CN102998002B - 一种红外焦平面阵列及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种红外焦平面阵列，包括多个红外探测单元，所述红外探测单元包括衬底、光敏元件和聚能微透镜，所述光敏元件悬空于衬底上，光敏元件的光敏吸收层覆盖在光敏元件的电路层上，所述的聚能微透镜悬空于光敏元件的光敏吸收层上方，通过微透镜支撑柱与光敏元件连接。相应的，本发明还提供一种红外焦平面阵列的制作方法。本发明的红外焦平面阵列在光敏元件阵列的正向集成了聚能微透镜，所述聚能微透镜将入射在其上的红外光线直接汇聚到光敏元件的红外吸收层，不会被红外吸收层下方的电路层吸收而造成红外焦平面的吸收因子降低。本发明的制作过程不会破坏光敏元件的性能。

Description

一种红外焦平面阵列及其制作方法

技术领域

本发明涉及红外探测器领域，特别涉及一种集成有聚能微透镜阵列的红外焦平面阵列及其制作方法。

背景技术

红外成像技术在民用和军用领域都有极为广泛的应用，一直是军事领域不可替代的实用技术之一，如用于远距离警戒系统以及武器瞄准系统、单兵便携式夜视仪、头盔夜视仪以及红外搜索与跟踪系统等，而红外焦平面阵列IRFPA(infrared focal plane array，红外焦平面阵列)的设计又是红外成像系统中的最为核心的一项技术。IRFPA的焦平面上排列着光敏元件阵列，从无限远处发射的红外线经过光学系统成像在红外焦平面的这些光敏元件上，包括IRFPA的探测器将接受到的光信号转换为电信号并进行积分放大、采样保持，通过输出缓冲和多路传输系统，最终送达监视系统形成图像。

目前已经研制出的IRFPA的感光元件中光敏吸收区面积约占光敏元件面积的40％，只有照射到光敏吸收区的平行入射光的40％被光敏元件吸收利用，其余60％左右的入射光由于没有照射到光敏吸收区而不能被光敏元件利用，这部分没有被利用的光线称为“死光”。IRFPA的填充因子是被红外焦平面阵列有效利用的光线占入射光线的比例，现有IRFPA的填充因子约为40％。随着IRFPA的进一步研究，光敏吸收区在焦平面中的面积比例会越来越小，所以如何收集那些不能被利用的“死光”，提高IRFPA填充因子是一个急需解决的问题。在现有IRFPA上集成聚能微透镜阵列，正是解决这一问题的最佳方法。利用微透镜阵列与IRFPA的集成，可以聚集“死光”到红外焦平面的光敏吸收区，在不增大光敏吸收区面积的情况下提高红外焦平面阵列的填充因子，并且可以进一步减小像元尺寸，留给外接分析电路更大的空间以增大成像分辨率，进而提高IRFPA的探测灵敏度。

目前已经成功制作了背向集成聚能透镜阵列的IRFPA，如图1，首先在已经制作完成光敏元件阵列100(虚线框中所示)的硅衬底101的背向光敏吸收区的一面旋涂光刻胶，然后进行对准光刻和刻蚀，经过热熔融后形成光刻胶微透镜阵列，最后经过刻蚀转移技术得到硅微透镜阵列102。这种集成方式整体结构比较紧凑，可靠性比较高。但是光敏元件包括悬臂103、光敏吸收层104和电路层105，光敏元件通过悬臂悬空在衬底上，光敏吸收层覆盖在电路层上。在这种背向集成方式中，入射光经过聚能微透镜汇聚后必须经过光敏元件的电路层105才能到达光敏吸收层104而被吸收利用，这样会有一部分光线被电路层吸收和反射，造成不必要的光能损失。

另外，这种背照式集成方式，在制作硅微透镜阵列时，工艺流程会对已经制作好的光敏元件有一定的影响，高温的制作环境甚至会破坏光敏元件的结构。在背向光敏吸收区的衬底上制作聚能微透镜，实现微透镜与光敏吸收区的精确对准也比较困难。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种IRFPA，在光敏元件阵列的正向集成聚能微镜阵列，提高IRFPA的填充因子，进而提高其探测灵敏度。

