CN104310300A - 集成像元级聚光透镜的红外探测器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种集成像元级聚光透镜的红外探测器及其制备方法,集成像元级聚光透镜的红外探测器包括衬底及多个设置在衬底上的红外探测器像元,还包括多个密封盖及多个聚光透镜,每一密封盖包围一红外探测器像元,形成一容纳红外探测器像元的密封腔,每一密封盖的顶部外表面设置一聚光透镜,以将红外辐射汇聚到每一红外探测器像元上。本发明的优点在于,聚光透镜与红外探测器像元实现光刻级的对准,有效提高聚光透镜与红外探测器像元之间的对准精度,提高聚光透镜的汇聚效率。同时,聚光透镜的制作工艺与像元级的真空封装工艺结合,可以有效地提高红外探测器的集成度,减小探测器体积,降低制造成本。

Description

集成像元级聚光透镜的红外探测器及其制备方法
技术领域
本发明涉及红外探测器技术领域,尤其涉及一种集成像元级聚光透镜的红外探测器及其制备方法。 
背景技术
红外探测器技术(尤其是非制冷红外探测器技术)在过去的二十几年内得到飞速发展。一方面,非制冷焦平面技术由最初的中、小规模阵列,发展到大规模的640×480阵列,甚至是2048×1536规模的非制冷焦平面阵列。另一方面,像元尺寸也由50微米、35微米、25微米逐步缩小到17微米甚至以下。非制冷焦平面探测器凭借其体积小、成本低、可靠性好等优点,在工业、电力、医疗、消防等诸多关键领域得到广泛应用。随着电路水平及制造工艺的改进,非制冷焦平面的灵敏度逐步提高,也推动非制冷红外热成像技术在军事领域得到了成功应用,尤其在轻武器瞄具、驾驶员视力增强器、手持式便携热像仪等轻武器方面,非制冷热成像***更具优势,有望在近年内逐步取代价格高、体积笨重的制冷型热成像***。 
红外探测器一般分为制冷型和非制冷型。制冷型主要包括InSb、MCT、QWIP等类型。非制冷红外探测器一般是指热探测器,即通过探测红外辐射的热效应来工作。常用的红外热探测器包括热电堆、热释电、以及微测辐射热计。其中,采用微桥结构的微测辐射热计(Microbolometer)日渐成为绝对主流的非制冷红外焦平面探测器技术。微测辐射热计通过检测红外辐射热效应引起的热敏电阻的阻值变化而探测相应的辐射强度。入射到探测器光敏单元(像元)上的红外辐射被吸收后,引起像元温度的升高,这时像元的电阻值随着其温度升高而发生变化。通过检测像元电阻值的变化来进一步探测红外辐射信号的强弱。  
微测辐射热计的特点在于采用表面微加工工艺制作出悬空于CMOS读出电路(ROIC)衬底之上,以细长悬臂梁支撑的业界通称为微桥结构的像元。成千上万个相同的像元构成的二维阵列称为焦平面阵列。微桥结构的性能直接影响焦平面的灵敏度及成像效果,首先要具有良好的热绝缘性能,以利于把吸收的红外辐射最大化地转化为温度变化;其次,要求具有较低的热质量,以保证足够小的热时间常数和一定的成像频率;第三,要求具有较高的红外吸收效率。
像元的红外响应率与像元的红外吸收有效面积直接成正比,在像元尺寸逐渐缩小的趋势下,如何提高像元的红外吸收有效面积变得更加重要。一种方法是通过双层或多层微桥设计提高像元的填充因子以提高像元的红外吸收有效面积。另外一种方法是通过聚光透镜阵列来汇聚入射的红外辐射从而提高吸收效率。聚光透镜阵列在可见光图像传感器(CIS,CMOS Imaging Sensor)中已经批量应用。 
在红外焦平面探测器方面,专利US5701008公开了一种集成聚光透镜阵列的红外探测器。利用在硅片下表面制作聚光透镜并通过焊料与红外探测器芯片结合,聚光透镜阵列中的单个透镜单元与红外探测器中的单个像元一一对应,聚光透镜把入射红外辐射汇聚到对应的像元上,从而改善像元的红外吸收率。 
聚光透镜阵列主要对于超小像元(例如12微米像元)的探测器使用,而专利US5701008采用的芯片级键合的方式,由于键合工艺存在较大的对准误差,导致聚光透镜无法与下面的像元完全对准,必然影响透镜的汇聚效率,更严重的情况下将引起相邻像元间的串扰。 
