一种背照式EBAPS的制作方法

技术领域

本发明涉及数字化微光夜视器件的制作方法，具体涉及一种背照式EBAPS的制作方法。

背景技术

EBAPS，全称电子轰击CMOS，作为一种新型的夜视成像数字化器件，EBAPS由于具备低读出噪声和高分辨力两大特点，特别适用于超弱照度的视频成像，且采用EBAPS器件的整机产品具有全天候、体积小、重量轻、动态范围大等优点。EBAPS器件因其具有低照能力强、分辨力高、更好分辨目标细节，能实现透窗观察等特点，国外已广泛将EBAPS应用于单兵、枪瞄、机载等军事和各种民用夜间环境条件下的目标观察、野外作业、野外探险、夜间摄影爱好、海底作业、探测、搜救、科学研究、生物荧光检测等过程中均有广泛应用。

美国Intevac公司和法国Fhotonis公司是当前国际上具有数字夜战成熟产品的两大公司。2005年，美国Intevac公司研制成功了使用BI-APS电子轰击APS(EBAPS)。该器件在2005年第五届士兵技术年会上，经士兵现代化项目专家组评审为“创新产品奖”。在2005年至2012年之间，美国Intevac公司发展了大量的基于EBAPS技术的数字化微光成像器件，如：Nightvista、ISIE6、ISIE10、ISIE19。

目前，国内外的EBAPS器件在结构设计上存在一定差异，导致器件制造工艺和流程有所不同。由于EBAPS器件特殊用途所在，国内外对于背照式EBAPS器件的制造方式和流程并未公布。

发明内容

本发明的目的在于提供一种背照式EBAPS的制作方法，采用背照式APS图像传感芯片结合真空光电阴极的方案，光电阴极能够将微弱光信号转换为电子信号，经过高压电场的加速，高能电子轰击CMOS芯片表面，在CMOS中发生倍增，CMOS将接收的电子信号放大和转换生成数字信号；因此，EBAPS器件既有传统微光夜视器件像增强器很好的低照性能，也具备CMOS图像传感器高帧率、高分辨率等特性。解决了目前传统微光夜视器件无法数字化输出，低照度CMOS器件低照性能差，以及EMCCD等数字化微光夜视器件帧率低、分辨率低的问题。

为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种背照式EBAPS，包括：陶瓷、阴极透镜、背照式APS图像传感芯片；

所述陶瓷一侧壁上设置有若干个金属针脚，陶瓷另一侧壁上设置有阴极环，阴极环内设置有铟锡合金，铟锡合金比阴极环内侧的高度高2～5mm，铟锡合金的长度为5～10mm，阴极环处的铟锡合金之间间隔为2～4mm；

阴极透镜上蒸镀Cr层，Cr层的厚度为300nm，阴极透镜的边缘蒸镀封接层，封接层为依次蒸镀Cr、Cu、Ag组成的层结构，封接层层结构的Cr、Cu、Ag厚度分别是100～300nm、300～700nm、200～600nm，阴极透镜的中心区域有多碱阴极膜层；

