TW202310437A - 微通道板影像增強器及其製作方法 - Google Patents

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馬丁 帕瑞里
克里斯多福 維尼斯
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美商矽安尼克斯有限責任公司
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Abstract

揭示了併入有一微通道板(MCP)之影像增強器系統及其製作方法。在一些實例中，揭示了一種裝置，該裝置包括一第一基板，該第一基板具有一輻射接收第一表面及電磁輻射傳輸穿過之一相對之第二表面。一第二基板耦合至該第一基板以在其間界定一真空腔。一電子發射光電陰極安置於該真空腔內以自傳輸穿過該第二表面之電磁輻射產生電子。一微通道板安置於該真空腔內且界定自一輸入端延伸至一輸出端之微通道。該等微通道中之每一者經組態以回應於經由各別微通道之該輸入端接收到由該光電陰極產生之一電子而產生電子。一磷光層亦安置於該真空腔內且與該微通道板之該等微通道之該等輸出端相鄰。

Description

微通道板影像增強器及其製作方法
本教示一般係關於併入有微通道板(MCP)之影像增強器及其製造方法。
影像增強器已用於諸如夜視鏡等裝置中以允許使用者觀看低光度場景，其方式為將來自場景之有限入射光子轉換成電子，放大彼等電子，然後將電子轉換回使用者之肉眼可見之光之光子。特別地，來自弱光源及/或反射自物體之光子通常進入物鏡，該物鏡將影像聚焦至光電陰極中，在入射光子撞擊光電陰極時，光電陰極經由光電效應釋放電子。然後，此等電子經由高壓電位加速進入通常具有數千個微小導電微通道之微通道板(MCP)。在高能電子撞擊導電微通道(通常以遠離法線之角度斜傾以促進與微通道之內表面之碰撞)時，相互作用導致在通常稱為二次級聯發射之程序中釋放額外電子。以此方式，在只有一個或二個電子可進入MCP之微通道之情況下，可能出現數千個電子。在離開MCP時，另一個(較低)電荷差通常將二次電子加速到位於增強器另一端處之螢光幕，此為每個電子釋放一個光子。由於人眼辨別綠光強度差異之能力有所提高而通常係綠色之此等光子通常經由光纖束自磷光體傳輸至目鏡透鏡以供使用者觀看。
本文提供了併入有MCP之影像增強器系統及其製作方法。在各個態樣中，本發明教示提供併入有MCP之影像增強器裝置，該等影像增強器裝置相對於習知系統之彼等影像增強器裝置及/或可使用大量並行晶圓級處理方法製造之影像增強器裝置具有增加之穩健性。習知MCP一般含有高重量分率之氧化鉛(PbO)，以便提供自接收自光電陰極之光子產生電子所必需之電特性。然而，申請者已發現，此類併入有高水平之PbO之MCP可能由於塊體PbO材料之脆性而容易發生故障。此外，因為在製造此類裝置期間必須格外小心，因此一般單獨製作習知影像增強器以便防止MCP破損，藉此增加成本及/或降低產量。
另外地或替代地，本發明教示之某些態樣提供具有改良之製作所觀察之場景之數位影像之能力之影像增強器系統及其製作方法。如本文所描述，本發明教示之某些態樣提供相對於磷光層緊密配置之成像陣列，以便直接將由磷光層產生之光子轉換成數位影像，同時消除將由磷光體產生之類比影像傳送至目鏡以供使用者觀看所必需之光纖束之習知使用。
根據本發明教示之各個例示性態樣，提供一種光電裝置，該裝置包含第一基板，該第一基板具有經組態以接收電磁輻射之輻射接收表面及所接收之電磁輻射能夠傳輸穿過的相對之第二表面。第二基板可耦合至第一基板以便在其間界定真空腔，該第二基板包含成像陣列。電子發射光電陰極可安置於該真空腔內以自傳輸穿過第一基板之第二表面之電磁輻射產生電子。另外，可至少部分地安置於真空腔內之MCP可界定自輸入端延伸至輸出端之複數個微通道，其中該複數個微通道中之每一者經組態以回應於經由各別微通道之該輸入端接收到由該光電陰極產生之至少一個電子而產生複數個電子。該光電裝置亦可包含磷光層，該磷光層安置於真空腔內且與MCP之複數個微通道之輸出端相鄰，其中成像陣列經組態以對由磷光層回應於由複數個微通道之輸出端傳輸之複數個電子而產生之一或多個光子進行成像。
在各個態樣中，該成像陣列可包含形成於第二基板中之複數個光電二極體，該複數個光電二極體通常稱為像素。在一些相關態樣中，複數個光電二極體中之每一者可與複數個微通道之一者相關聯。MCP之複數個微通道及光電二極體可相對於彼此具有多種組態。在一些態樣中，例如，複數個光電二極體中之每一者可與微通道板之各別個別微通道對準，使得MCP之每個個別微通道與每個光電二極體之間存在一對一相關性。在某些態樣中，每個個別微通道與每個個別光電二極體之間沒有相關性，使得多個微通道與單個光電二極體相關聯或多個光電二極體與單個微通道相關聯，且亦可使用其他排列。在某些態樣中，MCP之複數個微通道及複數個光電二極體可以六角形陣列形成。
