中波10 μm小間距原位集成微透鏡技術

劉世光,徐碧婷,徐長彬,張 軼

(華北光電技術研究所,北京 100015)

1 引 言

紅外探測器是將入射紅外光轉化為電信號的光電器件,主要分為制冷型和非制冷型。非制冷型紅外探測器工作在室溫,靈敏度低,主要用于民用。在軍事、宇航等領域的高靈敏度、高性能紅外探測主要采用工作溫度在77 K(液氮溫度)附近的制冷型紅外探測器。制冷型紅外探測器中碲鎘汞紅外探測器以其波長可調、量子效率高,靈敏度高成為高性能紅外探測器的主要發展方向[1]。

為了滿足未來戰爭越來越嚴苛的需求,紅外探測技術在軍事中的應用正朝著高靈敏、高分辨率以及小型化方向發展。在保持整體性能的前提下,愈發強調系統的緊湊性能,逐漸形成了“SWaP”概念,即更小尺寸、更輕重量以及更低功耗。通過減小像元間距可以降低紅外探測器組件的尺寸、重量和功耗。同時像元間距減小意味著光敏元尺寸的減小,空間分辨率的提高,在固定光學孔徑內涵蓋更多像素,實現更清晰成像,以及更遠的識別距離。目前10 μm小間距紅外器件在國外已經實現了初步批量生產,國內在此方向正處于追趕狀態。

由于擴散長度的關系,相鄰像元間的吸收區需要保持一定的安全距離才能保證相互獨立,這對于大像元間距的器件上的影響不大,但是對10 μm小間距器件的占空比影響較大,導致有效吸收區域小,信號降低。不同像元間距的吸收區尺寸對比如圖1所示。

圖1 不同像元間距的吸收區尺寸對比

為解決上述問題,在芯片入光一側集成與pn結陣列規模和像元間距相匹配的微透鏡陣列是一種簡單有效的解決辦法[2-5]。使入射光通過微透鏡匯聚到像元中心處,不僅增加單個像元的接收光強,而且吸收區域靠近中心能有效降低相鄰像元間的串音影響[6]。不同結構的入射光對比如圖2所示。

圖2 不同結構的入射光對比

微透鏡從結構上主要分為非原位集成微透鏡和原位集成微透鏡。非原位集成在探測器入光一側前固定微透鏡陣列,需要精確的水平以及垂直方向的精確對準,而且需要改變原有的封裝結構,增加微透鏡陣列的固定裝置。原位集成微透鏡則通過在入光一側的襯底材料上制備微透鏡陣列,不改變原有的封裝結構,難點在于工藝實現。

為獲得微透鏡結構,國內外利用了眾多方法,如光刻熱熔法[7]、多次光刻套刻[8]、納米壓印[9]等。這其中光刻熱熔工藝的工藝重復性、穩定性較好。基于此工藝,研究團隊已經在長波30 μm以及50 μm器件上成功制備了微透鏡對比芯片,信號提升明顯[10]。本文將基于光刻熱熔法制備10 μm小間距原位集成微透鏡。

2 微透鏡光學原理分析與透鏡設計

由于研究團隊之前在長波較大間距器件上的微透鏡制備效果良好,將繼續沿用類似的設計思路[10]。將透鏡結構近似為近軸情況的球面折射，如圖3所示。

設定刻蝕后的碲鋅鎘襯底表面O為基準面,R為球面半徑,H為微透鏡高度,L為微透鏡寬度,F近似為像方焦距。

圖3 透鏡成像光路圖

為達到最好的匯聚效果,p-n結應位于像方焦點處,可知F+H應等于碲鋅鎘厚度。根據幾何關系和球面折射成像公式:

(1)

(2)

其中,n為真空折射率1；n′為材料折射率；碲鋅鎘為2.68；L為透鏡底面寬度；光刻和刻蝕工藝可在10 μm中心距器件上實現約為8 μm。

所有滿足上述關系的剩余碲鋅鎘襯底厚度F+H和透鏡高度H可做出曲線,如圖4所示。

圖4 F+H隨H的變化曲線

為降低工藝波動對于最終微透鏡匯聚效果的影響,應選取F+H隨H變化最為平緩的區域,即剩余碲鋅鎘厚度F+H應在10 μm左右,H在3 μm左右。

同時為了進一步增大聚光效果,底面設計成方形,最終微透鏡應為側壁弧形的類金字塔結構,如圖5所示。

圖5 微透鏡設計結構(寬度8 μm,高度3 μm)

3 微透鏡制備流程:

微透鏡的制備主要分為兩步:首先,通過在減薄后的碲鋅鎘表面光刻和加熱獲得側壁弧形金字塔結構的10 μm間距光刻膠三維形狀。如圖6所示,可以看到由于厚度連續變化,在光刻膠表面產生了牛頓環干涉現象。之后,通過ICP刻蝕工藝,將光刻膠圖形轉移到碲鋅鎘襯底上,如圖7所示。

圖6 光刻膠熱熔后的表面形貌

相比30 μm、50 μm的微透鏡[10],10 μm小間距微透鏡的對準精度要求要高很多,主要包括互連和光刻的對準,結合已有經驗,并開展反復實驗,最終成功制備了符合要求的微透鏡陣列,如圖7所示。

4 測試結果

為了驗證微透鏡的信號增強效果,在中波640×512-10 μm像元間距器件的背面制備了微透鏡對比陣列,左側只做襯底減薄,右側減薄后制備微透鏡陣列。測試時,芯片采用液氮制冷,保證探測器在77 K溫度下工作,根據GB/T 17444-2013中的測試方法,面對20 ℃和35 ℃分別記錄輸出電平值,并做差獲得信號值,根據GB/T 17444-2013中的計算方法,可獲得每一側的噪聲等效溫差(NETD)。從信號灰度圖(圖8)上可以看出,兩側的信號對比非常明顯,右側微透鏡區域信號明顯高于左側,兩側的數據對比見表1。

圖7 共聚焦顯微鏡測試10 μm間距微透鏡(高度2.93 μm)

圖8 10 μm中心距原位集成微透鏡陣列芯片的黑體測試信號灰度圖

表1 信號、噪聲及NETD對比數據

5 分析與總結

微透鏡通過匯聚作用使得入射到單個像元的紅外光子數增多,帶來信號和噪聲的同時增大,但是由于信號噪聲正比于入射光子數的1/2次方,而信號正比于光子數,所以入射光子數的的增多將使得信噪比(SNR)提高,進而使得噪聲等效溫差(NETD)降低,如表1所示。

原始注入區尺寸約為7 μm,微透鏡底面尺寸約為8 μm,占空比提升約為31 %,表1中信號提升約為32 %,與占空比提升基本相同,微透鏡匯聚效果明顯,與理論值基本一致。

本文介紹了基于熱熔法制備的原位集成微透鏡工藝的原理、工藝流程,并在中波640×512器件上成功制備了10 μm小間距微透鏡對比陣列,可在不改變原有封裝結構的前提下,有效實現了信號增大、NETD降低。對于高靈敏度紅外探測、超大規模紅外器件、紅外器件小型化等發展方向具有重要意義。