CN100433328C - 带有增透会聚微镜的红外焦平面探测器及微镜制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有增透会聚微镜的红外焦平面探测器及微镜制备方法，该探测器，包括：红外光敏元列阵芯片、读出电路、混成互连铟柱和增透会聚微镜列阵。所说的增透会聚微镜列阵是由红外光敏元列阵芯片的衬底背面生长一增透膜，通过常规的等离子体组合刻蚀形成的。微镜制备方法采用了记忆焦平面探测芯片正面图形的光刻方法，获得的背向集成微透镜列阵的各个光轴在空间上与其对应的光敏像元的光敏面中心法线重合。本发明的优点是：由于增透会聚微镜中心区域的增透效果，以及周边区域的会聚作用，既能提高新一代高密度像元红外焦平面探测器的光电流信号，又能减小相邻像元之间的空间串音。

Description

带有增透会聚微镜的红外焦平面探测器及微镜制备方法

技术领域

本发明涉及红外焦平面探测器，具体是指一种带有增透会聚微镜列阵的红外焦平面探测器及该增透会聚微镜列阵的制备方法。

背景技术

红外焦平面探测器是既具有红外信息获取又具有信息处理功能的先进的成像传感器。在空间对地观测、光电对抗、机器人视觉、搜索与跟踪、医用和工业热成像、以及导弹精确制导等军、民领域有重要而广泛的应用。由于其具有不可替代的地位和作用，世界上的主要工业大国都将红外焦平面探测器制备技术列为重点发展的高技术项目。

在高级红外应用系统的大力驱动下，红外探测器已进入了以大面阵、小型化和多色化等为特点的发展阶段，见S.Horn，P.Norton，T.Cincotta，A.Stoltz，et al，“Challenges for third-generation cooled imagers”，proceeding of SPIE，Vol.5074，2003，P44-51。高分辨率始终是红外探测器发展所不懈追求的目标，新一代红外焦平面探测器已由单像元发展到4096×4096的凝视大面阵，预计到2010年红外焦平面探测器规模将达到10K×10K。

但是，随着大面阵和小型化，红外焦平面探测器的光敏像元尺寸变得越来越小，其光学衍射分辩极限和空间串音就势必成为制约红外焦平面探测器高分辨率性能的关键因素。这是因为红外焦平面探测系统的光学衍射艾里斑半径r_Airy满足下列公式： $r_{\mathrm{Airy}}=\frac{1.22\·\mathrm{\λ}\·f}{D}=1.22\·\mathrm{\λ}\·\left(\frac{f}{\#}\right),$ 其中λ是探测波长，

是光学系统光圈F数。取λ＝10μm和 $\frac{f}{\#}=2.5,$ 可计算得到r_Airy＝30.5μm。目前第三代红外长波焦平面探测器像素尺寸通常都小于30μm，已经接近、甚至小于光学一级衍射斑(艾里斑)半径，即达到了光学衍射分辩极限。这不但导致在各个像元间的衍射光强不能分辩，还会导致严重的空间串音。

为减小高密度像元凝视型、特别是离子注入平面结光伏红外焦平面探测器相邻像元之间的空间串音问题，以美国为首的红外探测技术发达的国家被迫采用微台面列阵结构的红外焦平面探测器技术路线。其目的是通过空间上的物理隔离，进而减小红外焦平面探测器相邻像元之间的空间串音。但是，微台面列阵的焦平面探测器各个红外光敏感元是通过隔离沟槽来物理分离的，其隔离沟槽会导致探测器的各个像元占空比受到很大的损失。特别是当新一代红外焦平面探测器的光敏感元密度越来越高，每一个光敏感元上的目标红外辐射量也越来越小，很难保证器件高的探测率。而微台面列阵带来的占空比损失，势必进一步减小红外光敏感芯片对目标红外辐射的有效收集，进而会影响红外焦平面探测器的响应率和探测率。

发明内容

针对上述新一代高密度像元红外焦平面探测器存在严重空间串音的问题，本发明的目的是提出一种可有效收集目标信息，又能有效抑制相邻像元之间空间串音的带有增透会聚微镜列阵的红外焦平面探测器及增透会聚微镜列阵的制备方法。

