CN102491255A - 一种红外动态场景生成芯片的制作方法 - Google Patents

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钱丽勋
李卓
韩阶平
欧文
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Beijing Institute of Technology BIT
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BEIJING JINSHENGWEINA TECHNOLOGY Co Ltd
Beijing Institute of Technology BIT
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Abstract

本发明涉及一种红外动态场景生成芯片的制作方法，属于动态红外场景生成技术领域。本方法在衬底上制作牺牲层，然后在牺牲层上采用旋涂法形成PI薄膜，在薄膜上制作可见光吸收红外辐射层的像元阵列，并利用腐蚀法剥离薄膜，该发明操作步骤包括：衬底选择和清洗，牺牲层的制作，PI薄膜层制作，可见光吸收红外辐射层制作，像素阵列制作，薄膜芯片剥离以及薄膜芯片固定。制作过程PI层经过了热处理，大大提过了薄膜的质量。薄膜上的可见光吸收红外辐射层形成了像元阵列，改善了Bly元件无物理像元的缺陷。薄膜芯片制作时采用MEMS工艺，可控性高，成功率高。制作过程中的一些材料可以反复使用，降低了成本。

Description

一种红外动态场景生成芯片的制作方法
技术领域
本发明涉及一种红外动态场景生成芯片的制作方法，属于动态红外场景生成技术领域。 
背景技术
红外场景产生技术是红外成像制导半实物仿真系统的核心技术，对红外成像制导技术半实物系统仿真有及其重要的作用。动态红外场景产生技术在实验室条件下模拟目标和背景的红外辐射特性，为被测试的红外图像传感器提供实时红外目标和背景的红外图像源。 
动态红外图像生成技术可归纳为直接辐射型和辐射调制型两种类型。 
对于直接辐射型图像转换器来说，其成像像元自身产生辐射，辐射强度由计算机图像生成系统控制，主要转换器件有电阻阵列、激光二极管阵列、红外阴极射线管、Bly元件和基于光纤的红外图像生成器等。 
对于辐射调制型图像转换器来说，其实际上是空间光调制器，计算机图像生成系统控制对器件的读出光进行空间强度调制，主要转换器件有液晶光阀、数字微镜器件(DMD)、薄膜空间光调制器等。 
在上述这些转换器件中，液晶光阀、Bly元件、电阻阵列、数字微镜器件(DMD)和激光二极管阵列在红外图像系统半实物仿真试验中得到实际应用。 
电阻阵列通过电阻单元内的控制电路控制流过每个电阻的电流就可以控制每个电阻的温度，从而达到显示红外图像的目的。但是，硅桥电阻阵列的缺陷是像元尺寸大，占空比低，难以发展较大尺寸的电阻阵列，空间分辨率低。 
数字微镜器件(DMD)的每个像素点就是一个微小镜片，每个镜片都可以通过电路控制偏转来调整反射光线的强弱。基于数字微镜器件(DMD)技术的红外场景产生器件在最近几年得到了迅猛发展，目前报道的最高分辨率已经达到了1920×1080[17]。该红外图像发生器优点是可以对较宽光谱的读出光进行调制，生成图像对比度高，技术成熟且已经有了广泛的应用，但它加工工艺相当复杂，这阻碍了它的进一步发展。 
基于光纤的红外图像生成器是将光纤做成光纤束，然后将光纤束切成需 要的面板形式并固定于玻璃基板上，最后在光纤端面制作可见光吸收膜层和红外发射膜层。基于光纤的红外图像生成器的工作原理和Bly元件相同，只是用光纤做“空间采样”从而提高了空间分辨率，但是玻璃基板的制冷效果差影响了转换图像质量，且其制作工艺复杂，制作过程可控性差。 
Bly元件是一种镀金黑的薄膜，它吸收可见光图像的辐射，引起薄膜发热，金黑薄膜上产生与可见光图像相对应的红外图像。薄膜越薄响应速度越快，但是薄膜太薄(20～200nm)时机械性能就很差，不能做成大面积，因此空间分辨率低；通常不能承受500K以上的温度。 
发明内容
本发明提出了一种红外动态场景生成芯片的制作方法，该方法在衬底上制作牺牲层，然后在牺牲层上采用旋涂法形成PI薄膜，在薄膜上制作像元阵列，并利用腐蚀法剥离薄膜。 
该方法实现的具体过程如下： 
步骤一：选择操作面平整的衬底，衬底大小根据实际使用需要确定； 
步骤二：清洗衬底操作面；依次使用超声波、丙酮、乙醇和去离子水清洗衬底操作面； 