为实现上述目的，本发明提供一种红外焦平面阵列，包括多个红外探测单元，所述红外探测单元包括衬底、光敏元件和聚能微透镜，其中，

所述光敏元件悬空于衬底上，光敏元件的光敏吸收层覆盖在光敏元件的电路层上；

所述的聚能微透镜悬空于光敏元件的光敏吸收层上方，通过微透镜支撑柱与光敏元件连接。

优选地，所述的聚能微透镜将照射在其上的入射光线全部汇聚在光敏元件的光敏吸收区。

优选地，所述的聚能微透镜为凸透镜。

优选地，所述的微透镜支撑柱为中空棱柱状，微透镜支撑柱的顶端形状与聚能微透镜的边缘形状相同。

优选地，所述的聚能微透镜为厚度相同的壳状透镜。

可选地，所述的微透镜支撑柱的材料为能够透过红外光线的材料。

优选地，所述的微透镜支撑柱的顶端支撑在所述微透镜下表面的中心。

可选地，所述的微透镜支撑柱的底端位于所述光敏吸收层上。

可选地，所述的微透镜的材料为聚碳酸酯PC、聚苯乙烯PS或光刻胶。

相应地，本发明还提供一种红外焦平面阵列的制作方法，包括步骤：

提供包括光敏元件阵列的衬底，所述衬底还包括位于光敏元件下方的牺牲层；

在所述衬底的光敏元件一侧沉积微透镜牺牲层，在所述微透镜牺牲层中制作微透镜支撑柱；

在包括微透镜牺牲层的衬底上涂覆微透镜材料层，刻蚀所述微透镜材料层形成微透镜材料阵列；

热处理微透镜材料阵列形成聚能微透镜阵列；

释放微透镜牺牲层和光敏元件的牺牲层。

可选地，刻蚀所述微透镜材料层形成微透镜材料阵列步骤包括在微透镜材料层上多次刻蚀形成塔状台阶型微透镜阵列。

可选地，所述热处理微透镜材料阵列形成聚能微透镜阵列，采用热熔融微透镜材料方法形成聚能微透镜阵列。

可选地，所述热处理微透镜材料阵列形成聚能微透镜阵列，采用热压印方法形成聚能微透镜阵列。

优选地，在热处理微透镜材料阵列形成聚能微透镜阵列步骤后还包括对聚能微透镜进行热处理步骤。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明提供的红外焦平面阵列，包括多个红外探测单元，所述红外探测单元包括衬底、光敏元件和聚能微镜，所述光敏元件悬空于衬底上，光敏元件的光敏吸收层覆盖在光敏元件的电路层上；所述的聚能微透镜悬空于光敏元件的光敏吸收层上方，通过微透镜支撑柱与光敏元件连接。本发明IRFPA的聚能微透镜悬空在光敏吸收区上方，实现了聚能微镜阵列的正向集成。入射光经过聚能微透镜折射后直接照射到微透镜下方的光敏吸收层，不需要经过光敏吸收层下侧的电路层，不会造成红外光线被电路层吸收和反射而引起不必要的光能损失。

另外，本发明的IRFPA在制作微透镜阵列时，与IRFPA的制作工艺相结合，不会对制作IRFPA有破坏作用。在光敏元件的光敏吸收区上方制作微透镜，容易实现微透镜与光敏吸收区的精确对准。

附图说明

通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1为背景技术中红外焦平面阵列的剖面示意图；

图2为本发明红外焦平面阵列的剖面示意图；

图3为本发明红外焦平面阵列的制作流程图；

图4至图9是本发明红外焦平面阵列制作过程中的剖面示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制造中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

现有集成有聚能微透镜阵列的IRFPA是在背向光敏元件的衬底硅表面上制作出微透镜，所述的微透镜将入射光线汇聚到光敏元件的光敏吸收层上，达到提高IRFPA填充因子的目的。由于微透镜制作在背向光敏吸收层的衬底硅表面上，而在光敏吸收层和硅衬底之间包括金属电路层，微透镜汇聚的部分入射光必须经过金属电路层才能到达光敏吸收层。金属电路层会吸收照射在其上的红外光线，这会导致红外光能的损失，导致红外焦平面阵列的填充因子较低。