第一基板可具有多種組態，但在某些態樣中，一般經組態以將穿過其之光自輻射接收表面傳輸至輻射傳輸表面。在某些態樣中，第一基板可包括玻璃。例如，如以下關於例示性製作方法所論述，第一基板可表示在晶圓級處理期間利用之玻璃覆蓋晶圓之一部分。
光電陰極可係所屬技術領域中已知的或在以後開發的用於將自第一基板之第二表面傳輸之電磁輻射(例如，光子)轉換成電子之任何材料。作為非限制性實例，光電陰極可包含砷化鎵。
在某些態樣中，微通道板可包含在其表面上沈積有電子發射半導體層之矽酸鹽玻璃。作為非限制性實例，矽酸鹽玻璃包括二氧化矽、硼矽酸鹽或鋁矽酸鹽。在某些態樣中，矽酸鹽玻璃可具有小於約1%之氧化鉛濃度。例如，沈積於矽酸鹽玻璃之表面上之電子發射半導體層可包含薄膜，該薄膜具有不同於矽酸鹽玻璃之組成物。此類薄膜組成物之非限制性實例包括氧化鉛、碘化銫、砷化鎵、碲化鎘、硫化鎘、磷化銦、銻化銦、鍺、矽、或其他II-VI族、III-V族或IV族半導體。該薄膜可以多種方式形成在塊體矽酸鹽玻璃上。作為非限制性實例，該電子發射半導體層可經由原子層沈積、化學氣相沈積、反應離子沈積或反應氣相蒸發來沈積。
根據本發明教示，磷光層可發射多種波長之光子。作為非限制性實例，磷光層可經組態以產生具有在約500 nm至約565 nm之一範圍內之一波長之光子。
在各個態樣中，含有成像陣列之第二基板可安置成與磷光層緊密接觸，例如，以減少由磷光層自離開MCP之相鄰微通道之電子產生之光子之間的光學串擾。例如，在某些態樣中，第二基板可安置於磷光層之約0.1微米至10微米之範圍內。另外地或替代地，在某些態樣中，微透鏡陣列安置於磷光層與成像陣列之間。在某些態樣中，微透鏡陣列可另外地或替代地與第一基板之輻射接收表面相關聯以聚焦入射於該輻射接收表面上之光。在一些態樣中，第二基板可與磷光層接觸。
真空腔可表現出實質上低於大氣壓力之多種壓力。作為實例，在某些態樣中，真空腔可表現出小於約1×10 -4托之壓力。例如，該壓力可小於或等於約1×10 -6托。另外，在某些態樣中，真空吸氣材料可安置於真空腔內以例如藉由清除真空腔內之氣體來維持低壓。
成像陣列可包含多種組態。作為非限制性實例，成像陣列可包含CMOS成像陣列。在一些態樣中，例如，成像陣列可包含複數個背照式像素，使得由磷光層產生且由像素偵測到之光子不需要首先經過與像素相關聯之電路系統。
如上所指出，在一些態樣中，本文所描述之系統及方法可提供晶圓級之裝置處理。例如，此種晶圓可包含本文所描述之複數個光電裝置，其中該複數個光電裝置中之每一者之真空腔可彼此分開。然後可自晶圓切割出此類光電裝置。相對於習知地一次製作單個影像增強器之習知影像增強器製造技術，諸多根據本發明教示之各個態樣之光電裝置可在單個晶圓上製作，藉此由於並行處理而增加產量及/或降低每裝置之成本。
根據本發明教示之某些態樣，提供了一種裝置，其包含：第一基板，該第一基板具有經組態以接收電磁輻射之輻射接收表面及所接收之電磁輻射可傳輸穿過的相對之第二表面。第二基板耦合至該第一基板以便在其間界定真空腔。電子發射光電陰極安置於該真空腔內以自傳輸穿過該第一基板之該第二表面之電磁輻射產生電子。另外，微通道板至少部分地安置於該真空腔內，該微通道板界定自輸入端延伸至輸出端之複數個微通道，其中該微通道板包含在表面上沈積有電子發射半導體層之氧化矽玻璃，且經組態以回應於經由各別微通道之該輸入端接收到由該光電陰極產生之至少一個電子而產生複數個電子。另外，磷光層可安置於該真空腔內且與該微通道板之該複數個微通道之該等輸出端相鄰，其中該磷光層經組態以回應於接收到由該複數個微通道之出口端傳輸之該複數個電子而產生一或多個光子以供傳輸至該第二基板中。
根據本發明教示之某些態樣，提供了一種裝置，其包含：第一基板，該第一基板具有經組態以接收電磁輻射之輻射接收表面及所接收之電磁輻射可傳輸穿過的相對之第二表面。第二基板耦合至該第一基板以便在其間界定真空腔。電子發射光電陰極安置於該真空腔內以自傳輸穿過該第一基板之該第二表面之電磁輻射產生電子。另外，微通道板至少部分地安置於該真空腔內，該微通道板界定自輸入端延伸至輸出端之複數個微通道，其中該微通道板包含在表面上沈積有電子發射半導體層之氧化矽玻璃，且經組態以回應於經由各別微通道之該輸入端接收到由該光電陰極產生之至少一個電子而產生複數個電子。光電二極體陣列安置於該微通道板之輸出端下方，使得自微通道板發射之複數個電子由該光電二極體陣列收集。複數個光電二極體(通常理解為焦平面陣列)在光電二極體之表面上包括鈍化塗層。在本發明教示之一個實例中，此鈍化塗層應係薄的，總厚度小於50 nm，以便允許電子隧穿穿過鈍化層並進入光電二極體中。在本發明教示之另一個實例中，此鈍化塗層應小於30 nm。在本發明教示之另一個實例中，此鈍化塗層應小於15 nm。應理解，鈍化塗層係電子注入光電二極體中之障壁，且鈍化塗層愈薄，此障壁就愈小。
