一種紅外焦平面陣列及其制作方法技術

本發明專利技術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，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。相應的，本發明專利技術還提供一種紅外焦平面陣列的制作方法。本發明專利技術的紅外焦平面陣列在光敏元件陣列的正向集成了聚能微透鏡，所述聚能微透鏡將入射在其上的紅外光線直接匯聚到光敏元件的紅外吸收層，不會被紅外吸收層下方的電路層吸收而造成紅外焦平面的吸收因子降低。本發明專利技術的制作過程不會破壞光敏元件的性能。

【技術實現步驟摘要】
一種紅外焦平面陣列及其制作方法
本專利技術涉及紅外探測器領域，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。
技術介紹
紅外成像技術在民用和軍用領域都有極為廣泛的應用，一直是軍事領域不可替代的實用技術之一，如用于遠距離警戒系統以及武器瞄準系統、單兵便攜式夜視儀、頭盔夜視儀以及紅外搜索與跟蹤系統等，而紅外焦平面陣列IRFPA(infraredfocalplanearray，紅外焦平面陣列)的設計又是紅外成像系統中的最為核心的一項技術。IRFPA的焦平面上排列著光敏元件陣列，從無限遠處發射的紅外線經過光學系統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，最終送達監視系統形成圖像。目前已經研制出的IRFPA的感光元件中光敏吸收區面積約占光敏元件面積的40％，只有照射到光敏吸收區的平行入射光的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，現有IRFPA的填充因子約為40％。隨著IRFPA的進一步研究，光敏吸收區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，在不增大光敏吸收區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的背向光敏吸收區的一面旋涂光刻膠，然后進行對準光刻和刻蝕，經過熱熔融后形成光刻膠微透鏡陣列，最后經過刻蝕轉移技術得到硅微透鏡陣列102。這種集成方式整體結構比較緊湊，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，入射光經過聚能微透鏡匯聚后必須經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，工藝流程會對已經制作好的光敏元件有一定的影響，高溫的制作環境甚至會破壞光敏元件的結構。在背向光敏吸收區的襯底上制作聚能微透鏡，實現微透鏡與光敏吸收區的精確對準也比較困難。
技術實現思路
本專利技術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。為實現上述目的，本專利技術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。優選地，所述的聚能微透鏡為凸透鏡。優選地，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。相應地，本專利技術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。可選地，刻蝕所述微透鏡材料層形成微透鏡材料陣列步驟包括在微透鏡材料層上多次刻蝕形成塔狀臺階型微透鏡陣列。可選地，所述熱處理微透鏡材料陣列形成聚能微透鏡陣列，采用熱熔融微透鏡材料方法形成聚能微透鏡陣列。可選地，所述熱處理微透鏡材料陣列形成聚能微透鏡陣列，采用熱壓印方法形成聚能微透鏡陣列。優選地，在熱處理微透鏡材料陣列形成聚能微透鏡陣列步驟后還包括對聚能微透鏡進行熱處理步驟。與現有技術相比，本專利技術具有如下優點：本專利技術提供的紅外焦平面陣列，包括多個紅外探測單元，所述紅外探測單元包括襯底、光敏元件和聚能微鏡，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。本專利技術IRFPA的聚能微透鏡懸空在光敏吸收區上方，實現了聚能微鏡陣列的正向集成。入射光經過聚能微透鏡折射后直接照射到微透鏡下方的光敏吸收層，不需要經過光敏吸收層下側的電路層，不會造成紅外光線被電路層吸收和反射而引起不必要的光能損失。另外，本專利技術的IRFPA在制作微透鏡陣列時，與IRFPA的制作工藝相結合，不會對制作IRFPA有破壞作用。在光敏元件的光敏吸收區上方制作微透鏡，容易實現微透鏡與光敏吸收區的精確對準。附圖說明通過附圖所示，本專利技術的上述及其它目的、特征和優勢將更加清晰。在全部附圖中相同的附圖標記指示相同的部分。并未刻意按實際尺寸等比例縮放繪制附圖，重點在于示出本專利技術的主旨。圖1為
技術介紹
中紅外焦平面陣列的剖面示意圖；圖2為本專利技術紅外焦平面陣列的剖面示意圖；圖3為本專利技術紅外焦平面陣列的制作流程圖；圖4至圖9是本專利技術紅外焦平面陣列制作過程中的剖面示意圖。具體實施方式為使本專利技術的上述目的、特征和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本專利技術的具體實施方式做詳細的說明。在下面的描述中闡述了很多具體細節以便于充分理解本專利技術，但是本專利技術還可以采用其他不同于在此描述的其它方式來實施，本領域技術人員可以在不違背本專利技術內涵的情況下做類似推廣，因此本專利技術不受下面公開的具體實施例的限制。其次，本專利技術結合示意圖進行詳細描述，在詳述本專利技術實施例時，為便于說明，表示器件結構的剖面圖會不依一般比例作局部放大，而且所述示意圖只是示例，其在此不應限制本專利技術保護的范圍。此外，在實際制造中應包含長度、寬度及深度的三維空間尺寸。現有集成有聚能微透鏡陣列的IRFPA是在背向光敏元件的襯底硅表面上制作出微透鏡，所述的微透鏡將入射光線匯聚到光敏元件的光敏吸收層上，達到提高IRFPA填充因子的目的。由于微透鏡制作在背向光敏吸收層的襯底硅表面上，而在光敏吸收層和硅襯底之間包括金屬電路層，微透鏡匯聚的部分入射光必須經過金屬電路層才能到達光敏吸收層。金屬電路層會吸收照射在其上的紅外光線，這會導致紅外光能的損失，導致紅外焦平面陣列的填充因子較低。為了克服現有技術的缺點，本專利技術提供一種集成有聚本文檔來自技高網...

【技術保護點】
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，其特征在于：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。

【技術特征摘要】
1.一種紅外焦平面陣列的制作方法，其特征在于，包括步驟：提供襯底，所述襯底上表面包括光敏元件陣列，以及位于光敏元件陣列下方的犧牲層；在所述襯底的光敏元件上沉積微透鏡犧牲層，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位于光敏元件陣列下方的犧牲層。2.根據權利要求1所述的紅外焦平面陣列的制作方法，刻蝕所述微透鏡材料層形成微透鏡...

【專利技術屬性】
技術研發人員：閆建華，歐文，歐毅，
申請(專利權)人：中國科學院微電子研究所，
類型：發明
國別省市：