專利名稱：一種混成式熱釋電非制冷焦平面探測器及其制造工藝的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種混成式熱釋電非制冷紅外焦平面探測器。
背景技術：
非制冷焦平面探測器(UFPA)是非制冷熱像儀的核心器件，該器件工作方式無需 制冷，工作溫度在室溫附近，因此應用前景廣闊。目前研究最多、發(fā)展最快的非制冷焦平面 探測器主要有微測輻射熱計非制冷焦平面探測器和熱釋電非制冷焦平面探測器。非制冷焦 平面探測器可分為混成式和單片式兩種?；斐墒椒侵评浣蛊矫嫣綔y器采取探測器敏感元陣 列和讀出電路(ROIC)分別制作，然后將二者通過銦(In)柱倒裝互連而成的結構。單片式 非制冷焦平面探測器則采取直接在讀出電路上制作敏感元陣列的結構。獲得廣泛應用的是 混成式熱釋電非制冷焦平面探測器。但目前，基于鈦酸鍶鋇(BST)材料制備的混成式熱釋電非制冷焦平面探測器存在 如下缺陷器件結構設計不合理，使器件得不到高效的紅外吸收；較厚的敏感元材料造成 了探測器的熱容較大，降低了探測器的響應率；低效的熱隔離結構，增加了橫向熱導，致使 探測率和分辨率下降，陣列規(guī)模受限。因此，基于鈦酸鍶鋇材料的混成式熱釋電非制冷焦平 面探測器的性能和應用受到限制。

發(fā)明內容
針對現有技術存在的缺陷，本發(fā)明提供一種新的非制冷焦平面探測器，通過改進 其器件結構設計，優(yōu)化其制作工藝，使其響應率、探測率、面陣規(guī)模和紅外吸收系數得到大 幅提升，從而顯著改善其光電性能，滿足消防等領域的使用要求。本發(fā)明提供的混成式熱釋電非制冷紅外焦平面探測器，包括基于有機凸臺的縱向 熱隔離結構，其特征在于制備探測器紅外敏感元陣列的鈦酸鍶鋇材料的厚度采用減薄結 構，紅外敏感元陣列采用橫向熱隔離網格化結構，有機紅外吸收薄膜采用利用探測器芯片 的金膜上電極制備的紅外高吸收系數薄膜。本發(fā)明提供的混成式熱釋電非制冷紅外焦平面探測器，通過以下三方面的工藝來 實現A.基于探測器芯片上的工藝；B.基于讀出電路芯片上的工藝；C.非制冷紅外焦平面探測器的系統(tǒng)集成工藝。A.基于探測器芯片上的具體工藝步驟如下Al.對鈦酸鍶鋇材料的切割、初步磨拋和清洗；A2.將敏感元材料的粘接至襯底，進行第一面磨拋、機械減薄和清洗；A3.對敏感元材料進行脫膠離開襯底，材料翻面，將第一面粘接至襯底，進行第二 面的磨拋減薄，清洗；A4.制備材料的第一次光刻圖形化，清洗，表面處理；
A5.反應離子束進行網格化刻蝕，清洗；A6.低熱導有機材料的填充，去膠，清洗和表面處理；A7.敏感元的光刻圖形的二次光刻；A8.上電級的制備，去膠和清洗；A9.高吸收有機薄膜(紅外諧振腔)制備；A10.材料的第一面脫離襯底，粘接第二面至襯底，清洗和表面處理；All.等離子(或離子束)刻蝕的反向減薄，清洗；A12.第三次光刻，清洗；A13.反應離子束網格化刻蝕，清洗和表面處理；A14.第四次光刻，清洗和表面處理；A15.下電極的制備，去膠和清洗；A16.第五次光刻；A17.有機凸臺的制備，去膠和清洗；A18.第六次光刻；A19.銦不侵潤區(qū)金屬的蒸鍍，去膠；A20.第七次光刻；A21.