CN107063474B - 一种曲面焦平面探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种曲面焦平面探测器，所述探测器所述焦平面探测器为曲面，其曲率半径不小于3mm，其厚度不超过50μm，可以始终保持光线焦点在焦平面探测器上，从而保证最大程度的成像效果，适合应用于大视场或超大视场，超大面阵列高分辨率成像；还涉及上述曲面焦平面探测器的制备方法，先完成电极金属层的图形化处理，在电极金属层上制作与热敏薄膜的接触孔，可以向像元边缘拓展接触孔的尺寸，采用离子束反应溅射的方法制备热敏层薄膜，且对探测器进行减薄处理，减薄后弯曲定型，探测器的结构释放可以放在弯曲定型之前，也可以放在弯曲定型之后，形成的曲面焦平面探测器更适用于大视场或超大视场。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术中的微机电系统工艺制造领域，具体涉及一种曲面焦平面探测器及其制备方法。
背景技术
随着人们对各个波段电磁波的研究，21世纪以来，太赫兹成像技术渐渐进入了人们的视线。太赫兹的频率很高、波长很短，具有很高的时域频谱信噪比，且在浓烟、沙尘环境中传输损耗很少，可以穿透墙体对房屋内部进行扫描。与耗资较高、作用距离较短、无法识别具体爆炸物的X射线扫描仪相比，太赫兹成像具有独特优势，目前已经初步应用于检查邮件、识别炸药及无损探伤等安全领域。
高分辨率的图像成为必然的需求，现有方案均是平面焦平面阵列成像，在进入大规模高清(2K，4K)成像时，研究人员通过透镜和其它光学组件等复杂的系统来调整光路，使得光线聚焦在探测器焦平面(FPA)，以得到更好的成像效果，应用比较复杂。
使用平面焦平面探测器时，传统的小视场低分辨率的红外或太赫兹成像时，透镜聚焦所成的像均在主光轴附近，而且焦深足以覆盖探测器焦平面范围，形成清晰的像；但是，在进行大视场高分辨率成像的时候，视场边缘要成像，那随之而来的斜入射的光线也越来越多，这些光线的聚焦点会偏离焦平面，而且越往视场边缘，斜入射角度越大，成像的焦点会离主光轴越远，并逐渐离平面焦平面越来越远。当焦点距离平面超过焦深时，就会发生越往图像边缘越失真的现象。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的不足，提供一种不需要通过透镜和其它光学组件等复杂的系统就能实现高清成像的曲面焦平面探测器。
本发明中一种曲面焦平面探测器的技术方案如下：一种曲面焦平面探测器，包括一带有读出电路的半导体基座和与所述半导体基座电连接的探测器本体，所述焦平面探测器为曲面，其曲率半径不小于3mm，其厚度不超过50μm，所述读出电路和所述探测器本体的总厚度不超过10μm；
所述探测器本体包括绝缘介质层、金属反射层、第一支撑层、金属电极层，所述半导体基座上设有金属反射层和绝缘介质层，所述金属反射层包括若干个金属块；
所述金属块上设有第一支撑层，所述第一支撑层上设有第一通孔，所述第一通孔终止于所述金属块，所述第一支撑层上和第一通孔内设有金属电极层，所述金属电极层包括设置在所述第一支撑层上的金属电极和设置在所述第一通孔内的金属连线；
所述金属电极层上设有第一保护层，所述第一保护层上设有第二支撑层，所述第二支撑层上设有第二通孔，所述第二通孔终止于所述金属电极，所述第二支撑层上和第二通孔内设有电极金属层；
所述电极金属层上设有热敏层，所述热敏层不能完全覆盖电极金属层，所述热敏层通过所述电极金属层与所述金属电极层电连接；所述热敏层上和电极金属层上设有第二保护层。
本发明中曲面焦平面探测器的有益效果：可以始终保持光线焦点在焦平面探测器上，从而保证最大程度的成像效果；适合应用于大视场或超大视场，超大面阵列高分辨率成像。
进一步，所述第一支撑层和第二支撑层为氮化硅，所述第一保护层和第二保护层为氮化硅，其厚度为所述金属电极为V、Ti,NiCr,TiN薄膜。
