一种单片集成式红外微透镜线列的制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种单片集成式红外微透镜线列的制备方法，该方法工艺上采用光刻套刻结合ICP干法刻蚀的手段，然后采用化学湿法腐蚀制备出曲率半径均匀的微透镜线列。本方法为优化单片集成红外微透镜列阵的聚光能力提供了依据，对于提高器件性能和优化器件设计都有着十分重要的意义。
【专利说明】一种单片集成式红外微透镜线列的制备方法【技术领域】
[0001]本发明涉及红外线列探测器，具体指在碲镉汞红外探测器的衬底CdZnTe材料上制备具有聚光能力的单片集成折射型微透镜线列的方法。
【背景技术】
[0002]随着红外技术的进步和空间遥感的应用的发展，三元系化合物半导体材料HgCdTe由于其禁带宽度随组份连续可调，响应范围覆盖整个红外波段(包括I~3μπι，3~5μπι和8~14μπι三个大气窗口)，已经成为研制单元、多元红外探测器及红外焦平面的首选材料。
[0003]探测器阵列像元在提高像元响应率的同时，也增加了阵列中相邻像元之间的光串音，另外由于HgCdTe材料的缺陷密度较高，像元尺寸越大，每个像元的暗电流也相应越高，势必造成器件探测率的下降。为了解决这一问题，有人提出了将衬底材料设计为微透镜的想法(Antoni Rogalski, Infrared detectors: status and trends [J], Progress inQuantum Electronics, 2003, 27:59-210)，通过微透镜的聚光作用将入射光汇聚到光敏元区，减小器件的物理面积，通过这种方法使器件在光响应率不变的甚至增大的情况下显著降低器件的电流和相邻像元间的光串音。
[0004]目前已见报道的制作微透镜的方法有很多，包括光刻胶热熔法、铸模复制法、激光直写法、移动掩膜法等，制备出的微透镜也主要分折射型和衍射型两种。但由于HgCdTe红外探测器及其衬底CdZnTe材料的不耐高温且易碎的特殊性，上述方法均不易在CdZnTe衬底上制作实现，本发明从折射型微透镜线列方向着手研制，提出了一套基于半导体制程工艺的方法实现在CdZnTe衬底上制备出微透镜线列，这种单片集成式的微透镜线列对于提高器件探测率和降低线列中像元间的光串音具有重要意义。
【发明内容】
[0005]本发明提供了一种在CdZnTe衬底上制备单片集成式红外微透镜线列的制作方法，直接在碲锌镉衬底材料上制备折射型光学微透镜将入射红外光会聚到探测器光敏面，在降低相邻像元间的光串音的同时，减小了实际制备器件的物理面积，进而减小暗电流、极大提高了器件的性能。本方法为优化单片集成红外微透镜列阵的聚光能力提供了依据，对于提高器件性能和优化器件设计都有着重要的意义。
[0006]该方法结合半导体工艺中光刻和ICP刻蚀的技术，每次光刻后进行ICP刻蚀，前后共进行四次光刻套刻，在完成四次刻蚀后产生十六个等高度的台阶，最后采用化学湿法腐蚀生成曲率半径一致的微透镜球面。其中，微透镜线列是在探测器芯片的衬底上直接制备产生的，分别一一垂直对应光敏元线列中的各个光敏元，且每个微透镜的光轴与其对应的光敏元中心法线重合。
[0007]其步骤如下:
[0008]步骤一:光刻掩膜版设计与制作，根据光学仿真的结果，确定红外微透镜线列的尺寸和形状，进而明确每步光刻工艺时套刻图形的尺寸大小和形状，在掩膜版和带有读出电路的宝石片上留下能够对准的光刻标记供光刻对准用。
[0009]步骤二:衬底预处理，将制备完成的连有电路宝石片的探测器芯片用蜡贴在磨片玻璃板上，CdZnTe衬底在上面，带有电路的宝石片在下面，再用真空硅片机将之压平(保证厚度差在3μηι范围内),对CdZnTe衬底作粗抛减薄处理,再作精抛减薄去损伤处理，取下探测器芯片清洗后烘干。