步骤三：在衬底的操作面上制作一层牺牲层，制作牺牲层的材料能被剥离PI薄膜的剥离液反应溶解，牺牲层厚度由制作PI薄膜层的厚度和面积决定，制作PI薄膜层厚度越小，所需牺牲层的厚度小；制作PI薄膜层面积越大，所需牺牲层厚度越大； 
步骤四：利用涂胶机在制作的牺牲层表面旋涂PI原液层； 
步骤五：将PI原液层进行热处理，形成PI薄膜层；热处理的温度和时间根据所需要制作的PI薄膜层厚度和性能决定； 
步骤六：在PI薄膜上制作可见光吸收红外辐射层；可见光吸收红外辐射层的材料根据需要选择，且适合MEMS工艺加工，不影响后续操作。 
步骤七：在可见光吸收红外辐射层光刻像元阵列图形；光刻的步骤包括：涂胶、前烘、曝光、显影、后烘。 
步骤八：将像元阵列图形转移到可见光吸收红外辐射层；选择合适的工艺将光刻后的像元阵列图形转移到可见光吸收红外辐射层。选择的工艺不能 破坏薄膜芯片的其他部位。 
步骤九：去除剩余的光刻胶；像元阵列转移到可见光吸收红外辐射层后，光刻时作为图形胶可能还未完全消耗，所以要将胶去除。去除胶的工艺不能破坏薄膜芯片的其他部位。 
步骤十：剥离薄膜芯片；将包括衬底、牺牲层和薄膜芯片在内的片子放入剥离液中，腐蚀牺牲层材料，将薄膜芯片从衬底上分离。所用剥离液不能破坏薄膜芯片。 
步骤十一：固定薄膜芯片；将剥离后的薄膜芯片利用夹具固定，并在烘箱中烘干芯片上的残留水，完成薄膜芯片的制作。 
有益效果 
本发明方法相对于现有技术的优点在于： 
1、制作过程PI经过了热处理，大大提高了薄膜的质量。 
2、薄膜上制作了像元阵列，改善了Bly元件无物理像元的缺陷。 
3、薄膜芯片制作时采用MEMS工艺，可控性高，成功率高。 
4、制作过程中的一些材料可以反复使用，降低了成本。 
附图说明
图1为本发明方法实施过程的示意图； 
图2为薄膜芯片的整体示意图。 
具体实施方式
本发明提出了一种红外动态场景生成芯片的制作方法，该方法在衬底上制作牺牲层，然后在牺牲层上采用旋涂法形成PI薄膜，在薄膜上制作像元阵列，并利用腐蚀法剥离薄膜。 
下面结合附图以一个具体的制作过程为例，对本发明进行详细描述。本发明的步骤如图1所示，具体包括： 
步骤一：选择单面抛光的硅片作为衬底，因为抛光后的硅片具有极好的平整性，适合操作，硅片大小选择4寸。 
步骤二：依次使用超声波、丙酮、乙醇和去离子水清洗衬底操作面； 
步骤三：在衬底操作面上制作一层牺牲层； 
牺牲层材料选择使用SiO2，牺牲层厚度为1μm，制作时牺牲层致密性要好，保证牺牲层的光滑，方便下一步制作。 
步骤四：制作PI原液层； 
利用涂胶机在牺牲层表面旋涂PI原液层。PI液的浓度为12％，涂胶机的转速为6000r/min，涂胶时间为60s。经测试，使用此参数制作的PI层经热处理后厚度为0.2μm。 
步骤五：将PI层进行热处理，形成PI薄膜层； 
热处理过程选择为在烘胶台上阶梯升温，具体参数为100℃烘30分钟，200℃烘20分钟，300℃烘30分钟，350℃烘10分钟。 
步骤六：在PI薄膜层上制作可见光吸收红外辐射层； 
使用钨作为可见光吸收红外辐射层的材料，用磁控溅射的方法进行制作，制作厚度为0.5μm。 
步骤七：在可见光吸收红外辐射层光刻像元阵列图形； 
光刻的步骤包括：涂胶、前烘、曝光、显影、后烘。制作的图像大小为30μm ×30μm，图形间距为20μm。 
步骤八：将像元阵列图形转移到可见光吸收红外辐射层； 
光刻后，使用离子束刻蚀的方法去除光刻图形间距处的钨，将光刻图像转移到可见光吸收红外辐射层，形成可见光吸收红外辐射层像元阵列。 
步骤九：去除剩余的光刻胶； 
离子束刻蚀完毕后，作为光刻图像的光刻胶并未完全消耗，在制作过程中，选择将残留光刻胶制作为可见光吸收红外辐射层一部分的方法。 
将离子束刻蚀后的片子放入反应离子刻蚀机中，在离子束刻蚀机中通入Ar气，用大功率(500W)离子束轰击残留的光刻胶，将残留的光刻胶碳化，作为可见光吸收红外辐射层的一部分。 
步骤十：剥离薄膜芯片； 
将包括衬底、牺牲层和薄膜芯片在内的片子放入剥离液中，剥离液为15％的氢氟酸，此浓度的氢氟酸能够有效的腐蚀牺牲层SiO2，但对薄膜芯片的其他部分没有影响。牺牲层被完全腐蚀后，薄膜芯片与衬底脱离。 
步骤十一：固定薄膜芯片； 
将剥离后的薄膜芯片利用夹具固定，并在烘箱中烘干芯片上的残留水， 完成薄膜芯片的制作。 
利用此方法制作的薄膜型红外动态场景生成芯片如图2所示，PI薄膜厚度0.2μm，可见光吸收红外辐射像素厚度0.5μm，芯片有效利用面积65mm×65mm，物理像元达到了1280×1280，帧频100Hz，最高温度250℃，均匀性94％。 

