本發明涉及x射線成像芯片，特別是涉及一種硅通孔輔助的鈣鈦礦單晶陣列及與cmos芯片互連方法。

背景技術：

1、x射線探測與成像技術在醫學成像、工業無損檢測、安全檢查和科學研究等領域中具有重要應用。隨著信息化生產生活對探測精度、成像分辨率和輻射劑量提出了更高的要求，鹵化物鈣鈦礦材料因其優異的光電性能引起了廣泛關注。鹵化物鈣鈦礦材料擁有高吸光系數、長載流子擴散長度、低缺陷密度以及可通過低溫溶液法制備的優異特性，有望在提升探測性能的同時降低所需輻射劑量，實現新一代智能x射線探測成像。

2、cmos（互補金屬氧化物半導體）芯片是現代電子設備的核心組件之一，不僅用于圖像傳感器，還用于處理和傳輸數據。將鈣鈦礦單晶與cmos芯片集成在一起，旨在結合兩者的優勢，構建高性能的x射線探測器。但是鈣鈦礦單晶與cmos芯片的集成互連仍面臨諸多挑戰，阻礙了鈣鈦礦單晶x射線探測器的進一步發展。

3、在x射線探測器中，每個像素點都需要獨立工作，因此需要有效的隔離措施來防止信號串擾。對于鈣鈦礦材料來說，因傳統光刻工藝涉及光刻膠、顯影液等化學材料，難以用常規的方法進行精細圖案化。平坦化處理對于確保光學和電學的一致性非常重要，但在處理鈣鈦礦時，保持表面平坦而不破壞材料本身的完整性是一個難題。因此由于鈣鈦礦自身的材料特性（熱穩定性和化學穩定性較差），與光刻、化學機械研磨等cmos工藝兼容性差，難以實現精確的像素化隔離以及平坦化處理。

4、同時一些集成互連方案涉及到多個復雜的加工步驟，例如多層堆疊、焊接等，這些額外的步驟不僅增加了制造成本，還提高了失敗的風險，尤其是在涉及對溫度敏感的鈣鈦礦材料時。鈣鈦礦單晶與cmos芯片的集成可能會導致整體系統的可靠性下降，任何微小的變化或缺陷都可能導致整個器件失效，特別是在長時間運行或惡劣環境下使用時。因此當前部分集成互連方法需要高溫處理或復雜的后續加工步驟，容易破壞鈣鈦礦材料的性能或導致cmos芯片失效。

技術實現思路

1、本發明提出了一種硅通孔輔助的鈣鈦礦單晶陣列及與cmos芯片互連方法，以解決上述鈣鈦礦單晶與cmos芯片的集成互連過程中，鈣鈦礦單晶的固有性質與光刻、化學機械研磨等cmos工藝兼容性差的問題。本發明通過利用硅通孔的高精度加工能力與鈣鈦礦材料的優異性能相結合，確保了與cmos工藝的兼容性，實現了高質量鈣鈦礦單晶陣列的像素化和與底層的cmos讀出芯片的高密度集成互連，從而為低成本、高性能x射線成像器件的制造提供了一種創新的技術路徑。

2、為實現上述目的，本發明提供了一種硅通孔輔助的鈣鈦礦單晶陣列，包括硅基底、隔離層、鈣鈦礦單晶、公共電極和像素化金屬電極，硅基底具有陣列化的貫穿通孔，鈣鈦礦單晶位于通孔內部，公共電極沉積在硅基底和鈣鈦礦單晶的表面上，像素化金屬電極沉積在硅基底和鈣鈦礦單晶遠離公共電極一側的表面上。

3、本發明還提供了一種硅通孔輔助的鈣鈦礦單晶陣列的制備方法，包括如下步驟：

4、s1、硅基底選擇：選擇厚度可控的硅片作為硅基底；

5、s2、光刻圖形化：在硅片表面涂覆光刻膠，通過光刻技術在硅基底上定義通孔的圖形結構；

6、s3、深硅刻蝕：通過深反應離子刻蝕技術對硅片進行刻蝕，形成陣列化的貫穿通孔；

7、s4、絕緣隔離：在通孔及硅片表面沉積隔離層材料，實現電氣絕緣隔離；

8、s5、鈣鈦礦單晶生長：在硅基底的通孔內，生長鈣鈦礦單晶材料；

9、s6、沉積公共電極：在硅基底和通孔填充的鈣鈦礦單晶的表面上沉積一層導電電極，作為公共電極；

10、s7、鈣鈦礦圖形化：通過濕法蝕刻或等離子體蝕刻工藝，對遠離公共電極一側的鈣鈦礦單晶進行刻蝕，刻蝕至鈣鈦礦單晶高度低于硅基底表面高度；

11、s8、金屬電極沉積：在步驟s7刻蝕一側的硅基底和鈣鈦礦單晶的表面上，通過蒸鍍或濺射技術沉積金屬電極，作為像素化金屬電極；

12、s9、整平金屬電極：通過化學機械拋光技術整平像素化金屬電極表面，減薄表層金屬厚度，直至裸露出硅片表面沉積的隔離層，得到硅通孔輔助的鈣鈦礦單晶陣列。

13、進一步，在步驟s1中，選擇50?μm至500?μm厚度的硅片。

14、進一步，在步驟s3中，貫穿通孔的長度（深度）與通孔的寬度比＞2:1。

15、進一步，在步驟s4中，通過原子層沉積技術沉積隔離層材料。

16、進一步，在步驟s5中，鈣鈦礦單晶材料為鹵化物鈣鈦礦，選自mapbbr3、cspbbr3或faxma1-xpbi3中的一種，鈣鈦礦單晶采用溶液輔助方法、化學氣相沉積法或布里奇曼方法制備