本发明还涉及上述曲面焦平面探测器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：在包含读出电路半导体基座上制作金属反射层，并对金属反射层进行图形化处理，图形化后的金属反射层形成若干个金属块；所述金属块与半导体基座上的读出电路电连接；然后，在完成图形化金属反射层上沉积绝缘介质层，并对绝缘介质层进行图形化处理，并露出金属块；
步骤2：在所述的绝缘介质层上沉积第一牺牲层，并对第一牺牲层进行图形化处理，在图形化处理后的第一牺牲层上沉积第一支撑层；
步骤3：采用光刻和蚀刻的方法，蚀刻掉部分第一支撑层，第一支撑层蚀刻终止于所述金属块，形成第一通孔，在所述第一通孔内和所述第一支撑层上沉积金属电极层，并对金属电极层进行图形化处理，形成金属电极和金属连线；
步骤4：在图形化后的金属电极层上沉积第一保护层；
步骤5：采用光刻和蚀刻的方法，蚀刻掉部分所述第一保护层和第一支撑层，蚀刻终止于所述第一牺牲层，露出部分第一牺牲层；
步骤6：在蚀刻后的第一保护层和露出的第一牺牲层上沉积第二牺牲层，并对第二牺牲层进行图形化处理，在图形化处理后的第二牺牲层上沉积第二支撑层；
步骤7：采用光刻和蚀刻的方法，蚀刻掉部分第二支撑层和第一保护层，形成第二通孔，所述第二通孔蚀刻终止于所述金属电极，然后，在所述第二支撑层和第二通孔内沉积电极金属层，并对电极金属层进行图形化处理，蚀刻掉部分电极金属，露出部分第二支撑层；
步骤8:在图形化后的电极金属层和露出的第二支撑层上沉积热敏层；
步骤9：在热敏层上沉积第二保护层，并对第二保护层进行图形化处理；
步骤10：减薄处理，利用减薄设备，将半导体底座的厚度减薄至50μm以内，减薄后在背面贴膜；
步骤11：先进行结构释放，去掉牺牲层形成微桥结构；再对探测器弯曲定型：将带有背面贴膜的所述焦平面探测器用受力均匀的圆环或圆筒固定，在背面抽真空或正面加高压，使探测器焦平面随膜变形成曲面，根据施加的压力控制曲面曲率半径，使其曲率半径不小于3mm，然后，采用物理或化学的方法，使曲面保持固定曲率，使其不再回复平面状态。
本发明中一种曲面焦平面探测器的制备方法的有益效果是：
(1)先完成电极金属层的图形化处理，在电极金属层上制作与热敏薄膜的接触孔，可以向像元边缘拓展接触孔的尺寸，增加了像元的填充系数，降低工艺难度且降低热敏薄膜和电极之间的接触电阻，为更小像元尺寸的研发和生产打下基础；
(2)探测器的厚度减薄至50μm以内，再对平面焦平面探测器进行弯曲定型处理，形成曲面焦平面探测器可以始终保持光线焦点在探测器上，从而保证最大程度的成像效果，适合应用于大视场或超大视场，超大面阵列高分辨率成像。
进一步，步骤11中先对所述焦平面探测器进行弯曲定型：将带有背面贴膜的探测器用受力均匀的圆环或圆筒固定，在正面用一柔性圆头顶杆去挤压探测器表面，顶杆圆头半径可以从3mm到∞，使探测器形成曲面，然后，使用机械或化学的方法使曲面保持固定曲率，使其不再回复平面状态；然后，进行结构释放，去掉牺牲层形成微桥结构。
采用上述进一步技术方案的有益效果是：先不对探测器进行结构释放，此时可以使用柔性圆头顶杆去挤压探测器，待探测器弯曲定型后，再进行结构释放，工艺更加简单。
进一步，使用烘烤的方法使所述探测器保持固定曲率，使其不再回复平面状态。
进一步，使用弱碱或弱酸性溶液浸泡所述探测器，使其保持固定曲率，不再回复到平面状态。
进一步，所述的绝缘介质层为氮化硅薄膜或者氧化硅薄膜，厚度为
进一步，所述第一牺牲层和第二牺牲层均为聚酰亚胺或者非晶碳，其厚度均为1.0～2.5μm。
进一步，金属反射层的厚度为金属反射层对波长为8～14μm的红外光的反射率在99％以上。
进一步，在步骤8中，采用离子束反应溅射的方法沉积热敏层，所述热敏层薄膜为氧化钛、氧化钒、氧化锰、氧化铜、氧化钼、氧化铌、氧化钴、氧化钨、多晶硅或BaTiO3。
进一步，所述第一支撑层和第二支撑层均为氮化硅，其厚度为
