CN116705887B - 一种红外探测器用吸收膜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种红外探测器用吸收膜，其包括设置在芯片基底、红外透明材料玻璃或晶体基底上的正入射的单向吸收膜，此单向吸收膜为多层复合薄膜，自下而上依次包括金属高反膜层、陶瓷膜层、金属过渡膜层、半导体材料膜层、介质保护膜层；同时公开上述红外探测器用吸收膜的制备方法。本发明具有优异的选择光谱吸收和光隔断能力，在1.7～7μm的短/中波红外波段，调整低反射区域位置和最低反射率值，能够获得对应不同探测器应用所需的最佳吸收效果。

Description

一种红外探测器用吸收膜及其制备方法

技术领域

本发明属于红外探测技术领域，尤其是涉及一种红外探测器用吸收膜及其制备方法。

背景技术

随着红外技术的不断进步及应用需求的推动，作为红外***核心部件的红外探测器应用越来越广泛，在军事领域的制导、跟踪、夜视和大地测绘等方面具有非常重要的应用，同时在国民经济领域的工业过程监控、医疗的疾病诊断和传染病预防、自然预报和环境灾害监测等领域有着非常广阔的应用前景。

高性能红外探测器采用低温制冷杜瓦封装结构，其包括半导体光敏芯片、冷屏、滤光片、红外窗口、电极引线、过渡引线片/环等，来自视场外背景辐射的外部杂散光、内部光机结构辐射杂散光，通过芯片表面的反射、透射光学零件表面和镜筒内壁等非光学表面的残余反射、散射，以及正常光路中光学透射元件表面的多次反射，形成非正常传输杂散辐射的光学干扰，使得像质变差，甚至形成“鬼像”，降低目标信号的对比清晰度，影响信噪比和探测性能。杂散辐射光的抑制逐渐成为高性能探测器提高探测能力和成像质量的一个关键。

就杂散光抑制而言，一方面是对正常传输光的红外光学元件窗口、滤光片、芯片表面等进行光学薄膜优化，以提高光学透过性能、降低表面反射等；另一方面由于不可避免的光学元件表面、冷屏、引线片等非光学表面的反射和散射，特别如探测芯片表面的金属电极膜，对红外辐射是高的反射等，因此通过对非正常传输光路元件部分采用红外吸收膜处理，达到吸收并阻光的作用，减少多次反射返回探测光敏面的杂散辐射，从而提高低温制冷红外探测器的信噪比和探测性能。

发明内容

为解决上述问题，针对非正常传输光路的元件或其部分非正常传输区域，本发明的目的是提供一种红外探测器用吸收膜及其制备方法，其在探测器的半导体材料芯片或其他电极引线片/环等红外光学玻璃或晶体材料上，在其非正常传输光路的部分区域，制备红外吸收膜，使得镀该吸收膜的区域对入射的光辐射截止，并尽可能多的光吸收和少的表面反射，以减少探测器内经光学/非光学元件表面多次反射而进入光敏元的杂散光，提高探测器的信噪比和探测性能。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种红外探测器用吸收膜，其包括设置在芯片基底上的正入射的单向吸收膜，此单向吸收膜为多层复合薄膜，自下而上依次包括金属高反膜层、陶瓷膜层、金属过渡膜层、半导体材料膜层、介质保护膜层。

进一步地，上述的金属高反膜层的材料选自Al、Au或Pt；陶瓷膜层的材料选自Cerm；金属过渡膜层的材料选自Cr或Ti；半导体材料膜层的材料选自Ge或Si；介质保护膜层的材料选自SiO、SiO₂、ZnS或ZnSe。

进一步地，上述的金属高反膜层的厚度为陶瓷膜层的厚度为金属过渡膜层的厚度为/>半导体材料膜层的厚度为介质保护膜层的厚度为/>

进一步地，上述的金属高反膜层下部还设置有介质绝缘膜层。

更进一步地，上述的介质绝缘膜层的材料选自SiO、SiO₂、Ti₃O₅、Ta₂0₅、ZnS、ZnSe或MgF₂。

再进一步地，上述的介质绝缘膜层的厚度为

进一步地，上述的芯片基底为InSb或HgCdTe材料。

一种红外探测器用吸收膜，其包括设置在红外透明玻璃或晶体材料基底上的正入射的单向吸收膜，此单向吸收膜为多层复合薄膜，自下而上依次包括金属高反膜层、陶瓷膜层、金属过渡膜层、半导体材料膜层、介质保护膜层。