17、進一步，在步驟s6中，導電電極為ito或fto。

18、進一步，在步驟s8中，金屬電極為金或銅。

19、本發明還提供了一種x射線成像芯片，應用一種硅通孔輔助的鈣鈦礦單晶陣列與底層cmos芯片集成制造，其中硅通孔的間距和直徑，與底層cmos芯片表層焊盤尺寸相對應。

20、進一步，該芯片的制備方法為：將鈣鈦礦單晶陣列與cmos芯片通過倒裝焊接技術實現互連。

21、本發明采用上述的一種硅通孔輔助的鈣鈦礦單晶陣列及與cmos芯片互連方法，具有以下有益效果：

22、1、本發明實現了高質量鹵化物鈣鈦礦單晶陣列的制備，具體的，本發明通過硅通孔（tsv）技術為鈣鈦礦單晶的定向生長提供模板，利用深硅刻蝕技術形成高深寬比的通孔結構，實現了鈣鈦礦單晶材料的高質量定向生長。

23、2、本發明通過精確的光刻圖形化和蝕刻技術對鈣鈦礦單晶陣列進行像素化處理，形成高分辨率、獨立的像素結構。本發明通過優化通孔直徑和間距，像素密度得以顯著提高，可滿足高分辨率x射線成像應用的需求。

24、3、本發明通過合理的工藝設計實現了鈣鈦礦單晶材料與cmos芯片的兼容性，避免了傳統工藝中可能損害鈣鈦礦材料和cmos芯片性能的高溫步驟。

25、4、本發明利用倒裝焊接技術實現了鈣鈦礦單晶陣列與cmos芯片的大規模高密度互連，確保了讀出電路與探測像素的高效耦合。

26、下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。

技術特征：

1.一種硅通孔輔助的鈣鈦礦單晶陣列，其特征在于：包括硅基底、隔離層、鈣鈦礦單晶、公共電極和像素化金屬電極，硅基底具有陣列化的貫穿通孔，鈣鈦礦單晶位于通孔內部，公共電極沉積在硅基底和鈣鈦礦單晶的表面上，像素化金屬電極沉積在硅基底和鈣鈦礦單晶遠離公共電極一側的表面上。

2.如權利要求1所述的一種硅通孔輔助的鈣鈦礦單晶陣列的制備方法，其特征在于：包括如下步驟：

3.根據權利要求1所述的一種硅通孔輔助的鈣鈦礦單晶陣列的制備方法，其特征在于：在步驟s1中，選擇50?μm至500?μm厚度的硅片。

4.根據權利要求1所述的一種硅通孔輔助的鈣鈦礦單晶陣列的制備方法，其特征在于：在步驟s3中，貫穿通孔的長度與通孔的寬度比＞2:1。

5.根據權利要求1所述的一種硅通孔輔助的鈣鈦礦單晶陣列的制備方法，其特征在于：在步驟s4中，通過原子層沉積技術沉積隔離層材料。

6.根據權利要求1所述的一種硅通孔輔助的鈣鈦礦單晶陣列的制備方法，其特征在于：在步驟s5中，鈣鈦礦單晶材料為鹵化物鈣鈦礦，選自mapbbr3、cspbbr3或faxma1-xpbi3中的一種，鈣鈦礦單晶采用溶液輔助方法、化學氣相沉積法或布里奇曼方法制備。

7.根據權利要求1所述的一種硅通孔輔助的鈣鈦礦單晶陣列的制備方法，其特征在于：在步驟s6中，導電電極為ito或fto。

8.根據權利要求1所述的一種硅通孔輔助的鈣鈦礦單晶陣列的制備方法，其特征在于：在步驟s8中，金屬電極為金或銅。

9.一種x射線成像芯片，其特征在于，應用權利要求1所述的一種硅通孔輔助的鈣鈦礦單晶陣列與底層cmos芯片集成制造，其中硅通孔的間距和直徑與底層cmos芯片表層焊盤尺寸相對應。

10.根據權利要求9所述的一種x射線成像芯片，其特征在于，該芯片的制備方法為：將鈣鈦礦單晶陣列與cmos芯片通過倒裝焊接技術實現互連。

技術總結
本發明公開了一種硅通孔輔助的鈣鈦礦單晶陣列及與CMOS芯片互連方法，鈣鈦礦單晶陣列包括硅基底、隔離層、鈣鈦礦單晶、公共電極和像素化金屬電極，硅基底具有陣列化的貫穿通孔，鈣鈦礦單晶位于通孔內部，公共電極沉積在硅基底和鈣鈦礦單晶的表面上，像素化金屬電極沉積在硅基底和鈣鈦礦單晶遠離公共電極一側的表面上；在應用過程中，將鈣鈦礦單晶陣列與CMOS芯片通過倒裝焊接技術實現互連。本發明通過利用硅通孔的高精度加工能力與鈣鈦礦材料的優異性能相結合，確保了與CMOS工藝的兼容性，實現了高質量鈣鈦礦單晶陣列的像素化和與底層的CMOS讀出芯片的高密度集成互連，從而為低成本、高性能X射線成像器件的制造提供了一種創新的技術路徑。

技術研發人員：任天令,張佳賀,謝丹,耿祥順,囤冠華,彭家麗,覃肯
受保護的技術使用者：清華大學
技術研發日：
技術公布日：2025/4/28