專利名稱：一種集成有增透膜的光伏型碲鎘汞紅外焦平面的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本專利涉及光電探測器技術(shù)，具體指一種集成有增透膜的光伏型碲鎘汞紅外焦平
背景技術(shù)：
紅外焦平面探測器模塊是一種同時實(shí)現(xiàn)紅外信息的獲取和進(jìn)行信息處理的成像 傳感器，在空間對地觀測，導(dǎo)彈尋的和精確制導(dǎo)，工業(yè)和醫(yī)用熱成像，森林火情探測監(jiān)視等 軍用和民用領(lǐng)域有重要而廣泛的應(yīng)用，高性能大規(guī)模的紅外焦平面探測器模塊已大量應(yīng)用 于各種重大國家安全項(xiàng)目和重要新型武器系統(tǒng)中。作為新一代紅外成像系統(tǒng)中重要的組成 部分，得到高性能、高溫、高速工作以及更高空間分辨率的大規(guī)模碲鎘汞紅外焦平面探測器 模塊是紅外技術(shù)發(fā)展的目標(biāo)。光伏型碲鎘汞紅外焦平面模塊中探測器的像元量子效率是影響探測器性能的重 要參數(shù)之一，像元量子效率是每一個入射到像元光照面上的光子所產(chǎn)生的信號電荷載流子 數(shù)目，對于光伏型碲鎘汞紅外焦平面模塊，其量子效率為器件的光學(xué)效率和器件的pn結(jié)電 荷收集效率的乘積。器件的光學(xué)效率是與器件襯底表面的反射率密切相關(guān)的，反射率降低， 則可以提高器件的光學(xué)效率，進(jìn)一步提高器件的響應(yīng)率。國內(nèi)外已有一些方法提出用于生長碲鎘汞芯片的增透膜，但其都不適用于這里所 說的光伏型碲鎘汞紅外焦平面模塊中探測器的增透膜制備。這里所說的光伏型碲鎘汞紅外 焦平面模塊是由中波光伏型碲鎘汞芯片，信號讀出電路和電極引出寶石片基底組成的復(fù) 雜結(jié)構(gòu)，帶有芯片和信號讀出電路的探測器通過一種聚氨酯改性環(huán)氧樹脂固定在寶石片電 極基板上，由于碲鎘汞紅外焦平面模塊工作溫度為80k，為了提高探測器在低溫下工作的可 靠性，探測器的襯底被減薄拋光至40 50微米。其結(jié)構(gòu)示意圖分別如圖1(a)，(b)所示。 探測器上電路與寶石基板之間的鍵壓引線需保證其完好，以避免引線在生長及清洗過程中 脫落而造成探測器失效。寶石基板上的電極引線須在增透膜生長過程中保護(hù)完好，以避免 增透膜生長在電極上，造成絕緣而引起探測器失效。碲鎘汞紅外探測器芯片在溫度高于70 攝氏度時會造成器件性能退化，因此增透膜生長的溫度須在低于70攝氏度的環(huán)境下生長。 同時由于中波碲鎘汞紅外探測器儲存在室溫下，工作在80k的低溫下，因此薄膜與探測器 芯片的減薄拋光表面須有良好的黏附性和熱膨脹系數(shù)的匹配，以保證器件在高低溫溫度變 化過程中，薄膜在器件上附著完好。中波碲鎘汞紅外探測器的工作波段通常在3. 5 5微 米，因此必須保證增透膜在該特定波段范圍內(nèi)的具有良好的增透射效果。
發(fā)明內(nèi)容本專利的目的是提供一種集成了增透膜的光伏型碲鎘汞紅外焦平面，該器件在探 測器襯底減薄拋光至40 50微米后直接在上面生長增透膜，在特定的工作波段3. 5 5um 具有良好的增透射特性。本專利中中波光伏型碲鎘汞紅外焦平面模塊包括中波碲鎘汞芯片由增透膜1、碲鎘汞芯片2、襯底3、碲鎘汞芯片上的銦柱陣列4、信號讀出電路的銦柱陣列5、鍵壓引線7、信 號讀出電路8 ；聚氨酯改性環(huán)氧樹脂9和寶石片引線基板11構(gòu)成，其特征在于所述的襯底 3是拋光減薄的襯底，厚度為40 50微米；所述的增透膜1是直接鍍制在襯底3上的ZnS薄膜。本專利中中波光伏型碲鎘汞紅外焦平面模塊包括中波碲鎘汞芯片，信號讀出電路 和電極引出寶石片基底，帶有芯片和信號讀出電路的探測器通過一種聚氨酯改性環(huán)氧樹脂 固定在寶石片電極基板上，探測器襯底減薄拋光至40 50微米。其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。 在襯底3上外延生長的碲鎘汞薄膜采用半導(dǎo)體工藝獲得帶有銦柱陣列4的碲鎘汞芯片2，減 薄拋光后的襯底3表面生長有增透膜1，碲鎘汞探測器與帶有銦柱陣列5的信號讀出電路8 通過倒焊互聯(lián)工藝連接在一起，讀出電路8通過聚氨酯改性環(huán)氧樹脂9固定在寶石片引線 基板上，通過鍵壓引線7完成信號引出。