根據本發明教示之某些態樣，隧穿穿過鈍化層並進入光電二極體中之電子在光電二極體中積聚。積聚電子可由影像感測器電路讀出，以便產生數位影像。
在當前教示之各個態樣中，背照式光電二極體陣列或更通常稱為成像陣列之表面上之鈍化塗層包含介電材料。此類鈍化薄膜之非限制性實例包括氧化矽、氮化矽及氮氧化矽。在當前教示之其他態樣中，此鈍化塗層包含低k (介電常數)介電材料。此類鈍化薄膜之非限制性實例包括氧化鉿、氧化鋁及氧化鉿鋁。
本文亦提供了製作影像增強器之方法。例如，根據本發明教示之某些例示性態樣，提供了一種製造方法，該方法包含：將複數個電子發射光電陰極安置於第一晶圓與界定延伸穿過其之複數個微通道之MCP之間。複數個磷光晶體亦可或可不安置於該MCP與第二晶圓之間。該第二晶圓可接合至該第一晶圓(例如直接或間接地)以在其間形成複數個真空腔，使得該複數個真空腔中之每一者包含複數個光電陰極中之至少一者、微通道板之複數個微通道及至少一個磷光晶體。
該第一晶圓及該第二晶圓可以多種方式彼此接合，以便在其間形成複數個真空腔。例如，在某些態樣中，將該第二晶圓接合至該第一晶圓可包含將該第一晶圓及該第二晶圓中之每一者接合至該MCP之相對側。
該第一晶圓及該第二晶圓可在多種處理條件下彼此接合。作為實例，該第一晶圓及該第二晶圓可彼此接合於表現出小於約1×10 -4托之壓力之處理室內。例如，該第一晶圓及該第二晶圓彼此接合於處理室內，使得該真空腔在密封時表現出等於或小於約1×10 -6托之壓力。
另外，在某些態樣中，該第一晶圓及該第二晶圓可在多種溫度下彼此接合。例如，在某些態樣中，該第一晶圓及該第二晶圓可在表現出約250℃至約450℃之範圍內之溫度之一處理室內接合。
在某些態樣中，接合可包含玻璃膠接合、陽極接合、表面改質接合及共晶焊料接合中之至少一種。
本文所描述之真空壓力可以多種方式被幫助維持。作為實例，在某些態樣中，該方法可進一步包含：將複數個真空吸氣材料安置於該第一晶圓與該第二晶圓之間，使得該複數個真空吸氣材料中之至少一者密封於每一真空腔內。另外地或替代地，該方法可進一步包含：在接合該第一晶圓及該第二晶圓之前對材料進行預烘烤以便消除逸氣。
如上所指出，在一些態樣中，本文所描述之方法可提供在單個晶圓內進行裝置之並行處理。例如，在接合該第一晶圓及該第二晶圓之後，可自所接合之晶圓切除形成在其中之裝置。例如，所接合之第一晶圓及第二晶圓可切粒成多個晶粒，其中每一晶粒包含至少一個真空腔。
在各個態樣中，該第二晶圓可包含成像陣列，該成像陣列包含複數個光電二極體。例如，在某些態樣中，該方法可進一步包含：在接合該第一晶圓及該第二晶圓之前將該複數個光電二極體與該複數個微通道中之至少一者對準。例如，該複數個光電二極體中之每一者可與該微通道板之各別個別微通道對準。
如上所論述，適合根據本發明教示使用之MCP可具有多種組態。例如，在某些態樣中，該微通道板可包含在表面上沈積有電子發射半導體層之矽酸鹽玻璃。矽酸鹽玻璃之非限制性實例包括二氧化矽、硼矽酸鹽或鋁矽酸鹽，且此類電子發射半導體層之非限制性實例包括氧化鉛、碘化銫、砷化鎵、碲化鎘、硫化鎘、磷化銦、銻化銦、鍺、矽、或其他II-VI族、III-V族或IV族半導體。該薄膜可以多種方式形成在塊體矽酸鹽玻璃上。作為非限制性實例，該電子發射半導體層可經由原子層沈積、化學氣相沈積、反應離子沈積或反應氣相蒸發來沈積。
本文闡述了申請者之教示之此等及其他特徵。
本申請案主張2021年8月16日提交之美國臨時專利申請案第63/233,727號之優先權，該申請案以引用方式整體併入本文中。
將瞭解，為清楚起見，以下論述將闡明申請者之教示之實施例之各個態樣，同時在方便或適當之情況下省略某些具體細節。例如，對替代實施例中之相同或類似特徵之論述可能有所簡化。為簡潔起見，亦可能不在任何細節上論述眾所周知之思想或構思。熟習此項技術者將認識到，申請者之教示之一些實施例可能不需要在每個實施方案中具體描述之細節中之某些細節，在本文中闡述該等細節僅為了提供對實施例之透徹理解。類似地，將明白，所描述之實施例可易於在不背離本發明之範疇之情況下根據公知常識進行更改或變化。實施例之以下詳細描述不應被視為以任何方式限制申請者之教示之範疇。
雖然習知影像增強器通常利用含有易碎之基於PbO之玻璃之MCP，使得必須單獨製作影像增強器以便防止破損，但本發明教示之各個態樣提供使用大量並行處理技術在晶圓級製作併入有MCP之影像增強器裝置之方法。另外地或替代地，本發明教示之某些態樣提供製作具有改良之製作所觀察之場景之數位影像之能力之光電成像裝置之方法。
首先參考圖1，示意性地繪示根據本發明教示之各個態樣之用於製作影像增強器裝置之例示性方法。如圖所示，可提供前晶圓110及後晶圓150，該前晶圓及該後晶圓可直接或間接地彼此接合，使得光電陰極120、玻璃晶圓MCP 130及磷光晶體140安置於其間。晶圓110及150以及MCP 130可具有多種尺寸，但在一些態樣中具有在半導體工業中通常稱為200 mm (8”)晶圓或更大之大小。