背照式APS图像传感芯片表面设置有钝化层，钝化层的厚度为80～1000nm；

陶瓷上设置有焊接区域焊接区域点上纳米Ag电子浆料点，纳米Ag电子浆料点的直径为3mm，焊接区域上的纳米Ag电子浆料点间隔为2mm；

背照式APS芯片焊接在瓷的焊接区域处；

阴极透镜封接在陶瓷上。

进一步的：包括以下步骤：

S101：提供高真空封装陶瓷、康宁玻璃材质阴极透镜和背照式APS图像传感芯片；

S102：对陶瓷进行清洗、填铟、化铟，为后续陶瓷器件热铟封做准备；

S103：对阴极透镜进行清洗、导电层和封接层镀膜、辉光放电；

S104：对背照式APS芯片进行IBE刻蚀减薄，使其具备电子轰击能力，并与陶瓷进行焊接；

S105：将处理好背照式APS图像传感芯片焊接后的陶瓷和阴极透镜在高真空环境中进行真空排气，多碱阴极制造；

S106：将阴极透镜和陶瓷进行热铟封，形成EBAPS器件。

进一步的：所述步骤S102中，高真空陶瓷在填铟和化铟前需要对进行清洗，清洗方法为冲水浸泡6～8小时，冲水浸泡后将陶瓷放入HCl和HF混合溶液中浸泡2～3分钟，用纯水冲洗3～5分钟，放入丙酮中浸泡30～40分钟，用纯水冲洗3～5分钟，放入酒精中浸泡5～10分钟进行脱水，放入烘箱中50℃烘干2小时。

进一步的：所述步骤S102中，陶瓷填铟和化铟时，准备好与陶瓷等宽的阴极环，铟锡合金条比阴极环内测高2～5mm，将铟锡合金条裁剪至5～10mm长，将裁剪后的铟锡合金条压入阴极环内，铟锡合金条之间间隔为2～4mm，将填好铟后的陶瓷在高温高真空炉中进行化铟，化铟真空度10

进一步的：所述步骤S103中，阴极透镜的清洗采用纯水冲水浸泡30～100分钟，用自动磨抛机进行磨洗3分钟，再用纯水冲洗10～30分钟，用氮气抢进行吹干。

进一步的：所述步骤S103中，阴极透镜的导电层镀膜采用热蒸镀方式在阴极透镜上蒸镀100～500nm的Cr层；阴极透镜的封接层采用热蒸镀方式在阴极透镜边缘依次蒸镀Cr、Cu、Ag，蒸镀Cr、Cu、Ag的厚度分别是100～300nm、300～700nm、200～600nm；

阴极透镜辉光放电是在5×10

进一步的：所述步骤S104中，背照式APS图像传感芯片表面有一层80～1000nm的钝化层，钝化层为成分是氧化硅、氮化硅和氧化铝的介质层；

采用IBE离子束刻蚀方法，刻蚀能量500～800eV，束流90～120mA，刻蚀角度90°～100°，刻蚀时间200～1000s。

进一步的：所述步骤S104中，照式APS图像传感芯片焊接到陶瓷上，焊接是通过纳米Ag电子浆料进行焊接，首先在陶瓷的焊接区域用点胶机均匀点上纳米Ag电子浆料点，纳米Ag电子浆料点的直径为1～10mm，纳米Ag电子浆料点之间间隔3～8mm，点胶后将照式APS图像传感芯片正放到芯片焊接区域，之后将带照式APS图像传感芯片的陶瓷放入高温真空炉中进行焊接，焊接真空度1×10

进一步的：所述步骤S105中，处理好照式APS图像传感芯片焊接后的陶瓷和阴极透镜在高真空炉中进行真空排气，真空度1×10

进一步的：所述步骤S106中，完成阴极制造后，在真空环境中进行阴极透镜和陶瓷的封接，封接真空度与阴极制造真空度一致，封接温度为200～300℃。

与现有技术相比，本发明的至少具有以下有益效果之一：

(1)能够制作出电子轰击有源型器件(Electron Bombarded Active PixelSensor,EBAPS),其主要功能是能够实现低照度下成像，最低工作照度5×10

附图说明

图1为本发明中陶瓷结构示意图。

图2为本发明中阴极环的俯视图。

图3为本发明中阴极透的示意图。

图4为本发明中刻蚀前的背照式APS图像传感芯片。

图5为本发明中刻蚀后背照式APS图像传感芯片。

图6为本发明中点胶后的陶瓷结构示意图。

图7为本发明中背照式APS图像传感芯片安装后的陶瓷结构示意图。

图8为本发明中背照式APS图像传感芯片高温焊接后的陶瓷结构示意图。

图9为本发明中阴极透镜多碱阴极膜层镀膜前的结构示意图。

图10为中本发明中阴极透镜多碱阴极膜层镀膜后的结构示意图。

图11为本发明中器件封接后的结构示意图。

图中：金属针脚1、陶瓷2、阴极环3、铟锡合金4、阴极透镜5、背照式APS图像传感芯片6、纳米Ag电子浆料点7、焊接区域8、Cr层9、封接层10、钝化层11、多碱阴极膜层12。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

