带密闭设计及光电信号无失真的光电探测装置及实现方法与流程

本发明涉及半导体装备技术领域，具体涉及一种带密闭设计及光电信号无失真的光电探测装置及实现方法。

背景技术：

在基于光学原理的光电探测传感器中，需借助于光电探测装置同时采集多个通道的测量光强信号，然后对获取的光信号进行计算得到所需的测量信息。在半导体行业，电子束成像、光学检测以及光刻领域中，越来越多的场合需将测量传感器及光电探测装置置于真空环境中。

光电探测装置置于真空环境中使用时，光电探测装置中的光电转换阵列、pcb板卡和线缆等，在真空环境下会释放大量的气体及颗粒污染真空环境。为了有效控制和降低光电探测装置对真空环境的污染，需对其做特殊处理。

目前已有的处理方法是将光电探测装置密封到密闭壳体内，在壳体上使用通光窗片接收传感器的测量光信号，然后对此信号进行光电转换后传输到真空环境外的电学模块和在线计算模块进行在线计算和校准。

但是使用通光窗片不仅会降低测量光信号的强度，还会引起测量光信号失真和串扰，对测量准确度带来严重影响。

技术实现要素：

有鉴于此，为了能够解决真空环境下光电探测装置信号失真和串扰问题，同时能够避免信号传输中的干扰和误码，提高测量光信号的准确度，本发明提供了一种带密闭设计及光电信号无失真的光电探测装置及实现方法，以解决上述技术问题。

为了实现上述目的，一方面，本发明提供了一种带密闭设计及光电信号无失真的光电探测装置，包括真空密封壳体、光电探测器阵列、光电转换和同步采集电路、高速传输电路板，其中，真空密封壳体上包括安装接口，用于安装光电探测器阵列，以形成密闭空间；光电探测器阵列的探测面朝向真空密封壳体的外侧，用于接收多通道测量光信号；光电转换和同步采集电路与高速传输电路板置于真空密封壳体中，其中，光电探测器阵列通过光电探测器阵列的信号管脚与光电转换和同步采集电路连接；光电转换和同步采集电路用于将光电探测器阵列获得的多通道测量光信号同步转换为多通道数字信号；高速传输电路板用于将转换完成的多通道数字信号进行串行化编码处理。

根据本发明的实施例，其中，真空密封壳体包括：上盖、水冷板、底壳、导热板、进气口、气流挡板、供电及信号插头、出气口、第一密封圈和第二密封圈，其中，上盖与底壳连接并采用第一密封圈进行密封，底壳与光电探测器阵列之间通过第二密封圈进行密封，与第一密封圈共同将真空密封壳体封闭为密闭的腔体。

根据本发明的实施例，其中，真空密封壳体用于为光电探测器阵列、光电转换和同步采集电路、高速传输电路板提供稳定的压力和温度环境。

根据本发明的实施例，其中，光电探测器阵列包括：光敏阵列、绝缘载片、基板，其中，光敏阵列基于n型或p型掺杂的基底硅片制成，光敏阵列上分布有一定数量的光敏单元，光敏单元对测量光信号进行光电探测和转换；绝缘载片用于将光敏阵列的共阴极与基板隔开；基板上设置有馈通管脚和机械安装孔。

根据本发明的实施例，其中，光敏单元的键合盘及保护极均经过键合线与基板上对应的馈通管脚相连。

根据本发明的实施例，上述光电探测装置还包括：在线计算模块，用于将获得的多通道数字信号经过一系列的在线计算和校准，获得光电探测装置的测量信号。

另一方面，本发明还提供了基于上述光电探测装置的实现方法，包括：光电探测器阵列接收来自光电传感器的多通道测量光信号；将多通道测量光信号通过光电转换电路进行光电转换，将多通道测量光信号转换为多通道模拟电信号；解串行化电路模块(des)接收由外部校准装置产生的同步信号，并由可编程门阵列(fpga)主控模块记录外部校准装置的同步信号；根据外部校准装置产生的同步信号，fpga主控模块启动同步采集电路，通过采集电路同时将多通道模拟电信号转换为多通道数字信号，并通过fpga主控模块记录多通道数字信号的测量值；fpga主控模块根据外部校准装置产生的同步信号，将多通道数字信号的测量值发送至串行化电路模块(ser)，实现并行数据向串行数据的转换；将串行数据通过高速传输电路板实时传输至在线计算模块完成在线计算与校准。

根据本发明的实施例，其中，光电转换电路包括反向电压产生器、保护环电压产生器、跨导放大器、低通滤波器；反向电压产生器为光电探测器阵列产生反向电压，保护环电压产生器产生稳定的保护环电压，以减少外界环境对光电探测阵列的干扰。

