CN101872792B - 混成式非制冷焦平面探测器的纵向热隔离结构与制造工艺 - Google Patents

混成式非制冷焦平面探测器的纵向热隔离结构与制造工艺 Download PDF

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Abstract

一种混成式非制冷焦平面探测器的纵向热隔离结构与制造工艺，其特征在于在探测器芯片的金电极和读出电路芯片的金电极上分别采用具有热隔离和电极连接作用的有机凸台，在有机凸台上设计有爬坡金电极，爬坡金电极上有铬金电极，铬金电极上有倒装互联探测器芯片与读出电路芯片的铟柱。其制造工艺包括有机凸台的制备，爬坡电极的生长，铬金电极的制备，铟柱的蒸镀、高温处理与收缩以及铟柱倒装互联集成等步骤。本发明能使非制冷焦平面探测器的响应率、探测率得到大幅提升，显著改善其性能指标。

Description

混成式非制冷焦平面探测器的纵向热隔离结构与制造工艺
技术领域
本发明涉及一种混成式非制冷红外焦平面探测器，特别是涉及一种混成式非制冷红外焦平面探测器芯片与其读出电路(ROIC)芯片的纵向热隔离技术。
背景技术
非制冷焦平面探测器(UFPA)可分为单片式和混成式两种。单片式非制冷焦平面探测器采用直接在读出电路上制作敏感元阵列的技术。混成式非制冷焦平面探测器则采用探测器敏感元阵列和读出电路分别制作，然后将二者通过铟(In)柱倒装互连而成的技术。目前，混成式非制冷焦平面探测器的探测器敏感元和读出电路之间的互联技术，采用软金属材料铟(In)直接互联。由于铟的热导较大(室温下，通常达0.816W·cm-2·K-1)，再加上制作探测器敏感元的材料钛酸锶钡(BST)有较大的热响应时间常数(通常在10-2S量级)，致使探测器敏感元吸收的红外能量还没有完全来得及转化为电信号能量，就被高热导的铟柱将热能向读出电路扩散，使探测器敏感元得不到充分的热吸收。探测器敏感元材与其读出电路之间较大的热扩散，降低了探测器的响应率和灵敏度，导致混成式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，本发明提供一种非制冷焦平面探测器纵向热隔离技术，通过降低探测器芯片与读出电路芯片之间的热传导，提升探测器的响应率和灵敏度。
采用一个低热导的有机材料表层，通过电极爬坡的形式增加其热传导路径来减小热导。利用光刻的方法，采用光敏性聚酰亚胺通过显影剥离技术，制作了网格化的有机平台，这种有机平台达到的效果主要由截面的大小、高度，以及电极的爬通能力决定。截面的大小和高度决定了它的热导大小，而电极的连通性决定了探测器芯片的盲元数的多少，从而决定了探测器的分辨率。
本发明提供的混成式非制冷红外焦平面探测器的纵向热隔离结构，其特征在于：在探测器芯片的金电极和读出电路芯片的金电极上分别采用具有热隔离和电极连接作用的有机凸台，在有机凸台上设计有爬坡金电极，爬坡金电极上有铬金电极，铬金电极上有倒装互联探测器芯片与读出电路芯片的铟柱。
本发明提供的混成式非制冷红外焦平面探测器的纵向热隔离结构，通过以下具体工艺步骤来实现：
1.探测器芯片的金电极的制备，清洗；
2.探测器芯片有机凸台图形化的光刻，清洗；
3.探测器芯片上有机凸台的生长；
4.探测器芯片上光刻胶的剥离，清洗；
5.探测器芯片上的金电极在有机凸台上的蒸镀和爬坡，形成爬坡金电极；
6.探测器芯片上的第二次铬金电极的图形化光刻；
7.探测器芯片上铬金电极的蒸镀；
8.探测器芯片上的铟膜在有机凸台上的蒸镀；
9.探测器芯片的高温处理，铟柱生长和收缩；
10.读出电路(ROIC)芯片的清洗；
11.读出电路(ROIC)芯片上的金电极图形化的第一次光刻，清洗；
12.读出电路(ROIC)芯片上的铝电极蒸镀金电极，清洗；
13.读出电路(ROIC)芯片上的芯片有机凸台图形化的光刻，清洗；
14.读出电路(ROIC)芯片上的有机凸台的生长；
15.读出电路(ROIC)光刻胶的剥离，清洗；
16.读出电路(ROIC)芯片上的金电极在有机凸台上的蒸镀和爬坡，形成爬坡金电极；
17.读出电路(ROIC)芯片上的第二次铬金电极的图形化光刻；
18.读出电路(ROIC)芯片上的铬金电极的蒸镀；
19.读出电路(ROIC)芯片上的铟膜在有机凸台上的蒸镀；
20.读出电路(ROIC)芯片的高温处理，铟柱生长和收缩；
21.探测器芯片与读出电路(ROIC)芯片通过铟柱倒装互联集成。
本发明的应用证明，采用有机凸台的纵向热隔离技术，有效降低了探测器芯片与读出电路(ROIC)芯片之间的热扩散，使混成式非制冷焦平面探测器的响应率和灵敏度都得到显著提高。
附图说明
图1为有机凸台在探测器芯片和读出电路芯片上的生长示意图；
图2为金电极在有机凸台上爬坡、生长示意图；
图3为铬金电极在爬坡金电极上的蒸镀示意图；
图4为铟柱的蒸镀示意图；
图5为蒸镀的铟柱经热处理后收缩示意图；
图6为探测器芯片和ROIC芯片上的铟柱倒装互联后的示意图。
图中，1.探测器芯片；2.读出电路(ROIC)芯片；3.金电极；4.有机凸台；5.敏感元阵列；6.爬坡金电极；7.铬金电极；8.铟柱。
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。
如图1至图6所示，在基于钛酸锶钡(BST)材料的160×120阵列规模的混成式非制冷焦平面探测器的结构设计中，采用了本发明所提供的基于有机凸台的纵向热隔离结构后，在探测器芯片与读出电路(ROIC)芯片之间增加两层低热导的有机材料制备的凸台4，并通过基于有机凸台4的铟柱互联技术取代现有技术中的铟柱的直接互联结构。
实现本发明的工艺实施例如下：
1.探测器芯片的金电极的制备，清洗；
2.探测器芯片有机凸台图形化的光刻，清洗；
3.探测器芯片上有机凸台的生长；
4.探测器芯片上光刻胶的剥离，清洗；
5.探测器芯片上的金电极在有机凸台上的蒸镀和爬坡，形成爬坡金电极；
6.探测器芯片上的第二次铬金电极的图形化光刻；
7.探测器芯片上铬金电极的蒸镀；
8.探测器芯片上的铟膜在有机凸台上的蒸镀；
9.探测器芯片100℃～180℃的高温处理，铟柱生长和收缩；
10.读出电路(ROIC)芯片的清洗；
11.读出电路(ROIC)芯片上的金电极图形化的第一次光刻，清洗；
12.读出电路(ROIC)芯片上的铝电极蒸镀金电极，清洗；
13.读出电路(ROIC)芯片上的芯片有机凸台图形化的光刻，清洗；
14.读出电路(ROIC)芯片上的有机凸台的生长；
15.读出电路(ROIC)光刻胶的剥离，清洗；
16.读出电路(ROIC)芯片上的金电极在有机凸台上的蒸镀和爬坡，形成爬坡金电极；
17.读出电路(ROIC)芯片上的第二次铬金电极的图形化光刻；
18.读出电路(ROIC)芯片上的铬金电极的蒸镀；
19.读出电路(ROIC)芯片上的铟膜在有机凸台上的蒸镀；
20.读出电路(ROIC)芯片100℃～180℃的高温处理，铟柱生长和收缩；
21.探测器芯片与读出电路(ROIC)芯片通过铟柱倒装互联集成。
图1表示有机凸台4的制备，图2表示有机凸台4上爬坡金电极6的生长，图3表示爬坡金电极6上铬金电极7的制备，图4表示铟柱8的蒸镀，图5表示蒸镀的铟柱8经100℃～180℃的高温处理后收缩的情况，图6为探测器芯片和ROIC芯片通过铟柱倒装互联集成完整探测器的情况。
通过采取上述结构和工艺，显著减小了探测器芯片与读出电路(ROIC)芯片的热传导，从而使探测器具有充分的热响应和高灵敏度，其电压响应率大于5×105V/W，探测率大于5×108cmHz1/2W-1。

