小間距紅外探測器讀出電路銦凸點制備技術

張 軼,劉 通,張 鵬,劉世光

(華北光電技術研究所,北京 100015)

1 引 言

碲鎘汞紅外焦平面探測技術具有靈敏度高、光譜響應波段寬等顯著優點,已經成為當今紅外成像技術發展的重要方向,并被廣泛應用于航空、航天等領域,是主要的光電探測技術手段[1-3]。碲鎘汞紅外探測器芯片是由碲鎘汞光敏芯片與帶有銦凸點的讀出電路通過倒裝互連制備而成的[4-6]。伴隨著技術的進步,碲鎘汞紅外探測器面陣規模不斷提升,像元中心間距不斷縮小。小間距(例如10 μm像元中心距)紅外探測器的制備過程中,由于碲鎘汞光敏芯片表面平坦度差,為保證倒裝互連成功率需要在小間距讀出電路位點上制備出具有一定高度并且均勻性好的銦凸點,這些需求對讀出電路銦凸點制作技術提出了巨大挑戰。使用常規的剝離法制備的小間距讀出電路銦凸點存在高度不夠且差異過大、相互粘連嚴重等問題,無法滿足應用需求。當電路In凸點高度不夠時,一旦碲鎘汞芯片平坦度稍差(圖1(a))或互連過程中碲鎘汞芯片與讀出電路間存在微小的角度(圖1(b)),就會導致倒裝互連失敗芯片出現大面積區域性忙元。并且In凸點高度差異大,也會大幅增加散忙元的數量。因此采用剝離法制備銦凸點的小間距(10 μm像元中心距)讀出電路與碲鎘汞芯片互連后,成品率極低。因此如何在小間距讀出電路上制備出高度合適且均勻性好的銦凸點,是小間距碲鎘汞紅外探測器技術需要重點攻關的技術難題。

(a)超大面陣倒裝互連平整度稍差

(b)碲鎘汞芯片與讀出電路間存在微小的角度

針對這一難題,開發出了一套小間距讀出電路銦凸點制備技術。通過光刻和粒子刻蝕工藝,將金屬銦刻蝕成所需的銦凸點。通過這種工藝,可以在不影響讀出電路性能的前提下,制備出高度滿足要求且均勻性高的小間距銦凸點,從而大幅度降低了小間距碲鎘汞紅外探測器的制備難度,提高了制備成功率。

2 小間距碲鎘汞紅外探測器讀出電路銦凸點制備難點和問題

碲鎘汞紅外探測器是由碲鎘汞芯片與Si基讀出電路互連制備而成,因此需要對應每個像元,在讀出電路表面制備出用于互連及電學連接的金屬銦凸點,如圖2所示。

圖2 碲鎘汞紅外探測器互連示意圖

由于像元中心間距不斷縮小(例如10 μm),通過傳統剝離制備銦凸點的方法,已經不能制備合格的銦凸點,具體問題如下:

(1)由于光刻出的銦生長孔易堵塞,使用傳統剝離制備技術無法制備高度滿足要求的銦凸點,如圖3(a)所示。

(2)銦生長孔堵塞程度的不同造成剝離后的銦凸點高度差異過大,非均勻性過高,如圖3(b)所示。

(3)由于銦凸點間距很小,傳統剝離過程中銦凸點易相互粘連。

(a)光刻出的銦生長孔易堵塞(箭頭)

(b)使用傳統剝離工藝制備的10 μm小間距銦凸點高度不夠且均勻性低

為了解決這些問題,發展了一套應用光刻和粒子刻蝕制備銦凸點的新工藝,成功地將金屬銦刻蝕成所需的小中心間距凸點。

3 制備小間距紅外探測器讀出電路銦凸點新工藝的實施和結果分析

3.1 應用光刻和粒子刻蝕制備銦凸點的工藝流程

新工藝應用光刻和粒子刻蝕制備小間距紅外探測器讀出電路銦凸點,分為五個步驟:

(1)通過光刻工藝,將讀出電路中非銦凸點制備區覆蓋1 μm厚的光刻膠,以保護其在后續工藝中不被損壞,如圖4(a)所示。

(2)通過熱蒸發工藝,將金屬銦按所需厚度蒸鍍在帶有光刻膠的讀出電路表面,如圖4(b)所示。

(3)通過光刻工藝,將讀出電路銦凸點制備區覆蓋光刻膠,以保護其在后續刻蝕工藝中不被去除,圖4(c)所示。保持-10 ℃,通過離子刻蝕工藝,應用氬離子對銦金屬層級讀出電路進行刻蝕如圖4(c)所示,去除未受光刻膠保護的金屬銦,如圖4(d)所示。