为了克服现有技术的缺点，本发明提供一种集成有聚能微透镜阵列的IRFPA，在光敏元件的光敏吸收层上方制作了聚能微透镜阵列，聚能微透镜阵列将汇聚的入射光直接照射到光敏吸收层，解决了光线被光敏吸收层下方的金属电路层吸收的问题，有利于提高集成聚能微透镜阵列的IRFPA的填充因子。

图2是本发明的红外焦平面阵列的剖面示意图，IRFPA的红外探测单元包括衬底201、光敏元件200和聚能微透镜203，光敏元件200悬空在衬底硅201上，光敏元件200的光敏吸收层202位于背向衬底一侧，聚能微透镜203悬空在光敏元件的上方，由微透镜支撑柱204与光敏元件连接，入射光经过微透镜203后汇聚到光敏吸收层202上。本发明的IRFPA的聚能微透镜位于光敏元件的光敏吸收层上方，经过聚能微透镜的入射光直接照射到光敏吸收层上，不需要经过光敏元件的电路层205，避免了被电路层吸收而造成光能的浪费。图2中只列出了2个红外探测单元，实际的IRFPA中包括多个这样的红外探测单元。与现有的背照式集成聚能微透镜的IRFPA相比，本发明的IRFPA可以避免光敏元件的电路层对光线的吸收，可以提高入射红外光的利用率，即提高IRFPA的填充因子。

为了更清楚地描述本发明的红外焦平面阵列，下面详细描述本发明的制作过程。图3是本发明IRFPA的制作流程图，下面结合附图对本发明的IRFPA制作过程进行详细描述。

步骤S1，提供衬底，所述衬底上表面包括光敏元件阵列，以及位于光敏元件阵列下方的牺牲层。

为了实现本发明的目的，需要在光敏元件的光敏吸收层上方制作聚能微透镜阵列。由于制作聚能微透镜阵列也需要制作微透镜牺牲层，并在制作完成微透镜阵列后将微透镜牺牲层释放，形成悬空的聚能微透镜。而衬底的光敏元件下方的牺牲层也需要释放形成悬空的光敏元件，这样可以在制作完成聚能微透镜制作后一起释放微透镜牺牲层和光敏元件的牺牲层，简化了制作本发明所述红外焦平面的工艺。

这里所述的光敏元件至少包括光敏吸收层和与红外探测必然相关的电路层，所述的光敏吸收层覆盖在电路层上，光敏元件的电路层下方是光敏元件的牺牲层。这里所述的衬底是硅，在硅衬底上包括红外光敏元件以及光敏元件的牺牲层，以及释放该牺牲层的释放孔，该牺牲层可以采用非晶硅。

由于后续制作聚能微透镜时需要在比较高的温度熔融微透镜材料，所述本实施例中衬底上光敏元件的材料都是耐高温的材料。

步骤S2，在所述衬底的光敏元件阵列上沉积微透镜牺牲层，在微透镜牺牲层中制作微透镜支撑柱。

由于本发明的IRFPA的微透镜阵列悬空在光敏元件上，需要制作微透镜的支撑柱。

参见图4，在包括光敏元件300的衬底上沉积微透镜牺牲层301，该层牺牲层的厚度由微透镜的下表面与光敏吸收层的距离决定，该牺牲层材料可以是与光敏元件的牺牲层相同的非晶硅。在微透镜牺牲层上涂覆光刻胶，在相邻光敏元件的中心位置处刻蚀得到2至4μm宽度的沟槽302，沟槽的底部露出光敏元件。这样在光敏元件的周围形成一圈沟槽，在后续步骤中填充在沟槽中的材料将形成空心柱状的微透镜支撑柱，根据光敏元件阵列中光敏元件的排列方式，该步骤中形成的沟槽围成的区域的端面可以是正方形、正六边形等形状。本发明的微透镜支撑柱材料可以与微透镜材料相同，也可以采用不同于微透镜的材料。如果采用不同于微透镜的材料，需要在上述沟槽中填充微透镜支撑柱材料，例如填充多晶硅。如果采用与微透镜相同的材料，在本步骤中可以不填充上述沟槽，在后续制作微透镜时制作微透镜支柱。