进一步地，上述的金属高反膜层的材料选自Al、Au或Pt；陶瓷膜层的材料选自Cerm；金属过渡膜层的材料选自Cr或Ti；半导体材料膜层的材料选自Ge或Si；介质保护膜层的材料选自SiO、SiO₂、ZnS或ZnSe。

进一步地，上述的金属高反膜层的厚度为陶瓷膜层的厚度为金属过渡膜层的厚度为/>半导体材料膜层的厚度为介质保护膜层的厚度为/>

进一步地，上述的金属高反膜层下部还设置有介质绝缘膜层。

更进一步地，上述的介质绝缘膜层的材料选自SiO、SiO₂、Ti₃O₅、Ta₂0₅、ZnS、ZnSe或MgF₂。

再进一步地，上述的介质绝缘膜层的厚度为

一种红外探测器用吸收膜，其包括设置在红外透明玻璃或晶体材料基底上的红外双向吸收膜，此双向吸收膜为多层复合薄膜，自下而上依次包括介质绝缘过渡膜层、第一半导体材料膜层、第一金属过渡膜层、第一陶瓷膜层、金属高反膜层、第二陶瓷膜层、第二金属过渡膜层、第二半导体材料膜层、介质保护膜层。

进一步地，上述的介质绝缘过渡膜层的材料选自SiO、SiO₂、Ti₃O₅、Ta₂0₅、ZnS、ZnSe或MgF₂；第一、第二半导体材料膜层的材料均选自Ge或Si；第一、第二金属过渡膜层的材料选自Cr或Ti；第一、第二陶瓷膜层的材料选自Cerm；金属高反膜层的材料选自Al、Au或Pt；介质保护膜层的材料选自SiO、SiO₂、ZnS或ZnSe。

进一步地，上述的介质绝缘过渡膜层的厚度为第一、第二半导体材料膜层的厚度为/>第一、第二金属过渡膜层的厚度为/> 第一、第二陶瓷膜层的厚度为/>金属高反膜层的厚度为/> 介质保护膜层的厚度为/>

上述的红外探测器用吸收膜，其应用在1.7～7μm的短/中波红外光谱区间。

一种红外探测器用吸收膜的制备方法，其包括以下步骤：

S1、选用光刻胶为掩膜材料在芯片基底、红外透明玻璃或晶体材料基底上采用光刻剥离的方法形成薄膜图形；

S2、吸收膜的真空蒸发镀膜校准：采用低温60～80℃沉积，石英晶控法进行步骤S2中的多层膜的物理厚度监控；

S3、按照步骤S2中的经校准的多层膜厚度及蒸发参数，沉积吸收膜的多层复合薄膜；

S4、将步骤S3中的吸收膜的光刻胶剥离，得到红外吸收膜；

S5、通过对步骤S4中的红外吸收膜进行反射光谱性能和膜层表面性能测试，完成红外吸收膜的制备。

由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下优越性：

该红外探测器用吸收膜及其制备方法，其全波段红外透过率为0，探测器响应的工作光谱波段，实现了低反射、高吸收的光截止；具有优异的选择光谱吸收和光隔断能力，在1.7～7μm的短/中波红外波段，调整低反射区域位置和最低反射率值，能够获得对应不同探测器应用所需的最佳吸收效果。

该红外探测器用吸收膜及其制备方法，其在探测器的半导体材料芯片或其他电极引线片/环等红外光学玻璃或晶体材料上，在其非正常传输光路的部分区域，制备红外吸收膜，对器件内芯片和引线片/环上非正常光路的非光敏区，进行全波段光的隔断和器件工作波段内光的吸收及其低的反射，减小其表面本身反射(包括金属电极的高反射)，以及在芯片、滤光片、红外窗口、引线片等元件光学表面间的多次反射而返回探测光敏元的红外杂散辐射，从而抑制探测器的杂散光干扰，提高低温制冷红外探测器的信噪比和探测率，能够广泛应用于短波/中波红外光电探测器中，具有良好的推广应用价值。

