CN101894848B - 一种集成有增透膜的碲镉汞红外焦平面及增透膜制备方法 - Google Patents

一种集成有增透膜的碲镉汞红外焦平面及增透膜制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种集成有增透膜的光伏型碲镉汞红外焦平面及增透膜制备方法，该方法可以在保持碲镉汞红外焦平面模块结构的情况下，采用磁控溅射制备方法，通过工艺参数优化，低温生长了在特定的工作波段3.5～5um具有良好的增透射特性的增透薄膜，同时保证薄膜与碲镉汞红外探测器芯片衬底表面有很好的附着性，在高低温度变化过程中不脱落不改变性能。

Description

一种集成有增透膜的碲镉汞红外焦平面及增透膜制备方法
技术领域
本发明涉及光电探测器技术，具体指一种集成有增透膜的光伏型碲镉汞红外焦平面及增透膜制备方法。
背景技术
红外焦平面探测器模块是一种同时实现红外信息的获取和进行信息处理的成像传感器，在空间对地观测，导弹寻的和精确制导，工业和医用热成像，森林火情探测监视等军用和民用领域有重要而广泛的应用，高性能大规模的红外焦平面探测器模块已大量应用于各种重大国家安全项目和重要新型武器系统中。作为新一代红外成像系统中重要的组成部分，得到高性能、高温、高速工作以及更高空间分辨率的大规模碲镉汞红外焦平面探测器模块是红外技术发展的目标。
光伏型碲镉汞红外焦平面模块中探测器的像元量子效率是影响探测器性能的重要参数之一，像元量子效率是每一个入射到像元光照面上的光子所产生的信号电荷载流子数目，对于光伏型碲镉汞红外焦平面模块，其量子效率为器件的光学效率和器件的pn结电荷收集效率的乘积。器件的光学效率是与器件衬底表面的反射率密切相关的，反射率降低，则可以提高器件的光学效率，进一步提高器件的响应率。
国内外已有一些方法提出用于生长碲镉汞芯片的增透膜，但其都不适用于这里所说的光伏型碲镉汞红外焦平面模块中探测器的增透膜制备。这里所说的光伏型碲镉汞红外焦平面模块是由中波光伏型碲镉汞芯片，信号读出电路和电极引出宝石片基底组成的复杂结构，带有芯片和信号读出电路的探测器通过一种聚氨酯改性环氧树脂固定在宝石片电极基板上，由于碲镉汞红外焦平面模块工作温度为80k，为了提高探测器在低温下工作的可靠性，探测器的衬底被减薄抛光至40～50微米。其结构示意图分别如图1(a)，(b)所示。探测器上电路与宝石基板之间的键压引线需保证其完好，以避免引线在生长及清洗过程中脱落而造成探测器失效。宝石基板上的电极引线须在增透膜生长过程中保护完好，以避免增透膜生长在电极上，造成绝缘而引起探测器失效。碲镉汞红外探测器芯片在温度高于70摄氏度时会造成器件性能退化，因此增透膜生长的温度须在低于70摄氏度的环境下生长。同时由于中波碲镉汞红外探测器储存在室温下，工作在80k的低温下，因此薄膜与探测器芯片的减薄抛光表面须有良好的黏附性和热膨胀系数的匹配，以保证器件在高低温温度变化过程中，薄膜在器件上附着完好。中波碲镉汞红外探测器的工作波段通常在3.5～5微米，因此必须保证增透膜在该特定波段范围内的具有良好的增透射效果。
发明内容
本发明的目的是提供一种集成有增透膜的光伏型碲镉汞红外焦平面及增透膜的制备方法，该方法可以在探测器衬底减薄抛光至40～50微米后生长增透膜，在特定的工作波段3.5～5um具有良好的增透射特性。
本发明中中波光伏型碲镉汞红外焦平面模块包括中波碲镉汞芯片，信号读出电路和电极引出宝石片基底，带有芯片和信号读出电路的探测器通过一种聚氨酯改性环氧树脂固定在宝石片电极基板上，探测器衬底减薄抛光至40～50微米。其具体结构如图1所示。在衬底3上外延生长的碲镉汞薄膜采用半导体工艺获得带有铟柱阵列4的碲镉汞芯片2，减薄抛光后的衬底3表面生长有增透膜1，碲镉汞探测器与带有铟柱阵列5的信号读出电路8通过倒焊互联工艺连接在一起，读出电路8通过聚氨酯改性环氧树脂9固定在宝石片引线基板上，通过键压引线7完成信号引出。
本发明中的增透膜是通过磁控溅射制备方法在中波碲镉汞探测器的衬底上制备的ZnS薄膜材料，该薄膜材料通过光学耦合可以降低反射率，提高入射到碲镉汞芯片衬底表面的红外信号的透过率，从而提高探测器的量子效率。本发明中所述的增透膜制备方法具体步骤如下：
A.焦平面模块的清洗
将碲镉汞红外焦平面模块放入三氯乙烯中浸泡24小时，然后分别用三氯乙烯、乙醚、丙酮、酒精浸泡清洗。
B.焦平面模块的保护
在碲镉汞红外焦平面模块的电路压脚，键压引线和宝石片上的电极引脚覆盖一层光致抗蚀剂，保护电路压脚和宝石片上的电极引脚，放入65摄氏度的烘箱中进行烘干，露出碲镉汞红外焦平面模块中探测器经过减薄抛光后的衬底表面。
C.增透膜生长
①将保护完好的碲镉汞红外焦平面模块放入磁控溅射镀膜设备的溅射腔体，在碲镉汞红外焦平面模块减薄抛光后的衬底表面低温生长ZnS薄膜；
②设定氩气流量为50SCCM，腔体压强为1x10-4帕斯卡；