一种背照式EBAPS，包括：陶瓷2、阴极透镜5、背照式APS图像传感芯片6；

陶瓷2一侧壁上设置有若干个金属针脚1，陶瓷2另一侧壁上设置有阴极环3，阴极环3内设置有铟锡合金4，铟锡合金4比阴极环3内侧的高度高2mm，铟锡合金4的长度为5mm，阴极环3处的铟锡合金4之间间隔为2mm；

阴极透镜5上蒸镀Cr层9，Cr层9的厚度为300nm，阴极透镜5的边缘蒸镀封接层10，封接层10为依次蒸镀Cr、Cu、Ag组成的层结构，封接层10层结构的Cr、Cu、Ag厚度分别是100nm、300nm、200nm，阴极透镜5的中心区域有多碱阴极膜层12；

背照式APS图像传感芯片6表面设置有钝化层11，钝化层11的厚度为80nm；

陶瓷2上设置有焊接区域8，焊接区域8点上纳米Ag电子浆料点7，纳米Ag电子浆料点7的直径为3mm，焊接区域8上的纳米Ag电子浆料点7间隔为2mm；背照式APS芯片6焊接在瓷2的焊接区域8处；

阴极透镜5封接在陶瓷2上。

包括以下步骤：

S101：提供高真空封装陶瓷2、康宁玻璃材质阴极透镜5和背照式APS图像传感芯片6；

S102：对陶瓷2进行清洗、填铟、化铟，为后续陶瓷2器件热铟封做准备；

S103：对阴极透镜5进行清洗、导电层和封接层10镀膜、辉光放电；

S104：对背照式APS芯片6进行IBE刻蚀减薄，使其具备电子轰击能力，并与陶瓷2进行焊接；

S105：将处理好背照式APS图像传感芯片6焊接后的陶瓷2和阴极透镜5在高真空环境中进行真空排气，多碱阴极制造；

S106：将阴极透镜5和陶瓷2进行热铟封，形成EBAPS器件。

步骤S102中，高真空陶瓷2在填铟和化铟前需要对进行清洗，管壳清洗目的是去除表面有机物、颗粒杂志和沾污，清洗方法为冲水浸泡6小时，冲水浸泡后将陶瓷2放入HCl和HF混合溶液中浸泡2分钟，用纯水冲洗3分钟，放入丙酮中浸泡30分钟，用纯水冲洗3分钟，放入酒精中浸泡5分钟进行脱水，放入烘箱中50℃烘干2小时。

步骤S102中，陶瓷管壳填铟和化铟，是为了陶瓷管壳和阴极透镜进行热铟封做准备，陶瓷2填铟和化铟时，准备好与陶瓷2等宽的阴极环3，铟锡合金条4比阴极环3内测高2mm，将铟锡合金条4裁剪至5mm长，将裁剪后的铟锡合金条4压入阴极环3内，铟锡合金条4之间间隔为2mm，将填好铟后的陶瓷2在高温高真空炉中进行化铟，化铟真空度10

步骤S103中，阴极透镜5的清洗采用纯水冲水浸泡30分钟，用自动磨抛机进行磨洗3分钟，再用纯水冲洗10分钟，用氮气抢进行吹干。

步骤S103中，阴极透镜5的导电层镀膜采用热蒸镀方式在阴极透镜5上蒸镀100nm的Cr层9；阴极透镜5的封接层10采用热蒸镀方式在阴极透镜5边缘依次蒸镀Cr、Cu、Ag，蒸镀Cr、Cu、Ag的厚度分别是100nm、300nm、200nm；

