CN110265498A - 一种红外探测器的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种红外探测器的制备方法，在芯片晶圆表面键合的窗口晶圆中，所制备的红外窗口为衍射光学窗口，在衍射光学窗口背向芯片晶圆一侧表面设置有对应红外线波长的浮雕衍射透镜。相比于制备厚度均匀渐变且厚度符合预设要求的折射透镜，浮雕衍射透镜的结构使得在制备窗口晶圆时仅仅需要在晶圆表面制备出预设结构的同心环带结构即可，使得具有浮雕衍射透镜的窗口晶圆的成本明显低于具有折射透镜的窗口晶圆的成本，从而可以有效降低红外探测器的成本。同时相比于折射透镜，浮雕衍射透镜的厚度通常更低，有利于红外探测器的的小型化。
Description
技术领域
本发明涉及探测器技术领域，特别是涉及一种红外探测器的制备方法。
背景技术
随着科技的进步以及社会的发展，红外探测技术得到了极大的发展，相应的红外探测器的性能得到了极大的提升，成本也明显下降。
在现阶段，红外探测器的核心是可以实现红外探测功能的红外探测芯片，而在红外探测芯片的表面通常需要设置折射透镜以增加红外探测芯片对红外线的吸收。但是折射透镜的制备工艺通常比较复杂，使得红外探测器具有较高的成本。所以如何降低红外探测器的成本是本领域技术人员急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种红外探测器的制备方法，可以显著降低红外探测器的成本。
为解决上述技术问题，本发明提供一种红外探测器的制备方法，包括：
将芯片晶圆与窗口晶圆相互对位，以将所述窗口晶圆中的衍射光学窗口对齐所述芯片晶圆的工作区域；其中，所述芯片晶圆朝向所述窗口晶圆一侧表面设置有红外探测芯片，所述红外探测芯片包括所述工作区域，所述衍射光学窗口对红外线具有透过性，所述衍射光学窗口背向所述芯片晶圆一侧设置有对应红外线波长的浮雕衍射透镜；
将所述芯片晶圆与所述窗口晶圆相互键合，以将所述红外探测芯片与对应的所述衍射光学窗口相互固定；
切割相互键合的所述芯片晶圆与所述窗口晶圆，以将相邻所述红外探测芯片相互分离，并将相邻所述衍射光学窗口相互分离，以制成所述红外探测器。
可选的，在所述将芯片晶圆与窗口晶圆相互对位之前，所述方法还包括：
在所述窗口晶圆表面设置所述浮雕衍射透镜。
可选的，所述在所述窗口晶圆表面设置所述浮雕衍射透镜；所述浮雕衍射透镜为圆形浮雕衍射透镜或方形浮雕衍射透镜。
可选的，所述在所述窗口晶圆表面设置所述浮雕衍射透镜包括：
通过直写工艺在所述窗口晶圆表面设置连续浮雕衍射透镜。
可选的，所述在所述窗口晶圆表面设置所述浮雕衍射透镜包括：
通过刻蚀工艺在所述窗口晶圆表面设置多级浮雕衍射透镜。
可选的，在所述将芯片晶圆与窗口晶圆相互对位之前，所述方法还包括：
将所述衍射光学窗口朝向所述芯片晶圆一侧表面设置为平面。
可选的，在所述将芯片晶圆与窗口晶圆相互对位之前，所述方法还包括：
将所述衍射光学窗口朝向所述芯片晶圆一侧表面设置为凸面。
可选的，在所述将芯片晶圆与窗口晶圆相互对位之前，所述方法还包括：
在所述衍射光学窗口朝向所述芯片晶圆一侧表面镀对应红外线波长的增透膜。
可选的，所述切割相互键合的所述芯片晶圆与所述窗口晶圆包括：
通过隐形激光切割设备对相互键合的所述芯片晶圆与所述窗口晶圆进行隐形激光切割。
可选的，在所述切割相互键合的所述芯片晶圆与所述窗口晶圆之后，所述方法还包括：
将切割后的所述芯片晶圆贴合于薄膜表面；
通过扩膜机对所述薄膜进行扩膜。