进一步，所述金属电极层为V、Ti,NiCr,TiN薄膜，所述金属电极层的厚度为
进一步，所述的热敏层厚度为热敏层方阻为50～5000KΩ。
附图说明
图1为本发明金属反射层和绝缘介质层形成示意图；
图2为本发明第一牺牲层和第一支撑层形成示意图；
图3为本发明金属电极和第一保护层形成示意图；
图4为本发明第一保护层和第一支撑层图形化示意图；
图5为本发明第二牺牲层和第二支撑层形成示意图；
图6为本发明电极金属层形成示意图；
图7为本发明热敏层和第二保护层形成示意图；
图8为本发明中平面焦平面探测器结构示意图；
图9为本发明中曲面焦平面探测器结构示意图；
图10为本发明中平面焦平面探测器与曲面焦平面探测器单个透镜光路示意图；
图11为本发明实施例一中探测器弯曲定型状态示意图；
图12为本发明实施例二中探测器弯曲定型状态示意图；
在附图中，各标号所表示的部件名称列表如下：1、半导体基座，2、金属反射层，2-1、金属块，3、绝缘介质层，4、第一牺牲层，5、第一支撑层，6、金属电极层，6-1、金属电极，6-2、金属连线，7、第一保护层，8、第一通孔，9、第二牺牲层，10、第二支撑层，11、电极金属层，12、第二通孔，13、热敏层，14、第二保护层，15、透镜，16、曲面焦平面，17、平面焦平面，18、平行入射光线，19、斜入射光线，20、圆环或圆筒，21、圆头顶杆。
具体实施方式
以下结合附图对本发明中一种曲面焦平面探测器的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图8和图9所示，一种曲面焦平面探测器，包括一带有读出电路的半导体基座1和与所述半导体基座1电连接的探测器本体，所述焦平面探测器为曲面，其曲率半径不小于3mm，其厚度不超过50μm，所述读出电路和所述探测器本体的总厚度不超过10μm；所述探测器本体包括绝缘介质层3、金属反射层2、第一支撑层5、金属电极层6，所述半导体基座1上设有金属反射层2和绝缘介质层3，所述金属反射层2包括若干个金属块2-1；
所述金属块2-1上设有第一支撑层5，所述第一支撑层5上设有第一通孔8，所述第一通孔8终止于所述金属块2-1，所述第一支撑层5上和第一通孔8内设有金属电极层6，所述金属电极层6包括设置在所述第一支撑层5上的金属电极6-1和设置在所述第一通孔8内的金属连线6-2；
所述金属电极层6上设有第一保护层7，所述第一保护层7上设有第二支撑层10，所述第二支撑层10上设有第二通孔12，所述第二通孔12终止于所述金属电极6-1，所述第二支撑层10上和第二通孔12内设有电极金属层11；
所述电极金属层11上设有热敏层13，所述热敏层13不能完全覆盖电极金属层11，所述热敏层13通过所述电极金属层11与所述金属电极层6电连接；
所述热敏层13上和电极金属层11上设有第二保护层14。
所述第一支撑层5和第二支撑层10为氮化硅，所述第一保护层7和第二保护层14为氮化硅，所述热敏层13为氧化钒薄膜，所述金属电极层6为V、Ti,NiCr,TiN薄膜。
下面通过单个透镜的简单光路系统来说明曲面焦平面探测器相对平面焦平面探测器的优势，如图10所示。
在平行入射光情况下，平行入射光线18光会通过透镜15主光轴上的焦点，一般是把通过该焦点，并且垂直于主光轴的平面作为焦平面17，平面焦平面探测器会与图10中平面焦平面17重合。
现在传统的小视场低分辨率的红外或太赫兹成像时，透镜聚焦所成的像均在主光轴附近，而且焦深足以覆盖探测器焦平面范围，形成清晰的像。
但是在进行大视场高分辨率成像的时候，视场边缘要成像，那随之而来的斜入射光线19也越来越多，这些光线的聚焦点会偏离平面焦平面17，而且越往视场边缘，斜入射角度越大，成像的焦点会离主光轴越远，并逐渐离平面焦平面17越来越远，当焦点距离平面焦平面超过焦深时，就会发生越往图像边缘越失真的现象。如果使用曲面焦平面探测器，那么斜入射光线19的聚焦点均会在曲面焦平面16上，不管是图像中间还是边缘部位，都不会出现失真现象。