根据本发明的实施例，其中，fpga主控模块还可以对温度进行监控采集，用于测量光信号的补偿。

根据本发明的实施例，其中，将串行数据通过高速传输电路板实时传输至在线计算模块完成在线计算与校准包括：将光电探测阵列的多通道测量光电信号同步转换为多通道数字信号并采集至在线计算模块；对每一路测量信号进行暗电流修正，获得具有非线性特性的原始测量信号；对具有非线性特性的原始测量信号进行修正，获得修正后的线性测量信号；对每一路线性测量信号进行零点偏置修正，修正后每一路线性测量信号的零点保持一致，获得最终测量信号。

根据本发明的实施例，通过提供一种带密闭设计及光电信号无失真的光电探测装置及实现方法，将具有真空兼容性光电转换阵列探测面朝向密封壳体外侧，直接接收多通道测量光信号，将密闭壳体内部的电路板对接收到的多通道测量光信号进行光电转换后，对多通道测量光信号数据进行串行化编码处理，从而解决了信号在传输过程中由于干扰和误码引起的失真和串扰问题，并减少了传输电缆数量。

附图说明

图1示意性示出了根据本发明实施例的光电探测装置的结构示意图；

图2示意性示出了根据本发明实施例的该装置中的真空密封壳体的结构示意图；

图3和图4示意性示出了根据本发明实施例的该装置中的光电探测阵列的结构示意图；

图5示意性示出了根据本发明实施例的基于该装置的实现方法的电路框图；

图6示意性示出了根据本发明实施例的基于该装置的实现方法的流程图；

图7示意性示出了根据本发明实施例的测量信号在线校准流程示意图；

图8示意性示出了根据本发明实施例的具有非线性特性的原始测量信号示意图。

【附图符号说明】

真空密封壳体1；光电探测器阵列2；光电转换和同步采集电路3；高速传输电路板4；上盖11；水冷板12；底壳13；导热板14；进气口15；气流挡板16；供电及信号插头17；出气口18；第一密封圈19；第二密封圈110；光敏阵列301；光敏单元301-1；绝缘载片302；导电层302-1；真空胶302-2；基板303；馈通管脚303-1；机械安装孔303-2。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

图1示意性示出了根据本发明实施例的光电探测装置的结构示意图。如图1所示，本发明提供的一种带密闭设计及光电信号无失真的光电探测装置，包括：真空密封壳体1、光电探测器阵列2、光电转换和同步采集电路3、高速传输电路板4。

根据本发明的实施例，真空密封壳体1上包括安装接口，用于安装光电探测器阵列2，以形成密闭空间；光电探测器阵列2的探测面朝向高速传输电路板真空密封壳体1的外侧，用于直接接收多通道测量光信号。

根据本发明的实施例，光电转换和同步采集电路3与高速传输电路板高速传输电路板4置于高速传输电路板真空密封壳体1中，其中，高速传输电路板光电探测器阵列2通过高速传输电路板光电探测器阵列2的信号管脚与高速传输电路板光电转换和同步采集电路3连接。

根据本发明的实施例，真空密封壳体1承载光电探测器阵列2、光电转换和同步采集电路3、高速传输电路板4，为光电转换、同步采集电路和高速传输电路板提供稳定的压力和温度环境，保证电路板在1个标准大气压和常温下可以稳定工作，消除温升变化对信号精度造成的干扰。

根据本发明的实施例，光电转换和同步采集电路3用于将高速传输电路板光电探测器阵列2获得的多通道测量光信号同步转换为多通道数字信号；高速传输电路板4用于将转换完成的多通道数字信号进行串行化编码处理。

根据本发明的实施例，通过提供一种带密闭设计及光电信号无失真的光电探测装置，将具有真空兼容型光电转换阵列的探测面朝向真空密封壳体外侧，直接接收测量多通道测量光信号，可以解决真空环境下光电探测装置信号失真和串扰的问题；通过光电转换和同步采集电路将接收到的多通道测量光信号进行光电转换后，通过高速传输电路板将转换完成的多通道测量光信号进行串行化编码处理，能够避免信号在传输过程中的干扰和误码，提高对测量信号的准确度。

图2示意性示出了根据本发明实施例的该装置中的真空密封壳体的结构示意图。

如图2所示，真空密封壳体包括上盖11、水冷板12、底壳13、导热板14、进气口15、气流挡板16、供电及信号插头17、出气口18、第一密封圈19和第二密封圈110。

根据本发明的实施例，上盖11与底壳13之间通过紧固件连接，并采用第一密封圈19进行密封，其中，紧固件可以为螺栓。水冷板12单独设置于底壳13的外侧，与底壳13外侧连接，底壳13与水冷板12通过热传导的方式将热量由底壳13传递至水冷板12，进而由水冷板12的冷却水将热量带走；水冷板12也可不单独设置，而在底壳13上设计加工水道，满足水冷散热的需求。