本发明所提供的一种红外探测器的制备方法，在芯片晶圆表面键合的窗口晶圆中，所制备的红外窗口为衍射光学窗口，在衍射光学窗口背向芯片晶圆一侧表面设置有对应红外线波长的浮雕衍射透镜。相比于制备厚度均匀渐变且厚度符合预设要求的折射透镜，浮雕衍射透镜的结构使得在制备窗口晶圆时仅仅需要在晶圆表面制备出预设结构的同心环带结构即可，使得具有浮雕衍射透镜的窗口晶圆的成本明显低于具有折射透镜的窗口晶圆的成本，从而可以有效降低红外探测器的成本。同时相比于折射透镜，浮雕衍射透镜的厚度通常更低，有利于红外探测器的的小型化。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中普通折射透镜的结构示意图；
图2为本发明实施例所提供的一种红外探测器制备方法的流程图；
图3为本发明实施例所提供的一种具体的红外探测器制备方法的流程图；
图4为本发明实施例所提供的一种具体的浮雕衍射透镜的结构示意图；
图5为本发明实施例所提供的另一种具体的浮雕衍射透镜的结构示意图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种红外探测器的制备方法。在现有技术中，参见图1，图1为现有技术中普通折射透镜的结构示意图。现有技术中设置在红外探测芯片表面的折射透镜一般采用Si、Ge、ZnS、ZnSe等单晶材料经过制作多步骤加工而成，材料种类少、价格高、工艺复杂。使得红外探测器通常具有较高的制作成本。
而本发明所提供的一种红外探测器的制备方法，在芯片晶圆表面键合的窗口晶圆中，所制备的红外窗口为衍射光学窗口，在衍射光学窗口背向芯片晶圆一侧表面设置有对应红外线波长的浮雕衍射透镜。相比于制备厚度均匀渐变且厚度符合预设要求的折射透镜，浮雕衍射透镜的结构使得在制备窗口晶圆时仅仅需要在晶圆表面制备出预设结构的同心环带结构即可，使得具有浮雕衍射透镜的窗口晶圆的成本明显低于具有折射透镜的窗口晶圆的成本，从而可以有效降低红外探测器的成本。同时相比于折射透镜，浮雕衍射透镜的厚度通常更低，有利于红外探测器的的小型化。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图2，图2为本发明实施例所提供的一种红外探测器制备方法的流程图。
参见图2，在本发明实施例中，所述红外探测器的制备方法可以包括：
S101：将芯片晶圆与窗口晶圆相互对位，以将窗口晶圆中的衍射光学窗口对齐芯片晶圆的工作区域。
在本发明实施例中，所述芯片晶圆朝向所述窗口晶圆一侧表面设置有红外探测芯片，所述红外探测芯片包括所述工作区域，所述衍射光学窗口对红外线具有透过性，所述衍射光学窗口背向所述芯片晶圆一侧设置有对应红外线波长的浮雕衍射透镜。
上述红外探测芯片即可以实现红外探测功能的芯片，该红外探测芯片设置于芯片晶圆表面，该红外探测芯片包括有工作区域，上述工作区域主要用于接收外界的红外线，并根据接收的红外线产生对应的电信号。有关红外探测芯片的具体结构以及具体制备工艺可以参考现有技术，在此不再进行赘述。
上述窗口晶圆中设置有衍射光学窗口，该衍射光学窗口属于衍射光学元器件，衍射光学元器件是指基于光的衍射理论，利用计算机辅助设计、并用大规模集成电路制作工艺，在基片上刻蚀产生两个或多个位相台阶的浮雕结构，是一种纯位相衍射光学元件。有关衍射光学窗口的具体内容将在下述发明实施例中做详细介绍，在此不再进行赘述。在本发明实施例中，上述衍射光学窗口背向芯片晶圆一侧设置有对应红外线波长的浮雕衍射透镜，该浮雕衍射透镜即上述浮雕结构，浮雕衍射透镜通常是由多阶同心环带位相台阶结构构成，外界的红外线可以根据衍射原理透过上述浮雕衍射透镜。
浮雕衍射透镜作为一种纯位相器件，可以具有非常高的衍射效率，即透过率。在现阶段，利用套刻工艺制作的多位相台阶的浮雕衍射透镜，使用N块模板可得L＝2N个位相台阶，该浮雕衍射透镜的衍射效率η为：
η＝[sin(π/L)/(π/L)]2；