本发明还涉及上述曲面焦平面探测器的制备方法,下面给出两个具体实施例。
实施例一
一种曲面焦平面探测器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：在包含读出电路半导体基座1上制作金属反射层2，并对金属反射层2进行图形化处理，图形化后的金属反射层2形成若干个金属块2-1；所述金属块2-1与半导体基座1上的读出电路电连接；然后，在完成图形化的金属反射层2上沉积绝缘介质层3，并对绝缘介质层3进行图形化处理，并露出金属块2-1，金属反射层2的厚度为金属反射层2对波长为8～14μm的红外光的反射率在99％以上，所述的绝缘介质层3为氮化硅薄膜或者氧化硅薄膜，厚度为如图1所示。
步骤2：在所述的绝缘介质层3上沉积第一牺牲层4，并对第一牺牲层4进行图形化处理，在图形化处理后的第一牺牲层4上沉积第一支撑层5，所述第一支撑层5为氮化硅薄膜，所述第一牺牲层4为聚酰亚胺或非晶碳，所述第一牺牲层4的厚度为1.0～2.5μm，所述第一支撑层5的厚度为 如图2所示。
步骤3：采用光刻和蚀刻的方法，蚀刻掉部分第一支撑层5，第一支撑层5蚀刻终止于所述金属块2-1，形成第一通孔8，在所述第一通孔8内和所述第一支撑层5上沉积金属电极层6，并对金属电极层6进行图形化处理，形成金属电极6-1和金属连线6-2，所述金属电极层6为V、Ti,NiCr,TiN薄膜，所述金属电极层6的厚度为
步骤4：在图形化后的金属电极层6上沉积第一保护层7，如图3所示。
步骤5：采用光刻和蚀刻的方法，蚀刻掉部分所述第一保护层7和第一支撑层5，蚀刻终止于所述第一牺牲层4，露出部分第一牺牲层4，如图4所示。
步骤6：在蚀刻后的第一保护层7和露出的第一牺牲层4上沉积第二牺牲层9，并对第二牺牲层9进行图形化处理，在图形化处理后的第二牺牲层9上沉积第二支撑层10，所述第二支撑层10为氮化硅薄膜，所述第二牺牲层9为聚酰亚胺或者非晶碳，第二牺牲层9的厚度为1.0～2.5μm，如图5所示。
步骤7：采用光刻和蚀刻的方法，蚀刻掉部分第二支撑层10和第一保护层7，形成第二通孔12，所述第二通孔12蚀刻终止于所述金属电极6-1，然后，在所述第二支撑层10和第二通孔12内沉积电极金属层11，并对电极金属层11进行图形化处理，蚀刻掉部分电极金属，露出部分第二支撑层10，如图6所示。
步骤8:在图形化后的电极金属层11和露出的第二支撑层10上沉积热敏层13，所述热敏层13为氧化钛、氧化钒、氧化锰、氧化铜、氧化钼或多晶硅，采用离子束反应溅射的方法沉积氧化钛薄膜，所述的热敏层13厚度为热敏层13方阻为50～5000KΩ，如图7所示。
步骤9：在热敏层13上沉积第二保护层14，并对第二保护层14进行图形化处理。
步骤10：减薄处理，利用减薄设备，将半导体底座的厚度减薄至50μm以内，减薄后在背面贴膜。
步骤11：进行结构释放，去掉牺牲层形成微桥结构，如图8所示；然后，对探测器弯曲定型：首先，将带有背面贴膜的所述焦平面探测器用受力均匀的圆环或圆筒20固定，然后，在背面抽真空或正面加高压，使探测器焦平面随膜变形成曲面，如图11所示；根据施加的压力控制曲面曲率半径，使其曲率半径不小于3mm；最后，采用烘烤的方法或利用弱碱弱酸溶液浸泡，使曲面保持固定曲率，使其不再回复平面状态，形成曲面焦平面探测器，如图9所示，图9中只给出了曲面焦平面探测器的外形形状，内部结构也通过弯曲变形，图9中未画出。
实施例二