前晶圓110可包含多種材料，但一般經組態以接收環境電磁輻射及將環境電磁輻射傳輸穿過其。作為非限制性實例，前晶圓110可包含玻璃蓋件。儘管未示出，但根據本發明教示將瞭解，前晶圓110可包含微透鏡陣列，該微透鏡陣列例如形成於輻射接收表面上以有效地聚焦入射於該輻射接收表面上之輻射。
複數個光電陰極120安置在前晶圓110與MCP晶圓130之間，且一般經組態以回應於由其接收之電磁輻射而產生一或多個電子。熟習此項技術者將瞭解，光電陰極120可包含已知的或根據本發明教示在以後開發及修改之多種材料。在某些實施例中，作為非限制性實例，光電陰極120可包含砷化鎵。如圖所示，複數個光電陰極120一般可安置在前晶圓110與MCP晶圓130之間且彼此分開(例如，在所繪示陣列中之相鄰光電陰極120之間存在間隙)，且可例如視如本文另外所論述之影像增強器裝置之所要大小而定包含多種表面區域。
如圖所示，MCP晶圓130一般安置在光電陰極120與磷光晶體140之間。MCP晶圓130可具有多種組態，但一般包含如圖1所示自上表面延伸至下表面之複數個微通道，其中每一微通道經組態以回應於自光電陰極120接收到電子而由於二次級聯發射而產生複數個電子。微通道可具有多種組態，但在一些例示性態樣中可係微米大小的(例如，具有在自約2微米至約40微米之範圍內之橫截面尺寸)且以相對於光電陰極120之主表面成約5°至約13°之偏角安置，使得所產生之電子更可能衝擊微通道之側壁。
雖然習知影像增強器利用十分脆弱之基於PbO之MCP，使得必須單獨製造影像增強器(例如，不能將十分薄之基於PbO之MCP產生為200 mm晶圓而沒有顯著之破損風險)，但本發明教示之某些態樣提供在微通道表面上沈積有電子發射半導體層之不太易碎之塊體材料之使用。在各個態樣中，塊體材料可包含含有小於約1% PbO之矽酸鹽玻璃(例如，二氧化矽、硼矽酸鹽、鋁矽酸鹽)，而電子發射半導體層可包含以下中之一或多種：氧化鉛、碘化銫、砷化鎵、碲化鎘、硫化鎘、磷化銦、銻化銦、鍺、矽、或其他II-VI族、III-V族或IV族半導體，全部作為非限制性實例。用於在MCP晶圓130之表面上形成電子發射半導體層之例示性技術包括原子層沈積、化學氣相沈積、反應離子沈積或反應氣相蒸發，作為實例。O'Mahony 等人之標題為「Atomic layer deposition of alternative glass microchannel plates」之文章(公佈於J. Va. Sci. Technol. A 34(1) (2016年1月/2月)，其以引用方式整體併入本文中)描述可根據本發明教示修改以製作MCP晶圓130之例示性方法。與習知基於PbO之MCP不同，MCP晶圓130可以可靠地製造為200 mm晶圓，而例如在對經裝配之所接合晶圓進行切粒時之破損可能性較小，如下所論述。
如圖所示，複數個磷光晶體140安置在MCP晶圓130與後晶圓150之間，且一般經組態以回應於由其接收之電子而產生一或多個光子。熟習此項技術者將瞭解，磷光晶體140可包含已知的或根據本發明教示在以後開發及修改之多種材料。在某些實施例中，磷光晶體140可經組態以發射多種波長之光子，但在一些例示性態樣中，與例如用於夜視鏡之習知影像增強器一樣，可發射具有在自約500 nm至約565 nm之範圍內之波長之綠光。如圖所示，複數個磷光晶體140一般可安置在MCP晶圓130與後晶圓150之間且彼此分開(例如，在所繪示陣列中之相鄰磷光晶體140之間存在間隙)，且一般與光電陰極120對準。
後晶圓150可包含多種材料，但一般經組態以接收由磷光晶體140產生之光子。如下所論述，後晶圓可包含玻璃基板，例如，光子可穿過該玻璃基板傳輸(例如，經由光纖束傳輸至下游觀看者及/或感測器)。替代地，在一些例示性態樣中，例如，後晶圓150本身可包含成像陣列，該成像陣列經組態以將由磷光晶體140產生之光子轉換成數位影像。
在各個層如圖1中那樣配置之情況下，可在處理室102中進行進一步處理(例如，接合)，該處理室被抽空至實質上小於大氣壓力之壓力。作為實例，處理室102可被抽空至小於約1×10 -4托(例如，小於或等於約1×10 -6托)之壓力，以向微通道提供必要內部壓力以便在層彼此接合時進行二次級聯發射。特別地，在所抽空之處理室102內，前晶圓110可接合至MCP 130之一個表面且後晶圓150可接合至MCP 130之另一個表面，使得光電陰極120及磷光晶體140中之一者及MCP晶圓130之複數個微通道被密封在真空腔內，該真空腔界定於前晶圓110與後晶圓150之間、前晶圓110及後晶圓150各自與MCP晶圓130之一部分之間的周邊接合線之間。當如上所描述在前晶圓110與後晶圓150之間接合MCP 130時，將瞭解，藉此密封之真空腔(及MCP 130之微通道)內之壓力將實質上處於處理室102之壓力。
