一種單片集成式紅外微透鏡線列的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種單片集成式紅外微透鏡線列的制備方法，該方法工藝上采用光刻套刻結(jié)合ICP干法刻蝕的手段，然后采用化學(xué)濕法腐蝕制備出曲率半徑均勻的微透鏡線列。本方法為優(yōu)化單片集成紅外微透鏡列陣的聚光能力提供了依據(jù)，對于提高器件性能和優(yōu)化器件設(shè)計(jì)都有著十分重要的意義。
【專利說明】一種單片集成式紅外微透鏡線列的制備方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及紅外線列探測器，具體指在碲鎘汞紅外探測器的襯底CdZnTe材料上制備具有聚光能力的單片集成折射型微透鏡線列的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著紅外技術(shù)的進(jìn)步和空間遙感的應(yīng)用的發(fā)展，三元系化合物半導(dǎo)體材料HgCdTe由于其禁帶寬度隨組份連續(xù)可調(diào)，響應(yīng)范圍覆蓋整個紅外波段(包括I~3μπι，3~5μπι和8~14μπι三個大氣窗口)，已經(jīng)成為研制單元、多元紅外探測器及紅外焦平面的首選材料。
[0003]探測器陣列像元在提高像元響應(yīng)率的同時，也增加了陣列中相鄰像元之間的光串音，另外由于HgCdTe材料的缺陷密度較高，像元尺寸越大，每個像元的暗電流也相應(yīng)越高，勢必造成器件探測率的下降。為了解決這一問題，有人提出了將襯底材料設(shè)計(jì)為微透鏡的想法(Antoni Rogalski, Infrared detectors: status and trends [J], Progress inQuantum Electronics, 2003, 27:59-210)，通過微透鏡的聚光作用將入射光匯聚到光敏元區(qū)，減小器件的物理面積，通過這種方法使器件在光響應(yīng)率不變的甚至增大的情況下顯著降低器件的電流和相鄰像元間的光串音。
[0004]目前已見報(bào)道的制作微透鏡的方法有很多，包括光刻膠熱熔法、鑄模復(fù)制法、激光直寫法、移動掩膜法等，制備出的微透鏡也主要分折射型和衍射型兩種。但由于HgCdTe紅外探測器及其襯底CdZnTe材料的不耐高溫且易碎的特殊性，上述方法均不易在CdZnTe襯底上制作實(shí)現(xiàn)，本發(fā)明從折射型微透鏡線列方向著手研制，提出了一套基于半導(dǎo)體制程工藝的方法實(shí)現(xiàn)在CdZnTe襯底上制備出微透鏡線列，這種單片集成式的微透鏡線列對于提高器件探測率和降低線列中像元間的光串音具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供了一種在CdZnTe襯底上制備單片集成式紅外微透鏡線列的制作方法，直接在碲鋅鎘襯底材料上制備折射型光學(xué)微透鏡將入射紅外光會聚到探測器光敏面，在降低相鄰像元間的光串音的同時，減小了實(shí)際制備器件的物理面積，進(jìn)而減小暗電流、極大提高了器件的性能。本方法為優(yōu)化單片集成紅外微透鏡列陣的聚光能力提供了依據(jù)，對于提高器件性能和優(yōu)化器件設(shè)計(jì)都有著重要的意義。