本发明的带有增透会聚微镜列阵的红外焦平面探测器，包括：红外光敏元列阵芯片、读出电路、混成互连铟柱和增透会聚微镜列阵。红外焦平面探测器由红外光敏元列阵芯片通过混成互连铟柱与读出电路电连接构成。红外光敏元列阵芯片由衬底和设置在衬底上的响应红外目标辐射的光敏元列阵构成。在衬底上，在光敏元列阵的旁边还有至少二个对准标记。所说的增透会聚微镜列阵是置于红外光敏元列阵芯片的衬底背面，增透会聚微镜列阵中的各个微镜在空间上，分别一一垂直对应于光敏元列阵中的各个光敏元，且每一个微镜的光轴与其对应的光敏元的光敏面中心法线重合。该微镜的面形中间为平面，四周是曲率半径为30-50μm的倒角。入射红外目标辐射经微镜会聚于光敏元的中心区域。所说的红外光敏元列阵芯片可以是由碲镉汞、锑化铟或铟镓砷量子阱材料制成。所说的增透会聚微镜列阵由透红外光的半导体材料制成。所说的半导体材料为硫化锌材料。

上述的增透会聚微镜列阵的制备方法如下：

§A在红外光敏元列阵芯片的衬底背面生长一增透膜，增透膜的厚度为入射红外目标辐射波长的四分之一，并在增透膜上涂敷光刻胶；

§B根据红外光敏元列阵的规模制备相应的会聚微镜列阵光刻掩模版，并在掩模版上留下与红外光敏元列阵芯片上的相同位置、相同图形的对准标记。

§C将集成有会聚微镜列阵和对准标记图形的光刻掩模版放置在光刻机的固定支架上，通过光刻机的下视场显微镜获得光刻掩模版中的会聚微镜列阵图形和对准标记图形，并将该图形保存在光刻机的监视器上；

§D然后将衬底背面增透膜上涂敷有光刻胶的红外光敏元列阵芯片正面朝下放置在光刻机的载物台上，通过下视场显微镜将红外光敏感列阵芯片正面的对准标记图形实时显示在监视器上，并不断地调整载物台的位置，使显示在监视器上的对准标记图与监视器上记忆的光刻掩模版的对准标记图形对准完全重合，在完成红外光敏元列阵芯片正面的对准标记图形和光刻掩模版对准标记图形对准之后，再将光刻掩模版的会聚微镜列阵图形转移到红外光敏元列阵芯片衬底背面光刻胶层上进行曝光、显影和坚膜等常规的光刻工序，最后通过常规的等离子体组合刻蚀方法在红外光敏感列阵芯片衬底背面的增透膜上形成会聚微镜列阵，该微镜的面形中间为平面，四周是曲率半径为30-50μm的倒角。

本发明将增透会聚微镜列阵直接集成在红外焦平面探测器光敏感列阵芯片的衬底背面。由于增透会聚微镜中间区域的增透效果，增加了目标红外辐射在红外焦平面探测器衬底界面的透过率，从而有利于提高探测器的响应率。又由于增透会聚微镜周边区域的会聚作用，使垂直照射在每个像元周边区域位置的红外辐射都能会聚在每个像元的中心区域，这不仅能提高入射到单个像元周边区域的目标红外辐射产生光电流信号的效率，还有利于减小红外光敏感列阵芯片每个光敏元之间的空间串音。特别是当光敏感列阵芯片的像元密度越来越高，这种增透会聚微镜对提高光电流信号和抑制空间串音的作用就更加明显。