[0010]步骤三:微透镜深台面光刻与刻蚀，对粗、精抛处理后的探测器芯片进行光刻，因为之前连在探测器芯片的宝石片上留有光刻标记，光刻时通过该标记和掩膜版上的光刻标记对准，实现后续工艺制备出的微透镜线列与芯片正面的探测器线列的中心法线一一对准，同时也将光刻标记复制到洁净的CdZnTe衬底上，方便后续光刻工艺。然后进行第一步微透镜深台面刻蚀，ICP刻蚀浮胶后形成高深宽比的CdZnTe台面。
[0011]步骤四:四台阶微透镜光刻与刻蚀，第二次光刻掩膜版的阴影部分设计为两部分，光刻后分别用光刻胶覆盖保护第一次刻蚀出上下台面的一部分。ICP刻蚀深度也只有第一次刻蚀深度的一半，ICP刻蚀浮胶后形成具有四个台阶的微透镜台面。
[0012]步骤五:八台阶微透镜光刻与刻蚀，第三次光刻掩膜版的阴影部分设计为四部分，光刻后分别用光刻胶覆盖保护第二次刻蚀出的四个台面的一部分。ICP刻蚀深度为第二次刻蚀深度的一半，ICP刻蚀浮胶后形成具有八个台阶的微透镜台面。
[0013]步骤六:十六台阶微透镜光刻与刻蚀，第四次光刻掩膜版的阴影部分设计为八部分，光刻后分别用光刻胶覆盖保护第三次刻蚀出的八个台面的一部分。ICP刻蚀深度为第三次刻蚀深度的一半，ICP刻蚀浮胶后形成具有十六个台阶的微透镜台面。
[0014]步骤七:化学腐蚀成型，将刻蚀出的具有十六台阶的微透镜台面清洗烘干后，采用溴-乙醇化学湿法腐蚀,腐蚀掉台阶上垂直的棱角，形成表面光亮、损伤小、曲率半径均匀的微透镜球面。
[0015]本发明的优点在于:首先通过光学仿真得出了折射型微透镜会聚入射光的光学参数，包括焦距、曲率半径、球冠高度等；在碲锌镉衬底上直接制备微透镜线列，集成度高，减少了入射光在传播途径中的损失；利用该方法制备微透镜线列，工艺步骤简单易实现，且制备出微透镜表面光洁度高；利用微透镜线列对入射红外光的会聚作用，极大地降低了器件的暗电流和相邻像兀间的光串首，对提闻器件性能具有重要的实际意义。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本专利制备微透镜线列的流程示意图。
【具体实施方式】
[0017]下文结合说明书附图，本专利一种单片集成式红外微透镜线列的制备方法的具体制备工艺步骤作详细的说明:
[0018]步骤1:光刻掩膜版设计与制作，根据光学仿真的结果，该红外微透镜冠高130 μ m,球面曲率半径200 μ m,进而明确每步光刻工艺时套刻图形的尺寸大小和形状，在掩膜版和带有读出电路的宝石片上留下能够对准的光刻标记供光刻对准用。
[0019]步骤2 =CdZnTe衬底预处理，将制备完成的连有电路宝石片的探测器芯片用蜡贴在磨片玻璃板上，CdZnTe衬底在上面，带有电路的宝石片在下面，再用真空硅片机将之压平(保证厚度差在3 μ m范围内)，对CdZnTe衬底作粗抛减薄处理，再作精抛减薄去损伤处理，取下芯片。
[0020]步骤3:衬底清洗，将衬底芯片分别放入三氯甲烷、乙醚、丙酮、乙醇中用棉花拖洗，每步清洗I分钟，清洗后用N2吹干。
[0021]步骤4:在CdZnTe衬底上旋涂四层厚胶，涂胶机转速4000转/分钟，进行第一次光刻，光刻出掩膜图形，光刻好图形后用氧等离子体清洗3分钟。
[0022]步骤5:采用CH4/N2/Ar气体产生的感应耦合等离子体进行深台面ICP刻蚀，刻蚀时间3.5小时,完成后进行浮胶处理,制备出CdZnTe台面。
[0023]步骤6:在制备好的CdZnTe台面上旋涂双层厚胶，涂胶机转速3000转/分钟，进行第二次光刻，光刻出掩膜图形，光刻好图形后用氧等离子体清洗3分钟。
[0024]步骤7:采用CH4/N2/Ar气体产生的感应耦合等离子体进行ICP刻蚀，刻蚀时间100分钟，完成后进行浮胶处理，制备出具有四个台阶的CdZnTe台面。
[0025]步骤8:在完成的四台阶CdZnTe台面上旋涂单层厚胶，涂胶机转速3000转/分钟，进行第三次光刻，光刻出掩膜图形，光刻好图形后用氧等离子体清洗3分钟。
