CN101872804A - 一种掩模用光刻胶微凸镜列阵的等离子体回流成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种红外焦平面列阵器件原位集成红外微凸镜列阵工艺所需的掩模用光刻胶微凸镜列阵的成形方法，它涉及光电探测器件的制造技术。本发明采用高密度、低能量的诱导耦合等离子体(ICP)增强反应离子刻蚀(RIE)方法，仅对红外焦平面探测器表面光刻胶进行局部的等离子体轰击回流的掩模用光刻胶微凸镜列阵成形的技术方案。基于高密度、低能量氧等离子体的光刻胶微凸镜列阵成形方法，只在氧等离子体与光刻胶发生反应的局部区域产生温升回流，解决了采用常规热熔回流进行红外焦平面探测器掩模用光刻胶微凸镜成形时必须经受高温过程的缺点。因而，本发明具有操作简单、可控性好和无需经受高温过程的特点。

Description

一种掩模用光刻胶微凸镜列阵的等离子体回流成形方法

技术领域

本发明涉及光电探测器件的制造工艺技术，具体是指红外焦平面列阵器件原位集成红外微凸镜列阵工艺所需的掩模用光刻胶微凸镜列阵的成形方法。

背景技术

红外焦平面列阵器件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、民用领域有重要而广泛的应用。由于其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列阵器件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，eta1，“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：

其中λ是探测波长，是光学系统光圈F数。取λ＝10μm和

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。

为抑制红外探测器光敏元间的空间串音，多种集成有新型结构的红外焦平面探测器相继出现。其中，在入射光场方向上原位集成微凸镜列阵的红外焦平面探测器是一种非常新颖的红外探测器。该类红外探测器利用背向集成的微透镜列阵的会聚作用，使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。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。

原位集成微凸镜列阵的红外焦平面探测器是采用等离子体刻蚀技术将光刻胶微凸镜列阵转移到红外焦平面探测器背面衬底上来实现的。制作这类新型红外探测器的首要难题是获得掩模用光刻胶微凸镜列阵。在微机械系统(MEMS)加工中，通常采用热熔光刻胶技术，来制作掩模用光刻胶微凸镜列阵。但是，红外焦平面探测器，特别是碲镉汞红外光伏探测器，在工艺过程中不能经受热熔光刻胶的高温处理。

发明内容

基于上述已有红外焦平面列阵器件掩模用光刻胶微凸镜列阵成形方法存在的问题，本发明的目的是提供一种便捷的、稳定的和红外焦平面探测器无需经受高温热处理的掩模用光刻胶微凸镜列阵的成形方法。

为实现上述目的，本发明采用高密度、低能量的诱导耦合等离子体(ICP)增强反应离子刻蚀(RIE)方法，仅对红外焦平面探测器表面光刻胶进行局部的等离子体轰击回流的掩模用光刻胶微凸镜列阵成形的技术方案。

本发明方法是在微电子领域最新的技术产物ICP增强RIE设备上进行的。该设备包括：带真空系统1的腔体5，在腔体内自下而上置有控制等离子体能量的RF源2，带控温系统的样品台3，下进气线圈7，产生等离子体浓度的RF源6，上进气线圈8，腔体5侧壁开有观察窗口501。在等离子体轰击时，红外焦平面探测器样品4固定在控温样品台3上，并可以通过观察窗口501来实时观察样品的运行情况。

上述技术方案的掩模用光刻胶微凸镜列阵成形方法如下：

A.采用传统的光刻技术，在红外焦平面探测器4(由读出电路401、光敏感芯片402和背面衬底403三部分组成)背面衬底403表面制作用于原位集成微凸镜列阵掩模用的光刻胶图形9，掩蔽膜厚度为4-8μm，掩蔽膜图形开口宽度为1-5μm。

B.将红外焦平面探测器4通过导热胶固定在ICP增强RIE设备的制冷样品台3上，而后进行腔体5的抽真空，直至真空度达到设定值2-4×10^-5Torr。

C.启动等离子体程序，进行红外焦平面探测器4背面衬底403上的光刻胶掩模图形9的等离子体10轰击回流处理。ICP增强RIE工艺气体选用O₂/Ar，配比为3-8∶15-30，并使其中的Ar从上进气线圈8进入腔体5，而O₂从下进气线圈7进入腔体5。等离子体产生功率为300-600W，控制等离子体能量的RF功率为10-20W，腔体压力为3-8×10^-3Torr，样品台温度为0-10℃。

D.在氧等离子体10与红外焦平面探测器4背面衬底403上的光刻胶掩模图形9相互反应20-50秒后，终止等离子体运行程序，并取出红外焦平面探测器样品4。

在本发明中，由于红外焦平面探测器4通过导热胶固定在ICP增强RIE设备的制冷样品台3上的，于是在对红外焦平面探测器背面衬底表面掩模用光刻胶图形9进行等离子体10轰击时，仅有背面衬底表面掩模用光刻胶9经受等离子体10轰击回流处理。在高密度、低能量的ICP增强RIE作用下，掩模图形光刻胶9与氧等离子体10发生反应，致使分离的微小光刻图形局部温度升高，从而实现掩模用光刻胶微凸镜列阵的回流成形。

