响应波段在1～5.5μm的锑化铟（InSb）红外焦平面探测器具有灵敏度高（相对于铂硅Pt Si）、工艺成熟度高（相对于碲镉汞MCT）等优点,目前已被广泛应用于红外制导、凝视成像、航天和天文探测等领域。小像元焦平面探测器一直是国内外的研究热点。为了提高系统空间分辨率等性能,焦平面探测器一直向大规模发展,但这同时也带来了系统功耗及成本增加等问题。为了降低系统功耗及成本,焦平面探测器一直向小尺寸发展。随着焦平面探测器像元尺寸减小,台面刻蚀均匀性降低,铟柱制备缺陷增加,有效填充因子减小。因而,开展小像元InSb红外焦平面探测器台面刻蚀、铟柱制备和器件用硅衍射微透镜阵列的研究,对于加快小像元InSb红外焦平面探测器制备的工程化进程,以及提升探测器制备质量稳定性等都具有重要的研究价值,也有利于缩短我国在该领域与国际先进水平的差距。本论文系统研究了小像元InSb红外焦平面探测器制备所需的台面刻蚀、铟柱制备和器件用硅衍射微透镜阵列,探讨了高均匀性低刻蚀损伤红外焦平面探测器台面制备方法、缺陷成因机制、高精度高衍射效率硅微透镜阵列制备方法,研究了小像元InSb红外焦平面探测器的缺陷元和串音检测,采用上述制备与检测技术,设计并研制了像元尺寸分别为25μm×25μm和15μm×15μm的640×512 InSb红外焦平面探测器,并测试和评估了焦平面探测器性能。采用电感耦合等离子体（ICP）干法刻蚀技术和损伤层湿法腐蚀去除技术相结合的方法,研究了小像元红外焦平面探测器台面刻蚀工艺及其对结果的影响规律。结果表明,刻蚀速率及表面粗糙度随ICP功率的增加而增长;刻蚀速率随RF功率的增大而增大,当RF功率在100 W-200 W范围内时,表面粗糙度基本不变;但在200 W-300 W范围内时,表面粗糙度随RF功率的增加而急剧增加;刻蚀速率随反应室压力的增加而增大,虽然表面粗糙度随反应室压力的增加而减小,但刻蚀的各向异性变差。在优化工艺下刻蚀后的台面平整、侧壁光滑、侧壁角度为80度,台阶深度易控制,表面无刻蚀残留,并制备出了具有较好I-V特性曲线的InSb阵列芯片,其短路电流与刻蚀损伤层处理前相比降低了19.2%。基于正性光刻胶开展的不同像元尺寸铟柱阵列及器件制备研究,分析小像元红外焦平面探测器铟柱制备缺陷成因。当像元尺寸为50μm×50μm时,芯片表面形貌和器件连通性测试结果较好;随着像元尺寸减小,芯片表面会出现铟柱相连或铟柱缺失缺陷。铟柱相连缺陷是由光刻剥离时残留铟渣引起的铟相连造成;铟柱缺失缺陷是由光刻时残留光刻胶底膜引起的铟柱缺失造成。采取光刻腐蚀、剥离工艺优化等针对性措施可以有效减少焦平面探测器缺陷。通过常规技术制备硅衍射微透镜阵列研究及存在问题分析,提出采用牺牲层技术制备高精度硅衍射微透镜阵列。牺牲层技术中多次套刻对准精度只由一次掩膜光刻的精度决定,在后续的刻蚀中,采用牺牲层和掩膜层将已刻蚀区域进行保护,对未保护区域进行刻蚀,有效地阻挡非刻蚀区域,精确刻蚀所需刻蚀区域。采用牺牲层技术可以得到高精度硅衍射微透镜阵列,其衍射效率可达到92.6%。与红外焦平面探测器集成后,探测率提高了10%。采用高倍光学显微镜和焦平面探测器测试系统研究了焦平面探测器缺陷元特征。缺失缺陷元的响应电压基本为0,其周围最相邻探测单元响应电压相比正常元增加了约25%,缺失缺陷元可以被显著识别。相连缺陷元的响应电压与正常元基本相同,采用现有焦平面探测器测试方法无法识别相连缺陷元。提出借助改变焦平面探测器光电响应的方法来实现相连缺陷元的识别定位。该方法使焦平面探测器分为两个不同透过率探测单元,多元相连缺陷元响应电压是相对应的两个不同透过率探测单元响应电压之和的平均值。采用MATLAB软件对测试数据进行分析处理,分析结果清晰给出缺陷元诸如个数、形状和位置等详细信息。采用本方法可以显著识别定位焦平面探测器中的相连缺陷元。通过眼孔法来实现焦平面小像元串音的测试评价。其中,眼孔法是通过在透过率全截止的基片上制作有全透过的眼孔图形并将其安装在焦平面探测器前面来实现串音检测的方法。选取25个探测单元作为眼孔单元图形紧密重复排列形成的眼孔图形,采用眼孔法测试得到了像元尺寸为25μm×25μm的InSb红外焦平面探测器串音为3.86%。基于以上研究设计制备了像元尺寸分别为25μm×25μm和15μm×15μm的640×512 InSb红外焦平面探测器并对其性能进行表征。结果表明像元尺寸为25μm×25μm的640×512 InSb红外焦平面探测器的有效元平均黑体响应度为1.2×10~9V/W;响应非均匀性为9.5%;有效元平均黑体探测率为2×1011 cm·Hz1/2·W-1;盲元率为1.2%;串音为3.86%。红外系统成像结果显示,图像对比度高,边缘清晰,层次丰富,疵点稀少。封装入测试杜瓦的像元尺寸为15μm×15μm的640×512 InSb红外焦平面探测器主要性能指标如下:有效元平均黑体响应度为7.79×10~9 V/W,响应非均匀性为12.1%,有效元平均黑体探测率为1.08×1010 cm·Hz1/2·W-1。