專利名稱：一種掩模用光刻膠微凸鏡列陣的等離子體回流成形方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電探測器件的制造工藝技術(shù)，具體是指紅外焦平面列陣器件原位集 成紅外微凸鏡列陣工藝所需的掩模用光刻膠微凸鏡列陣的成形方法。
背景技術(shù)：
紅外焦平面列陣器件是既具有紅外信息獲取又具有信息處理功能的先進(jìn)的成像 傳感器，在空間對地觀測、光電對抗、機(jī)器人視覺、搜索與跟蹤、醫(yī)用和工業(yè)熱成像、以及導(dǎo) 彈精確制導(dǎo)等軍、民用領(lǐng)域有重要而廣泛的應(yīng)用。由于其不可替代的地位和作用，世界上的 主要工業(yè)大國都將紅外焦平面列陣器件制備技術(shù)列為重點(diǎn)發(fā)展的高技術(shù)項(xiàng)目。在高級紅外應(yīng)用系統(tǒng)的大力驅(qū)動下，紅外探測器已進(jìn)入了以大面陣、小型化和多 色化等為特點(diǎn)的發(fā)展階段，見 S. Horn,P. Norton, Τ. Cincotta，A. Stoltz, etal,"Challenges for third-generation cooled imagers，，，proceeding of SPIE, Vol. 5074, 2003, P44-51。 高分辨率始終是紅外探測器發(fā)展所不懈追求的目標(biāo)，新一代紅外焦平面探測器已由單像元 發(fā)展到4096 X 4096的凝視大面陣，預(yù)計到2010年紅外焦平面探測器規(guī)模將達(dá)到10KX 10K。但是，隨著大面陣和小型化，紅外焦平面探測器的光敏像元尺寸變得越來越小， 其光學(xué)衍射分辯極限和空間串音就勢必成為制約紅外焦平面探測器高分辨率性能的 關(guān)鍵因素。這是因?yàn)榧t外焦平面探測系統(tǒng)的光學(xué)衍射艾里斑半徑滿足下列公式
rAiry = ^^^人^-義丫^八其中λ是探測波長，^ = 2.5是光學(xué)系統(tǒng)光圈F數(shù)。取λ JJ##
=10 μ m和$ = 2.5，可計算得到= 30. 5 μ m。目前第三代紅外長波焦平面探測器像素 #
尺寸通常都小于30 μ m，已經(jīng)接近、甚至小于光學(xué)一級衍射斑(艾里斑)半徑，即達(dá)到了光學(xué) 衍射分辯極限。這不但導(dǎo)致在各個像元間的衍射光強(qiáng)不能分辯，還會導(dǎo)致嚴(yán)重的空間串音。為抑制紅外探測器光敏元間的空間串音，多種集成有新型結(jié)構(gòu)的紅外焦平面探測 器相繼出現(xiàn)。其中，在入射光場方向上原位集成微凸鏡列陣的紅外焦平面探測器是一種非 常新穎的紅外探測器。該類紅外探測器利用背向集成的微透鏡列陣的會聚作用，使垂直照 射在每個光敏像元上的紅外輻射。特別是照射在每個像元的周邊區(qū)域位置的紅外輻射，都 能會聚在每個光敏像元的中心區(qū)域。通過會聚入射到每個光敏元周邊區(qū)域的紅外輻射，不 僅可以提高紅外焦平面探測器對目標(biāo)紅外輻射的響應(yīng)率，而且還有利于減小紅外光敏元列 陣芯片每個光敏元之間的空間串音。特別是當(dāng)光敏感列陣芯片的像元密度越來越高，這種 微透鏡列陣就更有利于減小像元之間的空間串音。原位集成微凸鏡列陣的紅外焦平面探測器是采用等離子體刻蝕技術(shù)將光刻膠微 凸鏡列陣轉(zhuǎn)移到紅外焦平面探測器背面襯底上來實(shí)現(xiàn)的。制作這類新型紅外探測器的首要 難題是獲得掩模用光刻膠微凸鏡列陣。在微機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)加工中，通常采用熱熔光刻膠 技術(shù)，來制作掩模用光刻膠微凸鏡列陣。但是，紅外焦平面探測器，特別是碲鎘汞紅外光伏 探測器，在工藝過程中不能經(jīng)受熱熔光刻膠的高溫處理。
