CN202885979U - 一种非制冷热释电线列焦平面 - Google Patents
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Abstract
本专利公开了一种非制冷热释电线列焦平面，通过设计光敏元及电极的大小和结构，将光敏芯片的延伸电极区和与光敏芯片大小匹配的衬底粘结在一起，使光敏元区处于悬空状态。相邻光敏元之间刻蚀形成隔热槽，可以减小光敏元之间的热导，降低串音。读出电路根据热释电光敏芯片特性参数设计，采用电流积分形式的读出放大电路，输入级和热释电光敏芯片一一对应。非制冷热释电线列焦平面采用混成式结构，热释电光敏芯片和读出电路通过引线键合工艺互联耦合，采用金属管壳封装。非制冷热释电线列焦平面的制造工艺包括光敏芯片的减薄、损伤缺陷去除、电极成形、吸收层制备和引线键合等工艺技术。
Description
技术领域
本专利涉及一种焦平面器件及其制造工艺。具体涉及一种非制冷热释电线列焦平面。
背景技术
非制冷红外探测技术在工作中不需要制冷系统，具有广泛的应用领域。热释电效应是热释电材料所具有的自发极化会随温度变化而变化的现象，可以用于对红外辐射的探测。热释电线列焦平面基于热释电效应工作，属于非制冷的热敏探测器领域。和光子探测器相比，它具有可以在室温下工作而不需要致冷系统、结构紧凑、重量轻便、可靠性高、光谱响应宽而平坦、价格低廉等诸多优点，热释电线列焦平面相对于光子探测器响应率和探测率低、响应速度慢的缺点可以通过制造高密度的列阵来弥补。和热电堆和热电阻非制冷焦平面相比，热释电线列焦平面具有响应速度快、信噪比高、工艺简单的优点。非制冷热释电焦平面是红外热像仪和光谱仪的核心器件，广泛应用于工业、医学和科学研究等诸多领域。弛豫铁电单晶Mn-(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3(Mn-PMNT)是一种新型热释电材料，①具有较大的热释电系数(在室温下p≥8.0×10-4C/m2K)；②具有较高的电流优值和探测优值，电流优值和探测优值具有低的温度和频率依赖特性，使得Mn-PMNT热释电焦平面具备宽的工作频率和温度范围；③相对介电常数在300-8000范围内可调节，有利于焦平面和放大电路的良好匹配；④具有较高的居里温度(Tc～120℃)，物理化学性质稳定；⑤具有大的矫顽场，不易退极化；⑥热扩散系数比较低(D～4.4×10-7m2/s),有利于获得⑦厚度较小时（厚度≤60μm），Mn-PMNT晶体在可见光范围呈透明状，利于光刻工艺对准曝光。Mn-PMNT具有综合优异的热释电性能，在非制冷线列焦平面方面有很大的应用潜力。因此，研发基于Mn-PMNT的非制冷线列焦平面工艺具有重要的实用意义。
发明内容
基于新型热释电材料弛豫铁电单晶Mn-PMNT，本专利提供了一种线列结构设计和制造线列焦平面。研发了基于新型热释电材料Mn-PMNT的线列焦平面的制造工艺。线外焦平面自支撑悬空结构可以提高焦平面和环境的隔热性能，并利于器件的电耦合封装，提高了成品率。
本专利所提供的非制冷热释电线列焦平面由热释电线列衬底、自支撑的光敏区悬空结构、相邻光敏元之间的隔热槽结构、读出电路、光敏芯片和读出电路键合引线结构。
一种非制冷热释电线列焦平面，其特征在于焦平面的结构自下而上依次为白宝石材料的热释电线列衬底10，粘结胶8，在热释电线列衬底左侧三分之一处是热释电光敏芯片支撑衬底9，通过粘结胶8和其上面的热释电光敏芯片1粘结在一起，热释电光敏芯片1左侧悬空芯片宽度的二分之一，在热释电光敏芯片悬空处下表面淀积公共电极7，上表面淀积铬镍吸收层作为光敏元2，淀积铬金金属薄膜作为延伸电极3；在热释电线列衬底右侧三分之一处是读出电路芯片6，其上的读出电路输入端电极5通过键合引线4与热释电光敏芯片的延伸电极3联结耦合。
