单、价格低廉，但会导致超表面的性能下降。以上述的分焦面偏振探测器为例，由于相邻像元对应的亚波长金属光栅可能采用不同的排布方向，因此同一偏振态的电磁波透过微偏振阵列后光强相差极大。而粘接集成导致超表面结构与探测器的像敏面(具体是其中的光电二极管)之间的距离增大，从而因为衍射效应增强导致强烈的光学串扰，使得消光比下降。目前亚波长金属光栅本身的消光比可超过10000：1，而采用粘接集成的情况下，即使粘胶层的厚度仅为1微米，相同结构参数的光栅阵列的消光比也很难超过100：1。并且，粘接过程中产生的气泡，粘接剂渗入到超表面的缝隙等现象均会引起器件性能的退化。

5、除了粘接集成外，在探测器的制造过程中直接引入超表面阵列制造工艺，将超表面制造在探测器的内部也是一种集成方案。sony发布的imx250mzy/myr偏振cmos图像传感器就是采用了该方案。这两款芯片的消光比最大接近1000：1，是目前同类分焦面偏振探测器中性能最好的，也是唯一实现商用的。该方案下，超表面直接形成在成像芯片的内部(形成为内部的层)，可以尽最大可能靠近光电二极管，减小串扰保证超表面的性能，但超表面结构的设计、参数无法容易地调整和修改，而且，由于大部分超表面还处于研究阶段，工艺还没有固化，难以承受为此开发探测器工艺的成本。

6、鉴于此，为了制造超表面探测器，需要一种既能够避免超表面的性能下降又能够降低成本的集成方案。

技术实现思路

1、如上所述，在面阵光电探测器上集成超表面结构时，采用粘接集成方案会影响超表面的性能，而采用在制造探测器过程中集成的方案则成本过高。

2、本发明的目的在于，针对超表面结构与光电探测器之间的集成，提供一种既能够避免超表面的性能下降又能够降低成本的集成方案，由此提供一种高性能、低成本、设计和制造的过程灵活的超表面探测器的制造方法以及由该方法制造的超表面探测器。

3、为了解决现有技术的问题，本发明提出了在商用光电探测器的像敏面的表面利用fib(聚焦离子束)技术直接刻写超表面结构的集成方案。这种集成方案能够保证探测器中光电二极管与超表面阵列间的距离仅为探测器本身具有的膜层的厚度而不会引入额外的距离，尽可能减小了衍射效应带来的光学串扰，保证了超表面的性能。而且，仅需要对现有的商用光电探测器进行加工即可，能够降低成本。

4、此外，本发明的制造方法对作为加工对象的商用光电探测器的限制较小，可随意更换探测器的型号，并且方便修改超表面结构参数，是一种便于科学研究的集成方案，还可以为后续超表面探测器的商用化提供基础和经验。

5、具体而言，本发明提供一种超表面探测器的制造方法，用于将现有的面阵图像传感器加工成超表面探测器，包括：窗片移除步骤，其中，选择作为加工对象的所述面阵图像传感器，将所述面阵图像传感器的窗片从传感器封装壳体上移除，使所述面阵图像传感器的像敏面裸露在环境中；镀敷步骤，其中，在通过所述窗片移除步骤裸露在环境中的所述像敏面上形成一定厚度的镀层；刻写步骤，其中，采用聚焦离子束技术在所述镀敷步骤形成的所述镀层的表面直写所要求的图案，将所述镀层加工成超表面阵列；和窗片覆盖步骤，其中，对于通过所述刻写步骤形成了所述超表面阵列后的所述面阵图像传感器，将所述窗片移除步骤中移除的所述窗片重新覆盖并固定到所述传感器封装壳体上。

6、此外，本发明提供一种超表面探测器，其通过上述制造方法制造。

7、此外，本发明提供一种由现有的面阵图像传感器加工而形成的超表面探测器，其中，包括由所述面阵图像传感器的窗片和封装壳体构成的密封腔室，所述密封腔室内充满惰性气体，在所述密封腔室内设置有所述面阵图像传感器的成像层叠体和形成在所述成像层叠体上的超表面阵列，所述超表面阵列与所述成像层叠体的靠所述窗片一侧的表面接触，所述超表面阵列通过在所述成像层叠体的靠所述窗片一侧的表面形成镀层并采用聚焦离子束技术在所述镀层直写所要求的图案而形成。

8、本发明具有如下技术效果：

9、1.采用本发明的制造方法，超表面探测器具有直接在图像传感器的像敏面上制造超表面阵列的结构。与前述的粘接集成方案相比，减小了光电二极管与超表面阵列的距离，尽可能减小衍射效应带来的光学串扰以确保性能。而且，仅需要对现有的商用光电探测器进行加工即可，能够降低成本。

10、2.采用本发明的制造方法，能够通过简单的加工步骤制造超表面探测器。仅需fib工艺便可以完成器件的核心步骤，同时也避免了其他微纳加工工艺中使用的化学试剂和气体对探测器的损害。

11、3.采用本发明的制造方法，能够任意地选用作为加工对象的图像传感器，并且容易调整要加工的超表面阵列的设计、参数等，在满足fib最小加工尺寸的前提下，对于超表面的特征尺寸和阵列排布方式均没有限制。

12、4.采用本发明的制造方法制造的超表面探测器具有非常广阔的应用范围，可应用于入射光的偏振、光谱、相位等的研究。

技术特征：

1.一种超表面探测器的制造方法，用于将现有的面阵图像传感器加工成超表面探测器，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的超表面探测器的制造方法，其特征在于：

3.如权利要求2所述的超表面探测器的制造方法，其特征在于：

4.如权利要求1所述的超表面探测器的制造方法，其特征在于：

5.如权利要求1所述的超表面探测器的制造方法，其特征在于：

6.如权利要求1所述的超表面探测器的制造方法，其特征在于：

7.如权利要求2所述的超表面探测器的制造方法，其特征在于：

8.一种超表面探测器，其特征在于：

9.一种由现有的面阵图像传感器加工而形成的超表面探测器，其特征在于：

10.如权利要求9所述的超表面探测器，其特征在于：

技术总结
本发明提供一种超表面探测器及其制造方法，针对超表面结构与探测器之间的集成，既能够避免超表面的性能下降又能够降低成本。在本发明的制造方法中，首先任选一个图像传感器，移除传感器表面的窗片使像敏面裸露，接着，在传感器的像敏面上形成一定厚度的镀层，然后，利用聚焦离子束技术在镀层直接刻写所需的图案从而将镀层加工成超表面阵列，最后，覆盖窗片完成超表面探测器的制造。由此，提供了高性能、低成本、设计和制造的过程灵活的超表面探测器的制造方法以及由该方法制造的超表面探测器。

技术研发人员：裘桢炜,聂安然
受?；さ募际跏褂谜撸?/b>中国科学院合肥物质科学研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17