發(fā)明內(nèi)容
基于上述已有紅外焦平面列陣器件掩模用光刻膠微凸鏡列陣成形方法存在的問 題，本發(fā)明的目的是提供一種便捷的、穩(wěn)定的和紅外焦平面探測器無需經(jīng)受高溫?zé)崽幚淼?掩模用光刻膠微凸鏡列陣的成形方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用高密度、低能量的誘導(dǎo)耦合等離子體(ICP)增強(qiáng)反 應(yīng)離子刻蝕(RIE)方法，僅對紅外焦平面探測器表面光刻膠進(jìn)行局部的等離子體轟擊回流 的掩模用光刻膠微凸鏡列陣成形的技術(shù)方案。本發(fā)明方法是在微電子領(lǐng)域最新的技術(shù)產(chǎn)物ICP增強(qiáng)RIE設(shè)備上進(jìn)行的。該設(shè)備 包括帶真空系統(tǒng)1的腔體5，在腔體內(nèi)自下而上置有控制等離子體能量的RF源2，帶控溫 系統(tǒng)的樣品臺3，下進(jìn)氣線圈7，產(chǎn)生等離子體濃度的RF源6，上進(jìn)氣線圈8，腔體5側(cè)壁開 有觀察窗口 501。在等離子體轟擊時，紅外焦平面探測器樣品4固定在控溫樣品臺3上，并 可以通過觀察窗口 501來實(shí)時觀察樣品的運(yùn)行情況。上述技術(shù)方案的掩模用光刻膠微凸鏡列陣成形方法如下A.采用傳統(tǒng)的光刻技術(shù)，在紅外焦平面探測器4(由讀出電路401、光敏感芯片402 和背面襯底403三部分組成)背面襯底403表面制作用于原位集成微凸鏡列陣掩模用的光 刻膠圖形9，掩蔽膜厚度為4-8 μ m,掩蔽膜圖形開口寬度為1-5 μ m。B.將紅外焦平面探測器4通過導(dǎo)熱膠固定在ICP增強(qiáng)RIE設(shè)備的制冷樣品臺3 上，而后進(jìn)行腔體5的抽真空，直至真空度達(dá)到設(shè)定值2-4X 10-5Τοπ·。C.啟動等離子體程序，進(jìn)行紅外焦平面探測器4背面襯底403上的光刻膠掩模圖 形9的等離子體10轟擊回流處理。ICP增強(qiáng)RIE工藝氣體選用02/Ar，配比為3-8 15-30， 并使其中的Ar從上進(jìn)氣線圈8進(jìn)入腔體5，而O2從下進(jìn)氣線圈7進(jìn)入腔體5。等離子體產(chǎn) 生功率為300-600W，控制等離子體能量的RF功率為10-20W，腔體壓力為3_8X KT3Torr，樣 品臺溫度為0-10°C。D.在氧等離子體10與紅外焦平面探測器4背面襯底403上的光刻膠掩模圖形9 相互反應(yīng)20-50秒后，終止等離子體運(yùn)行程序，并取出紅外焦平面探測器樣品4。在本發(fā)明中，由于紅外焦平面探測器4通過導(dǎo)熱膠固定在ICP增強(qiáng)RIE設(shè)備的制 冷樣品臺3上的，于是在對紅外焦平面探測器背面襯底表面掩模用光刻膠圖形9進(jìn)行等離 子體10轟擊時，僅有背面襯底表面掩模用光刻膠9經(jīng)受等離子體10轟擊回流處理。在高 密度、低能量的ICP增強(qiáng)RIE作用下，掩模圖形光刻膠9與氧等離子體10發(fā)生反應(yīng)，致使分 離的微小光刻圖形局部溫度升高，從而實(shí)現(xiàn)掩模用光刻膠微凸鏡列陣的回流成形。本發(fā)明的最大優(yōu)點(diǎn)是基于高密度、低能量氧等離子體的掩模用光刻膠微凸鏡列 陣成形方法，只在氧等離子體與光刻膠發(fā)生反應(yīng)的局部區(qū)域產(chǎn)生溫升回流，而固定在制冷 樣品臺上的紅外焦平面探測器并不會經(jīng)受高溫過程，因而具有操作簡單、可控性好和無需 經(jīng)受高溫過程的特點(diǎn)。