本发明的优点是：

1.直接在光敏感列阵芯片衬底背面集成增透会聚微镜列阵，从而具有很高的集成度和可靠性，并且使用非常方便；

2.利用增透会聚微镜中心区域的增透效果，以及周边区域的会聚作用，既能提高新一代高密度像元红外焦平面探测器的光电流信号，又能减小相邻像元之间的空间串音；

3.本发明适用于非常成熟的离子注入红外焦平面探测器，可以避免微台面列阵红外焦平面探测器的占空比损失。

附图说明

图1是带有增透会聚微镜列阵的红外焦平面探测器的剖面结构示意图；

图2是微镜列阵会聚目标红外辐射的原理图；

图3是微镜列阵的光刻工艺流程示意图，(a)图为固定在光刻机上的微镜列阵和对准标记图形的掩模版和记忆其图形的情况，(b)图为红外焦平面探测器的光敏元列阵芯片和记忆图形对准并衬底背面增透膜光刻情况；

图4是红外焦平面探测器衬底背面形成集成微镜列阵的组合刻蚀流程图，(a)图是光刻好的样品，(b)图是处于等离子体作用时的组合刻蚀样品，(c)图是组合刻蚀完的样品，(d)组合刻蚀完并去除光刻胶后的增透会聚微镜列阵样品。

具体实施方式

下面以带有增透会聚微镜列阵的碲镉汞红外焦平面探测器为实施例，结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明：

见图1，带有增透会聚微镜列阵的红外焦平面探测器由碲镉汞红外光敏元列阵芯片1、硅读出电路2、混成互连铟柱3和增透会聚微镜列阵4组成。其中碲镉汞红外光敏感列阵芯片1由砷化镓衬底101，在砷化镓衬底101上置有响应红外目标辐射的光敏元列阵102构成。每一光敏元由p型层碲镉汞和硼离子注入注入成结的n型区构成。会聚微镜列阵4是在红外光敏元列阵芯片1的砷化镓衬底101背面生长增透膜，通过对增透膜微机械加工形成的。

图3-4是增透会聚微镜列阵的工艺制备流程图，步骤如下：

1.在红外光敏元列阵芯片的衬底背面生长一硫化锌增透膜401，增透膜的厚度为入射红外目标辐射波长的四分之一，并在增透膜上涂敷3μm厚的AZ4620光刻胶5。

2.根据红外光敏元列阵的规模制备相应的微镜列阵光刻掩模版，并在掩模版上留下与红外光敏元列阵芯片上的相同位置、相同图形的对准标记。

3.将集成有微透镜列阵和对准标记601图形“M”的光刻掩模版6固定在Karl Suss MA6光刻机上，通过下视场显微镜7获得光刻掩模版中的微透镜列阵和对准标记601图形“M”，并保存记忆在监视器上。

4.将衬底背面的增透膜401上涂敷有光刻胶5的红外光敏感列阵芯片1正面朝下地放置在光刻机的载物台上，通过下视场显微镜7将红外光敏感列阵芯片1正面对准标记103图形“M”实时显示在监视器上，并不断地调整载物台的位置，使显示在监视器上的对准标记图与监视器上记忆的光刻掩模版的对准标记601图形“M”对准完全重合，在完成红外光敏元列阵芯片正面的对准标记103图形和光刻掩模版对准标记601图形对准之后，再进行紫外光8曝光、显影和坚膜，从而将光刻掩模版6的微镜列阵图形转移到红外光敏感列阵芯片1背面的光刻胶层5上。

5.采用OXFORD ION PLUS300等离子体刻蚀机，将刻蚀氩等离子体9方向与红外光敏感列阵芯片衬底101背面法线方向的夹角调整为40度，样品旋转速度为30圈/分钟，刻蚀等离子体能量为500eV。在该条件下刻蚀时间约1小时后，去除掩膜层光刻胶5，就在衬底101背面形成集成微透镜列阵4，微透镜的面形中间为平面，四周是曲率半径为40μm的倒角。