③溅射功率为30W时，薄膜溅射速率为0.55纳米/分钟，溅射功率为50W，薄膜溅射速率为2.3纳米/分钟，每生长1小时，停止生长30分钟，保证样品生长温度为40～50摄氏度。先采用溅射功率30W生长1小时，然后调整溅射功率为50W生长3.5小时，获得薄膜厚度为0.5微米。
D.焦平面模块剥离
将生长了增透膜的碲镉汞红外焦平面模块，放入丙酮中浸泡30分钟，剥离电路表面和宝石片表面的光致抗蚀剂和ZnS薄膜；再用丙酮、酒精将焦平面模块清洗干净。
本发明具有如下优点：
1.本发明特别适用于包括有碲镉汞芯片，读出电路和宝石基板的碲镉汞红外焦平面模块，在碲镉汞红外焦平面探测器经过深度减薄抛光后(芯片厚度小于50um)的衬底表面上生长增透膜。
2.本发明采用半导体工艺常用的光致抗蚀剂作为保护层，能够方便有效的对读出电路压脚，键压引线和宝石片电极基板等位置进行保护，避免了这些部位ZnS薄膜的沉积。
3.本发明采用磁控溅射的方法生长ZnS增透膜，使得薄膜与碲镉汞红外探测器芯片衬底表面有很好的附着性，通过对工艺参数进行优化，在生长过程中有效释放热应力，保证薄膜在高低温度变化过程中不脱落不改变性能。
4.本发明选用的ZnS薄膜与碲镉汞探测器芯片的衬底材料在光学折射率上有较好的匹配性，通过工艺参数优化可以获得在该中波特定波段的增透射效果。
附图说明
图1(a)是光伏型碲镉汞红外焦平面模块的俯视平面结构示意图，图1(b)是图1(a)的A-B剖面结构示意图，其中：1是增透膜；2是碲镉汞芯片；3是衬底；4是碲镉汞芯片上的铟柱阵列；5是信号读出电路的铟柱阵列；6是信号读出电路的压脚；7是键压引线；8是信号读出电路；9是聚氨酯改性环氧树脂；10是宝石片引线基板上的电极引脚；11是宝石片引线基板。
图2是探测器衬底表面的反射率曲线图，曲线21为衬底表面没有生长增透膜的反射率曲线，曲线22为衬底表面生长增透膜后的反射率曲线。
图3是GaAs陪片的透射率曲线图，曲线31为没有生长增透膜的透射率曲线，曲线32为生长增透膜后的透射率曲线。
具体实施方式
下面结合附图，以光敏元阵列为320x240的碲镉汞红外焦平面模块为实例对本发明的实施方式做详细说明：
本发明中所说的光伏型碲镉汞红外焦平面模块，包括带有铟柱阵列4的光伏型碲镉汞320x240探测器芯片2，探测器芯片与带有铟柱阵列5的320x240读出电路8采用倒焊互连技术互连在一起，焦平面探测器通过一种聚氨酯改性环氧树脂9黏附在宝石片电极基板11上，当环氧树脂固化后，得到碲镉汞红外焦平面模块。焦平面模块通过深减薄抛光工艺，将探测器芯片的衬底3减薄至40～50微米，提高器件的高低温循环可靠性。焦平面探测器通过键压引线7完成信号引出，使焦平面模块通过宝石片11上的电极引脚10可以方便的进行信号读出。在电路压脚6，键压引线7和宝石片11上的电极引脚10覆盖一层光致抗蚀剂，保护电路压脚和宝石片上的电极引脚，露出经过减薄抛光的探测器衬底3表面生长增透膜1。
本发明中的磁控溅射制备增透膜能够保证在深减薄抛光后的探测器衬底表面低温生长具有良好附着性能的增透射薄膜，通过工艺参数的优化，使增透射薄膜的降低反射的波段满足中波光伏型碲镉汞红外探测器的需要，同时能够有效保护320x240电路压脚，键压引线和宝石电极基板，避免在这些区域附着生长绝缘薄膜。本实例中的320x240碲镉汞红外探测器芯片是GaAs衬底的探测器芯片，GaAs衬底折射率为3.3，采用本发明中的磁控溅射方法生长的ZnS薄膜经过拟合测试，其折射率为2.1，根据理论计算其生长厚度为0.5微米，能保证探测器在3.5～5微米范围内具有良好的增透射效果。磁控溅射工艺条件：设定氩气流量为50SCCM，腔体压强为1x10-4帕斯卡，溅射功率为30W时，薄膜溅射速率为0.55纳米/分钟，溅射功率为50W时，薄膜溅射速率为2.3纳米/分钟，为了在生长过程中有效释放热应力，以及保证样品生长时温度为40～50摄氏度，每生长1小时，停止生长30分钟，生长时间溅射功率30W为1小时，溅射功率50W为3.5小时，采用该工艺可获得薄膜厚度为0.5微米的ZnS薄膜。图2是本实例实施测量得到的探测器衬底表面反射率曲线，曲线21为衬底表面没有生长增透膜的反射率曲线，曲线22为衬底表面生长增透膜后的反射率曲线。图3是GaAs陪片的透射率曲线图，由于焦平面模块无法对透射率进行直接测量，因此采用衬底材料GaAs陪片以同样的工艺条件生长增透膜，测量陪片的透射率曲线。曲线31为没有生长增透膜的透射率曲线，曲线32为生长增透膜后的透射率曲线。从图中可以看出，生长了增透膜以后，在3.5～5微米范围内探测器衬底表面的反射率从30％降到6.5％，透射率从53％提高到65％。通过测量320x240焦平面模块的响应率，生长增透膜后其响应率提高15～20％。目前本发明的结果已经应用于320x240，128x128，640x512等碲镉汞红外焦平面模块的增透膜制备中。