发明内容
本发明所要解决的技术问题是,提供一种集成像元级聚光透镜的红外探测器及其制备方法,它能够有效提高聚光透镜与像元之间的对准精度及红外探测器的集成度,减小红外探测器体积,降低制造成本。 
为了解决上述问题,本发明提供了一种集成像元级聚光透镜的红外探测器,包括衬底及多个设置在所述衬底上的红外探测器像元,还包括多个密封盖及多个聚光透镜,每一所述密封盖包围一红外探测器像元,形成一容纳所述红外探测器像元的密封腔,每一所述密封盖的顶部外表面设置一所述聚光透镜,以将红外辐射汇聚到每一所述红外探测器像元上。 
进一步,制作所述密封盖材料与制作所述聚光透镜的材料相同,以提高密封盖及聚光透镜对红外辐射的透射。 
进一步,所述聚光透镜与密封盖接触面的面积小于或者等于所述密封盖的顶部外表面的面积。 
进一步,所述衬底包括多个读出电路,每一所述读出电路与每一所述红外探测器像元电连接。 
进一步,所述集成像元级聚光透镜的红外探测器为微测辐射热计。 
进一步,所述聚光透镜采用多晶硅、非晶硅、碳化硅、锗材料中的一种制备。 
本发明还提供一种上述的集成像元级聚光透镜的红外探测器的制备方法,包括如下步骤:提供一衬底,所述衬底的表面预先设置有多个红外探测器像元;在每一所述红外探测器像元***制作密封盖,所述密封盖包围每一所述红外探测器像元,并形成一容纳所述红外探测器像元的密封腔;在每一所述密封盖顶部外表面制作聚光透镜,以形成所述集成像元级聚光透镜的红外探测器。 
进一步,所述密封盖的制作方法包括如下步骤:在所述衬底设置有多个红外探测器像元的表面上沉积第二牺牲层,所述第二牺牲层高于所述红外探测器像元;图形化所述第二牺牲层,以形成多个贯通至所述衬底的环,每一所述环环绕每一所述红外探测器像元;在所述环内及环所环绕的第二牺牲层表面沉积红外辐射透过材料,以形成密封盖。 
进一步,在提供所述衬底步骤中,所述衬底预先具有一第一牺牲层,所述第一牺牲层覆盖所述衬底表面并暴露出所述红外探测器像元,在所述第一牺牲层及红外探测器像元表面沉积第二牺牲层。 
进一步,形成密封腔的方法包括如下步骤:图形化所述密封盖,以在所述密封盖的顶部外表面形成至少一个贯通至所述第二牺牲层的释放孔;通过释放孔释放所述第二牺牲层以及第一牺牲层,以形成一容纳所述红外探测器像元的密封腔。 
进一步,所述聚光透镜的制作方法包括如下步骤:在每一所述密封盖的顶部外表面沉积红外辐射透过材料,形成一覆盖在每一所述密封盖的顶部外表面的沉积层,所述沉积层同时有效地密封前一步骤所述的释放孔;在所述沉积层表面形成球面的光刻胶;以所述球面的光刻胶作为掩膜,刻蚀所述沉积层,形成聚光透镜。 
本发明的优点在于,现有技术中的红外探测器是聚光透镜与探测器晶圆分别加工完成后通过晶圆键合的方式将聚光透镜与探测器晶圆结合,微透镜与红外探测器像元之间的对准精度受到键合对准精度的限制(一般在几微米至数十微米)。而本发明则是采用光刻的方法在密封盖上制作聚光透镜,聚光透镜与探测器晶圆采用单体集成的方式结合,聚光透镜与红外探测器像元实现光刻级的对准(可以达到亚微米级对准精度)。相较于现有技术中的封装级的对准,本发明有效提高聚光透镜与红外探测器像元之间的对准精度,提高聚光透镜的汇聚效率。同时,聚光透镜的制作工艺与像元级的真空封装工艺结合,可以有效地提高红外探测器的集成度,减小探测器体积,降低制造成本。 
附图说明
图1是本发明集成像元级聚光透镜的红外探测器的结构示意图; 
图2是本发明集成像元级聚光透镜的红外探测器的光路图;
图3是本发明集成像元级聚光透镜的红外探测器的制备方法的步骤示意图;
图4A~图4C是本发明集成像元级聚光透镜的红外探测器的制备方法的工艺流程图;
图5是密封盖及密封腔的制作方法的步骤示意图;
图6A~图6E是所述密封盖及密封腔的制作方法的工艺流程图;
图7是图6B的俯视示意图;
图8是聚光透镜的制作方法的步骤示意图;
