CN100444381C - 背向集成微透镜红外焦平面探测器及微透镜的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种背向集成微透镜红外焦平面探测器及微透镜的制备方法，该探测器包括：红外光敏元列阵芯片、读出电路、混成互连铟柱和微透镜列阵。微透镜列阵是在红外光敏元列阵芯片的衬底背面直接通过微机械加工形成的。采用了记忆焦平面探测芯片正面图形的光刻方法以及等离子体组合刻蚀技术，获得的背向集成微透镜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。本发明的最大优点是微透镜列阵的引入，对入射目标红外辐射有会聚功能，既提高了红外焦平面探测器光敏元的响应率，又能减小红外焦平面探测器、特别是高密度像元的红外焦平面探测器相邻像元之间的空间串音。

Description

背向集成微透镜红外焦平面探测器及微透镜的制备方法

技术领域

本发明涉及红外焦平面探测器、透镜，具体是指一种背向集成微透镜列阵的红外焦平面探测器及该背向集成微透镜列阵的制备方法。

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既有利于提高响应率，又能有效抑制相邻像元之间空间串音的背向集成微透镜列阵的红外焦平面探测器及背向集成微透镜列阵的制备方法。

本发明的背向集成微透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、混成互连铟柱和微透镜列阵。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原本用于与读出电路连接的至少二个对准标记。所说的微透镜列阵是在红外光敏元列阵芯片的衬底背面直接通过微机械加工形成的，微透镜为平凸透镜，微透镜列阵中的各个微透镜在空间上，分别一一垂直对应于光敏元列阵中的各个光敏元，且每一个微透镜的光轴与其对应的光敏元的光敏面中心法线重合。入射红外目标辐射经微透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碲镉汞、锑化铟或铟镓砷量子阱材料制成。

上述的背向集成微透镜列阵的制备方法如下：

§A首先根据红外光敏元列阵的规模制备相应的微透镜列阵光刻掩模版，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。

§B将集成有微透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微透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；

§C然后将衬底背面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，再将光刻掩模版的微透镜列阵图形转移到红外光敏感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，最后通过等离子体组合刻蚀方法在红外光敏感列阵芯片衬背面形成微透镜列阵。

本发明将微透镜列阵直接集成在红外焦平面探测器光敏元列阵芯片的衬底背面。由于背向集成的微透镜列阵的会聚作用，垂直照射在每个光敏像元上的红外辐射，特别是照射在每个像元的周边区域位置的红外辐射，都能会聚在每个光敏像元的中心区域。由于微透镜的这种会聚作用，使入射的目标红外辐射的绝大部分被每个像元的中心区域吸收，其光生载流子不需要通过长距离的横向扩散就可以在对应光伏探测像元的p-n结强电场区域分开，从而可以提高入射到单个光敏像元上的目标红外辐射产生光电流信号的效率。为此，通过会聚入射到每个光敏元周边区域的红外辐射，不仅可以提高红外焦平面探测器对目标红外辐射的响应率，而且还有利于减小红外光敏元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，这种微透镜列阵就更有利于减小像元之间的空间串音。

本发明的优点是：

1.直接在光敏感列阵芯片衬底背面集成微透镜列阵，从而具有很高的集成度和可靠性；

2.与红外焦平面探测器集成于一体，集成微透镜列阵的应用无需任何其它辅助装置，从而它不会受制于红外焦平面探测器组件中其它部件的限制，使用非常方便；

3.利用微透镜列阵对入射目标红外辐射的会聚功能，既能提高红外焦平面探测器小面积像元的响应率，又能减小红外焦平面探测器、特别是高密度像元的红外焦平面探测器相邻像元之间的空间串音；

4.适用于非常成熟的离子注入红外焦平面探测器的技术路线，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是背向集成微透镜列阵的红外焦平面探测器的剖面结构示意图；

图2是微透镜列阵会聚目标红外辐射的原理图；

图3是微透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透镜列阵和对准标记图形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光刻情况；

图4是红外焦平面探测器衬底背面形成集成微透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集成微透镜列阵样品。

具体实施方式

下面以背向集成微透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，背向集成微透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和微透镜列阵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上置有的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成结的n型区构成。微透镜列阵4是在红外光敏元列阵芯片1的砷化镓衬底101背面通过微机械加工形成的。

图3-4是背向集成微透镜列阵的工艺制备流程图，步骤如下：

1.首先根据红外光敏元列阵的规模制备相应的微透镜列阵光刻掩模版，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。

2.将碲镉汞红外光敏元列阵芯片1的衬底101背面减薄研磨抛光到150μm厚。采用旋转匀胶方法，在背减薄后的衬底背面，均匀地涂敷厚度为3μm的AZ4620光刻胶5。

3.先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的微透镜列阵图形转移到红外光敏感列阵芯片1衬底101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，去除掩模层光刻胶5，就在衬底101背面形成集成微透镜列阵4。

效果情况：

作为一种比较，对背面集成微透镜列阵和无背面集成微透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。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、砷化镓衬底厚度为150μm、像元尺寸为30×30μm²和离子注入区域尺寸为20×20μm²。在红外光敏感列阵芯片衬底背面集成微透镜列阵的单个微透镜表面曲率半径为40μm，且单个微透镜大小与红外光敏感列阵芯片的像元一样，其尺寸也为30×30μm²。测量结果表明，平均响应率提高了9.2％，而相邻像元之间的平均空间串音则从8％降低到1.3％。这说明在红外光敏元列阵芯片衬底背面集成微透镜列阵，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，本发明提出的背向集成微透镜列阵的红外焦平面探测器是可行的、合理的。

Claims (3)

1.一种背向集成微透镜红外焦平面探测器，包括：红外光敏元列阵芯片(1)、读出电路(2)、混成互连铟柱(3)和微透镜列阵(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(101)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：

所说的微透镜列阵(4)是直接通过微机械加工在红外光敏元列阵芯片的衬底(101)背面形成的，微透镜列阵中的各个微透镜在空间上，分别一一垂直对应于光敏元列阵(102)中的各个光敏元，且每一个微透镜的光轴与其对应的光敏元的光敏面中心法线重合，入射红外目标辐射经微透镜会聚于光敏元的中心区域。

2.根据权利要求1的一种背向集成微透镜红外焦平面探测器，其特征在于：所说的微透镜是平凸透镜。

3.一种背向集成微透镜红外焦平面探测器的微透镜的制备方法，步骤如下：

§A.首先根据红外光敏元列阵的规模制备相应的微透镜列阵光刻掩模版，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；

§B.将集成有微透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微透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；

§C.然后将衬底背面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，由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完全重合，在完成对准标记图形对准之后，再将光刻掩模版的微透镜列阵图形转移到红外光敏感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；最后采用等离子体刻蚀方法，将等离子体刻蚀机的氩等离子体(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，去除掩模层光刻胶(5)，就在衬底(101)背面形成集成微平凸透镜列阵(4)。

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