根据本发明的实施例，导热板14与高速传输电路板4的热源相接触，与底壳13之间通过紧固件连接贴合紧密，从而使得高速传输电路板4的热量有效导入到底壳13上。

根据本发明的实施例，进气口15和出气口18分别为焊接在底壳13上的进气接头和出气接头，焊接时需要满足真空密封的需求。其中，通过进气口15可以为真空密封壳体1导入氮气或清洁空气等气体；出气口18将导出由进气口15进入真空密封壳体1的气流与高速传输电路板4的散热部件及热源热交换后的热量并将热量带走，进入真空密封壳体1的气流还会通过与底壳13的对流换热而将热量传递给底壳。

根据本发明的实施例，气流挡板16采用紧固件或者焊接的方式与上盖11连接，实现气流导向，对特定发热区域进行有效换热降温，可以包括为从进气口15进入真空密封壳体1的气流提供导向，使进入真空密封壳体1的气流流向高速传输电路板4主要散热部件或热源；供电及信号插头17采用焊接的方式与底壳13相连，焊接需满足真空密封要求。

根据本发明的实施例，第二密封圈110用于将底壳13与光电探测器阵列2之间进行密封，并与第一密封圈19共同将真空密封壳体1封闭为密闭的腔体，其中，真空密封可以采用金属密封或者橡胶密封等多种方式实现。

根据本发明的实施例，通过将真空密封壳体的底壳与光电探测器阵列进行密封后形成密闭的腔体，不仅可以为光电转换、同步采集和高速传输电路提供稳定的压力和温度环境，保证电路板在1个标准大气压和常温下稳定工作，消除温升变化对信号精度造成的干扰，同时还可以可避免真空密封壳体承载的光电探测器装置中的各个装置在真空环境下释放气体及颗粒对真空环境造成污染。

图3和图4示意性示出了根据本发明实施例的该装置中的光电探测阵列的结构示意图。

如图3中的(b)所示，光电探测器阵列2包括：光敏阵列301、绝缘载片302、基板303。

根据本发明的实施例，光敏阵列301是基于n型或p型掺杂的基底硅片制成，光电探测器阵列2的探测面朝向真空密封壳体1的外侧，此处的探测面即为光敏阵列301。如图3中的(a)所示，光敏阵列301上分布有一定数量的光敏单元(301-1)，用于对多通道测量光信号进行光电探测和转换。

如图4所示，绝缘载片302上有导电层302-1，绝缘载片302上的导电层302-1与光敏阵列310的共阴极连接或者粘接在一起，其中导电层302-1可以为薄层高导电胶，例如，环氧导电银胶；绝缘载片302上还有真空胶302-2，绝缘载片302通过真空胶302-2与基板303粘贴在一起。

根据本发明的实施例，绝缘载片302用于将光敏阵列301的共阴极与基板303隔开。

结合图3中的(a)和(b)所示，基板303上设置有馈通管脚303-1和机械安装孔303-2。

根据本发明的实施例，馈通管脚303-1用于将光敏单元301-1的键合盘及保护极均经过键合线与基板303上对应的馈通管脚303-1相连；机械安装孔303-2包含通孔和销孔，用于支持与后续处理模块的精确装配。

根据本发明的实施例，本发明提供的一种光电探测装置还包括：在线计算模块，在线计算模块置于真空环境之外，采用嵌入式板卡或者计算机的形式实现的。

根据本发明的实施例，在线计算模块主要功能包括将获得的多通道数字信号经过一系列在线计算和校准的实时处理，获得光电探测装置最终的多通道测量信号。

图5示意性示出了根据本发明实施例的基于该装置的实现方法的电路框图；图6示意性示出了根据本发明实施例的基于该装置的实现方法的流程图。

在本发明的实施例中，基于该光电探测器阵列的实现方法可以用于对接收的测量信号进行信号处理。

结合图5和图6如图所示，基于该光电探测装置的实现方法包括操作s601～s606。

在操作s601，光电探测器阵列接收来自光电传感器的多通道测量光信号。

根据本发明的实施例，光电探测器阵列中的光敏阵列朝向真空密封壳体的外侧，用于接收传感器发射出的多通道测量光信号，光电探测器阵列输出的电流随着接收的光强增加而增大。

在操作s602，将多通道测量光信号通过光电转换电路进行光电转换，并将多通道测量光信号转换为多通道模拟电信号。

根据本发明的实施例，光电转换电路包括反向电压产生器、保护环电压产生器、跨导放大器、低通滤波器。其中，反向电压产生器为光电探测器阵列产生反向电压，保护环电压产生器产生稳定的保护环电压，以减少外界环境对光电探测阵列的干扰。