当L为2，4，8和16时，衍射效率η分别为40.5％，81％，94.9％和98.0％，利用亚波长结构及联系位相结构，衍射效率η可接近100％。
在本步骤中，会将芯片晶圆与窗口晶圆相互对位，以将窗口晶圆中的衍射光学窗口与芯片晶圆中红外探测芯片的工作区域对齐，以便本发明实施例所制备而成的红外探测器中，红外探测芯片具体透过该衍射光学窗口接收红外线。在将芯片晶圆与窗口晶圆相互对位之后，衍射光学窗口会覆盖对应红外探测芯片的工作区域。
可以理解的是，由于外界的红外线会透过该衍射光学窗口照射至红外探测芯片，而衍射光学窗口是在窗口晶圆中制备而成，所以上述窗口晶圆的材质至少对红外线具有透过性，使得衍射光学窗口对红外线具有透过性。在本发明实施例中，为了避免在键合过程中破坏浮雕衍射透镜，上述浮雕衍射透镜通常位于窗口晶圆背向芯片晶圆一侧表面。
S102：将芯片晶圆与窗口晶圆相互键合，以将红外探测芯片与对应的衍射光学窗口相互固定。
在本步骤中，会将对齐后的芯片晶圆与窗口晶圆相互键合，以将红外探测芯片与对应的衍射光学窗口相互固定。有关晶圆之间键合的具体过程可以参考现有技术，在本发明实施例中不做具体限定。在本步骤键合芯片晶圆与窗口晶圆时，通常需要保证红外探测芯片与衍射光学窗口之间的空间为真空环境，以保证红外探测芯片可以有效的获取较多的红外线。
S103：切割相互键合的芯片晶圆与窗口晶圆，以将相邻红外探测芯片相互分离，并将相邻衍射光学窗口相互分离，以制成红外探测器。
在本步骤中，会切合键合后的芯片晶圆与窗口晶圆，以将芯片晶圆中相邻的红外探测芯片相互分离，并将窗口晶圆中相邻的衍射光学窗口相互分离，以制成红外探测器。需要说明的是，在切割相互键合的芯片晶圆与窗口晶圆时，红外探测芯片与对应的衍射光学窗口会相互固定连接，以构成红外探测器。
具体的，在本发明实施例中会通过隐形激光切割设备对相互键合的所述芯片晶圆与所述窗口晶圆进行隐形激光切割。利用隐形激光切割芯片晶圆与窗口晶圆，在切割过程中，可以极大的减少残渣的产生，同时在切割完成之后可以不必对芯片晶圆以及窗口晶圆进行清洗。通常情况下，在对相互键合的芯片晶圆与窗口晶圆时，是分别从芯片晶圆背向窗口晶圆一侧，以及从窗口晶圆背向芯片晶圆一侧进行半切割，即仅切割预设深度。之后通过裂片装置对半切割后的芯片晶圆与窗口晶圆进行裂片，以分离相邻的红外探测芯片以及相邻的衍射光学窗口。分别从两个对相互键合的芯片晶圆与窗口晶圆进行半切割，可以避免使用激光切割时所产生的热量过于集中而对红外探测芯片或衍射光学窗口造成影响。
通常情况下，在切割相互键合的所述芯片晶圆与所述窗口晶圆之后，通常还需要先将切割后的所述芯片晶圆贴合于薄膜表面；再通过扩膜机对所述薄膜进行扩膜。此时贴合在薄膜表面的红外探测芯片会相互远离，以便于收集制备而成的红外探测器。在使用扩膜机对薄膜进行扩膜之后，通常会通过扩晶环将薄膜固定。
本发明实施例所提供的一种红外探测器的制备方法，在芯片晶圆表面键合的窗口晶圆中，所制备的红外窗口为衍射光学窗口，在衍射光学窗口背向芯片晶圆一侧表面设置有对应红外线波长的浮雕衍射透镜。相比于制备厚度均匀渐变且厚度符合预设要求的折射透镜，浮雕衍射透镜的结构使得在制备窗口晶圆时仅仅需要在晶圆表面制备出预设结构的同心环带结构即可，使得具有浮雕衍射透镜的窗口晶圆的成本明显低于具有折射透镜的窗口晶圆的成本，从而可以有效降低红外探测器的成本。同时相比于折射透镜，浮雕衍射透镜的厚度通常更低，有利于红外探测器的的小型化。
有关本发明所提供的一种红外探测器制备方法的具体流程将在下述发明实施例中做详细介绍。
请参考图3，图4以及图5，图3为本发明实施例所提供的一种具体的红外探测器制备方法的流程图；图4为本发明实施例所提供的一种具体的浮雕衍射透镜的结构示意图；图5为本发明实施例所提供的另一种具体的浮雕衍射透镜的结构示意图。