图9A~图9C是聚光透镜的制作方法的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的集成像元级聚光透镜的红外探测器及其制备方法的具体实施方式做详细说明。 
参见图1,一种集成像元级聚光透镜的红外探测器,包括衬底1及多个设置在所述衬底1上的红外探测器像元2。所述衬底1可以但不限于单晶硅衬底。 
所有所述红外探测器像元2二维排列形成红外焦平面阵列。在本具体实施方式中仅列举五个红外探测器像元2。在本具体实施方式中,所述集成像元级聚光透镜的红外探测器作为微测辐射热计,因此,所述红外探测器像元2为悬空于衬底1之上的以细长悬臂梁支撑的微桥结构。进一步,所述集成像元级聚光透镜的红外探测器还包括多个设置在衬底中的读出电路单元3,每一读出电路单元3与一个红外探测器像元2电连接。在本发明其他具体实施方式中,所述红外探测器像元2也可以为热释电、热电堆、双材料悬臂梁以及各类制冷型探测器的红外探测器像元。根据红外探测器类型的不同,所述红外探测器像元2二维排列形成的红外焦平面阵列与读出电路单元的集成可采用单体集成或者混合集成。所述红外焦平面阵列与读出电路单元的集成为现有技术,在此不赘述。 
所述集成像元级聚光透镜的红外探测器还包括多个密封盖4,每一所述密封盖4包围一红外探测器像元2,形成一容纳所述红外探测器像元2的密封腔5。所述密封盖4在红外探测器像元2与外界环境间形成保护。由于红外辐射通过所述密封盖4的顶部入射到所述红外探测器像元2上,所以,所述密封盖4的顶部需要对红外辐射具有较高的透射。所述根据红外探测器像元2的工作原理的不同,所述密封腔5内形成真空、惰性气体、氮气、大气等不同的气氛环境。例如,对于微测辐射热计,所述密封腔5内部需要形成真空环境。 
所述集成像元级聚光透镜的红外探测器还包括多个聚光透镜6,每一所述密封盖4的顶部外表面设置一所述聚光透镜6,以将红外辐射汇聚到每一所述红外探测器像元2上。在本具体实施方式中,所述聚光透镜6为凸透镜,以将红外辐射汇聚到每一所述红外探测器像元2上。优选地,所述聚光透镜6与密封盖4接触面的面积小于或者等于所述密封盖4的顶部外表面的面积,以保证所述聚光透镜6汇聚的红外辐射全部汇聚到红外探测器像元2上。所述聚光透镜6采用的材料需要对工作的红外辐射波段具有较高的透射能力。优选地,为了提高密封盖4及聚光透镜6对红外辐射的透射,制作所述密封盖4的材料与制作所述聚光透镜6的材料相同。 
图2是本发明集成像元级聚光透镜的红外探测器的光路图,参见图2,红外辐射照射到聚光透镜6上,通过聚光透镜6的汇聚作用,红外辐射汇聚在红外探测器像元2上,从而改善红外探测器像元2的红外吸收率。 
本发明还提供一种上述的集成像元级聚光透镜的红外探测器的制备方法,参见图3,所述制备方法包括如下步骤:步骤S30、提供一衬底,所述衬底的表面预先设置有多个红外探测器像元;步骤S31、在每一所述红外探测器像元***制作密封盖,所述密封盖包围每一所述红外探测器像元,并形成一容纳所述红外探测器像元的密封腔;步骤S32、在每一所述密封盖顶部外表面制作聚光透镜,以形成所述集成像元级聚光透镜的红外探测器。 
图4A~图4C是本发明集成像元级聚光透镜的红外探测器的制备方法的工艺流程图。 
参见图4A及步骤S30,提供一衬底400,所述衬底400的表面预先设置有多个红外探测器像元401。所述衬底400可为单晶硅,且可为未划片的完整晶圆。进一步,在本具体实施方式中,所述衬底400内还预先设置有多个读出电路单元402,每一读出电路单元402与一个红外探测器像元401电连接。进一步,在本具体实施方式中,所述衬底400预先具有一第一牺牲层404,所述第一牺牲层404覆盖所述衬底400表面并暴露出所述红外探测器像元401。所述第一牺牲层404可以为制作带有红外探测器像元401的衬底400时,未释放红外探测器像元401的牺牲层而形成的第一牺牲层404。 