阴极透镜5辉光放电是在5×10

步骤S104中，背照式APS图像传感芯片6表面有一层80nm的钝化层11，钝化层11为成分是氧化硅、氮化硅和氧化铝的介质层，该膜层会阻挡电子轰击APS芯片，导致芯片不能产生电子轰击效果，需要将其去除；

采用IBE离子束刻蚀方法，刻蚀能量500eV，束流90mA，刻蚀角度90°，刻蚀时间200s。刻蚀时使用高温胶带对芯片有效像素区外区域进行保护。

步骤S104中，照式APS图像传感芯片6焊接到陶瓷2上，焊接是通过纳米Ag电子浆料进行焊接，首先在陶瓷2的焊接区域8用点胶机均匀点上纳米Ag电子浆料点7，纳米Ag电子浆料点7的直径为1mm，纳米Ag电子浆料点7之间间隔3mm，点胶后将照式APS图像传感芯片6正放到芯片焊接区域8，之后将带照式APS图像传感芯片6的陶瓷2放入高温真空炉中进行焊接，焊接真空度1×10

步骤S105中，处理好照式APS图像传感芯片6焊接后的陶瓷2和阴极透镜5在高真空炉中进行真空排气，多碱阴极制造，处理好芯片焊接后的陶瓷管壳和阴极透镜在高真空炉中进行真空排气，去除零部件内的残留气体，真空度1×10

步骤S106中，完成阴极制造后，在真空环境中进行阴极透镜5和陶瓷2管壳的封接，封接真空度与阴极制造真空度一致，封接温度为200℃。

实施例2

一种背照式EBAPS，包括：陶瓷2、阴极透镜5、背照式APS图像传感芯片6；

陶瓷2一侧壁上设置有若干个金属针脚1，陶瓷2另一侧壁上设置有阴极环3，阴极环3内设置有铟锡合金4，铟锡合金4比阴极环3内侧的高度高5mm，铟锡合金4的长度为10mm，阴极环3处的铟锡合金4之间间隔为4mm；

阴极透镜5上蒸镀Cr层9，Cr层9的厚度为300nm，阴极透镜5的边缘蒸镀封接层10，封接层10为依次蒸镀Cr、Cu、Ag组成的层结构，封接层10层结构的Cr、Cu、Ag厚度分别是300nm、700nm、600nm，阴极透镜5的中心区域有多碱阴极膜层12；

背照式APS图像传感芯片6表面设置有钝化层11，钝化层11的厚度为1000nm；

陶瓷2上设置有焊接区域8，焊接区域8点上纳米Ag电子浆料点7，纳米Ag电子浆料点7的直径为3mm，焊接区域8上的纳米Ag电子浆料点7间隔为2mm；背照式APS芯片6焊接在瓷2的焊接区域8处；

阴极透镜5封接在陶瓷2上。

包括以下步骤：

S101：提供高真空封装陶瓷2、康宁玻璃材质阴极透镜5和背照式APS图像传感芯片6；

S102：对陶瓷2进行清洗、填铟、化铟，为后续陶瓷2器件热铟封做准备；

S103：对阴极透镜5进行清洗、导电层和封接层10镀膜、辉光放电；

S104：对背照式APS芯片6进行IBE刻蚀减薄，使其具备电子轰击能力，并与陶瓷2进行焊接；

S105：将处理好背照式APS图像传感芯片6焊接后的陶瓷2和阴极透镜5在高真空环境中进行真空排气，多碱阴极制造；

S106：将阴极透镜5和陶瓷2进行热铟封，形成EBAPS器件。

步骤S102中，高真空陶瓷2在填铟和化铟前需要对进行清洗，管壳清洗目的是去除表面有机物、颗粒杂志和沾污，清洗方法为冲水浸泡8小时，冲水浸泡后将陶瓷2放入HCl和HF混合溶液中浸泡3分钟，用纯水冲洗5分钟，放入丙酮中浸泡40分钟，用纯水冲洗5分钟，放入酒精中浸泡10分钟进行脱水，放入烘箱中50℃烘干2小时。

