一种基于超透镜的超导动态电感探测器及其制备方法

技术领域

本发明属于光电探测器技术领域，具体涉及一种基于超透镜的超导动态电感探测器及其制备方法。

背景技术

高灵敏红外探测器广泛应用于遥感、军事和安全、医疗诊断、环境监测、工业和制造过程、天文学和太空探索等领域，多个领域都具有极其重要的意义。红外探测器能够探测和测量红外辐射，从而实现从物体探测、温度测量到数据收集和分析等各种关键功能。

传统的短波红外的InP探测器，短/中波碲镉汞(MCT)探测器，短/中/长波Sb化物超晶格探测器等均采用Ⅲ-V材料或Ⅱ-VI材料，成本较高，读出电路需要采用倒装焊接技术复杂且成本高昂，不能满足大规模集成的要求，制约了传感计算集成芯片的发展。

超导动态电感探测器因为其极高的灵敏度在天文探测、核物理探测等方面都有广泛的应用，低温超导动态电感探测器由单层超导金属薄膜组成，具有加工工艺简单，稳定性高，本征可实现频分复用，其数据读出系统简单。

公开号为CN114323272A的中国专利公开了一种用于光子探测的动态电感探测器，包括介质基板及印制在介质基板的上表面的共面波导传输线、集总元件谐振器、屏蔽接地线；所述共面波导传输线两侧的接地线中部开槽，屏蔽接地线为存在缺口的矩形结构，所述缺口与共面波导传输线的接地线中部开槽长度相等，所述屏蔽接地线的缺口处与共面波导传输线一侧的接地线连接，共同包围集总元件谐振器；本发明在使用铝材料时，可同时拥有高动态电感率和较低的品质因数。但该动态电感探测器无法对入射光进行操纵和控制器传播。

超透镜是一种先进的光学设备，可在纳米尺度上操纵和控制入射光的传播。超透镜是一种扁平、轻薄的结构，经过精心设计，表现出独特的电磁特性，使入射光能够聚焦、重定向或改变入射光外辐射的特性，从而开发出更小、更轻、更高效的光学器件。超透镜设计灵活，可进行复杂的波前处理，如像差校正和光束整形。超透镜能够在广泛的入射光波长范围内实现不同的功能，使其适用于各种应用，包括光谱学、显微镜、传感和成像。

在现有技术中主要通过晶圆键合的方式将超透镜和超导动态电感探测器进行结合，而在晶圆键合过程中，有多个因素影响着超透镜和超导动态电感探测器的对准，比如在x、y、z方向对准以及角度对准等多个影响因素，因此对准精度较低，并且由于晶圆键合过程中超透镜和超导动态电感探测器间能够形成多个界面从而影响了入射光的传输，基于上述两点现有技术中无法将入射光准确的聚焦到超导动态电感探测器上，影响了入射光的探测准确性。

发明内容

本发明提供了一种基于超透镜的超导动态电感探测器，该超导动态电感探测器能够将入射光准确的聚焦到超导动态电感像素单元阵列上从而能够准确的探测入射光。

本发明具体实施例提供了一种基于超透镜的超导动态电感探测器，包括：

硅衬底；

超导动态电感像素单元阵列，所述超导动态电感像素单元阵列沉积在所述硅衬底表面；

和超透镜阵列，所述超透镜阵列通过以超导动态电感像素单元阵列为基准采用背面光刻对准工艺刻蚀所述硅衬底的背面得到，所述超透镜阵列用于将垂直入射光聚焦到所述超导动态电感像素单元阵列上，通过所述超导动态电感像素单元阵列将聚焦的入射光转化为电信号从而完成对入射光的探测。

进一步的，通过以下方式得到所述超透镜阵列，包括：

基于超导动态电感像素单元阵列图案利用光刻机和深硅反应离子刻蚀技术在所示硅衬底的背面进行背面光刻对准刻蚀得到所述超透镜阵列，从而使得所述超透镜阵列的每个超透镜能够将垂直入射光聚焦到所述超导动态电感像素单元阵列的对应超导动态电感像素单元上。