在各個態樣中，可採用另外之技術來幫助提供及/或維持影像增強器操作所需之足夠低之壓力。作為實例，在一些態樣中，層110-150中之每一者可經預烘烤(例如，以使任何溶劑變乾、移除任何溶劑)以便防止逸氣。另外地或替代地，可在真空腔內設置吸氣材料(如下面參考圖4所論述)以在真空腔被密封後輔助清除氣體。已知之吸氣材料包括例如由SAES吸氣劑產生之金屬合金。
除了預烘烤之外或作為預烘烤之替代方案，例如，在某些態樣中，亦可在維持處於在約250℃至約450℃之範圍內之溫度下之處理室102內接合各個層110-150。在各個態樣中，在接合程序期間，溫度可維持處於或高於約405℃達足以幫助確保吸氣材料(如果設置了的話)被活化之時間。
前晶圓110及後晶圓150可利用所屬技術領域中已知的或在以後開發之任何技術接合至MCP晶圓130之相對表面。作為實例，各個表面可經由玻璃膠接合、陽極接合、表面改質接合及共晶焊料接合彼此接合。
在如此裝配及如上所描述接合之晶圓之情況下，所接合之晶圓可經切粒成複數個晶粒(例如，影像增強器裝置)，該等晶粒中之每一者包含與其一起密封之至少一個真空腔。例如，可利用傳統切粒鋸來切割真空腔之間的接合層(例如，沿接合線)，以便保留在晶圓內形成之每一影像增強器裝置內之真空腔，但熟習此項技術者將瞭解，切粒亦可藉由所屬技術領域中已知之任何其他手段(例如，雷射切割)來執行。在一些態樣中，可切割前晶圓110及MCP晶圓130，其中切割線遠離真空腔水平移動，使得在後晶圓150之表面上形成擱板。如熟習此項技術者將瞭解，此種擱板可提供例如在其處設置電連接之表面。
儘管圖1中未示出，但熟習此項技術者亦將瞭解，例如，一或多個電觸點可形成在各個層之一或多個表面上(例如，在接合之前)，以便控制MCP晶圓130之微通道內之電子移動。藉由非限制性之方式，包含鎳鉻層之電觸點可沈積在MCP晶圓130之輸入(上)表面及輸出(下)表面上，以便提供驅動所產生之電子朝向每一微通道之輸出端之電場。
現在參考圖2，繪示可根據以上關於圖1描述之例示性方法自所接合之經裝配晶圓切粒出之例示性影像增強器裝置200之側視圖。如圖2所示，影像增強器裝置200包含前基板210，光可穿過該前基板經由前表面210a進入裝置。穿過前基板210傳輸並離開後表面210b之光子衝擊光電陰極220，藉此產生較佳地被驅動至MCP 230之相關聯之經對準微通道230a中之電子，此可由於二次級聯發射而產生額外電子。此類電子被驅動朝向磷光層240，該磷光層有效地回應於電子之衝擊而產生一或多個光子。如圖2所表明，由磷光層240產生之光子可進入後基板250，然後自該後基板被引導。在一些實施例中，微透鏡陣列可形成在上表面250a上，以便例如將由磷光層240產生的與每一微通道230a相對應的光聚焦至對應光纖中以供傳輸給使用者及/或耦合至光纖束之相對端之感測器。如圖所示，第一接合線圍繞前基板210與MCP 230之間的真空腔之周邊延伸，且第二接合線圍繞MCP 230與後基板250之間的真空腔之周邊延伸。
現在參考圖3，繪示根據本發明教示之各個態樣之另一種例示性影像增強器裝置300。影像增強器裝置300類似於裝置200，但不同之處在於，後基板350本身包含安置於載體基板360 (例如，載體晶圓之一部分)上之影像感測器。例如，如圖3所示，後基板350包含複數個光電二極體350a，該等光電二極體經配置以自由磷光層340產生之光子產生電信號。在某些態樣中，光電二極體350a可相對於磷光層340緊密配置，使得每一光電二極體350a經組態以偵測由磷光層340之最靠近每一光電二極體350a之區域產生之光子。在某些態樣中，例如，後基板350可與磷光層340直接接觸。另外地或替代地，在一些例示性態樣中，光電二極體350a可在後基板350內形成在不超過10微米(例如，在約0.1微米至約10微米之範圍內)之深度處。在一些例示性態樣中，磷光層340及後基板350可分開約0.1微米至約10微米之範圍內之距離。根據本發明教示將瞭解，此種緊密接觸允許由磷光層340產生之光子被直接轉換成數位影像，同時消除習知使用光纖束來將由影像增強器裝置產生之類比影像遞送至目鏡以供使用者觀看之潛在損失、費用及體積。
具有影像感測器之後基板350可具有多種組態。作為實例，後基板350可包含複數個互補金屬氧化物半導體(CMOS)成像器。雖然根據本發明教示可利用前照式(FSI)及背照式(BSI) CMOS裝置二者，但此類CMOS成像器可經組態為BSI成像器，使得光電二極體350a靠近磷光層340安置，且由磷光層產生之光例如在到達作為FSI裝置之接面之前不需要經過電路系統。