步骤S102中，陶瓷管壳填铟和化铟，是为了陶瓷管壳和阴极透镜进行热铟封做准备，陶瓷2填铟和化铟时，准备好与陶瓷2等宽的阴极环3，铟锡合金条4比阴极环3内测高5mm，将铟锡合金条4裁剪至10mm长，将裁剪后的铟锡合金条4压入阴极环3内，铟锡合金条4之间间隔为4mm，将填好铟后的陶瓷2在高温高真空炉中进行化铟，化铟真空度10

步骤S103中，阴极透镜5的清洗采用纯水冲水浸泡100分钟，用自动磨抛机进行磨洗3分钟，再用纯水冲洗30分钟，用氮气抢进行吹干。

步骤S103中，阴极透镜5的导电层镀膜采用热蒸镀方式在阴极透镜5上蒸镀500nm的Cr层9；阴极透镜5的封接层10采用热蒸镀方式在阴极透镜5边缘依次蒸镀Cr、Cu、Ag，蒸镀Cr、Cu、Ag的厚度分别是300nm、700nm、600nm；

阴极透镜5辉光放电是在1×10

步骤S104中，背照式APS图像传感芯片6表面有一层1000nm的钝化层11，钝化层11为成分是氧化硅、氮化硅和氧化铝的介质层，该膜层会阻挡电子轰击APS芯片，导致芯片不能产生电子轰击效果，需要将其去除；

采用IBE离子束刻蚀方法，刻蚀能量800eV，束流～120mA，刻蚀角度100°，刻蚀时间1000s。刻蚀时使用高温胶带对芯片有效像素区外区域进行保护。

步骤S104中，照式APS图像传感芯片6焊接到陶瓷2上，焊接是通过纳米Ag电子浆料进行焊接，首先在陶瓷2的焊接区域8用点胶机均匀点上纳米Ag电子浆料点7，纳米Ag电子浆料点7的直径为10mm，纳米Ag电子浆料点7之间间隔8mm，点胶后将照式APS图像传感芯片6正放到芯片焊接区域8，之后将带照式APS图像传感芯片6的陶瓷2放入高温真空炉中进行焊接，焊接真空度1×10

步骤S105中，处理好照式APS图像传感芯片6焊接后的陶瓷2和阴极透镜5在高真空炉中进行真空排气，多碱阴极制造，处理好芯片焊接后的陶瓷管壳和阴极透镜在高真空炉中进行真空排气，去除零部件内的残留气体，真空度1×10

步骤S106中，完成阴极制造后，在真空环境中进行阴极透镜5和陶瓷2管壳的封接，封接真空度与阴极制造真空度一致，封接温度为300℃。

实施例3

一种背照式EBAPS，包括：陶瓷2、阴极透镜5、背照式APS图像传感芯片6；

陶瓷2一侧壁上设置有若干个金属针脚1，陶瓷2另一侧壁上设置有阴极环3，阴极环3内设置有铟锡合金4，铟锡合金4比阴极环3内侧的高度高3mm，铟锡合金4的长度为7mm，阴极环3处的铟锡合金4之间间隔为3mm；

阴极透镜5上蒸镀Cr层9，Cr层9的厚度为300nm，阴极透镜5的边缘蒸镀封接层10，封接层10为依次蒸镀Cr、Cu、Ag组成的层结构，封接层10层结构的Cr、Cu、Ag厚度分别是200nm、500nm、400nm，阴极透镜5的中心区域有多碱阴极膜层12；

背照式APS图像传感芯片6表面设置有钝化层11，钝化层11的厚度为600nm；

陶瓷2上设置有焊接区域8，焊接区域8点上纳米Ag电子浆料点7，纳米Ag电子浆料点7的直径为3mm，焊接区域8上的纳米Ag电子浆料点7间隔为2mm；背照式APS芯片6焊接在瓷2的焊接区域8处；