附图说明

图1是本发明的芯片基底上的单向红外吸收膜的结构示意图；

图2是本发明的芯片基底的单向红外吸收膜的反射率曲线图；

图3是本发明的过渡引线片宝石基底上的红外吸收膜的主视结构示意图；

图4是图3中的红外吸收膜的俯视结构示意图；

图5为本发明的过渡引线片宝石基底上的双向红外吸收膜的双向反射率曲线图；

图中：1－吸收膜；2－正向入射光线；3－红外吸收膜；4－宝石基片；5－芯片安装区域；6－装配对准标记。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。

一种红外探测器用吸收膜，其包括设置在芯片基底上的正入射的单向吸收膜，此单向吸收膜为多层复合薄膜，自下而上依次包括金属高反膜层、陶瓷膜层、金属过渡膜层、半导体材料膜层、介质保护膜层；所述金属高反膜层的材料选自Al、Au或Pt，优选Al；陶瓷膜层的材料选自Cerm；金属过渡膜层的材料选自Cr或Ti；半导体材料膜层的材料选自Ge或Si，优选Ge；介质保护膜层的材料选自SiO、SiO2、ZnS或ZnSe。

上述的金属高反膜层的厚度为(即50～100nm)，金属过渡膜层的厚度为/>陶瓷膜层的厚度为/>半导体材料膜层的厚度为介质保护膜层的厚度为/>

当上述的芯片对吸收膜有绝缘需求时，上述的金属高反膜层下部还设置有介质绝缘膜层；所述介质绝缘膜层的材料选自SiO、SiO₂、Ti₃O₅、Ta₂0₅、ZnS、ZnSe或MgF₂；所述介质绝缘膜层的厚度为

采用非Al金属高反膜层时，在上述绝缘介质膜层和金属高反膜层之间增加金属过渡膜层。

上述的芯片基底为InSb或HgCdTe材料。

上述的芯片基底上的吸收膜是除光敏区、必要的电极焊线端和标记等之外的其他芯片表面区域，覆盖了电极金属膜和钝化介质膜区域，如图1所示。所述吸收膜是单向正入射光吸收，全波段光截止，即透过率为0，在工作光谱波段内的反射率小于10％。

一种红外探测器用吸收膜，其包括设置在红外透明玻璃或蓝宝石晶体材料基底上的正入射单向吸收膜，此单向吸收膜为多层复合薄膜，自下而上依次包括金属高反膜层、陶瓷膜层、金属过渡膜层、半导体材料膜层、介质保护膜层。

有绝缘需求时，上述的多层复合薄膜自下而上依次包括介质绝缘膜层、金属高反膜层、陶瓷膜层、金属膜过渡层、半导体材料膜层、介质保护膜层。

上述的介质绝缘膜层的材料选自SiO、SiO₂、Ti₃O₅、Ta₂0₅、ZnS、ZnSe或MgF₂；金属高反膜层的材料选自Al、Au或Pt，优选Al；陶瓷膜层的材料选自Cerm；金属过渡膜层的材料选自Cr或Ti；半导体材料膜层的材料选自Ge或Si，优选Ge；介质保护膜层的材料选自SiO、SiO₂、ZnS或ZnSe。

上述的介质绝缘膜层的厚度为金属高反膜层的厚度为/> 陶瓷膜层的厚度为/>金属过渡膜层的厚度为/>半导体材料膜层的厚度为/>介质保护膜层的厚度为/>

一种红外探测器用吸收膜，其包括设置在红外透明玻璃或晶体材料基底上的红外双向吸收膜，此双向吸收膜为多层复合薄膜，自下而上依次包括介质绝缘过渡膜层、第一半导体材料膜层、第一金属过渡膜层、第一陶瓷膜层、金属高反膜层、第二陶瓷膜层、第二金属过渡膜层、第二半导体材料膜层、介质保护膜层；所述介质绝缘过渡膜层的材料选自SiO、SiO₂、Ti₃O₅、Ta₂0₅、ZnS、ZnSe或MgF₂；第一、第二半导体材料膜层的材料均选自Ge或Si，优选Ge；第一、第二金属过渡膜层的材料选自Cr或Ti；第一、第二陶瓷膜层的材料选自Cerm；金属高反膜层的材料选自Al、Au或Pt，优选Al；介质保护膜层的材料选自SiO、SiO₂、ZnS或ZnSe。