进一步的，所述超透镜阵列的每个超透镜由阵列分布的多个超透镜像素构成，通过计算机模拟得到每个超透镜的不同超透镜像素表面直径的大小使得每个超透镜能够聚焦入射光。

进一步的，所述硅衬底的厚度为150-5000um，所述超透镜阵列的厚度为10-50um，所述超导动态电感像素单元阵列的厚度为10–500nm。

进一步的，所述超导动态电感像素单元阵列的材料为超导金属，所述超导金属包括NbN、NbTiN、Al、TiN、Ta、Hf或PtSi。

进一步的，所述超导动态电感像素单元阵列的每个超导动态电感像素单元，包括：

振荡电路，所述振荡电路用于通过接收聚焦的入射光使得共振频率发生变化；

和超导馈线，所述超导馈线与振荡电路耦合，用于将变化的共振频率频分复用至外界频率检测装置，通过外界频率检测装置检测变化的共振频率频以探测入射光的变化。

进一步的，所述振荡电路，包括：

电感线圈，所述电感线圈用于通过聚焦的入射光激发库珀电子对形成准粒子从而产生电感变化；

和叉指电容，所述叉指电容与所述电感线圈连接，还与所述超导馈线耦合，所述叉指电容用于基于电感变化使得共振频率发生改变，并将变化的共振频率耦合至超导馈线。

本发明具体实施例还提供了一种所述的基于超透镜的超导动态电感探测器的制备方法，包括：

(1)通过磁控溅射方法在硅衬底的表面生长超导金属层，对所述超导金属层进行光刻机曝光、等离子体刻蚀和光刻胶清洗得到超导动态电感像素单元阵列；

(2)获得载具晶圆，将载具晶圆表面旋涂的保护蜡与超导动态电感像素单元阵列表面和硅衬底的部分表面旋涂的保护蜡进行键合；

(3)在硅衬底的背面进行光刻机曝光、深硅反应离子刻蚀和光刻胶清洗得到超透镜阵列；

(4)通过溶解保护蜡剥离载具晶圆得到超导电感探测器。

进一步的，步骤(3)，包括：

通过光刻机向所述超导金属层涂抹光刻胶层，并基于超导动态电感像素单元阵列图案对所述光刻胶层进行曝光得到与超导动态电感像素单元阵列水平径向对准的超透镜阵列图案；

基于所述超透镜阵列图案采用深硅反应离子刻蚀技术对硅衬底背面对准刻蚀，然后清洗剩余光刻胶得到超透镜阵列。

进一步的，通过有机溶剂或等离子体去胶机清洗剩余光刻胶，所述有机溶剂为甲苯、丙酮、异丙醇或乙醇。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明通过在沉积有超导动态电感像素单元阵列的硅衬底的背面刻蚀出超透镜阵列从而避免了多界面的产生来影响入射光的光路；又利用背面光刻对准工艺的较高对准精度将超透镜阵列与超导动态电感像素单元阵列进行精准对准，基于上述两点使得超透镜阵列能够将垂直入射光准确的聚焦到超导动态电感像素单元阵列上，进而使得超导动态电感像素单元阵列能够准确的探测到入射光。

附图说明

图1为本发明具体实施例提供的基于超透镜的超导动态电感探测器的截面示意图；

图2为本发明具体实施例提供的超导动态电感像素单元阵列示意图；

图3为本发明具体实施例提供的超导动态电感像素单元示意图；

图4为本发明具体实施例提供的超透镜阵列意图；

图5为本发明具体实施例提供的超透镜的阵列分布的多个超透镜像素图；

图6为本发明具体实施例提供的基于超透镜的超导动态电感探测器的制备方法流程图；

图7为本发明具体实施例提供的基于超透镜的超导动态电感探测器的制备方法示意图。

其中，硅衬底-1、超导动态电感像素单元阵列-2，超导动态电感像素单元-21，超导馈线-211，振荡电路-212，叉指电容-2121，电感线圈-2122，超透镜阵列-3，超透镜-31，超透镜像素-311。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

本发明运用背面光刻对准工艺将为超透镜阵列直接刻蚀到超导动态电感探测器晶圆背面，大幅降度工艺复杂度及成本，背面对准能够提高超导动态电感探测器和超透镜的对准精度，从而实现了将入射光准确的聚焦到超导动态电感像素单元阵列上，达到了准确探测入射光的目的，针对基于超透镜的超导动态电感探测器具体阐述如下。

本发明具体实施例提供了一种基于超透镜的超导动态电感探测器，如图1所示，包括硅衬底1、超导动态电感像素单元阵列2和超透镜阵列3，其中，该超导动态电感像素单元阵列2沉积在硅衬底1表面，以超导动态电感像素单元阵列2为基准采用背面光刻对准工艺对硅衬底1的背面进行刻蚀得到超透镜阵列3，由于超透镜阵列3是直接从硅衬底1的背面刻蚀得到，因此超透镜阵列3与超导动态电感像素单元阵列2之间不存在多余的界面，比如由于中间真空带形成的不同界面等，因此入射光的传输影响较小，本发明具体实施例是采用背面光刻对准工艺来对准刻蚀超透镜阵列3，由于施行背面光刻对准工艺的光刻机具有较高的对准精度，因此使得超透镜阵列3与超导动态电感像素单元阵列2的水平径向对准误差不超过200nm，远低于现有技术中晶圆键合时的对准精度，即毫米级的对准精度。

如图2所示，本发明具体实施例提供的超导动态电感像素单元阵列2包括阵列排布的多个超导动态电感像素单元21，如图3所示，该超导动态电感像素单元21，包括振荡电路212和超导馈线211，该超导馈线211与振荡电路212相耦合，其中超透镜像素311将垂直入射光聚焦到振荡电路212上，使得振荡电路212发生了共振频率的变化，该振荡电路212将变化的共振频率耦合至超导馈线211上，通过超导馈线211将变化的共振频率频分复用至外界频率检测装置，通过外界频率检测装置检测变化的共振频率基于变化的共振频率频与入射光光强的对应关系来探测入射光的变化。