[0006]該方法結(jié)合半導(dǎo)體工藝中光刻和ICP刻蝕的技術(shù)，每次光刻后進(jìn)行ICP刻蝕，前后共進(jìn)行四次光刻套刻，在完成四次刻蝕后產(chǎn)生十六個等高度的臺階，最后采用化學(xué)濕法腐蝕生成曲率半徑一致的微透鏡球面。其中，微透鏡線列是在探測器芯片的襯底上直接制備產(chǎn)生的，分別一一垂直對應(yīng)光敏元線列中的各個光敏元，且每個微透鏡的光軸與其對應(yīng)的光敏元中心法線重合。
[0007]其步驟如下:
[0008]步驟一:光刻掩膜版設(shè)計(jì)與制作，根據(jù)光學(xué)仿真的結(jié)果，確定紅外微透鏡線列的尺寸和形狀，進(jìn)而明確每步光刻工藝時套刻圖形的尺寸大小和形狀，在掩膜版和帶有讀出電路的寶石片上留下能夠?qū)?zhǔn)的光刻標(biāo)記供光刻對準(zhǔn)用。
[0009]步驟二:襯底預(yù)處理，將制備完成的連有電路寶石片的探測器芯片用蠟貼在磨片玻璃板上，CdZnTe襯底在上面，帶有電路的寶石片在下面，再用真空硅片機(jī)將之壓平(保證厚度差在3μηι范圍內(nèi)),對CdZnTe襯底作粗拋減薄處理,再作精拋減薄去損傷處理，取下探測器芯片清洗后烘干。
[0010]步驟三:微透鏡深臺面光刻與刻蝕，對粗、精拋處理后的探測器芯片進(jìn)行光刻，因?yàn)橹斑B在探測器芯片的寶石片上留有光刻標(biāo)記，光刻時通過該標(biāo)記和掩膜版上的光刻標(biāo)記對準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)后續(xù)工藝制備出的微透鏡線列與芯片正面的探測器線列的中心法線一一對準(zhǔn)，同時也將光刻標(biāo)記復(fù)制到潔凈的CdZnTe襯底上，方便后續(xù)光刻工藝。然后進(jìn)行第一步微透鏡深臺面刻蝕，ICP刻蝕浮膠后形成高深寬比的CdZnTe臺面。
[0011]步驟四:四臺階微透鏡光刻與刻蝕，第二次光刻掩膜版的陰影部分設(shè)計(jì)為兩部分，光刻后分別用光刻膠覆蓋保護(hù)第一次刻蝕出上下臺面的一部分。ICP刻蝕深度也只有第一次刻蝕深度的一半，ICP刻蝕浮膠后形成具有四個臺階的微透鏡臺面。
[0012]步驟五:八臺階微透鏡光刻與刻蝕，第三次光刻掩膜版的陰影部分設(shè)計(jì)為四部分，光刻后分別用光刻膠覆蓋保護(hù)第二次刻蝕出的四個臺面的一部分。ICP刻蝕深度為第二次刻蝕深度的一半，ICP刻蝕浮膠后形成具有八個臺階的微透鏡臺面。
[0013]步驟六:十六臺階微透鏡光刻與刻蝕，第四次光刻掩膜版的陰影部分設(shè)計(jì)為八部分，光刻后分別用光刻膠覆蓋保護(hù)第三次刻蝕出的八個臺面的一部分。ICP刻蝕深度為第三次刻蝕深度的一半，ICP刻蝕浮膠后形成具有十六個臺階的微透鏡臺面。
[0014]步驟七:化學(xué)腐蝕成型，將刻蝕出的具有十六臺階的微透鏡臺面清洗烘干后，采用溴-乙醇化學(xué)濕法腐蝕,腐蝕掉臺階上垂直的棱角，形成表面光亮、損傷小、曲率半徑均勻的微透鏡球面。
[0015]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:首先通過光學(xué)仿真得出了折射型微透鏡會聚入射光的光學(xué)參數(shù)，包括焦距、曲率半徑、球冠高度等；在碲鋅鎘襯底上直接制備微透鏡線列，集成度高，減少了入射光在傳播途徑中的損失；利用該方法制備微透鏡線列，工藝步驟簡單易實(shí)現(xiàn)，且制備出微透鏡表面光潔度高；利用微透鏡線列對入射紅外光的會聚作用，極大地降低了器件的暗電流和相鄰像兀間的光串首，對提聞器件性能具有重要的實(shí)際意義。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本專利制備微透鏡線列的流程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下文結(jié)合說明書附圖，本專利一種單片集成式紅外微透鏡線列的制備方法的具體制備工藝步驟作詳細(xì)的說明:
[0018]步驟1:光刻掩膜版設(shè)計(jì)與制作，根據(jù)光學(xué)仿真的結(jié)果，該紅外微透鏡冠高130 μ m,球面曲率半徑200 μ m,進(jìn)而明確每步光刻工藝時套刻圖形的尺寸大小和形狀，在掩膜版和帶有讀出電路的寶石片上留下能夠?qū)?zhǔn)的光刻標(biāo)記供光刻對準(zhǔn)用。
[0019]步驟2 =CdZnTe襯底預(yù)處理，將制備完成的連有電路寶石片的探測器芯片用蠟貼在磨片玻璃板上，CdZnTe襯底在上面，帶有電路的寶石片在下面，再用真空硅片機(jī)將之壓平(保證厚度差在3 μ m范圍內(nèi))，對CdZnTe襯底作粗拋減薄處理，再作精拋減薄去損傷處理，取下芯片。
[0020]步驟3:襯底清洗，將襯底芯片分別放入三氯甲烷、乙醚、丙酮、乙醇中用棉花拖洗，每步清洗I分鐘，清洗后用N2吹干。
[0021]步驟4:在CdZnTe襯底上旋涂四層厚膠，涂膠機(jī)轉(zhuǎn)速4000轉(zhuǎn)/分鐘，進(jìn)行第一次光刻，光刻出掩膜圖形，光刻好圖形后用氧等離子體清洗3分鐘。
[0022]步驟5:采用CH4/N2/Ar氣體產(chǎn)生的感應(yīng)耦合等離子體進(jìn)行深臺面ICP刻蝕，刻蝕時間3.5小時,完成后進(jìn)行浮膠處理,制備出CdZnTe臺面。
[0023]步驟6:在制備好的CdZnTe臺面上旋涂雙層厚膠，涂膠機(jī)轉(zhuǎn)速3000轉(zhuǎn)/分鐘，進(jìn)行第二次光刻，光刻出掩膜圖形，光刻好圖形后用氧等離子體清洗3分鐘。
[0024]步驟7:采用CH4/N2/Ar氣體產(chǎn)生的感應(yīng)耦合等離子體進(jìn)行ICP刻蝕，刻蝕時間100分鐘，完成后進(jìn)行浮膠處理，制備出具有四個臺階的CdZnTe臺面。
[0025]步驟8:在完成的四臺階CdZnTe臺面上旋涂單層厚膠，涂膠機(jī)轉(zhuǎn)速3000轉(zhuǎn)/分鐘，進(jìn)行第三次光刻，光刻出掩膜圖形，光刻好圖形后用氧等離子體清洗3分鐘。
[0026]步驟9:采用CH4/N2/Ar氣體產(chǎn)生的感應(yīng)耦合等離子體進(jìn)行ICP刻蝕，刻蝕時間50分鐘，完成后進(jìn)行浮膠處理，制備出具有八個臺階的CdZnTe臺面。
[0027]步驟10:在制備好的八臺階CdZnTe臺面上旋涂單層厚膠，涂膠機(jī)轉(zhuǎn)速4000轉(zhuǎn)/分鐘，進(jìn)行第四次光刻，光刻出掩膜圖形，光刻好圖形后用氧等離子體清洗3分鐘。
[0028]步驟11:采用CH4/N2/Ar氣體產(chǎn)生的感應(yīng)耦合等離子體進(jìn)行ICP刻蝕，刻蝕時間30分鐘，完成后進(jìn)行浮膠處理，制備出具有十六個臺階的CdZnTe臺面。
[0029]步驟12:十六臺階CdZnTe臺面清洗，將襯底芯片分別放入三氯甲烷、乙醚、丙酮、乙醇中用棉花拖洗，每步清洗I分鐘，清洗后用N2吹干，烘干。
[0030]步驟13:化學(xué)濕法腐蝕成型，將刻蝕出的具有十六臺階的微透鏡臺面采用5%的溴-乙醇溶液室溫條件下進(jìn)行化學(xué)濕法腐蝕,腐蝕時間8分鐘，腐蝕掉各個臺階上垂直的棱角，形成表面光亮、損傷小、曲率半徑均勻的微透鏡球面。