上述的介质绝缘过渡膜层的厚度为第一、第二半导体材料膜层的厚度为/>第一、第二金属过渡膜层的厚度为/>第一、第二陶瓷膜层的厚度为/>金属高反膜层的厚度为/>介质保护膜层的厚度为

上述的红外透明的玻璃或晶体材料作为基底，包括但不限于完成成结、钝化、金属化的完整InSb芯片，石英玻璃或蓝宝石晶体材料的过渡引线片/环。

上述的双向吸收膜达到双向全波段光截止和工作光谱波段内吸收的作用，在工作光谱波段内的反射率小于16％。

上述的红外探测器用吸收膜，根据探测器具体工作波段，调整其中的陶瓷膜层、半导体材料膜层和介质保护膜层的厚度，主要通过陶瓷膜层、半导体材料膜层的增减，调整低反射区域中心，即最低反射率波长λ₀的位置和最低反射率值R_min，改善工作光谱波段内的整体吸收效果。其中，Ge膜层厚度决定λ₀的波长位置，厚度增加R_min点长波向移动；R_min的大小由陶瓷膜层的厚度决定，并需与最佳λ₀位置的半导体材料膜层厚度相匹配，以获得最低反射率波长点的R_min最小值，达到最大吸收效果。

本发明的红外探测器用吸收膜，其应用在1.7～7μm的短/中波红外光谱区间。

一种红外探测器用吸收膜的制备方法，其包括以下步骤：

S1、吸收膜光刻

选用光刻胶为掩膜材料在芯片基底、红外透明玻璃或晶体材料基底上，通过严格控制涂敷转速、烘烤温度和显影时间等参数进行吸收膜的图形光刻；实施例选择AZ462O光刻胶，涂胶转速为1200～1500rpm，旋转时间20～30s，烘烤温度70～90℃，烘烤时间20～40min，曝光时间为180～250s，显影时间40～100s。

S2、吸收膜的多层复合薄膜镀制光谱校准

采用低温60～80℃沉积，石英晶控法进行多层复合薄膜的物理厚度监控；其中，金属过渡膜层、金属高反膜层、半导体材料膜层采用多穴坩埚电子束蒸发，速率为0.1～0.3nm/s、2～5nm/s和0.4～0.7nm/s；陶瓷膜层采用单穴坩埚电子束蒸发，速率分别为0.1～0.3nm/s；介质保护膜层采用钼舟或钽舟电阻蒸发，速率为2～5nm/s。测试沉积多层复合薄膜的透过率和反射率光谱曲线，其全波段的透过率都为0，主要是校准反射率光谱曲线，通过厚度调整特别是陶瓷膜层、半导体材料膜层和介质保护膜层的厚度校准，使得在探测器工作光谱波段的反射率尽可能小，对应最佳的吸收效果；

S3、吸收膜的多层复合薄膜镀制：

按照步骤S2中的经校准的多层膜厚度及蒸发参数，沉积吸收膜的多层复合薄膜；

S4、吸收膜的光刻胶剥离：

用丙酮溶液浸泡或必要时配适量加热、超声进行剥离，再进行甲醇中浸泡20～30s，去离子水冲洗约30～50s，氮***吹干，形成膜图形的红外吸收膜；

S5、通过对步骤S5中的红外吸收膜进行反射光谱性能和膜层表面性能测试，完成红外吸收膜的制备。

实施例1

红外探测器用单向正向的吸收膜

在红外多元探测器的InSb芯片基底上，设计、制造了正向入射的单向红外吸收膜。该红外吸收膜的图形结构如图1，在图1中所示的吸收膜1的图形外区域，镀膜后经光刻剥离为吸收膜多层膜区域，其基本膜系为：

Sub/SiO(520)/Al(620)/Cerm(1030)/Cr(150)/Ge(750)/SiO(850)/Air，其中，每层膜的厚度为“()”中的数值所示，单位为(埃)，所述Sub、Air分别为基底和入射空气；对于无绝缘要求的吸收膜，去掉/>厚度的首层SiO，由6层绝缘膜转变为非绝缘的5层膜，而其正向光谱特性(反射、吸收)无变化，全波段的透过率都为0，正向的反射光谱曲线如图2所示，其中，上、中、下三条曲线分别为单面抛光Ge参考片、实测遮光吸收膜和0基准的反射率曲线，在3.7～5.0μm@2700～2000cm-1光谱区间内，R_min接近为0，最高反射率R_max＝13.8％@3.7μm，长波端R＝8.7％@5.0μm。