另外微透镜支撑柱也可以是实心柱状，参见图5，在包括光敏元件的衬底上沉积微透镜牺牲层311，该层牺牲层材料可以是与光敏元件的牺牲层相同的非晶硅。在微透镜牺牲层上涂覆光刻胶，在每个光敏元件的光敏吸收层中心位置处刻蚀得到2至4μm尺寸的通孔312，通孔的底部露出光敏吸收层，在后续步骤中填充在该通孔中的材料将形成柱状的微透镜支撑柱。然后在该通孔中填充支撑柱材料。由于该支撑柱位于光敏吸收层上方，要求支撑柱材料是可以透过红外光的材料，并且与微透镜牺牲层材料具有不同的刻蚀选择比，例如微透镜牺牲层材料采用非晶硅，支撑柱材料采用多晶硅等。

步骤S3，在包括微透镜牺牲层的衬底上涂覆微透镜材料层，刻蚀所述微透镜材料层形成微透镜材料阵列。

本发明采用的微透镜材料可以是聚碳酸酯PC、聚苯乙烯PS或光刻胶。涂覆微透镜材料前先要去除用于刻蚀微透镜牺牲层时涂覆的光刻胶。

参见图6，以上述步骤中在光敏元件的周围形成一圈微透镜牺牲层沟槽为例，在微透镜牺牲层301上涂覆微透镜材料303，并在对应微透镜牺牲层沟槽的位置处刻蚀微透镜材料形成1至2μm尺寸的凹槽，该凹槽的底部没有露出光敏元件，凹槽的侧壁填充在微透镜牺牲层的沟槽中将作为微透镜的支撑柱。这样在微透镜材料的表面形成了微透镜材料的阵列，该阵列与光敏元件阵列相对应。

为了在后续步骤中更容易形成表面圆滑的聚能微透镜，可以在微透镜材料上进行多次刻蚀，参见图7，形成塔状阶梯型微透镜材料305。这里进行了四次刻蚀得到图7所示的形成塔状阶梯型结构，也可以进行更多次刻蚀，形成更加接近微透镜形状的结构。

步骤S4，热处理微透镜材料阵列形成聚能微透镜阵列。

为制得球冠结构的微透镜阵列，需要把微透镜材料加热至熔融状态，此时微透镜材料变成液态并可以流动，在其表面张力的作用下便形成了球冠结构的微透镜阵列。由于微透镜材料采用的是非晶态聚合物或光刻胶，是含有多种化学成分的混合物，因此其熔点并不是唯一确定的温度，而是一个温度范围。熔化状态的微透镜材料的表面张力与温度有直接的关系，而表面张力又直接影响到微透镜阵列的形状，所以采用恒温加热、逐渐升温式加热以及跳跃式加热方法所获得的结果有很大差别。本实施例中，将步骤S3制作好的包括微透镜材料的衬底放入50℃温控炉中，30分钟时间炉温从50℃逐渐升温至250℃，接着在250℃保温1小时，最后30分钟时间炉温从250℃逐渐降温至50℃，微透镜材料形成球冠状聚能微透镜，图8是本步骤形成微透镜的示意图，微透镜材料经过热处理后形成了球冠状的聚能微透镜306，该微透镜是凸透镜。这样在衬底的光敏元件阵列上方形成了聚能微透镜阵列。

由于这样形成的微透镜可能还存在表面缺陷，可以对上述形成的聚能微透镜再进行热处理，在300℃恒温箱中保温1小时，微透镜表面的缺陷会进行自我修复，得到更圆滑的微透镜表面形状。

根据采用的衬底上红外光敏元件阵列中光敏吸收层的排列方式，本发明的微透镜边缘形状可以是正方形或正六边形等能够填充整个平面的形状。

本发明的IRFPA也可以采用热压印法制作红外探测单元的聚能微透镜。按照需要的微透镜球冠形状预先制作好压印模板，压印模板由金属镍等硬性材料形成，利用压印模板在步骤S3制作的微透镜材料上进行热压印制作微透镜阵列。