Claims (2)

1.一种混成式非制冷红外焦平面探测器的纵向热隔离结构，其特征在于：在探测器芯片的金电极(3)和读出电路芯片的金电极(3)上分别采用具有热隔离和电极连接作用的有机凸台(4)，在有机凸台上设计有爬坡金电极(6)，爬坡金电极上有铬金电极(7)，铬金电极上有倒装互联探测器芯片与读出电路芯片的铟柱(8)。
2.一种制造权利要求1所述的纵向热隔离结构的工艺，其特征在于：按以下步骤进行：
A.探测器芯片的金电极的制备，清洗；
B.探测器芯片有机凸台图形化的光刻，清洗；
C.探测器芯片上有机凸台的生长；
D.探测器芯片上光刻胶的剥离，清洗；
E.探测器芯片上的金电极在有机凸台上的蒸镀和爬坡，形成爬坡金电极；
F.探测器芯片上的第二次铬金电极的图形化光刻；
G.探测器芯片上铬金电极的蒸镀；
H.探测器芯片上的铟膜在有机凸台上的蒸镀；
I.探测器芯片的高温处理，铟柱生长和收缩；
J.读出电路(ROIC)芯片的清洗；
K.读出电路(ROIC)芯片上的金电极图形化的第一次光刻，清洗；
L.读出电路(ROIC)芯片上的铝电极蒸镀金电极，清洗；
M.读出电路(ROIC)芯片上的芯片有机凸台图形化的光刻，清洗；
N.读出电路(ROIC)芯片上的有机凸台的生长；
O.读出电路(ROIC)光刻胶的剥离，清洗；
P.读出电路(ROIC)芯片上的金电极在有机凸台上的蒸镀和爬坡，形成爬坡金电极；
Q.读出电路(ROIC)芯片上的第二次铬金电极的图形化光刻；
R.读出电路(ROIC)芯片上的铬金电极的蒸镀；
S.读出电路(ROIC)芯片上的铟膜在有机凸台上的蒸镀；
T.读出电路(ROIC)芯片的高温处理，铟柱生长和收缩；
U.探测器芯片与读出电路(ROIC)芯片通过铟柱倒装互联集成。
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