效果情况：

作为一种比较，对背面集成增透会聚微镜列阵和背面没有集成增透会聚微镜列阵的红外焦平面探测器进行性能对比，具体比较它们的响应率和相邻像元之间的空间串音。实施例的碲镉汞红外焦平面探测器的截止波长为9.5μm、响应红外目标辐射的p型层碲镉汞厚度为10μm、硫化锌增透膜的厚度为2.4μm、像元尺寸为30×30μm²和离子注入区域尺寸为20×20μm²。单个增透会聚微镜大小与红外光敏感列阵芯片的像元一样，尺寸也为30×30μm²，增透会聚微镜的面形中间为平面，四周是曲率半径为40μm的倒角。测量结果表明，平均响应率提高了23％，而相邻像元之间的平均空间串音则从8％降低到1.0％。这说明在红外光敏元列阵芯片衬底背面集成增透会聚微镜列阵，不仅提高了小尺寸高密度光敏像元的响应率，而且减小了红外焦平面探测器相邻像元之间的空间串音。

为此，本发明提出的增透会聚微镜列阵的红外焦平面探测器是可行的、合理的。

Claims (4)

1.一种带有增透会聚微镜的红外焦平面探测器，包括：红外光敏元列阵芯片(1)、读出电路(2)、混成互连铟柱(3)和增透会聚微镜列阵(4)；红外焦平面探测器由红外光敏元列阵芯片(1)通过混成互连铟柱(3)与读出电路(2)电连接构成；红外光敏元列阵芯片(1)由衬底(101)和设置在衬底上的响应红外目标辐射的光敏元列阵(102)构成；在衬底上，在光敏元列阵的旁边还有至少二个对准标记(103)；其特征在于：

所说的增透会聚微镜列阵(4)是置于红外光敏元列阵芯片的衬底背面，增透会聚微镜列阵中的各个微镜在空间上，分别一一垂直对应于光敏元列阵中的各个光敏元，且每一个微镜的光轴与其对应的光敏元的光敏面中心法线重合；该微镜的面形中间为平面，四周是曲率半径为30-50μm的倒角；所说的增透会聚微镜列阵由透红外光的半导体材料制成；入射红外目标辐射经微镜会聚于光敏元的中心区域。

2.根据权利要求1的一种带有增透会聚微镜的红外焦平面探测器，其特征在于：所说的透红外光的半导体材料为硫化锌。

3.根据权利要求1的一种带有增透会聚微镜的红外焦平面探测器，其特征在于：所说的红外光敏元列阵芯片是由碲镉汞、锑化铟或铟镓砷量子阱材料制成。

4.一种带有增透会聚微镜的红外焦平面探测器的增透会聚微镜列阵的制备方法，步骤如下：

§A.在红外光敏元列阵芯片的衬底背面生长一增透膜，增透膜的厚度为入射红外目标辐射波长的四分之一，并在增透膜上涂敷光刻胶；

§B.根据红外光敏元列阵的规模制备相应的会聚微镜列阵光刻掩模版，并在掩模版上留下与红外光敏元列阵芯片上的相同位置、相同图形的对准标记；

§C.将集成有会聚微镜列阵和对准标记图形的光刻掩模版放置在光刻机的固定支架上，通过光刻机的下视场显微镜获得光刻掩模版中的会聚微镜列阵图形和对准标记图形，并将该图形保存在光刻机的监视器上；

§D.然后将衬底背面增透膜上涂敷有光刻胶的红外光敏元列阵芯片正面朝下放置在光刻机的载物台上，通过下视场显微镜将红外光敏感列阵芯片正面的对准标记图形实时显示在监视器上，并不断地调整载物台的位置，使显示在监视器上的对准标记图与监视器上记忆的光刻掩模版的对准标记图形对准完全重合，在完成红外光敏元列阵芯片正面的对准标记图形和光刻掩模版对准标记图形对准之后，再将光刻掩模版的会聚微镜列阵图形转移到红外光敏元列阵芯片衬底背面光刻胶层上进行曝光、显影和坚膜等常规的光刻工序；最后利用等离子体刻蚀机，将该机中的刻蚀氩等离子体(9)方向与红外光敏感列阵芯片衬底(101)背面法线方向的夹角调整为40度，样品旋转速度为30圈/分钟，刻蚀等离子体能量为500eV，在该条件下刻蚀时间1小时后，去除掩膜层光刻胶(5)，在衬底(101)背面形成集成微透镜列阵(4)，微透镜的面形中间为平面，四周是曲率半径为30-50μm的倒角。

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