本发明的最大优点是：基于高密度、低能量氧等离子体的掩模用光刻胶微凸镜列阵成形方法，只在氧等离子体与光刻胶发生反应的局部区域产生温升回流，而固定在制冷样品台上的红外焦平面探测器并不会经受高温过程，因而具有操作简单、可控性好和无需经受高温过程的特点。

附图说明

图1是ICP增强RIE设备结构示意图。

图2是本发明完成红外焦平面探测器掩模用光刻胶微凸镜列阵成形的工艺流程与原理示意图。(a)图为传统的红外焦平面探测器的结构示意图；(b)由常规旋转涂敷技术在红外焦平面探测器背面衬底上涂敷掩模用光刻胶的情况；(c)由常规光刻技术在红外焦平面探测器背面衬底上获得的光刻胶掩蔽膜图形情况；(d)图为氧等离子体轰击回流红外焦平面探测器背面衬底上光刻胶掩蔽膜图形的情况；(e)图为获得掩模用光刻胶微凸镜列阵的情况。

图3是掩模用光刻胶微凸镜列阵共聚焦显微镜图像。

具体实施方式

见图1，本发明使用英国OXFORD公司型号为ICP65-80Plus的ICP增强RIE设备。该设备包括：带真空系统1的腔体5，在腔体内自下而上置有控制等离子体能量的RF源2，带控温系统的样品台3，下进气线圈7，产生等离子体浓度的RF源6，上进气线圈8。在等离子体轰击时，红外焦平面探测器样品4固定在控温样品台3上，并可以通过观察窗口501来实时观察样品的运行情况。

我们以Hg_0.7Cd_0.3Te红外焦平面探测器为样品，对本发明的方法作进一步的详细说明：

A.采用传统的光刻技术，在红外焦平面探测器4(由读出电路401、光敏感芯片402和背面衬底403三部分组成)背面衬底403表面制作用于原位集成微凸镜列阵掩模用的光刻胶图形9，掩蔽膜厚度为6μm，掩蔽膜图形开口宽度为3μm。

B.将红外焦平面探测器4通过导热胶固定在ICP增强RIE设备的制冷样品台3上，而后进行腔体5的抽真空，直至真空度达到设定值3×10^-5Torr。

C.启动等离子体程序，进行红外焦平面探测器4背面衬底403上的光刻胶掩模图形9的等离子体10轰击回流处理。ICP增强RIE工艺气体选用O₂/Ar，配比为5∶25，并使其中的Ar从上进气线圈8进入腔体5，而O₂从下进气线圈7进入腔体5。等离子体产生功率为450W，控制等离子体能量的RF功率为15W，腔体压力为5×10^-3Torr，样品台温度为5℃。

D.在氧等离子体10与红外焦平面探测器4背面衬底403上的光刻胶掩模图形9相互反应30秒后，终止等离子体运行程序，并取出红外焦平面探测器样品4。

为了得到掩模用光刻胶微凸镜列阵成形的ICP增强RIE工艺，除了选择合适的ICP功率、RF功率、工艺气体种类及其配比等工艺参数外，还要选择合适的工艺气体比例、腔体压力和样品温度等工艺参数。例如，O₂气体的含量过高会导致氧等离子体与光刻胶反应过快，以及局部产生的热量过高，从而导致掩模光刻胶会回流熔成一片，进而不能实现掩模用光刻胶微凸镜列阵的成形。总之，掩模用光刻胶微凸镜列阵成形的ICP增强RIE技术是非常复杂的工艺过程。上述工艺条件是经过多次实验，得出的最佳实施方法。

图3是红外焦平面探测器背面衬底掩模用光刻胶微透镜列阵的激光共聚焦显微图像。如图3所示，红外焦平面探测器背面衬底掩模用光刻胶图形已经回流成光刻胶微凸镜。这说明采用该技术方案的掩模用光刻胶微凸镜成形方法是合理的、可行的。

Claims (1)

1.一种掩模用光刻胶微凸镜列阵的等离子体回流成形方法，其特征在于包括以下步骤：

A.采用传统的光刻技术，在由读出电路(401)、光敏感芯片(402)和背面衬底(403)三部分组成红外焦平面探测器(4)的背面衬底(403)表面制作用于原位集成微凸镜列阵掩模用的光刻胶图形9，掩蔽膜厚度为4-8μm，掩蔽膜图形开口宽度为1-5μm；

B.将红外焦平面探测器(4)通过导热胶固定在ICP增强RIE设备的制冷样品台(3)上，而后进行腔体(5)的抽真空，直至真空度达到设定值2-4×10^-5Torr；

C.启动等离子体程序，进行红外焦平面探测器(4)背面衬底(403)上的光刻胶掩模图形(9)的等离子体(10)轰击回流处理，ICP增强RIE 工艺气体选用O₂和Ar，配比为3-8∶15-30，并使其中的Ar从上进气线圈(8)进入腔体(5)，而O₂从下进气线圈(7)进入腔体-(5)，等离子体产生功率为300-600W，控制等离子体能量的RF功率为10-20W，腔体压力为3-8×10^-3Torr，样品台温度为0-10℃；

D.在氧等离子体(10)与红外焦平面探测器(4)背面衬底(403)上的光刻胶掩模图形(9)相互反应20-50秒后，终止等离子体运行程序，并取出红外焦平面探测器(4)样品。

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