Claims (2)

1.一种集成有增透膜的中波光伏型碲镉汞红外焦平面，它由增透膜(1)、碲镉汞芯片(2)、衬底(3)、碲镉汞芯片上的铟柱阵列(4)、信号读出电路的铟柱阵列(5)、键压引线(7)、信号读出电路(8)、聚氨酯改性环氧树脂(9)和宝石片引线基板(11)构成，该焦平面结构为：在衬底(3)上外延生长的碲镉汞薄膜采用半导体工艺获得带有铟柱阵列(4)的碲镉汞芯片(2)，减薄抛光后的衬底(3)表面生长有增透膜(1)，碲镉汞探测器与带有铟柱阵列(5)的信号读出电路(8)通过倒焊互联工艺连接在一起，读出电路(8)通过聚氨酯改性环氧树脂(9)固定在宝石片引线基板(11)上，通过键压引线(7)完成信号引出；其特征在于：所述的衬底(3)减薄抛光至40～50微米；所述的增透膜(1)是直接镀制在衬底(3)上的ZnS薄膜。
2.一种基于权利要求1所述的中波光伏型碲镉汞红外焦平面集成的增透膜的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
A.焦平面模块的清洗
将碲镉汞红外焦平面放入三氯乙烯中浸泡24小时，然后分别用三氯乙烯、乙醚、丙酮、酒精浸泡清洗；
B.焦平面模块的保护
在碲镉汞红外焦平面模块的电路压脚，键压引线和宝石片上的电极引脚覆盖一层光致抗蚀剂，保护电路压脚和宝石片上的电极引脚，放入65摄氏度的烘箱中进行烘干，露出碲镉汞红外焦平面模块中探测器经过减薄抛光后的衬底表面；
C.增透膜生长
①将保护完好的碲镉汞红外焦平面模块放入磁控溅射镀膜设备的溅射腔体，在碲镉汞红外焦平面模块减薄抛光后的衬底表面低温生长ZnS薄膜；
②设定氩气流量为50SCCM，腔体压强为1x10-4帕斯卡；
③溅射功率为30W时，薄膜溅射速率为0.55纳米/分钟，溅射功率为50W，薄膜溅射速率为2.3纳米/分钟，每生长1小时，停止生长30分钟，保证样品生长温度为40～50摄氏度。先采用溅射功率30W生长1小时，然后调整溅射功率为50W生长3.5小时，获得薄膜厚度为0.5微米；
D.焦平面模块剥离
将生长了增透膜的碲镉汞红外焦平面模块，放入丙酮中浸泡30分钟，剥离电路表面和宝石片表面的光致抗蚀剂和ZnS薄膜；再用丙酮、酒精将焦平面模块清洗干净。
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