参见图3，在本发明实施例中，所述红外探测器的制备方法可以包括：
S201：在窗口晶圆表面设置浮雕衍射透镜。
在本步骤中，会先在窗口晶圆的表面设置浮雕衍射透镜，设置该浮雕衍射透镜的表面即窗口晶圆中背向芯片晶圆一侧的表面。在本发明实施例中，上述浮雕衍射透镜可以为圆形浮雕衍射透镜，即由圆形同心环带位相台阶结构构成的浮雕衍射透镜；该浮雕衍射透镜也可以为方形浮雕衍射透镜，即由圆方形同心环带位相台阶结构构成的浮雕衍射透镜。有关浮雕衍射透镜的具体结构可以根据实际情况自行设定，在此不做具体限定。上述浮雕衍射透镜中各阶位相台阶的具体结构需要根据实际情况通过计算机进行模拟所得，在本发明实施例中同样不做具体限定。
下面将提供两种不同的浮雕衍射透镜的制备工艺，该制备工艺对应不同浮雕衍射透镜的具体结构。
第一种，参见图4，本步骤可以具体为：通过直写工艺在所述窗口晶圆表面设置连续浮雕衍射透镜。上述直写工艺通常包括激光直写工艺、电子束直写工艺等，通过直写工艺做制备而成的连续浮雕衍射透镜中，位相台阶的表面通常为连续曲线。当然，在本发明实施例中也可以通过其他工艺制备连续浮雕衍射透镜，例如灰阶掩膜法等。
第二种，参见图5，本步骤可以具体为：通过刻蚀工艺在所述窗口晶圆表面设置多级浮雕衍射透镜。上述刻蚀工艺通常包括干法刻蚀工艺、湿法刻蚀工艺等，通过刻蚀工艺做制备而成的多级浮雕衍射透镜中，位相台阶的通常由多阶子位相台阶构成，而多阶子位相台阶构成的结构通常是将表面为连续曲线的位相台阶通过二进制量化所得到的近似结构，即由多阶子位相台阶构成的位相台阶可以近似等同于表面为连续曲线的位相台阶，但是由多阶子位相台阶构成的位相台阶的制备难度被大幅降低。当然，在本发明实施例中也可以通过其他工艺制备多级浮雕衍射透镜，例如薄膜淀积法等。
S202：在衍射光学窗口朝向芯片晶圆一侧表面镀对应红外线波长的增透膜。
在本步骤之前，可以在窗口晶圆中对衍射光学窗口朝向芯片晶圆表面的形貌进行具体设置。
具体的，第一种，在本步骤之前，可以将所述衍射光学窗口朝向所述芯片晶圆一侧表面设置为平面。即在本步骤之前可以对窗口晶圆朝向芯片晶圆一侧表面进行抛光，以保证光学窗口朝向所述芯片晶圆一侧表面不会对透射的红外线造成散射等干扰。
第二种，在本步骤之前，可以将所述衍射光学窗口朝向所述芯片晶圆一侧表面设置为凸面，即在衍射光学窗口朝向芯片晶圆一侧表面形成一凹透镜结构。将衍射光学窗口朝向芯片晶圆一侧表面设置为凸面之后，可以使得衍射光学窗口形成一折衍混合系统。其中浮雕衍射透镜主要用于保证红外线可以完全透过该衍射光学窗口；而根据具体情况进行设计而制成的凸面，可以作为用于消除色差，保证成像质量的凸面镜。此时应用该衍射光学窗口的红外探测器可以在不增加红外探测器体积的前提下，消除色差，保证红外探测芯片的成像质量。有关上述位于衍射光学窗口朝向芯片晶圆一侧表面凸面的具体结构需要根据实际情况自行设计，在此不做具体限定。
在本步骤中，可以在衍射光学窗口朝向芯片晶圆一侧表面镀对应红外线波长的增透膜，以尽可能提高衍射光学窗口对红外线的透过性，使得透过浮雕衍射透镜的红外线不会在衍射光学窗口朝向红外探测芯片一侧表面发生发射而造成红外线的浪费。有关该增透膜的具体材质可以参考现有技术，在此不再进行赘述。有关增透膜的具体参数需要根据实际情况自行设定，在此不做具体限定。
S203：将芯片晶圆与窗口晶圆相互对位，以将窗口晶圆中的衍射光学窗口对齐芯片晶圆的工作区域。
S204：将芯片晶圆与窗口晶圆相互键合，以将红外探测芯片与对应的衍射光学窗口相互固定。
S205：切割相互键合的芯片晶圆与窗口晶圆，以将相邻红外探测芯片相互分离，并将相邻衍射光学窗口相互分离，以制成红外探测器。
上述S203至S205与上述发明实施例中S101至S103基本一致，详细内容请参考上述发明实施例，在此不再进行赘述。