参见图4B及步骤S31,在每一所述红外探测器像元401***制作密封盖405,所述密封盖405包围每一所述红外探测器像元401,并形成一容纳所述红外探测器像元401的密封腔406。 
参见图5,所述密封盖405及密封腔406的制作方法包括如下步骤:步骤S50、在所述衬底设置有多个红外探测器像元的表面和第一牺牲层上沉积第二牺牲层,所述第二牺牲层高于所述红外探测器像元;步骤S51、图形化所述第二牺牲层,以形成多个贯通至所述衬底的环,每一所述环环绕每一所述红外探测器像元;步骤S52、在所述环内及环所环绕的第二牺牲层表面沉积红外辐射透过材料,以形成密封盖;步骤S53、图形化所述密封盖,以在所述密封盖的顶部外表面形成至少一个贯通至所述第二牺牲层的释放孔;步骤S54、释放所述第一牺牲层及第二牺牲层,以形成一容纳所述红外探测器像元的密封腔。 
附图6A~附图6E是所述密封盖405及密封腔406的制作方法的工艺流程图。 
参见图6A及步骤S50,在所述衬底400设置有多个红外探测器像元401的表面和第一牺牲层404上沉积第二牺牲层407,所述第二牺牲层407高于所述红外探测器像元401。所述第一牺牲层404的材料可以与第二牺牲层407的材料相同或不同,但是,第一牺牲层404及第二牺牲层407的材料需满足与红外探测器像元401及后续的密封盖405间具有较高的释放选择比,以便于后续在去除第一牺牲层404及第二牺牲层407时,不损害密封盖405。 
参见图6B及步骤S51,图形化所述第二牺牲层407,以形成贯通至所述衬底400的环408,每一所述环408环绕每一所述红外探测器像元401。所述图形化可通过光刻/刻蚀等方法,所述图形化的方法为现有技术,在此不赘述。图7示意性地表示出图6B的俯视图,参见图7所示,仅示意性地表示出五个红外探测器像元401,所述环408环绕每一红外探测器像元401。 
参见图6C及步骤S52,在所述环408内及环408所环绕的第二牺牲层407表面沉积红外辐射透过材料,以形成密封盖405。所述沉积的红外辐射透过材料可以但是不限于多晶硅、非晶硅、碳化硅、锗等材料。所述沉积方法为现有技术中本领域技术人员常用的方法。 
参见图6D 及步骤S53,图形化所述密封盖405,以在所述密封盖405的顶部外表面形成至少一个贯通至所述第二牺牲层的释放孔409。 
参见图6E及步骤S54,释放所述第一牺牲层404及第二牺牲层407,以形成一容纳所述红外探测器像元的密封腔406,形成图4B所示的结构,相邻密封盖405间的第二牺牲层407也被释放,形成密封盖405。释放过程中,用于释放刻蚀的气体或溶剂通过释放孔409进入,释放产生的挥发物也通过释放孔409排出。 
继续参见图4C及步骤S32,在每一所述密封盖405顶部外表面制作聚光透镜410,以形成所述集成像元级聚光透镜的红外探测器。 
参见图8,所述聚光透镜410的制作方法包括如下步骤:步骤S80、在每一所述密封盖的顶部外表面沉积红外辐射透过材料,形成一覆盖在每一所述密封盖的顶部外表面的沉积层;步骤S81、在所述沉积层表面形成球面的光刻胶;步骤S82、以所述球面的光刻胶作为掩膜,刻蚀所述沉积层,形成聚光透镜。 
附图9A~附图9C是所述聚光透镜410的制作方法的工艺流程图。 
参见图9A及步骤S80,在每一所述密封盖405的顶部外表面沉积红外辐射透过材料,形成一覆盖在每一所述密封盖405的顶部外表面的沉积层411。沉积层411利用对红外辐射具有良好的透过率的材料制作,例如,可以选择但不限于多晶硅、非晶硅、碳化硅、锗等材料。沉积层411的沉积过程一般是在高真空环境下进行,因此密封腔406内也形成高真空。沉积的沉积层411进一步密封住释放孔409,从而形成了内部为高真空的密封腔406。 
参见图9B及步骤S81,在所述沉积层411表面形成球面的光刻胶412。所述球面的光刻胶412的形成方法可以为:在沉积层411的表面涂覆光刻胶,并通过曝光、显影的方式图形化;通过加热的方式使图形化后的光刻胶流动,由于表面张力形成球面形状,从而形成球面的光刻胶412。 