(4)應用丙酮去除讀出電路上的光刻膠,如圖4(e)所示,將讀出電路放入185 ℃丙三醇中2～5 min,使金屬銦收縮成球形,完成銦凸點的制備,如圖4(f)所示。

圖4 應用光刻和粒子刻蝕制備銦凸點的工藝流程

3.2 工藝難點分析及解決方法

在應用新工藝制備In凸點過程中使用了光刻設備、熱蒸發In生長設備和離子刻蝕設備,與此相應在光刻、金屬In膜層生長和金屬In刻蝕工藝過程中現了一些新的問題。

1) 光刻工藝

新工藝制備In凸點過程中需要進行兩次光刻,由于碲鎘汞探測器讀出電路為Si基,電路表面平坦度很高,所以第一次光刻相對簡單(圖4(a))可以使用接觸式光刻設備完成。但是在第二次光刻過程中(圖4(c))由于電路表面已經生長金屬In膜層,膜層下還覆蓋有光刻膠結構并且金屬In常溫狀態下硬度很低,如果繼續使用接觸式光刻設備進行光刻,金屬In膜層會在光刻版接觸光刻膠的過程中被光刻版壓壞。因此第二次光刻需要使用非接觸式光刻設備(直寫式光刻機或投影式光刻機)進行完成,并且由于光刻膠下覆蓋了金屬In薄膜和第一次光刻制備的光刻膠結構,芯片整體導熱能力變差,需要適度提高光刻膠前烘時間。

2)金屬In膜層生長工藝

新工藝制備In凸點過程中金屬In薄膜的生長過程與舊工藝不同,金屬In薄膜不是直接生長在讀出電路表面,而是一部分生讀出電路表面一部分生長在光刻膠結構上(圖4(b))。由于金屬In在光刻膠和讀出電路表面的附著力不同,薄膜生長完成后光刻膠表面的部分容易脫落。經過多次試驗后發現,帶有光刻膠結構的讀出電路(圖4(a))在金屬In薄膜生長前放入烘箱中進行一次高溫烘烤可解決薄膜脫落問題。此步烘烤的原理是:通過高溫烘烤,使讀出電路表面的光刻膠稀釋劑進一步揮發,光刻膠體積收縮。此過程導致光刻膠表面輕微褶皺,提高了金屬In薄膜在其上的附著力。

3)金屬In離子刻蝕工藝

離子刻蝕設備分為反應離子刻蝕(RIE)和電感耦合等離子體刻蝕(ICP)兩大類,兩類設備均可進行金屬In刻蝕。為了保證刻離子蝕過程中金屬In不發生化學反應,影響讀出電路的電學引出,兩臺設備僅使用Ar氣作為工作氣體,通過Ar離子與金屬In的碰撞進行物理刻蝕。但是RIE設備只有一套射頻源,刻蝕過程中其內等離子體刻蝕速率為各方向相同,而ICP設備由于第二套射頻源的存在可以調節內部等離子體的z軸方向刻蝕速率,因此選擇合適的工藝參數應用ICP設備刻蝕的金屬In凸點有更大的高寬比(圖4(e)),加熱金屬In收縮成球后高度更高。

3.3 新工藝制備銦凸點結果分析

實驗結果表明,使用新工藝可以制備出高質量的10 μm小間距碲鎘汞探測器銦凸點。通過掃描電子顯微鏡(SEM)測量,其高度大于6 μm,且高度非均勻性小于±5 %,如圖5和圖6所示。銦凸點高度和均勻性均滿足大面陣紅外探測器在互連工藝的要求。

圖5 10 μm 像元中心間距高度為6 μm的銦凸點

圖6 10μm 像元中心間距高度為8 μm的銦凸點

應用此銦凸點工藝制備的10 μm像元中心間距MW 640×512碲鎘汞紅外探測器,盲元率為0.18 %,非均勻性2.91 %,如圖7所示。此結果說明應用光刻和粒子刻蝕制備銦凸點不影響讀出電路性能,表明銦金屬層下的光刻膠可保護讀出電路不會被離子刻蝕損傷。

(a)電平圖

(b)盲元圖

4 結 論

為了實現小間距紅外探測器良好的倒裝互連效果,本文詳細論述了一種制備小間距碲鎘汞探測器銦凸點的新工藝。區別于傳統剝離法,新工藝采用粒子刻蝕手段對銦進行精確刻蝕,從而制備出高度滿足要求且非均勻性低的銦凸點。新工藝的實施顯著提高了小間距大面陣紅外探測器的互連成功率?，F已實現了對10 μm鎘汞探測器銦凸點的成功制備,并為此后實現更小間距探測器提供了可能。