如图3所示，本发明具体实施例提供的振荡电路212包括电感线圈2122，以及与电感线圈2122相连接的叉指电容2121，该叉指电容2121与超导馈线211相耦合，其中，超透镜像素311将垂直入射光聚焦到电感线圈2122上，使得电感线圈2122通过聚焦的入射光激发库珀电子对形成准粒子从而产生电感变化，叉指电容2121接收到电感变化使得叉指电容2121内部的共振频率发生改变，叉指电容2121将变化的共振频率耦合至超导馈线211上。

本发明具体实施例提供的超导动态电感像素单元阵列的材料为超导金属，该超导金属包括NbN、NbTiN、Al、TiN、Ta、Hf、PtSi。

本发明具体实施例提供的超透镜阵列3的制备方法，包括：基于超导动态电感像素单元阵列图案利用光刻机在硅衬底1背面涂覆超透镜阵列图案，然后利用深硅反应离子刻蚀技术基于涂覆的超透镜阵列图案在硅衬底1背面进行刻蚀得到已完成水平径向对准的超透镜阵列3，从而使得所述超透镜阵列3的每个超透镜31能够将垂直入射光聚焦到所述超导动态电感像素单元阵列2的对应超导动态电感像素单元21上。

如图4所示，本发明具体实施例提供的超透镜阵列3由多个超透镜31阵列排布，如图5所示，该超透镜31由阵列分布的多个超透镜像素311构成，在一实施例中，超透镜像素311为圆柱体，通过计算机模拟每个超透镜31的各个超透镜像素311表面直径大小，使得垂直入射到每个超透镜31的入射光能够准确的聚焦到对应的超导动态电感像素单元21上，并且通过合适的各个超透镜像素311表面直径大小和硅衬底1的厚度使得入射光准确的聚焦到对应的超导动态电感像素单元21上还能够完成垂直轴线距离对准，因此，进一步的，该硅衬底1的厚度为150–5000um，该超透镜阵列2的厚度为10–50um，该超导动态电感像素单元阵列3的厚度为10–500nm。

本发明具体实施例还提供了该基于超透镜的超导动态电感探测器的制备方法，如图6所示，包括：

(1)在硅衬底表面沉积超导动态电感像素单元阵列，包括：

如图7的a所示，通过磁控溅射方法在硅衬底的表面生长NbN超导金属层。

如图7的b所示，采用光刻机在该NbN超导金属层上先涂抹光刻胶(PR)，然后基于掩膜版进行曝光得到超导动态电感像素单元阵列图案。

如图7的c和d所示，基于超导动态电感像素单元阵列图案采用等离子体刻蚀(ICP)NbN超导金属层，通过甲苯，丙酮，异丙醇，乙醇等有机溶剂，或者等离子体去胶机清除剩余的光刻胶(PR)得到超导动态电感像素单元阵列。

(2)获得载具晶圆，将载具晶圆表面旋涂的保护蜡与该超导动态电感像素单元阵列表面和硅衬底部分表面旋涂的保护蜡进行键合，包括：

如图7的e1所示，获得表面涂抹保护蜡(Wax)的载具晶圆(Sapphire)，如图7的e2所示，在步骤(1)得到的超导动态电感像素单元阵列表面和硅衬底部分表面旋涂保护蜡。

如图7的f所示，在真空Oven中将载具晶圆表面旋涂的保护蜡与该超导动态电感像素单元阵列表面和硅衬底部分表面旋涂的保护蜡进行键合，从而保护超导动态电感像素单元阵列的同时，由于载具晶圆的支撑还能够在硅衬底的背面进行刻蚀。

(3)在硅衬底的背面进行光刻机曝光、深硅反应离子刻蚀和光刻胶清洗得到超透镜阵列，包括：

如图7的g所示，利用光刻机在硅衬底背面涂抹一层光刻胶(PR)，然后基于超导动态电感像素单元阵列图案通过光刻机的高精度对准能力对涂抹的一层光刻胶进行曝光得到已完成对准的超透镜阵列图案。

如图7的h和i所示，基于已完成对准的超透镜阵列图案利用深硅反应离子刻蚀技术(DRIE)刻蚀硅衬底的背面至设计深度，然后通过有机溶剂或等离子体去胶机清洗剩余光刻胶，该有机溶剂为甲苯、丙酮、异丙醇或乙醇清洗掉剩余的光刻胶得到超透镜阵列。

(4)通过有机溶剂溶解掉保护蜡从而剥离载具晶圆得到超导电感探测器，如图7的j所示。

现有的微透镜/超透镜都是一个单独的芯片器件，其与探测器的结合需要用晶圆键合等方式将探测器和透镜进行结合，其工艺复杂度、成本高，且对准精度低。本发明运用背面光刻对准工艺将为超透镜直接制造到探测器晶圆背面，大幅降度工艺复杂度及成本，背面对准可以提高探测器和超透镜的对准精度。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。