參考圖5，圖3之影像增強器裝置300被示出為具有包括光電二極體350a之BSI CMOS裝置500。在此實例中，光電二極體350a (在所屬技術領域中亦稱為焦平面陣列)在表面上包括鈍化塗層502。在一個實例中，鈍化塗層502相對薄，總厚度小於50 nm，以便允許電子隧穿穿過鈍化塗層502並進入光電二極體350a中。在其他實例中，鈍化塗層502可小於30 nm或小於15 nm。鈍化塗層502係電子注入光電二極體350a中之障壁，且鈍化塗層502愈薄，此障壁就減少得愈多，且因此存在逆向關係。
BSI CMOS裝置500之表面上之鈍化塗層502可包括介電材料。此類鈍化薄膜介電材料之非限制性實例包括氧化矽、氮化矽及氮氧化矽。在其他實例中，鈍化塗層502包括低k (介電常數)介電材料，諸如例如氧化鉿、氧化鋁及氧化鉿鋁。隧穿穿過鈍化塗層502並進入光電二極體350a中之電子在光電二極體350a中積聚。積聚電子可由BSI CMOS裝置500之影像感測器電路讀出，以便產生數位影像。
光電二極體350a亦可以多種圖案配置。作為實例，例如，光電二極體350a中之每一者可與MCP 330之微通道330a中之兩者或多於兩者相關聯，使得自產生自兩個或多於兩個相關聯之微通道330a之電子產生之磷光實質上被光電二極體350a中之單個光電二極體偵測到，如圖6所繪示。在其他實例中，例如，光電二極體350a中之兩者或多於兩者可與MCP 330之微通道330a中之一者相關聯，使得自產生自微通道330a中之一者之電子產生之磷光實質上被光電二極體350a中之兩者或多於兩者偵測到，如圖7所繪示。在一些例示性態樣中，例如，每一光電二極體350a可表現出與個別微通道之一對一對應關係，如圖3所繪示。例如，當MCP 330之微通道330a諸如例如圖8所繪示以六角形圖案配置時，光電二極體350a可類似地配置並與其對準。
圖4表示圖3之影像增強器裝置300之俯視圖。如本文另外所論述，在一些態樣中，真空吸氣材料304可設置在密封件(例如，接合線)內以幫助維持真空腔內之穩定真空壓力。如圖4所示，例如，真空吸氣材料304例如可安置在光電陰極320之側面上，例如以便不干擾(例如，阻擋)進入基板310之前表面310a之光通過基板310之後表面310b衝擊光電陰極320。
本文所用之章節標題僅用於組織目的且不應被解釋為進行限制。雖然結合各種實施例描述了申請者之教示，但並不意欲將申請者之教示限於此類實施例。相反，申請者之教示涵蓋各種替代方案、修改及等效物，如熟習此項技術者將瞭解。
在如此描述了本技術之基本構思後，對於熟習此項技術者將相當顯而易見的是，前述詳細揭示內容意欲僅以實例之方式呈現，並非進行限制。將想到各種更改、改良及修改且該等更改、改良及修改係針對熟習此項技術者的，儘管在本文中沒有明確陳述。此等更改、改良及修改意欲特此提出，且在本技術之精神及範疇內。此外，除了在申請專利範圍中可能指定之外，所列舉之處理元件或序列之次序、或數字、字母或其他指稱之使用並不意欲將所主張保護之程序限於任何次序。因此，本技術僅受以下申請專利範圍及其等效物限制。
102:處理室 110:前晶圓/晶圓/層 120:光電陰極 130:玻璃晶圓MCP/MCP/MCP晶圓 140:磷光晶體 150:後晶圓/晶圓/層 200:影像增強器裝置/裝置 210:前基板 210a:前表面 210b:後表面 220:光電陰極 230:MCP 230a:微通道 240:磷光層 250:後基板 300:影像增強器裝置 304:真空吸氣材料 310:基板 310a:前表面 310b:後表面 320:光電陰極 330:MCP 330a:微通道 340:磷光層 350:後基板 350a:光電二極體 360:載體基板 500:背照式互補金屬氧化物半導體(BSI CMOS)裝置 502:鈍化塗層
熟習此項技術者將理解，下面所描述之圖式僅用於說明目的。圖式並不意欲以任何方式限制申請者之教示之範疇。
[圖1]以示意圖圖解說明根據本發明教示之各個態樣之用於製作影像增強器裝置之例示性方法。 [圖2]以示意圖圖解說明根據本發明教示之各個態樣的根據圖1之方法製作之例示性影像增強器裝置。 [圖3]以示意圖圖解說明根據本發明教示之各個態樣的根據圖1之方法製作之另一種影像增強器裝置之例示性側視圖。 [圖4]以示意圖圖解說明圖3之影像增強器裝置之俯視圖。 [圖5]以示意圖圖解說明具有BSI CMOS裝置及鈍化塗層的圖3之影像增強器裝置之例示性側視圖。 [圖6]以示意圖圖解說明MCP微通道與光電二極體之相應之例示性多對一關係。 [圖7]以示意圖圖解說明光電二極體與MCP微通道之相應之例示性多對一關係。 [圖8]以示意圖圖解說明MCP之微通道之例示性六角形陣列配置。
200:影像增強器裝置/裝置
210:前基板
210a:前表面
210b:後表面
220:光電陰極
230:MCP
230a:微通道
240:磷光層
250:後基板