本发明实施例所提供的一种红外探测器的制备方法，通过刻蚀工艺制备多级浮雕衍射透镜可以有效降低工艺实现成本；通过将衍射光学窗口朝向芯片晶圆一侧表面设置为凸面可以消除色差，保证红外探测芯片的成像质量；通过在衍射光学窗口朝向芯片晶圆一侧表面镀对应红外线波长的增透膜，可以尽可能提高衍射光学窗口对红外线的透过性。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上对本发明所提供的一种红外探测器的制备方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种红外探测器的制备方法，其特征在于，包括：
将芯片晶圆与窗口晶圆相互对位，以将所述窗口晶圆中的衍射光学窗口对齐所述芯片晶圆的工作区域；其中，所述芯片晶圆朝向所述窗口晶圆一侧表面设置有红外探测芯片，所述红外探测芯片包括所述工作区域，所述衍射光学窗口对红外线具有透过性，所述衍射光学窗口背向所述芯片晶圆一侧设置有对应红外线波长的浮雕衍射透镜；
将所述芯片晶圆与所述窗口晶圆相互键合，以将所述红外探测芯片与对应的所述衍射光学窗口相互固定；
切割相互键合的所述芯片晶圆与所述窗口晶圆，以将相邻所述红外探测芯片相互分离，并将相邻所述衍射光学窗口相互分离，以制成所述红外探测器。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述将芯片晶圆与窗口晶圆相互对位之前，所述方法还包括：
在所述窗口晶圆表面设置所述浮雕衍射透镜。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述在所述窗口晶圆表面设置所述浮雕衍射透镜；所述浮雕衍射透镜为圆形浮雕衍射透镜或方形浮雕衍射透镜。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述在所述窗口晶圆表面设置所述浮雕衍射透镜包括：
通过直写工艺在所述窗口晶圆表面设置连续浮雕衍射透镜。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述在所述窗口晶圆表面设置所述浮雕衍射透镜包括：
通过刻蚀工艺在所述窗口晶圆表面设置多级浮雕衍射透镜。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述将芯片晶圆与窗口晶圆相互对位之前，所述方法还包括：
将所述衍射光学窗口朝向所述芯片晶圆一侧表面设置为平面。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述将芯片晶圆与窗口晶圆相互对位之前，所述方法还包括：
将所述衍射光学窗口朝向所述芯片晶圆一侧表面设置为凸面。
8.根据权利要求1至7任一项权利要求所述的方法，其特征在于，在所述将芯片晶圆与窗口晶圆相互对位之前，所述方法还包括：
在所述衍射光学窗口朝向所述芯片晶圆一侧表面镀对应红外线波长的增透膜。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述切割相互键合的所述芯片晶圆与所述窗口晶圆包括：
通过隐形激光切割设备对相互键合的所述芯片晶圆与所述窗口晶圆进行隐形激光切割。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在所述切割相互键合的所述芯片晶圆与所述窗口晶圆之后，所述方法还包括：
将切割后的所述芯片晶圆贴合于薄膜表面；
通过扩膜机对所述薄膜进行扩膜。
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