圖1是ICP增強(qiáng)RIE設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明完成紅外焦平面探測器掩模用光刻膠微凸鏡列陣成形的工藝流程 與原理示意圖。(a)圖為傳統(tǒng)的紅外焦平面探測器的結(jié)構(gòu)示意圖；(b)由常規(guī)旋轉(zhuǎn)涂敷技術(shù)在紅外焦平面探測器背面襯底上涂敷掩模用光刻膠的情況；(C)由常規(guī)光刻技術(shù)在紅外焦平面探測器背面襯底上獲得的光刻膠掩蔽膜圖形情況；(d)圖為氧等離子體轟擊回流紅外 焦平面探測器背面襯底上光刻膠掩蔽膜圖形的情況；(e)圖為獲得掩模用光刻膠微凸鏡列 陣的情況。圖3是掩模用光刻膠微凸鏡列陣共聚焦顯微鏡圖像。
具體實(shí)施例方式見圖1，本發(fā)明使用英國OXFORD公司型號為ICP65_80Plus的ICP增強(qiáng)RIE設(shè)備。 該設(shè)備包括帶真空系統(tǒng)1的腔體5，在腔體內(nèi)自下而上置有控制等離子體能量的RF源2， 帶控溫系統(tǒng)的樣品臺3，下進(jìn)氣線圈7，產(chǎn)生等離子體濃度的RF源6，上進(jìn)氣線圈8。在等離 子體轟擊時，紅外焦平面探測器樣品4固定在控溫樣品臺3上，并可以通過觀察窗口 501來 實(shí)時觀察樣品的運(yùn)行情況。我們以Hga7Cda3Te紅外焦平面探測器為樣品，對本發(fā)明的方法作進(jìn)一步的詳細(xì)說 明A.采用傳統(tǒng)的光刻技術(shù)，在紅外焦平面探測器4(由讀出電路401、光敏感芯片402 和背面襯底403三部分組成)背面襯底403表面制作用于原位集成微凸鏡列陣掩模用的光 刻膠圖形9，掩蔽膜厚度為6 μ m,掩蔽膜圖形開口寬度為3 μ m。B.將紅外焦平面探測器4通過導(dǎo)熱膠固定在ICP增強(qiáng)RIE設(shè)備的制冷樣品臺3 上，而后進(jìn)行腔體5的抽真空，直至真空度達(dá)到設(shè)定值3 X IO-5Torr。C.啟動等離子體程序，進(jìn)行紅外焦平面探測器4背面襯底403上的光刻膠掩模圖 形9的等離子體10轟擊回流處理。ICP增強(qiáng)RIE工藝氣體選用02/Ar，配比為5 25，并 使其中的Ar從上進(jìn)氣線圈8進(jìn)入腔體5，而O2從下進(jìn)氣線圈7進(jìn)入腔體5。等離子體產(chǎn)生 功率為450W，控制等離子體能量的RF功率為15W，腔體壓力為5 X KT3Torr,樣品臺溫度為 5°C。D.在氧等離子體10與紅外焦平面探測器4背面襯底403上的光刻膠掩模圖形9 相互反應(yīng)30秒后，終止等離子體運(yùn)行程序，并取出紅外焦平面探測器樣品4。為了得到掩模用光刻膠微凸鏡列陣成形的ICP增強(qiáng)RIE工藝，除了選擇合適的ICP 功率、RF功率、工藝氣體種類及其配比等工藝參數(shù)外，還要選擇合適的工藝氣體比例、腔體 壓力和樣品溫度等工藝參數(shù)。例如，O2氣體的含量過高會導(dǎo)致氧等離子體與光刻膠反應(yīng)過 快，以及局部產(chǎn)生的熱量過高，從而導(dǎo)致掩模光刻膠會回流熔成一片，進(jìn)而不能實(shí)現(xiàn)掩模用 光刻膠微凸鏡列陣的成形?？