CN101871817B - 一种混成式热释电非制冷焦平面探测器及其制造工艺 - Google Patents

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Abstract

一种混成式热释电非制冷红外焦平面探测器及其制造工艺，其特征在于制备探测器红外敏感元阵列的钛酸锶钡材料的厚度采用减薄结构，红外敏感元阵列采用横向热隔离网格化结构，有机红外吸收薄膜采用利用探测器芯片的金膜上电极制备的红外高吸收系数薄膜。其制造工艺包括基于探测器芯片上的工艺，基于读出电路芯片上的工艺和非制冷红外焦平面探测器***集成工艺三个部分。本发明能使非制冷焦平面探测器的响应率、探测率、面阵规模和红外吸收系数得到大幅提升，达到消防等民用红外热像仪的性能指标要求。

Description

一种混成式热释电非制冷焦平面探测器及其制造工艺
技术领域
本发明涉及一种混成式热释电非制冷红外焦平面探测器。
背景技术
非制冷焦平面探测器(UFPA)是非制冷热像仪的核心器件，该器件工作方式无需制冷，工作温度在室温附近，因此应用前景广阔。目前研究最多、发展最快的非制冷焦平面探测器主要有微测辐射热计非制冷焦平面探测器和热释电非制冷焦平面探测器。非制冷焦平面探测器可分为混成式和单片式两种。混成式非制冷焦平面探测器采取探测器敏感元阵列和读出电路(ROIC)分别制作，然后将二者通过铟(In)柱倒装互连而成的结构。单片式非制冷焦平面探测器则采取直接在读出电路上制作敏感元阵列的结构。获得广泛应用的是混成式热释电非制冷焦平面探测器。
但目前，基于钛酸锶钡(BST)材料制备的混成式热释电非制冷焦平面探测器存在如下缺陷：器件结构设计不合理，使器件得不到高效的红外吸收；较厚的敏感元材料造成了探测器的热容较大，降低了探测器的响应率；低效的热隔离结构，增加了横向热导，致使探测率和分辨率下降，阵列规模受限。因此，基于钛酸锶钡材料的混成式热释电非制冷焦平面探测器的性能和应用受到限制。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种新的非制冷焦平面探测器，通过改进其器件结构设计，优化其制作工艺，使其响应率、探测率、面阵规模和红外吸收系数得到大幅提升，从而显著改善其光电性能，满足消防等领域的使用要求。
本发明提供的混成式热释电非制冷红外焦平面探测器，包括基于有机凸台的纵向热隔离结构，其特征在于：制备探测器红外敏感元阵列(6)的钛酸锶钡材料的厚度为10μm～20μm，红外敏感元阵列(6)采用在网格槽内填充低热导有机材料的横向热隔离网格化结构，有机红外吸收薄膜(2)采用有机材料制作腔体，厚度在峰值红外吸收1/4波长，腔壁采用不同吸收系数和不同反射系数的金膜上电极(3)制备的光学谐振腔。
本发明提供的混成式热释电非制冷红外焦平面探测器，通过以下三方面的工艺来实现：
A.基于探测器芯片上的工艺；
B.基于读出电路芯片上的工艺；
C.非制冷红外焦平面探测器的***集成工艺。
A.基于探测器芯片上的具体工艺步骤如下：
A1.对钛酸锶钡材料的切割、初步磨抛和清洗；
A2.将敏感元材料粘接至衬底，进行第一面磨抛、机械减薄和清洗；
A3.对敏感元材料进行脱胶离开衬底，材料翻面，将第一面粘接至衬底，进行第二面的磨抛减薄，清洗；
A4.制备材料的第一次光刻图形化，清洗，表面处理；
A5.反应离子束进行网格化刻蚀，清洗；
A6.低热导有机材料的填充，去胶，清洗和表面处理；
A7.敏感元的光刻图形的二次光刻；
A8.上电级的制备，去胶和清洗；
A9.高吸收有机薄膜(红外谐振腔)制备；
A10.材料的第一面脱离衬底，粘接第二面至衬底，清洗和表面处理；
A11.等离子(或离子束)刻蚀的反向减薄，清洗；
A12.第三次光刻，清洗；
A13.反应离子束网格化刻蚀，清洗和表面处理；
A14.第四次光刻，清洗和表面处理；
A15.下电极的制备，去胶和清洗；
A16.第五次光刻；
A17.有机凸台的制备，去胶和清洗；
A18.第六次光刻；
A19.铟不侵润区金属的蒸镀，去胶；
A20.第七次光刻；
A21.铟侵润区金属的蒸镀，去胶；
A22.第八次光刻；
A23.铟电极的蒸镀，去胶；
A24.探测器芯片的高温处理，铟柱生长和收缩。
B.基于读出电路芯片上的具体工艺步骤如下：
B1.读出电路芯片的清洗；
B2.读出电路芯片上的金电极图形化的第一次光刻，清洗；
B3.读出电路芯片上的上电级(铝电极)蒸镀金电极，清洗；
B4.读出电路芯片上的芯片有机凸台图形化的光刻，清洗；
B5.读出电路芯片上的有机凸台的生长；
B6.读出电路芯片上光刻胶的剥离，清洗；
B7.读出电路芯片上的金电极在有机凸台上的蒸镀和爬坡；
B8.读出电路芯片上的第二次铟柱图形化的光刻；
B9.读出电路芯片上的铟柱在有机凸台上的蒸镀；
B10.读出电路芯片的高温处理，铟柱生长和收缩；
B11.读出电路芯片上的铟柱生长和收缩。