本專利中的增透膜是通過磁控濺射制備方法在中波碲鎘汞探測器的襯底上制備 的ZnS薄膜材料，該薄膜材料通過光學(xué)耦合可以降低反射率，提高入射到碲鎘汞芯片襯底 表面的紅外信號的透過率，從而提高探測器的量子效率。本專利中所述的增透膜制備方法 具體步驟如下A.焦平面模塊的清洗將碲鎘汞紅外焦平面模塊放入三氯乙烯中浸泡M小時，然后分別用三氯乙烯、乙 醚、丙酮、酒精浸泡清洗。B.焦平面模塊的保護(hù)在碲鎘汞紅外焦平面模塊的電路壓腳，鍵壓引線和寶石片上的電極引腳覆蓋一層 光致抗蝕劑，保護(hù)電路壓腳和寶石片上的電極引腳，放入65攝氏度的烘箱中進(jìn)行烘干，露 出碲鎘汞紅外焦平面模塊中探測器經(jīng)過減薄拋光后的襯底表面。C.增透膜生長①將保護(hù)完好的碲鎘汞紅外焦平面模塊放入磁控濺射鍍膜設(shè)備的濺射腔體，在碲 鎘汞紅外焦平面模塊減薄拋光后的襯底表面低溫生長ZnS薄膜；②設(shè)定氬氣流量為50SCCM，腔體壓強(qiáng)為1χ10_4帕斯卡；③濺射功率為30W時，薄膜濺射速率為0. 55納米/分鐘，濺射功率為50W，薄膜濺 射速率為2. 3納米/分鐘，每生長1小時，停止生長30分鐘，保證樣品生長溫度為40 50 攝氏度。先采用濺射功率30W生長1小時，然后調(diào)整濺射功率為50W生長3. 5小時，獲得薄 膜厚度為0.5微米。D.焦平面模塊剝離將生長了增透膜的碲鎘汞紅外焦平面模塊，放入丙酮中浸泡30分鐘，剝離電路表 面和寶石片表面的光致抗蝕劑和ZnS薄膜；再用丙酮、酒精將焦平面模塊清洗干凈。本專利具有如下優(yōu)點(diǎn)1.本專利特別適用于包括有碲鎘汞芯片，讀出電路和寶石基板的碲鎘汞紅外焦平 面模塊，在碲鎘汞紅外焦平面探測器經(jīng)過深度減薄拋光后(芯片厚度小于50um)的襯底表 面上生長增透膜。2.本專利采用半導(dǎo)體工藝常用的光致抗蝕劑作為保護(hù)層，能夠方便有效的對讀出 電路壓腳，鍵壓引線和寶石片電極基板等位置進(jìn)行保護(hù)，避免了這些部位ais薄膜的沉積。[0022]3.本專利采用磁控濺射的方法生長ZnS增透膜，使得薄膜與碲鎘汞紅外探測器芯 片襯底表面有很好的附著性，通過對工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，在生長過程中有效釋放熱應(yīng)力，保 證薄膜在高低溫度變化過程中不脫落不改變性能。4.本專利選用的ZnS薄膜與碲鎘汞探測器芯片的襯底材料在光學(xué)折射率上有較 好的匹配性，通過工藝參數(shù)優(yōu)化可以獲得在該中波特定波段的增透射效果。

圖1(a)是本專利的光伏型碲鎘汞紅外焦平面模塊的俯視平面結(jié)構(gòu)示意圖，圖 1 (b)是圖1 (a)的A-B剖面結(jié)構(gòu)示意圖，其中1是增透膜；2是碲鎘汞芯片；3是襯底；4是 碲鎘汞芯片上的銦柱陣列；5是信號讀出電路的銦柱陣列；6是信號讀出電路的壓腳；7是 鍵壓引線；8是信號讀出電路；9是聚氨酯改性環(huán)氧樹脂；10是寶石片引線基板上的電極引 腳；11是寶石片引線基板。圖2是探測器襯底表面的反射率曲線圖，曲線21為襯底表面沒有生長增透膜的反 射率曲線，曲線22為襯底表面生長增透膜后的反射率曲線。圖3是GaAs陪片的透射率曲線圖，曲線31為沒有生長增透膜的透射率曲線，曲線 32為生長增透膜后的透射率曲線。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖，以光敏元陣列為320x240的碲鎘汞紅外焦平面模塊為實(shí)例對本專 利的實(shí)施方式做詳細(xì)說明本專利中所說的光伏型碲鎘汞紅外焦平面模塊，包括帶有銦柱陣列4的光伏型碲 鎘汞320x240探測器芯片2，探測器芯片與帶有銦柱陣列5的320x240讀出電路8采用倒焊 互連技術(shù)互連在一起，焦平面探測器通過一種聚氨酯改性環(huán)氧樹脂9黏附在寶石片電極基 板11上，當(dāng)環(huán)氧樹脂固化后，得到碲鎘汞紅外焦平面模塊。焦平面模塊通過深減薄拋光工 藝，將探測器芯片的襯底3減薄至40 50微米，提高器件的高低溫循環(huán)可靠性。