Claims (8)

1.一种红外动态场景生成芯片的制作方法，其特征在于：具体实施过程如下：
步骤一：选择操作面平整的衬底；
步骤二：清洗衬底操作面；
步骤三：在衬底的操作面上制作一层牺牲层；
步骤四：利用涂胶机在步骤三制作的牺牲层表面旋涂PI原液层；
步骤五：将PI原液层进行热处理，形成PI薄膜层；
步骤六：在PI薄膜层上制作可见光吸收红外辐射层；
步骤七：在可见光吸收红外辐射层光刻像元阵列图形；
步骤八：将像元阵列图形转移到可见光吸收红外辐射层；
步骤九：去除剩余的光刻胶；
步骤十：剥离薄膜芯片；
步骤十一：固定薄膜芯片；完成薄膜芯片的制作。
2.根据权利要求1所述的一种红外动态场景生成芯片的制作方法，其特征在于：依次使用超声波、丙酮、乙醇和去离子水清洗衬底操作面。
3.根据权利要求1所述的一种红外动态场景生成芯片的制作方法，其特征在于：制作牺牲层的材料能被剥离PI薄膜的剥离液反应溶解，制作PI薄膜层厚度越小，所需牺牲层的厚度小；制作PI薄膜层面积越大，所需牺牲层厚度越大。
4.根据权利要求1所述的一种红外动态场景生成芯片的制作方法，其特征在于：可见光吸收红外辐射层的材料适合MEMS工艺加工，不影响后续操作。
5.根据权利要求1所述的一种红外动态场景生成芯片的制作方法，其特征在于：光刻的步骤包括：涂胶、前烘、曝光、显影、后烘。
6.根据权利要求1所述的一种红外动态场景生成芯片的制作方法，其特征在于：将光刻后的像元阵列图形转移到可见光吸收红外辐射层时的工艺不能破坏薄膜芯片的其他部位。
7.根据权利要求1所述的一种红外动态场景生成芯片的制作方法，其特征在于：剥离薄膜芯片的方法为：将包括衬底、牺牲层和薄膜芯片在内的片子放入剥离液中，腐蚀牺牲层材料，将薄膜芯片从衬底上分离；所用剥离液不能破坏薄膜芯片。 
8.根据权利要求1所述的一种红外动态场景生成芯片的制作方法，其特征在于：作为最佳实施，衬底为硅片，牺牲层材料选用SiO2。 
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