[0026]步骤9:采用CH4/N2/Ar气体产生的感应耦合等离子体进行ICP刻蚀，刻蚀时间50分钟，完成后进行浮胶处理，制备出具有八个台阶的CdZnTe台面。
[0027]步骤10:在制备好的八台阶CdZnTe台面上旋涂单层厚胶，涂胶机转速4000转/分钟，进行第四次光刻，光刻出掩膜图形，光刻好图形后用氧等离子体清洗3分钟。
[0028]步骤11:采用CH4/N2/Ar气体产生的感应耦合等离子体进行ICP刻蚀，刻蚀时间30分钟，完成后进行浮胶处理，制备出具有十六个台阶的CdZnTe台面。
[0029]步骤12:十六台阶CdZnTe台面清洗，将衬底芯片分别放入三氯甲烷、乙醚、丙酮、乙醇中用棉花拖洗，每步清洗I分钟，清洗后用N2吹干，烘干。
[0030]步骤13:化学湿法腐蚀成型，将刻蚀出的具有十六台阶的微透镜台面采用5%的溴-乙醇溶液室温条件下进行化学湿法腐蚀,腐蚀时间8分钟，腐蚀掉各个台阶上垂直的棱角，形成表面光亮、损伤小、曲率半径均匀的微透镜球面。
[0031]步骤14 =CdZnTe微透镜清洗，将制备好的微透镜线列分别放入三氯甲烷、乙醚、丙酮、乙醇中用棉花拖洗，每步清洗I分钟，清洗后用N2吹干，烘干，完成单片集成式红外微透镜线列制备。
【权利要求】
1.一种单片集成式红外微透镜线列的制备方法，其特征在于包括以下步骤: 步骤一:光刻掩膜版设计与制作，根据光学仿真的结果，确定红外微透镜线列的尺寸和形状，进而明确每步光刻工艺时套刻图形的尺寸大小和形状，四次光刻中使用的掩膜图形为根据微透镜尺寸设计的层层套刻图形，图形尺寸比目标微透镜球面对应位置尺寸略大I?5μπι，在掩膜版和带有读出电路的宝石片上留下能够对准的光刻标记供光刻对准用；步骤二:衬底预处理，将制备完成的连有电路宝石片的探测器芯片用蜡贴在磨片玻璃板上，CdZnTe衬底在上面，带有电路的宝石片在下面，再用真空硅片机将之压平，保证厚度差在3 μ m范围内，对CdZnTe衬底作粗抛减薄处理，再作精抛减薄去损伤处理，取下探测器芯片清洗后烘干； 步骤三:微透镜深台面光刻与刻蚀，对粗、精抛处理后的探测器芯片进行光刻，因为之前连在探测器芯片的宝石片上留有光刻标记，光刻时通过该标记和掩膜版上的光刻标记对准，实现后续工艺制备出的微透镜线列与芯片正面的探测器线列的中心法线一一对准，同时也将光刻标记复制到洁净的CdZnTe衬底上，方便后续光刻工艺；然后进行第一步微透镜深台面刻蚀，ICP刻蚀浮胶后形成高深宽比的CdZnTe台面； 步骤四:四台阶微透镜光刻与刻蚀，第二次光刻掩膜版的阴影部分设计为两部分，光刻后分别用光刻胶覆盖保护第一次刻蚀出上下台面的一部分；ICP刻蚀深度也只有第一次刻蚀深度的一半，ICP刻蚀浮胶后形成具有四个台阶的微透镜台面； 步骤五:八台阶微透镜光刻与刻蚀，第三次光刻掩膜版的阴影部分设计为四部分，光刻后分别用光刻胶覆盖保护第二次刻蚀出的四个台面的一部分；ICP刻蚀深度为第二次刻蚀深度的一半，ICP刻蚀浮胶后形成具有八个台阶的微透镜台面； 步骤六:十六台阶微透镜光刻与刻蚀，第四次光刻掩膜版的阴影部分设计为八部分，光刻后分别用光刻胶覆盖保护第三次刻蚀出的八个台面的一部分；ICP刻蚀深度为第三次刻蚀深度的一半，ICP刻蚀浮胶后形成具有十六个台阶的微透镜台面； 步骤七:化学腐蚀成型，将刻蚀出的具有十六台阶的微透镜台面清洗烘干后，采用室温条件下5%的溴-乙醇溶液进行化学湿法腐蚀成型，腐蚀掉台阶上垂直的棱角，形成表面光亮、损伤小、曲率半径均匀的微透镜球面。
【文档编号】H01L31/18GK103855251SQ201410020943
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2014年1月17日 优先权日:2014年1月17日
【发明者】徐鹏霄, 乔辉, 张可锋, 李向阳, 王仍, 刘诗嘉, 徐斌, 刘秀娟, 卢怡丹, 王立伟, 常超 申请人:中国科学院上海技术物理研究所