銦侵潤區(qū)金屬的蒸鍍，去膠；A22.第八次光刻；A23.銦電極的蒸鍍，去膠；A24.探測器芯片的高溫處理，銦柱生長和收縮。B.基于讀出電路芯片上的具體工藝步驟如下BL讀出電路芯片的清洗；B2.讀出電路芯片上的金電極圖形化的第一次光刻，清洗；B3.讀出電路芯片上的上電級(鋁電極)蒸鍍金電極，清洗；B4.讀出電路芯片上的芯片有機凸臺圖形化的光刻，清洗；B5.讀出電路芯片上的有機凸臺的生長；B6.讀出電路芯片上光刻膠的剝離，清洗；B7.讀出電路芯片上的金電極在有機凸臺上的蒸鍍和爬坡；B8.讀出電路芯片上的第二次銦柱圖形化的光刻；B9.讀出電路芯片上的銦柱在有機凸臺上的蒸鍍；B10.讀出電路芯片的高溫處理，銦柱生長和收縮；Bll.讀出電路芯片上的銦柱生長和收縮。C.非制冷紅外焦平面探測器系統(tǒng)集成的具體工藝步驟如下Cl.采用回流焊技術將探測器芯片與讀出電路芯片倒裝互聯；C2.探測器的封裝。本發(fā)明的有益效果是通過改進混成式熱釋電非制冷焦平面探測器的結構設計，優(yōu)化制造工藝技術，采用敏感元材料的厚度減薄技術，降低探測器的熱容，提高了響應率； 采用網格化熱隔離結構，降低橫向熱導，增加探測率和分辨率，突破了陣列規(guī)模受限瓶頸； 改進紅外吸收薄膜結構設計，使器件高效吸收紅外信號，最終使探測器的響應率、探測率、面陣規(guī)模和紅外吸收系數得到大幅提升，達到了消防等民用紅外熱像儀所要求的性能指標。


圖1為本發(fā)明混成式熱釋電非制冷焦平面探測器的結構示意圖；圖2為雙面等離子刻蝕示意圖；圖3為紅外高吸收系數光學薄膜的結構示意圖；圖4為銦柱收縮的工藝示意圖；圖5為采用回流技術制備銦柱收縮的工藝示意圖；圖6為探測器芯片與讀出電路芯片的倒裝互聯示意圖。圖中，1.光學增透膜；2.有機紅外吸收薄膜；3.紅外光學反射膜；4.低熱導有機 隔熱填充材料；5.探測器芯片金電極；6.紅外敏感元陣列；7.讀出電路芯片上的金電極； 8.有機凸臺的爬坡金電極；9.有機凸臺；10.銦柱；11.讀出電路芯片上的鋁電極；12.讀出 電路芯片；13.反應離子束；14.網格化溝槽；15.紅外輻射；16.鉻金電極。
具體實施例方式以下結合附圖，通過實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明，但本發(fā)明的保護范圍并 不限于下面的實施例。在基于鈦酸鍶鋇(BST)材料的160 X 120陣列規(guī)模的混成式熱釋電非制冷焦平面 探測器中，采用了本發(fā)明所提供的結構設計。制備探測器紅外敏感元陣列6的鈦酸鍶鋇材 料的厚度減薄至10 μ m 20 μ m，如圖1和圖2所示。紅外敏感元陣列6的橫向熱隔離網格 化結構，如圖1和圖2所示。有機紅外吸收薄膜2的結構，如圖1和圖3所示。探測器芯片 和讀出電路芯片1 2的倒裝互連，如圖1和圖6所示。