实施例2

双向的红外探测器用吸收膜

在宝石材料基底的过渡引线片(是芯片响应电信号引出的一个过渡)上，设计、制造了双向吸收的红外吸收膜。该红外吸收膜多层膜结构如图3、图4所示，基片中心区域是探测器的芯片安装区域5位置，***区域镀起双向吸收作用的。基本膜系为：

Sub/SiO(520)/Ge(690)/Cr(140)/Cerm(930)/Al(620)/Cerm(930)/Cr(150)/Ge(690)/SiO(850)/Air，其中，“()”中的数值为每层膜的厚度，单位为(埃)，所述Sub、Air分别为宝石基底和入射空气；该吸收膜的全波段光谱透过率为0，反射光谱曲线如图5所示，其中，上、下两条曲线仍分别为单面抛光Ge参考片和0基准的反射率曲线，蓝色、绿色曲线分别为遮光吸收膜正向(有膜面侧)和反向(有膜面背侧)的实测反射率曲线，在3.4～4.8μm@2941～2083cm-1光谱区间内，正向R正min接近为0，最高反射率R_正max＝16％@4.8μm，短波端R＝10％@3.4μm；反向R_反min＝8％＞R_正min，除短波端3.4μm处R＝10％相同外，总体上R_反＞R_正，这是由于反向入射时的实测反射率比正向的增加了基片吸收膜背面侧的裸表面反射，造成反射率偏高所致，对于宝石、石英的低折射率基片，实际吸收影响不大；如果基片是其他高折射率的材料，为避免基片背膜侧的高反射对反向的影响，通过在背侧加镀一层减反射膜，增加入射进吸收膜的光而提高反向的吸收效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，而非对本发明的限制，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明的专利保护范围之内。

Claims (5)

1.一种红外探测器用吸收膜，其特征是：其包括设置在红外透明玻璃或晶体材料基底上的红外双向吸收膜，此双向吸收膜为多层复合薄膜，自下而上依次包括介质绝缘过渡膜层、第一半导体材料膜层、第一金属过渡膜层、第一陶瓷膜层、金属高反膜层、第二陶瓷膜层、第二金属过渡膜层、第二半导体材料膜层、介质保护膜层。

2.根据权利要求1所述的红外探测器用吸收膜，其特征是：其介质绝缘过渡膜层的材料选自SiO、SiO₂、Ti₃O₅、Ta₂0₅、ZnS、ZnSe或MgF₂；第一、第二半导体材料膜层的材料均选自Ge或Si；第一、第二金属过渡膜层的材料选自Cr或Ti；第一、第二陶瓷膜层的材料选自Cerm；金属高反膜层的材料选自Al、Au或Pt；介质保护膜层的材料选自SiO、SiO₂、ZnS或ZnSe。

3.根据权利要求1所述的红外探测器用吸收膜，其特征是：其介质绝缘过渡膜层的厚度为第一、第二半导体材料膜层的厚度为/>第一、第二金属过渡膜层的厚度为/>第一、第二陶瓷膜层的厚度为/>金属高反膜层的厚度为/>介质保护膜层的厚度为/>

4.根据权利要求1～3中任一权利要求所述的红外探测器用吸收膜，其特征是：其应用在1.7～7μm的短/中波红外光谱区间。

5.一种权利要求1～4中任一权利要求所述的红外探测器用吸收膜的制备方法，其特征是：其包括以下步骤：

S1、选用光刻胶为掩膜材料在芯片基底、红外透明玻璃或晶体材料基底上采用光刻剥离的方法形成薄膜图形；

S2、吸收膜的真空蒸发镀膜校准：采用低温60～80℃沉积，石英晶控法进行步骤S2中的多层膜的物理厚度监控；

S3、按照步骤S2中的经校准的多层膜厚度及蒸发参数，沉积吸收膜的多层复合薄膜；

S4、将步骤S3中的吸收膜的光刻胶剥离，得到红外吸收膜；

S5、通过对步骤S4中的红外吸收膜进行反射光谱性能和膜层表面性能测试，完成红外吸收膜的制备。