C.非制冷红外焦平面探测器***集成的具体工艺步骤如下：
C1.采用回流焊技术将探测器芯片与读出电路芯片倒装互联；
C2.探测器的封装。
本发明的有益效果是：通过改进混成式热释电非制冷焦平面探测器的结构设计，优化制造工艺技术，采用敏感元材料的厚度减薄技术，降低探测器的热容，提高了响应率；采用网格化热隔离结构，降低横向热导，增加探测率和分辨率，突破了阵列规模受限瓶颈；改进红外吸收薄膜结构设计，使器件高效吸收红外信号，最终使探测器的响应率、探测率、面阵规模和红外吸收系数得到大幅提升，达到了消防等民用红外热像仪所要求的性能指标。
附图说明
图1为本发明混成式热释电非制冷焦平面探测器的结构示意图；
图2为双面等离子刻蚀示意图；
图3为红外高吸收系数光学薄膜的结构示意图；
图4为铟柱收缩的工艺示意图；
图5为采用回流技术制备铟柱收缩的工艺示意图；
图6为探测器芯片与读出电路芯片的倒装互联示意图。
图中，1.光学增透膜；2.有机红外吸收薄膜；3.红外光学反射膜；4.低热导有机隔热填充材料；5.探测器芯片金电极；6.红外敏感元阵列；7.读出电路芯片上的金电极；8.有机凸台的爬坡金电极；9.有机凸台；10.铟柱；11.读出电路芯片上的铝电极；12.读出电路芯片；13.反应离子束；14.网格化沟槽；15.红外辐射；16.铬金电极。
具体实施方式
以下结合附图，通过实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于下面的实施例。
在基于钛酸锶钡(BST)材料的160×120阵列规模的混成式热释电非制冷焦平面探测器中，采用了本发明所提供的结构设计。制备探测器红外敏感元阵列6的钛酸锶钡材料的厚度减薄至10μm～20μm，如图1和图2所示。红外敏感元阵列6的横向热隔离网格化结构，如图1和图2所示。有机红外吸收薄膜2的结构，如图1和图3所示。探测器芯片和读出电路芯片12的倒装互连，如图1和图6所示。
实现本发明的工艺实施例如下：
(一)、敏感元材料的厚度减薄工艺(如图1和图2所示)
(1)对钛酸锶钡材料进行切割、初步磨抛和清洗；
(2)将材料粘接在衬底，对材料进行磨抛、机械减薄和清洗；
(3)对材料进行脱胶，使其离开衬底，将材料翻面，将磨抛好的面与衬底粘接，进行磨抛减薄，清洗；
(4)将材料减薄至30～40μm时，采用等离子刻蚀技术工艺，将材料减薄至10μm～20μm。
(二)、敏感元材料网格化热隔离结构工艺(如图1和图2所示)
(1)对钛酸锶钡材料进行第一次光刻图形化，清洗，表面处理；
(2)反应离子束13进行网格化刻蚀，清洗；
(3)填充低热导有机材料4，进行去胶，清洗和表面处理；
(4)敏感元6的光刻图形的二次光刻。
(三)、高吸收率红外光学薄膜的制备工艺(如图1和图3所示)
本发明所述的红外高吸收系数薄膜，指的是使用有机材料制作腔体，厚度在峰值红外吸收1/4波长，腔壁采用不同吸收系数和不同反射系数的金膜制备光学谐振腔。
本发明制备的有机红外吸收薄膜2，其工艺步骤为：
(1)用探测器芯片的上电极作为光学谐振腔的红外光学反射膜3；
(2)上电级的制备，去胶和清洗；
(3)有机红外吸收薄膜2(红外谐振腔)的制备；
(四)、铟柱收缩工艺(如图4和图5所示)
本发明所述的铟柱收缩工艺，是指在侵润区和不侵润区的铟金属收缩，从而使铟柱的直径和高度比得到提高，获得较大热阻铟柱。不侵润区是金属金区，侵润区是铬金合金区。其工艺步骤如下：
(1)铟不侵润区金属的蒸镀，去胶；
(2)第七次光刻
(3)铟侵润区金属的蒸镀，去胶；
(4)第八次光刻；
(5)铟电极的蒸镀，去胶；
(6)芯片100℃～180℃的高温处理，铟柱生长和收缩；
图4中，步骤①表示有机凸台9上爬坡金电极8的蒸镀，步骤②表示铬金电极16的蒸镀，步骤③表示铟柱10的蒸镀，步骤④表示热处理后，收缩的铟柱10。
图5中，步骤①表示未加温时的铟柱10，步骤②表示加温步骤中熔融状态下的铟柱10，步骤③表示降温步骤后，收缩塑形后的铟柱10。
(五)、探测器芯片与读出电路芯片12的倒装互联工艺(如图1和图6所示)
(1)采用回流焊技术将探测器芯片与读出电路芯片12倒装互联；
(2)进行探测器的封装。
其余工艺步骤和顺序与说明书发明内容部分的叙述相同，在此不再赘述。
通过采用本发明的结构及工艺方法，可以将红外敏感元材料的厚度减薄至10～20μm，表面不平整度小于5％；改进网格化刻蚀和低热导有机填充物填充，降低了横向热导，使通道隔离度大于20dB，将像元尺寸降低至35×35μm，阵列规模提高至160×120；制备的铟柱高度可达25μm，直径可达15μm；再采用回流焊技术将探测器芯片与读出电路芯片倒装互联集成完整的探测器，其响应率可提高至5×105V/W，探测率可提高至5×108cmHz1/2W-1。
通过采用本发明发制备的混成式热释电非制冷焦平面探测器，其性能参数达到了消防等民用红外热像仪的性能指标要求。

