張 軼,劉 通,張 鵬,劉世光

(華北光電技術(shù)研究所,北京 100015)

1 引 言

碲鎘汞紅外焦平面探測(cè)技術(shù)具有靈敏度高、光譜響應(yīng)波段寬等顯著優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)成為當(dāng)今紅外成像技術(shù)發(fā)展的重要方向,并被廣泛應(yīng)用于航空、航天等領(lǐng)域,是主要的光電探測(cè)技術(shù)手段[1-3]。碲鎘汞紅外探測(cè)器芯片是由碲鎘汞光敏芯片與帶有銦凸點(diǎn)的讀出電路通過(guò)倒裝互連制備而成的[4-6]。伴隨著技術(shù)的進(jìn)步,碲鎘汞紅外探測(cè)器面陣規(guī)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(cè)器的制備過(guò)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(diǎn)上制備出具有一定高度并且均勻性好的銦凸點(diǎn),這些需求對(duì)讀出電路銦凸點(diǎn)制作技術(shù)提出了巨大挑戰(zhàn)。使用常規(guī)的剝離法制備的小間距讀出電路銦凸點(diǎn)存在高度不夠且差異過(guò)大、相互粘連嚴(yán)重等問題,無(wú)法滿足應(yīng)用需求。當(dāng)電路In凸點(diǎn)高度不夠時(shí),一旦碲鎘汞芯片平坦度稍差(圖1(a))或互連過(guò)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(huì)導(dǎo)致倒裝互連失敗芯片出現(xiàn)大面積區(qū)域性忙元。并且In凸點(diǎn)高度差異大,也會(huì)大幅增加散忙元的數(shù)量。因此采用剝離法制備銦凸點(diǎn)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(diǎn),是小間距碲鎘汞紅外探測(cè)器技術(shù)需要重點(diǎn)攻關(guān)的技術(shù)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(duì)這一難題,開發(fā)出了一套小間距讀出電路銦凸點(diǎn)制備技術(shù)。通過(guò)光刻和粒子刻蝕工藝,將金屬銦刻蝕成所需的銦凸點(diǎn)。通過(guò)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(diǎn),從而大幅度降低了小間距碲鎘汞紅外探測(cè)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(cè)器讀出電路銦凸點(diǎn)制備難點(diǎn)和問題

碲鎘汞紅外探測(cè)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(duì)應(yīng)每個(gè)像元,在讀出電路表面制備出用于互連及電學(xué)連接的金屬銦凸點(diǎn),如圖2所示。

圖2 碲鎘汞紅外探測(cè)器互連示意圖

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

(1)由于光刻出的銦生長(zhǎng)孔易堵塞,使用傳統(tǒng)剝離制備技術(shù)無(wú)法制備高度滿足要求的銦凸點(diǎn),如圖3(a)所示。

(2)銦生長(zhǎng)孔堵塞程度的不同造成剝離后的銦凸點(diǎn)高度差異過(guò)大,非均勻性過(guò)高,如圖3(b)所示。

(3)由于銦凸點(diǎn)間距很小,傳統(tǒng)剝離過(guò)程中銦凸點(diǎn)易相互粘連。

(a)光刻出的銦生長(zhǎng)孔易堵塞(箭頭)

(b)使用傳統(tǒng)剝離工藝制備的10 μm小間距銦凸點(diǎn)高度不夠且均勻性低

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

3 制備小間距紅外探測(cè)器讀出電路銦凸點(diǎn)新工藝的實(shí)施和結(jié)果分析

3.1 應(yīng)用光刻和粒子刻蝕制備銦凸點(diǎn)的工藝流程

新工藝應(yīng)用光刻和粒子刻蝕制備小間距紅外探測(cè)器讀出電路銦凸點(diǎn),分為五個(gè)步驟:

(1)通過(guò)光刻工藝,將讀出電路中非銦凸點(diǎn)制備區(qū)覆蓋1 μm厚的光刻膠,以保護(hù)其在后續(xù)工藝中不被損壞,如圖4(a)所示。

(2)通過(guò)熱蒸發(fā)工藝,將金屬銦按所需厚度蒸鍍?cè)趲в泄饪棠z的讀出電路表面,如圖4(b)所示。

(3)通過(guò)光刻工藝,將讀出電路銦凸點(diǎn)制備區(qū)覆蓋光刻膠,以保護(hù)其在后續(xù)刻蝕工藝中不被去除,圖4(c)所示。保持-10 ℃,通過(guò)離子刻蝕工藝,應(yīng)用氬離子對(duì)銦金屬層級(jí)讀出電路進(jìn)行刻蝕如圖4(c)所示,去除未受光刻膠保護(hù)的金屬銦,如圖4(d)所示。

