一种红外焦平面阵列及其制作方法技术

本发明专利技术提供一种红外焦平面阵列，包括多个红外探测单元，所述红外探测单元包括衬底、光敏元件和聚能微透镜，所述光敏元件悬空于衬底上，光敏元件的光敏吸收层覆盖在光敏元件的电路层上，所述的聚能微透镜悬空于光敏元件的光敏吸收层上方，通过微透镜支撑柱与光敏元件连接。相应的，本发明专利技术还提供一种红外焦平面阵列的制作方法。本发明专利技术的红外焦平面阵列在光敏元件阵列的正向集成了聚能微透镜，所述聚能微透镜将入射在其上的红外光线直接汇聚到光敏元件的红外吸收层，不会被红外吸收层下方的电路层吸收而造成红外焦平面的吸收因子降低。本发明专利技术的制作过程不会破坏光敏元件的性能。

【技术实现步骤摘要】
一种红外焦平面阵列及其制作方法
本专利技术涉及红外探测器领域，特别涉及一种集成有聚能微透镜阵列的红外焦平面阵列及其制作方法。
技术介绍
红外成像技术在民用和军用领域都有极为广泛的应用，一直是军事领域不可替代的实用技术之一，如用于远距离警戒系统以及武器瞄准系统、单兵便携式夜视仪、头盔夜视仪以及红外搜索与跟踪系统等，而红外焦平面阵列IRFPA(infraredfocalplanearray，红外焦平面阵列)的设计又是红外成像系统中的最为核心的一项技术。IRFPA的焦平面上排列着光敏元件阵列，从无限远处发射的红外线经过光学系统成像在红外焦平面的这些光敏元件上，包括IRFPA的探测器将接受到的光信号转换为电信号并进行积分放大、采样保持，通过输出缓冲和多路传输系统，最终送达监视系统形成图像。目前已经研制出的IRFPA的感光元件中光敏吸收区面积约占光敏元件面积的40％，只有照射到光敏吸收区的平行入射光的40％被光敏元件吸收利用，其余60％左右的入射光由于没有照射到光敏吸收区而不能被光敏元件利用，这部分没有被利用的光线称为“死光”。IRFPA的填充因子是被红外焦平面阵列有效利用的光线占入射光线的比例，现有IRFPA的填充因子约为40％。随着IRFPA的进一步研究，光敏吸收区在焦平面中的面积比例会越来越小，所以如何收集那些不能被利用的“死光”，提高IRFPA填充因子是一个急需解决的问题。在现有IRFPA上集成聚能微透镜阵列，正是解决这一问题的最佳方法。利用微透镜阵列与IRFPA的集成，可以聚集“死光”到红外焦平面的光敏吸收区，在不增大光敏吸收区面积的情况下提高红外焦平面阵列的填充因子，并且可以进一步减小像元尺寸，留给外接分析电路更大的空间以增大成像分辨率，进而提高IRFPA的探测灵敏度。目前已经成功制作了背向集成聚能透镜阵列的IRFPA，如图1，首先在已经制作完成光敏元件阵列100(虚线框中所示)的硅衬底101的背向光敏吸收区的一面旋涂光刻胶，然后进行对准光刻和刻蚀，经过热熔融后形成光刻胶微透镜阵列，最后经过刻蚀转移技术得到硅微透镜阵列102。这种集成方式整体结构比较紧凑，可靠性比较高。但是光敏元件包括悬臂103、光敏吸收层104和电路层105，光敏元件通过悬臂悬空在衬底上，光敏吸收层覆盖在电路层上。在这种背向集成方式中，入射光经过聚能微透镜汇聚后必须经过光敏元件的电路层105才能到达光敏吸收层104而被吸收利用，这样会有一部分光线被电路层吸收和反射，造成不必要的光能损失。另外，这种背照式集成方式，在制作硅微透镜阵列时，工艺流程会对已经制作好的光敏元件有一定的影响，高温的制作环境甚至会破坏光敏元件的结构。在背向光敏吸收区的衬底上制作聚能微透镜，实现微透镜与光敏吸收区的精确对准也比较困难。
技术实现思路
本专利技术解决的问题是提供一种IRFPA，在光敏元件阵列的正向集成聚能微镜阵列，提高IRFPA的填充因子，进而提高其探测灵敏度。为实现上述目的，本专利技术提供一种红外焦平面阵列，包括多个红外探测单元，所述红外探测单元包括衬底、光敏元件和聚能微透镜，其中，所述光敏元件悬空于衬底上，光敏元件的光敏吸收层覆盖在光敏元件的电路层上；所述的聚能微透镜悬空于光敏元件的光敏吸收层上方，通过微透镜支撑柱与光敏元件连接。优选地，所述的聚能微透镜将照射在其上的入射光线全部汇聚在光敏元件的光敏吸收区。优选地，所述的聚能微透镜为凸透镜。优选地，所述的微透镜支撑柱为中空棱柱状，微透镜支撑柱的顶端形状与聚能微透镜的边缘形状相同。优选地，所述的聚能微透镜为厚度相同的壳状透镜。可选地，所述的微透镜支撑柱的材料为能够透过红外光线的材料。优选地，所述的微透镜支撑柱的顶端支撑在所述微透镜下表面的中心。可选地，所述的微透镜支撑柱的底端位于所述光敏吸收层上。可选地，所述的微透镜的材料为聚碳酸酯PC、聚苯乙烯PS或光刻胶。