所述的热释电光敏芯片1采用Mn-(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3(Mn-PMNT)弛豫铁电单晶；
所述的光敏元2为铬镍合金薄膜；
所述的延伸电极3为铬金金属薄膜；
所述的键合引线4为硅铝丝；
所述的读出电路输入端电极6是铝金属薄膜；
所述的公共电极7为铬金金属薄膜；
所述的粘结胶8为环氧胶；
所述的热释电光敏芯片支撑衬底9采用白宝石；
所述的热释电线列衬底10为白宝石；
本专利提供的非制冷线列焦平面，通过以下的工艺过程来实现：
1)Mn-PMNT晶片的两个表面分别标记为A面和B面。清洗<111>方向极化的Mn-PMNT晶片。
2)将Mn-PMNT晶片的A面用蜡粘贴在基板上，对Mn-PMNT晶片B面进行机械减薄和抛光。
3)将Mn-PMNT晶片从基板上加热熔蜡取下，清洗Mn-PMNT晶片。在室温下用氢氟酸缓冲液腐蚀Mn-PMNT晶片B表面。
4)清洗已腐蚀的Mn-PMNT晶片，在B面光刻图形化。
5)在Mn-PMNT晶片B面淀积铬镍金属薄膜。浮胶清洗。
6)在Mn-PMNT晶片B面光刻图形化。
7)在Mn-PMNT晶片B面淀积铬金层，制备延伸电极。浮胶清洗。
8)在Mn-PMNT晶片B面光刻图形化。
9)在Mn-PMNT晶片B面淀积铬镍合金薄膜吸收层。浮胶清洗。
10)在Mn-PMNT晶片B面光刻图形化，形成隔热槽刻蚀掩模。
11)在Mn-PMNT晶片B面采用氩离子刻蚀的方法形成光敏元之间的隔热槽。
12)将Mn-PMNT晶片从基板上加热熔蜡取下，清先Mn-PMNT晶片，将B面先贴在白宝石衬底上，再将带有白宝石衬底的Mn-PMNT晶片贴在基板上。采用机械研磨的方法对Mn-PMNT晶片的A面进行减薄和抛光。
13)清洗，在Mn-PMNT晶片A面光刻图形化。
14)在Mn-PMNT晶片A面制备铬金层公共电极。
15)将带衬底的Mn-PMNT晶片从基板上熔蜡取下。划片，清洗。
16)采用环氧胶粘结热释电光敏芯片和热释电红外光敏芯片衬底，形成自支撑的光敏区悬空结构，在室温下固化。
17)将光敏芯片和读出电路引线键合，封装管壳。
本专利结构和工艺的热释电线列焦平面有如下的优点：光敏芯片采用自支撑悬空结构，可以有效减小光敏芯片和环境间的热导，提高响应率和探测率；焦平面的制造工艺简单稳定，重复性好，成本低。采用铬镍合金薄膜吸收层，铬镍合金薄膜吸收层具有导热性能优良、比热容小、光谱响应宽而平坦、附着牢固和吸收率高的优点，同时铬镍合金薄膜吸收层作为光敏芯片上电极；光敏元之间采用隔热槽结构，以减小光敏元之间的热串扰。
附图说明
图1为本专利一种热释电非制冷线列焦平面结构。
图2为相邻光敏元间隔热槽结构。
图中，1.热释电光敏芯片；2.光敏元；3.延伸电极；4.键合引线；5.读出电路输入端电极；6.读出电路芯片；7.公共电极；8.粘结胶；9.热释电光敏芯片支撑衬底；10.热释电线列衬底；11.隔热槽。
具体实施方式
以下结合附图，通过实施例对本专利做进一步详细说明，但本专利的保护范围并不限于下面的实施例。
在基于Mn-PMNT材料的128×1热释电线列焦平面，采用了本专利所提供的结构设计和工艺过程。制备128×1热释电线列红外焦平面的Mn-PMNT材料在<111>方向预先已经极化，初始晶片的厚度500μm，最终制作为线列焦平面芯片厚度25μm，采用湿法腐蚀去除晶片表面的缺陷和损伤。Mn-PMNT热释电光敏芯片1和热释电光敏芯片支撑衬底9构成自支撑的光敏区悬空结构，减小了光敏区和环境的热导，为延伸电极3区提供足够的引线键合机械支撑。光敏元2具有平坦宽波段吸收、附着牢固、比热容小、易与线列光敏焦平面芯片工艺兼容的优点。如图1所示。
实现本专利的工艺实施例如下：
(一)在Mn-PMNT的上表面生长铬镍合金薄膜吸收层和引线电极。