[0031]步驟14 =CdZnTe微透鏡清洗，將制備好的微透鏡線列分別放入三氯甲烷、乙醚、丙酮、乙醇中用棉花拖洗，每步清洗I分鐘，清洗后用N2吹干，烘干，完成單片集成式紅外微透鏡線列制備。
【權(quán)利要求】
1.一種單片集成式紅外微透鏡線列的制備方法，其特征在于包括以下步驟: 步驟一:光刻掩膜版設(shè)計(jì)與制作，根據(jù)光學(xué)仿真的結(jié)果，確定紅外微透鏡線列的尺寸和形狀，進(jìn)而明確每步光刻工藝時套刻圖形的尺寸大小和形狀，四次光刻中使用的掩膜圖形為根據(jù)微透鏡尺寸設(shè)計(jì)的層層套刻圖形，圖形尺寸比目標(biāo)微透鏡球面對應(yīng)位置尺寸略大I?5μπι，在掩膜版和帶有讀出電路的寶石片上留下能夠?qū)?zhǔn)的光刻標(biāo)記供光刻對準(zhǔn)用；步驟二:襯底預(yù)處理，將制備完成的連有電路寶石片的探測器芯片用蠟貼在磨片玻璃板上，CdZnTe襯底在上面，帶有電路的寶石片在下面，再用真空硅片機(jī)將之壓平，保證厚度差在3 μ m范圍內(nèi)，對CdZnTe襯底作粗拋減薄處理，再作精拋減薄去損傷處理，取下探測器芯片清洗后烘干； 步驟三:微透鏡深臺面光刻與刻蝕，對粗、精拋處理后的探測器芯片進(jìn)行光刻，因?yàn)橹斑B在探測器芯片的寶石片上留有光刻標(biāo)記，光刻時通過該標(biāo)記和掩膜版上的光刻標(biāo)記對準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)后續(xù)工藝制備出的微透鏡線列與芯片正面的探測器線列的中心法線一一對準(zhǔn)，同時也將光刻標(biāo)記復(fù)制到潔凈的CdZnTe襯底上，方便后續(xù)光刻工藝；然后進(jìn)行第一步微透鏡深臺面刻蝕，ICP刻蝕浮膠后形成高深寬比的CdZnTe臺面； 步驟四:四臺階微透鏡光刻與刻蝕，第二次光刻掩膜版的陰影部分設(shè)計(jì)為兩部分，光刻后分別用光刻膠覆蓋保護(hù)第一次刻蝕出上下臺面的一部分；ICP刻蝕深度也只有第一次刻蝕深度的一半，ICP刻蝕浮膠后形成具有四個臺階的微透鏡臺面； 步驟五:八臺階微透鏡光刻與刻蝕，第三次光刻掩膜版的陰影部分設(shè)計(jì)為四部分，光刻后分別用光刻膠覆蓋保護(hù)第二次刻蝕出的四個臺面的一部分；ICP刻蝕深度為第二次刻蝕深度的一半，ICP刻蝕浮膠后形成具有八個臺階的微透鏡臺面； 步驟六:十六臺階微透鏡光刻與刻蝕，第四次光刻掩膜版的陰影部分設(shè)計(jì)為八部分，光刻后分別用光刻膠覆蓋保護(hù)第三次刻蝕出的八個臺面的一部分；ICP刻蝕深度為第三次刻蝕深度的一半，ICP刻蝕浮膠后形成具有十六個臺階的微透鏡臺面； 步驟七:化學(xué)腐蝕成型，將刻蝕出的具有十六臺階的微透鏡臺面清洗烘干后，采用室溫條件下5%的溴-乙醇溶液進(jìn)行化學(xué)濕法腐蝕成型，腐蝕掉臺階上垂直的棱角，形成表面光亮、損傷小、曲率半徑均勻的微透鏡球面。
【文檔編號】H01L31/18GK103855251SQ201410020943
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2014年1月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月17日
【發(fā)明者】徐鵬霄, 喬輝, 張可鋒, 李向陽, 王仍, 劉詩嘉, 徐斌, 劉秀娟, 盧怡丹, 王立偉, 常超 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所