与实施例一的不同之处在于，步骤11中先对探测器进行弯曲定型，再对其进行结构释放，具体方法如下：将带有背面贴膜的探测器用受力均匀的圆环或圆筒20固定，在正面用一柔性圆头顶杆21去挤压探测器表面，如图12所示；所述圆头顶杆的圆头半径可以从3mm到∞，使探测器形成曲面；然后，采用烘烤的方法或利用弱碱弱酸溶液浸泡，使曲面保持固定曲率，使其不再回复平面状态，最后，进行结构释放，去掉牺牲层形成微桥结构，如图9所示，图9中只给出了曲面焦平面探测器的外形形状，内部结构也通过弯曲变形，图9中未画出。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种曲面焦平面探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在包含读出电路半导体基座上制作金属反射层，并对金属反射层进行图形化处理，图形化后的金属反射层形成若干个金属块；所述金属块与半导体基座上的读出电路电连接；然后，在完成图形化金属反射层上沉积绝缘介质层，并对绝缘介质层进行图形化处理，并露出金属块；
步骤2：在所述的绝缘介质层上沉积第一牺牲层，并对第一牺牲层进行图形化处理，在图形化处理后的第一牺牲层上沉积第一支撑层；
步骤3：采用光刻和蚀刻的方法，蚀刻掉部分第一支撑层，第一支撑层蚀刻终止于所述金属块，形成第一通孔，在所述第一通孔内和所述第一支撑层上沉积金属电极层，并对金属电极层进行图形化处理，形成金属电极和金属连线；
步骤4：在图形化后的金属电极层上沉积第一保护层；
步骤5：采用光刻和蚀刻的方法，蚀刻掉部分所述第一保护层和第一支撑层，蚀刻终止于所述第一牺牲层，露出部分第一牺牲层；
步骤6：在蚀刻后的第一保护层和露出的第一牺牲层上沉积第二牺牲层，并对第二牺牲层进行图形化处理，在图形化处理后的第二牺牲层上沉积第二支撑层；
步骤7：采用光刻和蚀刻的方法，蚀刻掉部分第二支撑层和第一保护层，形成第二通孔，所述第二通孔蚀刻终止于所述金属电极，然后，在所述第二支撑层和第二通孔内沉积电极金属层，并对电极金属层进行图形化处理，蚀刻掉部分电极金属，露出部分第二支撑层；
步骤8:在图形化后的电极金属层和露出的第二支撑层上沉积热敏层；
步骤9：在热敏层上沉积第二保护层，并对第二保护层进行图形化处理；
步骤10：减薄处理，利用减薄设备，在探测器的正面贴膜，背面进行减薄处理，探测器的厚度减薄至50μm以内，减薄后在背面贴膜；
步骤11：先进行结构释放，去掉牺牲层形成微桥结构；再对探测器弯曲定型：将带有背面贴膜的所述焦平面探测器用受力均匀的圆环或圆筒固定，在背面抽真空或正面加高压，使探测器焦平面随膜变形成曲面，根据施加的压力控制曲面曲率半径，使其曲率半径不小于3mm，然后，使用物理或化学的方法，使曲面保持固定曲率，使其不再回复平面状态。
2.根据权利要求1所述的一种曲面焦平面探测器的制备方法，其特征在于，步骤11中先对所述焦平面探测器进行弯曲定型：将带有背面贴膜的探测器用受力均匀的圆环或圆筒固定，在正面用一柔性圆头顶杆挤压探测器表面，顶杆圆头半径可以从3mm到∞，使探测器形成曲面，然后，使用机械或化学的方法使曲面保持固定曲率，使其不再回复平面状态；然后，进行结构释放，去掉牺牲层形成微桥结构。
3.根据权利要求1或2所述的一种曲面焦平面探测器的制备方法，其特征在于，使用烘烤的方法使所述探测器保持固定曲率，使其不再回复平面状态。
4.根据权利要求1或2所述的一种曲面焦平面探测器的制备方法，其特征在于，使用弱碱或弱酸性溶液浸泡所述探测器，使其保持固定曲率，不再回复到平面状态。
5.根据权利要求1所述的一种曲面焦平面探测器的制备方法，其特征在于，所述的绝缘介质层为氮化硅薄膜或者氧化硅薄膜，厚度为
6.根据权利要求1所述的一种曲面焦平面探测器的制备方法，其特征在于，所述第一牺牲层和第二牺牲层均为聚酰亚胺或者非晶碳，其厚度均为1.0～2.5μm。
7.根据权利要求1所述的一种曲面焦平面探测器的制备方法，其特征在于，金属反射层的厚度为金属反射层对波长为8～14μm的红外光的反射率在99％以上。
8.根据权利要求1所述的一种曲面焦平面探测器的制备方法，其特征在于，在步骤8中，采用离子束反应溅射的方法沉积热敏层薄膜，所述热敏层薄膜为氧化钛、氧化钒、氧化锰、氧化铜、氧化钼、氧化铌、氧化钴、氧化钨、多晶硅或BaT iO3。
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