實現本發(fā)明的工藝實施例如下(一 )、敏感元材料的厚度減薄工藝(如圖1和圖2所示)(1)對鈦酸鍶鋇材料進行切割、初步磨拋和清洗；(2)將材料粘接在襯底，對材料進行磨拋、機械減薄和清洗；(3)對材料進行脫膠，使其離開襯底，將材料翻面，將磨拋好的面與襯底粘接，進行 磨拋減薄，清洗；(4)將材料減薄至30 40 μ m時，采用等離子刻蝕技術工藝，將材料減薄至 10 μ m 20 μ m0( 二 )、敏感元材料網格化熱隔離結構工藝(如圖1和圖2所示)(1)對鈦酸鍶鋇材料進行第一次光刻圖形化，清洗，表面處理；(2)反應離子束13進行網格化刻蝕，清洗；(3)填充低熱導有機材料4，進行去膠，清洗和表面處理；(4)敏感元6的光刻圖形的二次光刻。(三)、高吸收率紅外光學薄膜的制備工藝(如圖1和圖3所示)本發(fā)明所述的紅外高吸收系數薄膜，指的是使用有機材料制作腔體，厚度在峰值 紅外吸收1/4波長，腔壁采用不同吸收系數和不同反射系數的金膜制備光學諧振腔。
本發(fā)明制備的有機紅外吸收薄膜2，其工藝步驟為(1)用探測器芯片的上電極作為光學諧振腔的紅外光學反射膜3 ；(2)上電級的制備，去膠和清洗；(3)有機紅外吸收薄膜2 (紅外諧振腔)的制備； (四)、銦柱收縮工藝(如圖4和圖5所示)本發(fā)明所述的銦柱收縮工藝，是指在侵潤區(qū)和不侵潤區(qū)的銦金屬收縮，從而使銦 柱的直徑和高度比得到提高，獲得較大熱阻銦柱。不侵潤區(qū)是金屬金區(qū)，侵潤區(qū)是鉻金合金 區(qū)。其工藝步驟如下(1)銦不侵潤區(qū)金屬的蒸鍍，去膠；(2)第七次光刻(3)銦侵潤區(qū)金屬的蒸鍍，去膠；(4)第八次光刻；(5)銦電極的蒸鍍，去膠；(6)芯片100°C 180°C的高溫處理，銦柱生長和收縮；圖4中，步驟①表示有機凸臺9上爬坡金電極8的蒸鍍，步驟②表示鉻金電極16 的蒸鍍，步驟③表示銦柱10的蒸鍍，步驟④表示熱處理后，收縮的銦柱10。圖5中，步驟①表示未加溫時的銦柱10，步驟②表示加溫步驟中熔融狀態(tài)下的銦 柱10，步驟③表示降溫步驟后，收縮塑形后的銦柱10。(五)、探測器芯片與讀出電路芯片12的倒裝互聯工藝(如圖1和圖6所示)(1)采用回流焊技術將探測器芯片與讀出電路芯片12倒裝互聯；(2)進行探測器的封裝。其余工藝步驟和順序與說明書發(fā)明內容部分的敘述相同，在此不再贅述。通過采用本發(fā)明的結構及工藝方法，可以將紅外敏感元材料的厚度減薄至10 20 μ m，表面不平整度小于5% ；改進網格化刻蝕和低熱導有機填充物填充，降低了橫向熱 導，使通道隔離度大于20dB，將像元尺寸降低至35X35 μ m，陣列規(guī)模提高至160X120 ； 制備的銦柱高度可達25 μ m，直徑可達15 μ m;再采用回流焊技術將探測器芯片與讀出 電路芯片倒裝互聯集成完整的探測器，其響應率可提高至5X IO5VzT1,探測率可提高至 5 X IO8CmHz172W^1O通過采用本發(fā)明發(fā)制備的混成式熱釋電非制冷焦平面探測器，其性能參數達到了 消防等民用紅外熱像儀的性能指標要求。
權利要求
一種混成式熱釋電非制冷紅外焦平面探測器，包括基于有機凸臺(9)的縱向熱隔離結構，其特征在于制備探測器紅外敏感元陣列(6)的鈦酸鍶鋇材料的厚度采用減薄結構，紅外敏感元陣列(6)采用橫向熱隔離網格化結構，有機紅外吸收薄膜(2)采用利用探測器芯片的金膜上電極(3)制備的紅外高吸收系數薄膜。