Claims (51)

  1. 一種光電裝置，其包含： 一第一基板，該第一基板具有經組態以接收電磁輻射之一輻射接收第一表面及所述所接收之電磁輻射能夠傳輸穿過之一相對之第二表面； 一第二基板，該第二基板耦合至該第一基板以便在其間界定一真空腔，其中該第二基板包含一成像陣列； 一電子發射光電陰極，該電子發射光電陰極安置於該真空腔內以自傳輸穿過該第一基板之該相對之第二表面之電磁輻射產生電子； 一微通道板，該微通道板至少部分地安置於該真空腔內，其中該微通道板界定自一輸入端延伸至一輸出端之複數個微通道，且該複數個微通道中之每一者經組態以回應於經由各別微通道之該輸入端接收到由該電子發射光電陰極產生之至少一個電子而產生複數個電子；及 一磷光層，該磷光層安置於該真空腔內且與該微通道板之該複數個微通道之該等輸出端相鄰， 其中該成像陣列經組態以對由該磷光層回應於由該複數個微通道之該等輸出端傳輸之該複數個電子而產生之一或多個光子進行成像。
  2. 如請求項1之光電裝置，其中複數個光電二極體形成於該第二基板中。
  3. 如請求項2之光電裝置，其中該複數個光電二極體中之每一者與該微通道板之該複數個微通道中之兩者或多於兩者相關聯，或該微通道板之該複數個微通道中之每一者與該複數個光電二極體中之兩者或多於兩者相關聯。
  4. 如請求項2之光電裝置，其中該複數個光電二極體中之每一者與該微通道板之該複數個微通道中之一各別微通道對準。
  5. 如請求項2之光電裝置，其中該微通道板之該複數個微通道及該複數個光電二極體以一六角形陣列形成。
  6. 如請求項1之光電裝置，其中該第一基板包含玻璃。
  7. 如請求項1之光電裝置，其中該電子發射光電陰極包含砷化鎵。
  8. 如請求項1之光電裝置，其中該微通道板包含在一表面上沈積有一電子發射半導體層之一種矽酸鹽玻璃。
  9. 如請求項8之光電裝置，其中該矽酸鹽玻璃包含二氧化矽、硼矽酸鹽或鋁矽酸鹽。
  10. 如請求項8之光電裝置，其中該複數個微通道中之每一者之一表面包含一薄膜，該薄膜具有不同於該矽酸鹽玻璃之一組成物。
  11. 如請求項10之光電裝置，其中該薄膜係經由原子層沈積、化學氣相沈積、反應離子沈積或反應氣相蒸發中之一種產生。
  12. 如請求項10之光電裝置，其中該薄膜包含氧化鉛、碘化銫、砷化鎵、碲化鎘、硫化鎘、磷化銦、銻化銦、鍺、矽、或其他II-VI族、III-V族或IV族半導體。
  13. 如請求項1之光電裝置，其中該磷光層經組態以產生具有在約500 nm至約565 nm之一範圍內之一波長之光子。
  14. 如請求項1之光電裝置，其中該第二基板安置於該磷光層之約0.1微米至10微米之一範圍內。
  15. 如請求項1之光電裝置，其中該第二基板與該磷光層接觸。
  16. 如請求項1之光電裝置，其進一步包含：一微透鏡陣列，該微透鏡陣列安置於該磷光層與該成像陣列之間。
  17. 如請求項1之光電裝置，其進一步包含：一微透鏡陣列，該微透鏡陣列與該第一基板之該輻射接收第一表面相關聯以聚焦入射於該輻射接收第一表面上之光。
  18. 如請求項1之光電裝置，其中該真空腔表現出小於約1×10 -4托之一壓力。
  19. 如請求項18之光電裝置，其中該壓力小於或等於約1×10 -6托。
  20. 如請求項1之光電裝置，其進一步包含：一真空吸氣材料，該真空吸氣材料安置於該真空腔內。
  21. 如請求項1之光電裝置，其中該成像陣列包含一互補金屬氧化物半導體(CMOS)成像陣列。
  22. 如請求項1之光電裝置，其中該成像陣列包含複數個背照式像素。
  23. 如請求項22之光電裝置，其中該複數個背照式像素中之每一者之至少一部分在至少一個表面上包括一鈍化塗層，其中該鈍化塗層包含一介電材料。
  24. 一種光電裝置，其包含： 一第一基板，該第一基板具有經組態以接收電磁輻射之一輻射接收第一表面及所述所接收之電磁輻射能夠傳輸穿過之一相對之第二表面； 一第二基板，該第二基板耦合至該第一基板以便在其間界定一真空腔； 一電子發射光電陰極，該電子發射光電陰極安置於該真空腔內以自傳輸穿過該第一基板之該相對之第二表面之電磁輻射產生電子； 一微通道板，該微通道板至少部分地安置於該真空腔內，其中該微通道板界定自一輸入端延伸至一輸出端之複數個微通道，且該複數個微通道中之每一者經組態以回應於經由各別微通道之該輸入端接收到由該電子發射光電陰極產生之至少一個電子而產生複數個電子；及 一成像陣列，該成像陣列包含複數個光電二極體，該複數個光電二極體經組態以自該微通道板之該輸出端收集該複數個電子且產生一數位影像。
  25. 如請求項24之光電裝置，其中該複數個光電二極體形成於該第二基板中。
  26. 如請求項25之光電裝置，其中該複數個光電二極體中之每一者與該微通道板之該複數個微通道中之兩者或多於兩者相關聯，或該微通道板之該複數個微通道中之每一者與該複數個光電二極體中之兩者或多於兩者相關聯。