焦平面探 測器通過鍵壓引線7完成信號弓I出，使焦平面模塊通過寶石片11上的電極引腳10可以方 便的進(jìn)行信號讀出。在電路壓腳6，鍵壓引線7和寶石片11上的電極引腳10覆蓋一層光致 抗蝕劑，保護(hù)電路壓腳和寶石片上的電極引腳，露出經(jīng)過減薄拋光的探測器襯底3表面生 長增透膜1。本專利中的磁控濺射制備增透膜能夠保證在深減薄拋光后的探測器襯底表面低 溫生長具有良好附著性能的增透射薄膜，通過工藝參數(shù)的優(yōu)化，使增透射薄膜的降低反射 的波段滿足中波光伏型碲鎘汞紅外探測器的需要，同時能夠有效保護(hù)320U40電路壓腳， 鍵壓引線和寶石電極基板，避免在這些區(qū)域附著生長絕緣薄膜。本實(shí)例中的320x240碲鎘 汞紅外探測器芯片是GaAs襯底的探測器芯片，GaAs襯底折射率為3. 3，采用本專利中的磁 控濺射方法生長的ZnS薄膜經(jīng)過擬合測試，其折射率為2. 1，根據(jù)理論計算其生長厚度為 0. 5微米，能保證探測器在3. 5 5微米范圍內(nèi)具有良好的增透射效果。磁控濺射工藝條 件設(shè)定氬氣流量為50SCCM，腔體壓強(qiáng)為1χ10_4帕斯卡，濺射功率為30W時，薄膜濺射速率 為0. 55納米/分鐘，濺射功率為50W時，薄膜濺射速率為2. 3納米/分鐘，為了在生長過程 中有效釋放熱應(yīng)力，以及保證樣品生長時溫度為40 50攝氏度，每生長1小時，停止生長30分鐘，生長時間濺射功率30W為1小時，濺射功率50W為3. 5小時，采用該工藝可獲得薄 膜厚度為0. 5微米的ZnS薄膜。圖2是本實(shí)例實(shí)施測量得到的探測器襯底表面反射率曲 線，曲線21為襯底表面沒有生長增透膜的反射率曲線，曲線22為襯底表面生長增透膜后的 反射率曲線。圖3是GaAs陪片的透射率曲線圖，由于焦平面模塊無法對透射率進(jìn)行直接測 量，因此采用襯底材料GaAs陪片以同樣的工藝條件生長增透膜，測量陪片的透射率曲線。 曲線31為沒有生長增透膜的透射率曲線，曲線32為生長增透膜后的透射率曲線。從圖中 可以看出，生長了增透膜以后，在3. 5 5微米范圍內(nèi)探測器襯底表面的反射率從30%降到 6. 5%，透射率從53%提高到65%。通過測量320x240焦平面模塊的響應(yīng)率，生長增透膜后 其響應(yīng)率提高15 20%。目前本專利的結(jié)果已經(jīng)應(yīng)用于320x^0，128x128,640x512等碲 鎘汞紅外焦平面模塊的增透膜制備中。
權(quán)利要求1. 一種集成有增透膜的中波光伏型碲鎘汞紅外焦平面，它由增透膜(1)、碲鎘汞芯片 O)、襯底(3)、碲鎘汞芯片上的銦柱陣列G)、信號讀出電路的銦柱陣列(5)、鍵壓引線(7)、 信號讀出電路(8)；聚氨酯改性環(huán)氧樹脂(9)和寶石片引線基板(11)構(gòu)成，其特征在于所 述的襯底C3)是拋光減薄的襯底，厚度為40 50微米；所述的增透膜(1)是直接鍍制在襯 底⑶上的ZnS薄膜。
專利摘要本專利公開了一種集成有增透膜的光伏型碲鎘汞紅外焦平面，它由增透膜、帶有銦柱陣列的碲鎘汞芯片、襯底、帶有銦柱陣列的信號讀出電路、鍵壓引線、聚氨酯改性環(huán)氧樹脂和寶石片引線基板構(gòu)成。該紅外焦平面的增透膜是在保持模塊結(jié)構(gòu)的情況下，采用磁控濺射制備方法，通過工藝參數(shù)優(yōu)化，低溫生長在3.5～5μm具有良好的增透射特性的增透薄膜。該結(jié)構(gòu)中增透薄膜與碲鎘汞紅外探測器芯片襯底表面有很好的附著性，在高低溫度變化過程中不脫落不改變性能。該結(jié)構(gòu)中增透膜的制備方法特別適合在碲鎘汞紅外焦平面探測器經(jīng)過深度減薄拋光后(芯片厚度小于50μm)的襯底表面上生長增透膜。
文檔編號H01L31/18GK201927607SQ20102022489
公開日2011年8月10日 申請日期2010年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月11日
發(fā)明者廖清君, 胡曉寧, 邢雯 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所