根据本发明的实施例，跨导放大器对光电探测器阵列输出的电流信号进行跨导放大，即转换为电压信号，也即，将接收到的多通道测量光信号进行光电转换，转换成模拟电信号。

在操作s603，解串行化电路模块接收由外部校准装置产生的同步信号，并由可编程门阵列主控模块记录外部校准装置的同步信号。

根据本发明的实施例，同步信号接收电路包括sam射频同轴接口和高速光耦合器，用于接收来自外部校准装置的同步信号，并以该同步信号作为时钟信号对本发明的光电探测装置的进行光电转换后的多通道测量模拟电信号进行同时采集。

根据本发明的实施例，des解串行化电路模块将采集到的外部校准装置的同步信号发送至fpga模块，记录外部校准装置的同步信号。

在操作s604，根据外部校准装置产生的同步信号，可编程门阵列主控模块启动同步采集电路，通过采集电路同时将多通道模拟电信号转换为多通道数字信号，并通过可编程门阵列主控模块记录多通道数字信号的测量值。

根据本发明的实施例，在上述步骤s603中，当des解串行化电路模块采集到外部校准装置的同步信号后，以该同步信号作为时钟信号，fpga主控模块启动同步采集电路，获取本发明中的光电探测装置的进行光电转换后的多通道测量模拟电信号并进行同时采集，将转换后的模拟电信号通过同步采集电路同时转换为多通道数字信号，并记录其实时测量值。

在操作s605，可编程门阵列主控模块根据外部校准装置产生的同步信号将多通道数字信号的测量值同时发送至串行化电路模块，实现并行数据向串行数据的转换。

根据本发明的实施例，ser将外部校准装置产生的同步信号与多通道数字信号的测量值的并行数据转换为lvds串行数据，实现串行化数据的转换，进行串行化编码处理。

在操作s606，将串行数据通过高速传输电路板实时传输至在线计算模块完成在线计算与校准。

根据本发明的实施例，将外部校准装置和本发明的光电探测装置的实时测量值转换后的lvds串行数据同时发送至高速传输电路，高速传输电路实时将数据传输给在线计算模块进行分析处理。

根据本发明的实施例，fpga主控模块还可以对温度进行监控采集，用于多通道测量光信号的补偿。

通过本发明的实施例，根据基于光电探测装置的实现方法，通过同步采集电路可以实现同时采集多个通道的测量光信号，通过以des解串行化电路模块接收外部校准装置产生的同步信号作为时钟信号可采集到与本发明装置对应的数据，可以实现测量的精确性，同时，通过该实现方法，对接收到的多通道测量光电信号进行光电转换后，对多通道测量光信号数据进行串行化编码处理，可以解决信号在传输过程中由于干扰和误码引起的失真问题，减少传输电缆数量。

图7示意性示出了根据本发明实施例的测量信号在线校准流程示意图。

如图7所示，将串行数据通过高速传输电路板实时传输至在线计算模块完成在线计算与校准的流程包括操作s701～s704。

在操作s701，将光电探测阵列的多通道测量光电信号转换为多通道数字信号并采集至在线计算模块。

根据本发明的实施例，该步骤中采集多通道测量光电信号转换为多通道数字信号并传输至在线计算模块在上述步骤s601～步骤s606中已详细论述，在此不再赘述。

在操作s702，对每一路测量信号进行暗电流修正，获得具有非线性特性的原始测量信号。

根据本发明的实施例，通过在线校准的方式，对每一路测量信号去除暗电流，并利用去除暗电流修正后的测量信号，经过差分和归一化处理计算获得原始测量信号。

例如，图8示意性示出了根据本发明实施例的具有非线性特性的原始测量信号示意图。

如图8所示，图示表示为原始测量信号在未进行线性修正之前的信号图，可以看出未修正的原始测量信号在测量范围边缘附近的非线性特性明显。

在操作s703，对具有非线性特性的原始测量信号进行修正，获得修正后的线性测量信号。

根据本发明的实施例，可以利用多项式拟合的方式对原始测量信号进行线性修正，获得线性测量信号。

在操作s704，对每一路线性测量信号进行零点偏置修正，修正后每一路线性测量信号的零点保持一致，获得最终测量信号。

根据本发明的实施例，在步骤s703中获得的线性测量信号，多通道中的每一路测量信号的零点不相等，通过外部校准装置的参考信号对每一路测量信号的零点进行在线修正，使得本发明的探测器装置获得的每一路测量测量信号的零点保持一致，从而获得修正后的最终测量信号。

以上的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。