参见图9C及步骤S82,以所述球面的光刻胶412作为掩膜,刻蚀所述沉积层411,由于在刻蚀的过程中,球面的光刻胶412也被逐渐刻蚀,因此,球面的光刻胶412从边缘至球形中心逐渐消失,从而导致所述沉积层411也按球形被逐渐刻蚀,最终形成聚光透镜410。该工艺是制作微透镜的常规方法,在此不赘述。 
通过上述工艺步骤,采用光刻级的精度制作出集成像元级聚光透镜的红外探测器结构,提高聚光透镜与红外探测器像元之间的对准精度。同时,聚光透镜的制作工艺与像元级的真空封装工艺结合,可以有效地提高红外探测器的集成度,减小探测器体积,降低制造成本。 
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。  

Claims (11)

1.一种集成像元级聚光透镜的红外探测器,包括衬底及多个设置在所述衬底上的红外探测器像元,其特征在于,还包括多个密封盖及多个聚光透镜,每一所述密封盖包围一红外探测器像元,形成一容纳所述红外探测器像元的密封腔,每一所述密封盖的顶部外表面设置一所述聚光透镜,以将红外辐射汇聚到每一所述红外探测器像元上。
2.根据权利要求1所述的集成像元级聚光透镜的红外探测器,其特征在于,制作所述密封盖材料与制作所述聚光透镜的材料相同,以提高密封盖及聚光透镜对红外辐射的透射。
3.根据权利要求1所述的集成像元级聚光透镜的红外探测器,其特征在于,所述聚光透镜与密封盖接触面的面积小于或者等于所述密封盖的顶部外表面的面积。
4.根据权利要求1所述的集成像元级聚光透镜的红外探测器,其特征在于,所述衬底包括多个读出电路单元,每一所述读出电路单元与每一所述红外探测器像元电连接。
5.根据权利要求1所述的集成像元级聚光透镜的红外探测器,其特征在于,所述集成像元级聚光透镜的红外探测器为微测辐射热计。
6.根据权利要求1所述的集成像元级聚光透镜的红外探测器,其特征在于,所述聚光透镜采用多晶硅、非晶硅、碳化硅、锗材料中的一种制备。
7.一种权利要求1所述的集成像元级聚光透镜的红外探测器的制备方法,其特征在于,包括如下步骤: 提供一衬底,所述衬底的表面预先设置有多个红外探测器像元; 在每一所述红外探测器像元***制作密封盖,所述密封盖包围每一所述红外探测器像元,并形成一容纳所述红外探测器像元的密封腔; 在每一所述密封盖顶部外表面制作一聚光透镜,以形成所述集成像元级聚光透镜的红外探测器。
8.根据权利要求7所述的集成像元级聚光透镜的红外探测器的制备方法,其特征在于,所述密封盖的制作方法包括如下步骤: 在所述衬底设置有多个红外探测器像元的表面上沉积第二牺牲层,所述第二牺牲层高于所述红外探测器像元; 图形化所述第二牺牲层,以形成多个贯通至所述衬底的环,每一所述环环绕每一所述红外探测器像元;在所述环内及环所环绕的第二牺牲层表面沉积红外辐射透过材料,以形成密封盖。
9.根据权利要求8所述的集成像元级聚光透镜的红外探测器的制备方法,其特征在于,在提供所述衬底步骤中,所述衬底预先具有一第一牺牲层,所述第一牺牲层覆盖所述衬底表面并暴露出所述红外探测器像元,在所述第一牺牲层及红外探测器像元表面沉积第二牺牲层。
10.根据权利要求8所述的集成像元级聚光透镜的红外探测器的制备方法,其特征在于,形成密封腔的方法包括如下步骤: 图形化所述密封盖,以在所述密封盖的顶部外表面形成至少一个贯通至所述第二牺牲层的释放孔; 释放所述第二牺牲层,以形成一容纳所述红外探测器像元的密封腔。
11.根据权利要求7所述的集成像元级聚光透镜的红外探测器的制备方法,其特征在于,所述聚光透镜的制作方法包括如下步骤: 在每一所述密封盖的顶部外表面沉积红外辐射透过材料,形成一覆盖在每一所述密封盖的顶部外表面的沉积层; 在所述沉积层表面形成球面的光刻胶; 以所述球面的光刻胶作为掩膜,刻蚀所述沉积层,形成聚光透镜。
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