阴极透镜5封接在陶瓷2上。

包括以下步骤：

S101：提供高真空封装陶瓷2、康宁玻璃材质阴极透镜5和背照式APS图像传感芯片6；

S102：对陶瓷2进行清洗、填铟、化铟，为后续陶瓷2器件热铟封做准备；

S103：对阴极透镜5进行清洗、导电层和封接层10镀膜、辉光放电；

S104：对背照式APS芯片6进行IBE刻蚀减薄，使其具备电子轰击能力，并与陶瓷2进行焊接；

S105：将处理好背照式APS图像传感芯片6焊接后的陶瓷2和阴极透镜5在高真空环境中进行真空排气，多碱阴极制造；

S106：将阴极透镜5和陶瓷2进行热铟封，形成EBAPS器件。

步骤S102中，高真空陶瓷2在填铟和化铟前需要对进行清洗，管壳清洗目的是去除表面有机物、颗粒杂志和沾污，清洗方法为冲水浸泡7小时，冲水浸泡后将陶瓷2放入HCl和HF混合溶液中浸泡3分钟，用纯水冲洗3分钟，放入丙酮中浸泡35分钟，用纯水冲洗4分钟，放入酒精中浸泡7分钟进行脱水，放入烘箱中50℃烘干2小时。

步骤S102中，陶瓷管壳填铟和化铟，是为了陶瓷管壳和阴极透镜进行热铟封做准备，陶瓷2填铟和化铟时，准备好与陶瓷2等宽的阴极环3，铟锡合金条4比阴极环3内测高3mm，将铟锡合金条4裁剪至7mm长，将裁剪后的铟锡合金条4压入阴极环3内，铟锡合金条4之间间隔为3mm，将填好铟后的陶瓷2在高温高真空炉中进行化铟，化铟真空度10

步骤S103中，阴极透镜5的清洗采用纯水冲水浸泡60分钟，用自动磨抛机进行磨洗3分钟，再用纯水冲洗60分钟，用氮气抢进行吹干。

步骤S103中，阴极透镜5的导电层镀膜采用热蒸镀方式在阴极透镜5上蒸镀300nm的Cr层9；阴极透镜5的封接层10采用热蒸镀方式在阴极透镜5边缘依次蒸镀Cr、Cu、Ag，蒸镀Cr、Cu、Ag的厚度分别是200nm、500nm、400nm；

阴极透镜5辉光放电是在1×10

步骤S104中，背照式APS图像传感芯片6表面有一层600nm的钝化层11，钝化层11为成分是氧化硅、氮化硅和氧化铝的介质层，该膜层会阻挡电子轰击APS芯片，导致芯片不能产生电子轰击效果，需要将其去除；

采用IBE离子束刻蚀方法，刻蚀能量600eV，束流100mA，刻蚀角度90°，刻蚀时间600s。刻蚀时使用高温胶带对芯片有效像素区外区域进行保护。

步骤S104中，照式APS图像传感芯片6焊接到陶瓷2上，焊接是通过纳米Ag电子浆料进行焊接，首先在陶瓷2的焊接区域8用点胶机均匀点上纳米Ag电子浆料点7，纳米Ag电子浆料点7的直径为5mm，纳米Ag电子浆料点7之间间隔5mm，点胶后将照式APS图像传感芯片6正放到芯片焊接区域8，之后将带照式APS图像传感芯片6的陶瓷2放入高温真空炉中进行焊接，焊接真空度1×10

步骤S105中，处理好照式APS图像传感芯片6焊接后的陶瓷2和阴极透镜5在高真空炉中进行真空排气，多碱阴极制造，处理好芯片焊接后的陶瓷管壳和阴极透镜在高真空炉中进行真空排气，去除零部件内的残留气体，真空度1×10

步骤S106中，完成阴极制造后，在真空环境中进行阴极透镜5和陶瓷2管壳的封接，封接真空度与阴极制造真空度一致，封接温度为230℃。

尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开、附图和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变形和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。