当本发明IRFPA的微透镜支撑柱为空心棱柱状时，在S3步骤中涂覆比较薄的微透镜材料层，再经过热处理后熔融膨胀形成厚度相同的壳状透镜。

步骤S5，释放微透镜阵列牺牲层和光敏元件的牺牲层。

为了释放在步骤S2制作的微透镜阵列牺牲层，需要在聚能微透镜上制作多个释放孔。该释放孔的位置在每个聚能微透镜的边缘处，也就是聚能微透镜的厚度最小的位置，释放孔的尺寸最少要在孔的侧壁露出微透镜牺牲层材料。

采用氧气等离子体灰化工艺方法或XeF₂气相释放工艺方法刻蚀带有释放孔的聚能微透镜牺牲层和光敏元件的牺牲层，参见图2，是刻蚀去除微透镜牺牲层和光敏元件的牺牲层后的示意图，所述的释放孔未显示在图中。释放微透镜阵列的牺牲层和光敏元件的牺牲层后形成悬空的光敏元件200以及悬空在光敏元件上方的聚能微透镜203，聚能微透镜为下表面是平面上表面是球面的凸透镜。聚能微透镜与光敏元件之间通过微透镜支撑柱204连接，这里的微透镜支撑柱的材料与微透镜材料相同，微透镜支撑柱的顶端形状与聚能微透镜的边缘形状相同，支撑柱的形状为中空棱柱状。光敏元件和聚能微透镜组成了红外探测单元，多个这样的红外探测单元形成本发明的红外焦平面阵列。入射光通过聚能微透镜阵列汇聚后直接照射到光敏元件的光敏吸收层，不会被光敏吸收层下方的光敏元件的电路层吸收。合适的微透镜支撑柱高度和微透镜厚度可以将照射在聚能微透镜上的入射光全部折射后汇聚到光敏吸收层上，可以避免现有技术中入射光被电路层吸收而造成IRFPA的填充因子不高的问题。

对于聚能微透镜的支撑柱在光敏吸收层中心的情况，释放微透镜牺牲层和光敏元件的牺牲层后形成的红外焦平面阵列参见图9，红外探测单元包括聚能微透镜315和光敏元件310，光敏元件悬空在衬底上，聚能微透镜悬空在光敏元件上方，微透镜的支撑柱314连接聚能微透镜和光敏元件，微透镜的支撑柱位于光敏元件的光敏吸收层中心位置，同时也位于聚能微透镜的中心位置。本发明采用的支撑柱材料是可以透过红外光线的材料，所以位于光敏吸收区位置的支撑柱不会影响光敏吸收区对红外光线的吸收。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (5)

1.一种红外焦平面阵列的制作方法，其特征在于，包括步骤：

提供衬底，所述衬底上表面包括光敏元件阵列，以及位于光敏元件阵列下方的牺牲层；

在所述衬底的光敏元件上沉积微透镜牺牲层，在所述微透镜牺牲层中制作微透镜支撑柱；

在包括微透镜牺牲层的衬底上涂覆微透镜材料层，刻蚀所述微透镜材料层形成微透镜材料阵列；

热处理微透镜材料阵列形成聚能微透镜阵列；

释放微透镜牺牲层和位于光敏元件阵列下方的牺牲层。

2.根据权利要求1所述的红外焦平面阵列的制作方法，刻蚀所述微透镜材料层形成微透镜材料阵列步骤包括在微透镜材料层上多次刻蚀形成塔状台阶型微透镜阵列。

3.根据权利要求1所述的红外焦平面阵列的制作方法，所述热处理微透镜材料阵列形成聚能微透镜阵列，采用热熔融微透镜材料方法形成聚能微透镜阵列。

4.根据权利要求1所述的红外焦平面阵列的制作方法，所述热处理微透镜材料阵列形成聚能微透镜阵列，采用热压印方法形成聚能微透镜阵列。

5.根据权利要求1所述的红外焦平面阵列的制作方法，在热处理微透镜材料阵列形成聚能微透镜阵列步骤后还包括对聚能微透镜进行热处理步骤。