1)Mn-PMNT晶片上下两个表面分别标记为A面和B面，整个工艺过程中，温度控制在低于65℃。
2)清洗厚度500μm<111>方向极化的Mn-PMNT晶片。
3)将Mn-PMNT晶片的A面用蜡粘贴在基板上，对Mn-PMNT晶片B面进行机械减薄和抛光至400μm。
4)将Mn-PMNT晶片从基板上加热熔蜡取下，清洗Mn-PMNT晶片。在室温下用氢氟酸缓冲液腐蚀Mn-PMNT晶片B表面。
5)清洗已腐蚀的Mn-PMNT晶片，在B面光刻图形化。
6)在Mn-PMNT晶片B面淀积铬镍金属薄膜。浮胶清洗。
7)在Mn-PMNT晶片B面光刻图形化。
8)在Mn-PMNT晶片B面淀积铬金层，制备延伸电极。浮胶清洗。
9)在Mn-PMNT晶片B面光刻图形化。
10)在Mn-PMNT晶片B面淀积铬镍合金薄膜吸收层。浮胶清洗。
(二)制备光敏元之间的隔热槽
11)在Mn-PMNT晶片B面光刻图形化，形成隔热槽刻蚀掩模。
12)在Mn-PMNT晶片B面采用氩离子刻蚀的方法形成光敏元之间的隔热槽。
(三)减薄Mn-PMNT晶片
13)将Mn-PMNT晶片从基板上加热熔蜡取下，清先Mn-PMNT晶片，将B面先贴在白宝石衬底上，再将带有白宝石衬底的Mn-PMNT晶片贴在基板上。采用机械研磨的方法对Mn-PMNT晶片的A面进行减薄和抛光,厚度25μm。
(四)制备下电极
14)清洗，在Mn-PMNT晶片A面光刻图形化。
15)在Mn-PMNT晶片A面制备铬金层公共电极。
16)将带衬底的Mn-PMNT晶片从基板上熔蜡取下。划片，清洗。
(五)光敏芯片和读出电路封装
17)采用环氧胶粘结热释电光敏芯片和热释电光敏芯片衬底，形成自支撑的光敏区悬空结构，在室温下固化。
18)将光敏芯片和读出电路引线键合，封装管壳。
Claims (1)
1.一种非制冷热释电线列焦平面，它包括：热释电光敏芯片（1）、光敏元（2）、延伸电极（3）、键合引线（4）、读出电路输入端电极（5）、读出电路芯片（6）、公共电极（7）、粘结胶（8）、热释电光敏芯片支撑衬底（9）、热释电线列衬底（10）和隔热槽（11），其特征在于，焦平面结构为：自下而上依次为热释电线列衬底（10）和粘结胶（8）；在热释电线列衬底左侧三分之一处是热释电光敏芯片支撑衬底（9），通过粘结胶（8）和其上面的热释电光敏芯片（1）粘结在一起，热释电光敏芯片（1）左侧悬空芯片宽度的二分之一，在热释电光敏芯片悬空处下表面淀积公共电极（7），上表面淀积铬镍吸收层作为光敏元（2），淀积铬金金属薄膜作为延伸电极（3）；在热释电线列衬底右侧三分之一处是读出电路芯片（6），其上的读出电路输入端电极（5）通过键合引线（4）与热释电光敏芯片的延伸电极（3）联结耦合；
所述的热释电光敏芯片（1）采用Mn-(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3(Mn-PMNT)弛豫铁电单晶；
所述的光敏元（2）为铬镍合金薄膜；
所述的延伸电极（3）为铬金金属薄膜；
所述的键合引线（4）为硅铝丝；
所述的读出电路输入端电极（6）是铝金属薄膜；
所述的公共电极（7）为铬金金属薄膜；
所述的粘结胶（8）为环氧胶；
所述的热释电光敏芯片支撑衬底（9）采用白宝石；
所述的热释电线列衬底（10）为白宝石。
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| WO2015172434A1 (zh) * | 2014-05-12 | 2015-11-19 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 热释电单晶敏感元、其制备方法、以及包含其的热释电红外探测器 |
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