傊?，掩模用光刻膠微凸鏡列陣成形的ICP增強(qiáng)RIE技術(shù)是非 常復(fù)雜的工藝過程。上述工藝條件是經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，得出的最佳實(shí)施方法。圖3是紅外焦平面探測器背面襯底掩模用光刻膠微透鏡列陣的激光共聚焦顯微 圖像。如圖3所示，紅外焦平面探測器背面襯底掩模用光刻膠圖形已經(jīng)回流成光刻膠微凸 鏡。這說明采用該技術(shù)方案的掩模用光刻膠微凸鏡成形方法是合理的、可行的。
權(quán)利要求
一種掩模用光刻膠微凸鏡列陣的等離子體回流成形方法，其特征在于包括以下步驟A.采用傳統(tǒng)的光刻技術(shù)，在由讀出電路(401)、光敏感芯片(402)和背面襯底(403)三部分組成紅外焦平面探測器(4)的背面襯底(403)表面制作用于原位集成微凸鏡列陣掩模用的光刻膠圖形9，掩蔽膜厚度為4-8μm，掩蔽膜圖形開口寬度為1-5μm；B.將紅外焦平面探測器(4)通過導(dǎo)熱膠固定在ICP增強(qiáng)RIE設(shè)備的制冷樣品臺(3)上，而后進(jìn)行腔體(5)的抽真空，直至真空度達(dá)到設(shè)定值2-4×10-5Torr；C.啟動等離子體程序，進(jìn)行紅外焦平面探測器(4)背面襯底(403)上的光刻膠掩模圖形(9)的等離子體(10)轟擊回流處理，ICP增強(qiáng)RIE 工藝氣體選用O2和Ar，配比為3-8∶15-30，并使其中的Ar從上進(jìn)氣線圈(8)進(jìn)入腔體(5)，而O2從下進(jìn)氣線圈(7)進(jìn)入腔體-(5)，等離子體產(chǎn)生功率為300-600W，控制等離子體能量的RF功率為10-20W，腔體壓力為3-8×10-3Torr，樣品臺溫度為0-10℃；D.在氧等離子體(10)與紅外焦平面探測器(4)背面襯底(403)上的光刻膠掩模圖形(9)相互反應(yīng)20-50秒后，終止等離子體運(yùn)行程序，并取出紅外焦平面探測器(4)樣品。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種紅外焦平面列陣器件原位集成紅外微凸鏡列陣工藝所需的掩模用光刻膠微凸鏡列陣的成形方法，它涉及光電探測器件的制造技術(shù)。本發(fā)明采用高密度、低能量的誘導(dǎo)耦合等離子體(ICP)增強(qiáng)反應(yīng)離子刻蝕(RIE)方法，僅對紅外焦平面探測器表面光刻膠進(jìn)行局部的等離子體轟擊回流的掩模用光刻膠微凸鏡列陣成形的技術(shù)方案?；诟呙芏?、低能量氧等離子體的光刻膠微凸鏡列陣成形方法，只在氧等離子體與光刻膠發(fā)生反應(yīng)的局部區(qū)域產(chǎn)生溫升回流，解決了采用常規(guī)熱熔回流進(jìn)行紅外焦平面探測器掩模用光刻膠微凸鏡成形時必須經(jīng)受高溫過程的缺點(diǎn)。因而，本發(fā)明具有操作簡單、可控性好和無需經(jīng)受高溫過程的特點(diǎn)。
文檔編號H01L31/18GK101872804SQ201010182280
公開日2010年10月27日 申請日期2010年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月21日
發(fā)明者丁瑞軍, 何力, 葉振華, 尹文婷, 林春, 胡偉達(dá), 胡曉寧, 陳昱, 馬偉平, 黃建 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所