2.一種制造權利要求1所述探測器的工藝，其特征在于包括基于探測器芯片上的工 藝，基于讀出電路芯片(12)上的工藝和非制冷紅外焦平面探測器系統(tǒng)集成工藝。
3.按照權利要求2所述的基于探測器芯片上的工藝，其特征在于按以下步驟進行 Al.對鈦酸鍶鋇材料的切割、初步磨拋和清洗；A2.將敏感元材料的粘接至襯底，進行第一面磨拋、機械減薄和清洗； A3.對敏感元材料進行脫膠離開襯底，材料翻面，將第一面粘接至襯底，進行第二面的 磨拋減薄，清洗；A4.制備材料的第一次光刻圖形化，清洗，表面處理；A5.反應離子束進行網格化刻蝕，清洗；A6.低熱導有機材料的填充，去膠，清洗和表面處理；A7.敏感元的光刻圖形的二次光刻；A8.上電級的制備，去膠和清洗；A9.高吸收有機薄膜的制備；AlO.材料的第一面脫離襯底，粘接第二面至襯底，清洗和表面處理；All.等離子刻蝕的反向減薄，清洗；A12.第三次光刻，清洗；A13.反應離子束網格化刻蝕，清洗和表面處理；A14.第四次光刻，清洗和表面處理；A15.下電極的制備，去膠和清洗；A16.第五次光刻；A17.有機凸臺的制備，去膠和清洗；A18.第六次光刻；A19.銦不侵潤區(qū)金屬的蒸鍍，去膠；A20.第七次光刻；A21.銦侵潤區(qū)金屬的蒸鍍，去膠；A22.第八次光刻；A23.銦電極的蒸鍍，去膠；A24.探測器芯片100°C 180°C的高溫處理，銦柱生長和收縮。
4.按照權利要求2所述的基于讀出電路芯片(12)上的工藝，其特征在于按以下步驟進行Bi.讀出電路芯片的清洗；B2.讀出電路芯片上的金電極圖形化的第一次光刻，清洗； B3.讀出電路芯片上的上電級蒸鍍金電極，清洗； B4.讀出電路芯片上的芯片有機凸臺圖形化的光刻，清洗； B5.讀出電路芯片上的有機凸臺的生長；B6.讀出電路芯片上光刻膠的剝離，清洗；B7.讀出電路芯片上的金電極在有機凸臺上的蒸鍍和爬坡；B8.讀出電路芯片上的第二次銦柱圖形化的光刻；B9.讀出電路芯片上的銦柱在有機凸臺上的蒸鍍；B10.讀出電路芯片100°C 180°C的高溫處理，銦柱生長和收縮；B11.讀出電路芯片上的銦柱生長和收縮。
5.按照權利要求2所述的非制冷紅外焦平面探測器系統(tǒng)集成工藝，其特征在于按以下 步驟進行C1.采用回流焊技術將探測器芯片與讀出電路芯片(12)倒裝互聯； C2.探測器的封裝。
全文摘要
一種混成式熱釋電非制冷紅外焦平面探測器及其制造工藝，其特征在于制備探測器紅外敏感元陣列的鈦酸鍶鋇材料的厚度采用減薄結構，紅外敏感元陣列采用橫向熱隔離網格化結構，有機紅外吸收薄膜采用利用探測器芯片的金膜上電極制備的紅外高吸收系數薄膜。其制造工藝包括基于探測器芯片上的工藝，基于讀出電路芯片上的工藝和非制冷紅外焦平面探測器系統(tǒng)集成工藝三個部分。本發(fā)明能使非制冷焦平面探測器的響應率、探測率、面陣規(guī)模和紅外吸收系數得到大幅提升，達到消防等民用紅外熱像儀的性能指標要求。
文檔編號B81C3/00GK101871817SQ20091009440
公開日2010年10月27日 申請日期2009年4月27日 優(yōu)先權日2009年4月27日
發(fā)明者劉黎明, 康蓉, 楊培志, 楊瑞宇, 蘇海櫻, 莫鏡輝, 趙魯生 申請人:昆明物理研究所