Claims (3)

1.一种混成式热释电非制冷红外焦平面探测器，包括基于有机凸台(9)的纵向热隔离结构，其特征在于：制备探测器红外敏感元阵列(6)的钛酸锶钡材料的厚度为10μm～20μm，红外敏感元阵列(6)采用在网格槽内填充低热导有机材料的横向热隔离网格化结构，有机红外吸收薄膜(2)采用有机材料制作腔体，厚度在峰值红外吸收1/4波长，腔壁采用不同吸收系数和不同反射系数的金膜上电极(3)制备的光学谐振腔。
2.制造权利要求1所述探测器的工艺，其特征在于基于探测器芯片上的工艺按照以下步骤进行：
A1.对钛酸锶钡材料的切割、初步磨抛和清洗；
A2.将敏感元材料粘接至衬底，进行第一面磨抛、机械减薄和清洗；
A3.对敏感元材料进行脱胶离开衬底，材料翻面，将第一面粘接至衬底，进行第二面的磨抛减薄，清洗；
A4.制备材料的第一次光刻图形化，清洗，表面处理；
A5.反应离子束进行网格化刻蚀，清洗；
A6.低热导有机材料的填充，去胶，清洗和表面处理；
A7.敏感元的光刻图形的二次光刻；
A8.上电极的制备，去胶和清洗；
A9.高吸收有机薄膜的制备；
A10.材料的第一面脱离衬底，粘接第二面至衬底，清洗和表面处理；
A11.等离子刻蚀的反向减薄，清洗；
A12.第三次光刻，清洗；
A13.反应离子束网格化刻蚀，清洗和表面处理；
A14.第四次光刻，清洗和表面处理；
A15.下电极的制备，去胶和清洗；
A16.第五次光刻；
A17.有机凸台的制备，去胶和清洗；
A18.第六次光刻；
A19.铟不侵润区金属的蒸镀，去胶；
A20.第七次光刻；
A21.铟侵润区金属的蒸镀，去胶；
A22.第八次光刻；
A23.铟电极的蒸镀，去胶；
A24.探测器芯片100℃～180℃的高温处理，铟柱生长和收缩。
3.制造权利要求1所述探测器的工艺，其特征在于基于读出电路芯片(12)上的工艺按照以下步骤进行：
B1.读出电路芯片的清洗；
B2.读出电路芯片上的金电极图形化的第一次光刻，清洗；
B3.读出电路芯片上的上电极蒸镀金电极，清洗；
B4.读出电路芯片上的芯片有机凸台图形化的光刻，清洗；
B5.读出电路芯片上的有机凸台的生长；
B6.读出电路芯片上光刻胶的剥离，清洗； 
B7.读出电路芯片上的金电极在有机凸台上的蒸镀和爬坡；
B8.读出电路芯片上的第二次铟柱图形化的光刻；
B9.读出电路芯片上的铟柱在有机凸台上的蒸镀；
B10.读出电路芯片100℃～180℃的高温处理，铟柱生长和收缩；
B11.读出电路芯片上的铟柱生长和收缩。 
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