[發(fā)明專利]一種紅外焦平面陣列及其制作方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110273965.4
• 申請日: 2011-09-15
• 公開（公告）號: CN102998002B
• 公開（公告）日: 2017-03-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 閆建華;歐文;歐毅
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院微電子研究所
• 主分類號: G01J5/08
• 分類號: G01J5/08;H01L27/146
• 代理公司: 北京集佳知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司11227
• 代理人: 逯長明,王寶筠

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及紅外探測器領(lǐng)域，特別涉及一種集成有聚能微透鏡陣列的紅外焦平面陣列及其制作方法。

背景技術(shù)

紅外成像技術(shù)在民用和軍用領(lǐng)域都有極為廣泛的應(yīng)用，一直是軍事領(lǐng)域不可替代的實用技術(shù)之一，如用于遠距離警戒系統(tǒng)以及武器瞄準系統(tǒng)、單兵便攜式夜視儀、頭盔夜視儀以及紅外搜索與跟蹤系統(tǒng)等，而紅外焦平面陣列IRFPA(infrared?focal?plane?array，紅外焦平面陣列)的設(shè)計又是紅外成像系統(tǒng)中的最為核心的一項技術(shù)。IRFPA的焦平面上排列著光敏元件陣列，從無限遠處發(fā)射的紅外線經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)成像在紅外焦平面的這些光敏元件上，包括IRFPA的探測器將接受到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號并進行積分放大、采樣保持，通過輸出緩沖和多路傳輸系統(tǒng)，最終送達監(jiān)視系統(tǒng)形成圖像。

目前已經(jīng)研制出的IRFPA的感光元件中光敏吸收區(qū)面積約占光敏元件面積的40％，只有照射到光敏吸收區(qū)的平行入射光的40％被光敏元件吸收利用，其余60％左右的入射光由于沒有照射到光敏吸收區(qū)而不能被光敏元件利用，這部分沒有被利用的光線稱為“死光”。IRFPA的填充因子是被紅外焦平面陣列有效利用的光線占入射光線的比例，現(xiàn)有IRFPA的填充因子約為40％。隨著IRFPA的進一步研究，光敏吸收區(qū)在焦平面中的面積比例會越來越小，所以如何收集那些不能被利用的“死光”，提高IRFPA填充因子是一個急需解決的問題。在現(xiàn)有IRFPA上集成聚能微透鏡陣列，正是解決這一問題的最佳方法。利用微透鏡陣列與IRFPA的集成，可以聚集“死光”到紅外焦平面的光敏吸收區(qū)，在不增大光敏吸收區(qū)面積的情況下提高紅外焦平面陣列的填充因子，并且可以進一步減小像元尺寸，留給外接分析電路更大的空間以增大成像分辨率，進而提高IRFPA的探測靈敏度。

目前已經(jīng)成功制作了背向集成聚能透鏡陣列的IRFPA，如圖1，首先在已經(jīng)制作完成光敏元件陣列100(虛線框中所示)的硅襯底101的背向光敏吸收區(qū)的一面旋涂光刻膠，然后進行對準光刻和刻蝕，經(jīng)過熱熔融后形成光刻膠微透鏡陣列，最后經(jīng)過刻蝕轉(zhuǎn)移技術(shù)得到硅微透鏡陣列102。這種集成方式整體結(jié)構(gòu)比較緊湊，可靠性比較高。但是光敏元件包括懸臂103、光敏吸收層104和電路層105，光敏元件通過懸臂懸空在襯底上，光敏吸收層覆蓋在電路層上。在這種背向集成方式中，入射光經(jīng)過聚能微透鏡匯聚后必須經(jīng)過光敏元件的電路層105才能到達光敏吸收層104而被吸收利用，這樣會有一部分光線被電路層吸收和反射，造成不必要的光能損失。

另外，這種背照式集成方式，在制作硅微透鏡陣列時，工藝流程會對已經(jīng)制作好的光敏元件有一定的影響，高溫的制作環(huán)境甚至?xí)茐墓饷粼慕Y(jié)構(gòu)。在背向光敏吸收區(qū)的襯底上制作聚能微透鏡，實現(xiàn)微透鏡與光敏吸收區(qū)的精確對準也比較困難。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明解決的問題是提供一種IRFPA，在光敏元件陣列的正向集成聚能微鏡陣列，提高IRFPA的填充因子，進而提高其探測靈敏度。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種紅外焦平面陣列，包括多個紅外探測單元，所述紅外探測單元包括襯底、光敏元件和聚能微透鏡，其中，

所述光敏元件懸空于襯底上，光敏元件的光敏吸收層覆蓋在光敏元件的電路層上；

所述的聚能微透鏡懸空于光敏元件的光敏吸收層上方，通過微透鏡支撐柱與光敏元件連接。

優(yōu)選地，所述的聚能微透鏡將照射在其上的入射光線全部匯聚在光敏元件的光敏吸收區(qū)。

優(yōu)選地，所述的聚能微透鏡為凸透鏡。

優(yōu)選地，所述的微透鏡支撐柱為中空棱柱狀，微透鏡支撐柱的頂端形狀與聚能微透鏡的邊緣形狀相同。

優(yōu)選地，所述的聚能微透鏡為厚度相同的殼狀透鏡。

可選地，所述的微透鏡支撐柱的材料為能夠透過紅外光線的材料。

優(yōu)選地，所述的微透鏡支撐柱的頂端支撐在所述微透鏡下表面的中心。

可選地，所述的微透鏡支撐柱的底端位于所述光敏吸收層上。

可選地，所述的微透鏡的材料為聚碳酸酯PC、聚苯乙烯PS或光刻膠。

相應(yīng)地，本發(fā)明還提供一種紅外焦平面陣列的制作方法，包括步驟：

提供包括光敏元件陣列的襯底，所述襯底還包括位于光敏元件下方的犧牲層；

在所述襯底的光敏元件一側(cè)沉積微透鏡犧牲層，在所述微透鏡犧牲層中制作微透鏡支撐柱；

在包括微透鏡犧牲層的襯底上涂覆微透鏡材料層，刻蝕所述微透鏡材料層形成微透鏡材料陣列；

熱處理微透鏡材料陣列形成聚能微透鏡陣列；

釋放微透鏡犧牲層和光敏元件的犧牲層。