InGaAs单光子探测器工作在0.9～1.7 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 58；InP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200～300 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 μm；Si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0.321～0.354 μm，艾里斑4.951 μm，5 μm圈内能量83.71%；Si的RMS半径0.169～0.201 μm，艾里斑2.015 μm，12.5 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 μm，Si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

技术支持：180-1566-6117

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。