  27. 如請求項25之光電裝置，其中該複數個光電二極體中之每一者與該微通道板之該複數個微通道中之一各別微通道對準。
  28. 如請求項25之光電裝置，其中該微通道板之該複數個微通道及該複數個光電二極體以一六角形陣列形成。
  29. 如請求項24之光電裝置，其中該第一基板包含玻璃。
  30. 如請求項24之光電裝置，其中該電子發射光電陰極包含砷化鎵。
  31. 如請求項24之光電裝置，其中該微通道板包含在一表面上沈積有一電子發射半導體層之一種矽酸鹽玻璃。
  32. 如請求項31之光電裝置，其中該矽酸鹽玻璃包含二氧化矽、硼矽酸鹽或鋁矽酸鹽。
  33. 如請求項31之光電裝置，其中該複數個微通道中之每一者之一表面包含一薄膜，該薄膜具有不同於該矽酸鹽玻璃之一組成物。
  34. 如請求項33之光電裝置，其中該薄膜係經由原子層沈積、化學氣相沈積、反應離子沈積或反應氣相蒸發中之一種產生。
  35. 如請求項33之光電裝置，其中該薄膜包含氧化鉛、碘化銫、砷化鎵、碲化鎘、硫化鎘、磷化銦、銻化銦、鍺、矽、或其他II-VI族、III-V族或IV族半導體。
  36. 一種製造一光電裝置之方法，該方法包含： 將複數個電子發射光電陰極安置於一第一晶圓與界定穿過其之複數個微通道之一微通道板之間； 將複數個磷光晶體安置於該微通道板與一第二晶圓之間；及 將該第二晶圓接合至該第一晶圓以在其間形成複數個真空腔，使得該複數個真空腔中之每一者包含該複數個電子發射光電陰極中之至少一者、該微通道板之該複數個微通道中之一或多者及至少一個磷光晶體。
  37. 如請求項36之方法，其中將該第二晶圓接合至該第一晶圓包含將該第一晶圓及該第二晶圓中之每一者接合至該微通道板之相對側。
  38. 如請求項36之方法，其中該第一晶圓及該第二晶圓彼此接合於表現出小於約1×10 -4托之一壓力之一處理室內。
  39. 如請求項38之方法，其中該第一晶圓及該第二晶圓彼此接合於表現出等於或小於約1×10 -6托之一壓力之一處理室內。
  40. 如請求項36之方法，其中接合包含執行玻璃膠接合、陽極接合、表面改質接合或共晶焊料接合中之至少一種。
  41. 如請求項36之方法，其中該第一晶圓及該第二晶圓彼此接合於表現出在約250℃至約450℃之一範圍內之一溫度之一處理室內。
  42. 如請求項36之方法，其進一步包含：將複數個真空吸氣材料安置於該第一晶圓與該第二晶圓之間，使得該複數個真空吸氣材料中之至少一者密封於每一真空腔內。
  43. 如請求項36之方法，其進一步包含：在接合該第一晶圓及該第二晶圓之前對真空吸氣材料進行預烘烤以便消除逸氣。
  44. 如請求項36之方法，其進一步包含：將所述所接合之第一晶圓及第二晶圓切粒成複數個晶粒，其中該複數個晶粒中之每一晶粒包含至少一個真空腔。
  45. 如請求項36之方法，其中該第二晶圓包含一成像陣列，該成像陣列包含複數個光電二極體。
  46. 如請求項45之方法，其進一步包含：在接合該第一晶圓及該第二晶圓之前將該複數個光電二極體與該複數個微通道中之至少一者對準。
  47. 如請求項46之方法，其中該複數個光電二極體中之每一者係與該微通道板之該複數個微通道中之一各別微通道對準。
  48. 如請求項36之方法，其中該微通道板包含在一表面上沈積有一電子發射半導體層之一種矽酸鹽玻璃。
  49. 如請求項48之方法，其中該矽酸鹽玻璃包含二氧化矽、硼矽酸鹽或鋁矽酸鹽。
  50. 如請求項36之方法，其進一步包含：經由原子層沈積、化學氣相沈積、反應離子沈積或反應氣相蒸發將一薄膜形成於該複數個微通道中之每一者之一表面上。
  51. 一種裝置，其包含： 一第一基板，該第一基板具有經組態以接收電磁輻射之一輻射接收第一表面及所述所接收之電磁輻射能夠傳輸穿過之一相對之第二表面； 一第二基板，該第二基板耦合至該第一基板以便在其間界定一真空腔； 一電子發射光電陰極，該電子發射光電陰極安置於該真空腔內以自傳輸穿過該第一基板之該相對之第二表面之電磁輻射產生電子； 一微通道板，該微通道板至少部分地安置於該真空腔內，其中該微通道板界定自一輸入端延伸至一輸出端之複數個微通道，該微通道板包含在其一第一表面上沈積有一電子發射半導體層之一種氧化矽玻璃，且該複數個微通道中之每一者包含形成於其一第二表面上之一薄膜且經組態以回應於經由各別微通道之該輸入端接收到由該電子發射光電陰極產生之至少一個電子而產生複數個電子；及 一磷光層，該磷光層安置於該真空腔內且與該微通道板之該複數個微通道之該輸出端相鄰，其中該磷光層經組態以回應於接收到由該複數個微通道之該輸出端傳輸之該複數個電子而產生一或多個光子以供傳輸至該第二基板中。
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