相应地，本专利技术还提供一种红外焦平面阵列的制作方法，包括步骤：提供包括光敏元件阵列的衬底，所述衬底还包括位于光敏元件下方的牺牲层；在所述衬底的光敏元件一侧沉积微透镜牺牲层，在所述微透镜牺牲层中制作微透镜支撑柱；在包括微透镜牺牲层的衬底上涂覆微透镜材料层，刻蚀所述微透镜材料层形成微透镜材料阵列；热处理微透镜材料阵列形成聚能微透镜阵列；释放微透镜牺牲层和光敏元件的牺牲层。可选地，刻蚀所述微透镜材料层形成微透镜材料阵列步骤包括在微透镜材料层上多次刻蚀形成塔状台阶型微透镜阵列。可选地，所述热处理微透镜材料阵列形成聚能微透镜阵列，采用热熔融微透镜材料方法形成聚能微透镜阵列。可选地，所述热处理微透镜材料阵列形成聚能微透镜阵列，采用热压印方法形成聚能微透镜阵列。优选地，在热处理微透镜材料阵列形成聚能微透镜阵列步骤后还包括对聚能微透镜进行热处理步骤。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：本专利技术提供的红外焦平面阵列，包括多个红外探测单元，所述红外探测单元包括衬底、光敏元件和聚能微镜，所述光敏元件悬空于衬底上，光敏元件的光敏吸收层覆盖在光敏元件的电路层上；所述的聚能微透镜悬空于光敏元件的光敏吸收层上方，通过微透镜支撑柱与光敏元件连接。本专利技术IRFPA的聚能微透镜悬空在光敏吸收区上方，实现了聚能微镜阵列的正向集成。入射光经过聚能微透镜折射后直接照射到微透镜下方的光敏吸收层，不需要经过光敏吸收层下侧的电路层，不会造成红外光线被电路层吸收和反射而引起不必要的光能损失。另外，本专利技术的IRFPA在制作微透镜阵列时，与IRFPA的制作工艺相结合，不会对制作IRFPA有破坏作用。在光敏元件的光敏吸收区上方制作微透镜，容易实现微透镜与光敏吸收区的精确对准。附图说明通过附图所示，本专利技术的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本专利技术的主旨。图1为
技术介绍
中红外焦平面阵列的剖面示意图；图2为本专利技术红外焦平面阵列的剖面示意图；图3为本专利技术红外焦平面阵列的制作流程图；图4至图9是本专利技术红外焦平面阵列制作过程中的剖面示意图。具体实施方式为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本专利技术的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本专利技术，但是本专利技术还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本专利技术内涵的情况下做类似推广，因此本专利技术不受下面公开的具体实施例的限制。其次，本专利技术结合示意图进行详细描述，在详述本专利技术实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本专利技术保护的范围。此外，在实际制造中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。现有集成有聚能微透镜阵列的IRFPA是在背向光敏元件的衬底硅表面上制作出微透镜，所述的微透镜将入射光线汇聚到光敏元件的光敏吸收层上，达到提高IRFPA填充因子的目的。由于微透镜制作在背向光敏吸收层的衬底硅表面上，而在光敏吸收层和硅衬底之间包括金属电路层，微透镜汇聚的部分入射光必须经过金属电路层才能到达光敏吸收层。金属电路层会吸收照射在其上的红外光线，这会导致红外光能的损失，导致红外焦平面阵列的填充因子较低。为了克服现有技术的缺点，本专利技术提供一种集成有聚本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种红外焦平面阵列，包括多个红外探测单元，所述红外探测单元包括衬底、光敏元件和聚能微透镜，其特征在于：所述光敏元件悬空于衬底上，光敏元件的光敏吸收层覆盖在光敏元件的电路层上；所述的聚能微透镜悬空于光敏元件的光敏吸收层上方，通过微透镜支撑柱与光敏元件连接。

【技术特征摘要】
1.一种红外焦平面阵列的制作方法，其特征在于，包括步骤：提供衬底，所述衬底上表面包括光敏元件阵列，以及位于光敏元件阵列下方的牺牲层；在所述衬底的光敏元件上沉积微透镜牺牲层，在所述微透镜牺牲层中制作微透镜支撑柱；在包括微透镜牺牲层的衬底上涂覆微透镜材料层，刻蚀所述微透镜材料层形成微透镜材料阵列；热处理微透镜材料阵列形成聚能微透镜阵列；释放微透镜牺牲层和位于光敏元件阵列下方的牺牲层。2.根据权利要求1所述的红外焦平面阵列的制作方法，刻蚀所述微透镜材料层形成微透镜...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫建华，欧文，欧毅，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：