(4)應(yīng)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(diǎn)的制備,如圖4(f)所示。

圖4 應(yīng)用光刻和粒子刻蝕制備銦凸點(diǎn)的工藝流程

3.2 工藝難點(diǎn)分析及解決方法

在應(yīng)用新工藝制備In凸點(diǎn)過(guò)程中使用了光刻設(shè)備、熱蒸發(fā)In生長(zhǎng)設(shè)備和離子刻蝕設(shè)備,與此相應(yīng)在光刻、金屬In膜層生長(zhǎng)和金屬In刻蝕工藝過(guò)程中現(xiàn)了一些新的問題。

1) 光刻工藝

新工藝制備In凸點(diǎn)過(guò)程中需要進(jìn)行兩次光刻,由于碲鎘汞探測(cè)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(duì)簡(jiǎn)單(圖4(a))可以使用接觸式光刻設(shè)備完成。但是在第二次光刻過(guò)程中(圖4(c))由于電路表面已經(jīng)生長(zhǎng)金屬In膜層,膜層下還覆蓋有光刻膠結(jié)構(gòu)并且金屬In常溫狀態(tài)下硬度很低,如果繼續(xù)使用接觸式光刻設(shè)備進(jìn)行光刻,金屬In膜層會(huì)在光刻版接觸光刻膠的過(guò)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(shè)備(直寫式光刻機(jī)或投影式光刻機(jī))進(jìn)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(jié)構(gòu),芯片整體導(dǎo)熱能力變差,需要適度提高光刻膠前烘時(shí)間。

2)金屬In膜層生長(zhǎng)工藝

新工藝制備In凸點(diǎn)過(guò)程中金屬In薄膜的生長(zhǎng)過(guò)程與舊工藝不同,金屬In薄膜不是直接生長(zhǎng)在讀出電路表面,而是一部分生讀出電路表面一部分生長(zhǎng)在光刻膠結(jié)構(gòu)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(zhǎng)完成后光刻膠表面的部分容易脫落。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn),帶有光刻膠結(jié)構(gòu)的讀出電路(圖4(a))在金屬In薄膜生長(zhǎng)前放入烘箱中進(jìn)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(guò)高溫烘烤,使讀出電路表面的光刻膠稀釋劑進(jìn)一步揮發(fā),光刻膠體積收縮。此過(guò)程導(dǎo)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(shè)備分為反應(yīng)離子刻蝕(RIE)和電感耦合等離子體刻蝕(ICP)兩大類,兩類設(shè)備均可進(jìn)行金屬In刻蝕。為了保證刻離子蝕過(guò)程中金屬In不發(fā)生化學(xué)反應(yīng),影響讀出電路的電學(xué)引出,兩臺(tái)設(shè)備僅使用Ar氣作為工作氣體,通過(guò)Ar離子與金屬In的碰撞進(jìn)行物理刻蝕。但是RIE設(shè)備只有一套射頻源,刻蝕過(guò)程中其內(nèi)等離子體刻蝕速率為各方向相同,而ICP設(shè)備由于第二套射頻源的存在可以調(diào)節(jié)內(nèi)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(shù)應(yīng)用ICP設(shè)備刻蝕的金屬In凸點(diǎn)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(diǎn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,使用新工藝可以制備出高質(zhì)量的10 μm小間距碲鎘汞探測(cè)器銦凸點(diǎn)。通過(guò)掃描電子顯微鏡(SEM)測(cè)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(diǎn)高度和均勻性均滿足大面陣紅外探測(cè)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(diǎn)

圖6 10μm 像元中心間距高度為8 μm的銦凸點(diǎn)

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

(a)電平圖

(b)盲元圖

4 結(jié) 論

為了實(shí)現(xiàn)小間距紅外探測(cè)器良好的倒裝互連效果,本文詳細(xì)論述了一種制備小間距碲鎘汞探測(cè)器銦凸點(diǎn)的新工藝。區(qū)別于傳統(tǒng)剝離法,新工藝采用粒子刻蝕手段對(duì)銦進(jìn)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(diǎn)。新工藝的實(shí)施顯著提高了小間距大面陣紅外探測(cè)器的互連成功率?，F(xiàn)已實(shí)現(xiàn)了對(duì)10 μm鎘汞探測(cè)器銦凸點(diǎn)的成功制備,并為此后實(shí)現(xiàn)更小間距探測(cè)器提供了可能。