探測器研制過程中需要解決的問題

摘要：經(jīng)過多年的研發(fā)工作，制冷型碲鎘汞（Mercury Cadmium Telluride，MCT）中波紅外探測器已經(jīng)實現(xiàn)了批量化生產(chǎn)能力，其陣列規(guī)格也從最初的320 × 256發(fā)展到現(xiàn)在的1280 × 1024（百萬像元級）。目前，隨著武漢高德紅外股份有限公司（以下簡稱“高德紅外公司”）探測器產(chǎn)品水平的不斷提高，基于紅外探測器的熱成像系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于機載、艦載、陸戰(zhàn)以及手持觀測等軍用裝備。以640 × 512/15 μm碲鎘汞中波紅外探測器為例，介紹了高德紅外公司探測器產(chǎn)品的工程化應(yīng)用情況，并分析了探測器研制過程中需要解決的問題，最后指出了未來探測器發(fā)展及應(yīng)用的方向。

0引言

高性能中波紅外探測器一直是紅外技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的研究熱點。碲鎘汞是目前高性能紅外探測器制作中最重要的半導(dǎo)體材料，其器件具有量子效率高、響應(yīng)速度快、功耗小以及便于大規(guī)模集成等優(yōu)點。如今，歐美的紅外探測器廠商采用碲鎘汞作為敏感材料而研制的中波紅外探測器已達(dá)到百萬像元規(guī)模。其中，美國雷神視覺系統(tǒng)（RVS）公司已推出了面陣規(guī)模為4K × 4K的千萬像元紅外探測器。與百萬像元探測器相比，該產(chǎn)品在成像質(zhì)量和探測距離等性能上均有顯著提升。

圖1 碲鎘汞紅外探測器的工藝路線

高德紅外公司的探測器中心成立于2013年，具備完善的紅外探測器制造設(shè)備及批量化生產(chǎn)線，并擁有一個由涵蓋碲鎘汞材料生長、芯片制備、讀出電路設(shè)計、微杜瓦封裝、低溫制冷機制造以及組件測試等領(lǐng)域的研發(fā)、工藝與生產(chǎn)人員（超過500人）構(gòu)成的制冷紅外探測器團隊。

1碲鎘汞器件生產(chǎn)中遇到的問題

1.1碲鎘汞紅外探測器的工藝特點

碲鎘汞紅外探測器是探測器芯片經(jīng)過組件化封裝，并搭載微型制冷機而形成的器件。根據(jù)pn結(jié)極性的不同，國內(nèi)外的碲鎘汞紅外探測器芯片一般分為n-on-p和p-on-n兩種。兩種pn結(jié)的成結(jié)工藝一般均用離子注入來實現(xiàn)。圖1所示為碲鎘汞紅外探測器的工藝路線。

如圖1所示，碲鎘汞紅外探測器的制備工藝可分為襯底加工、外延加工、探測器芯片加工、杜瓦零部件加工、杜瓦組件制備和探測器耦合等六部分。

1.2工藝技術(shù)優(yōu)化

高德紅外公司自主研制的640 × 512/15 μm碲鎘汞中波紅外探測器是典型的第二代紅外焦平面探測器。通過對標(biāo)法國的同規(guī)格探測器可以看出，兩者的外觀和接口保持一致，前者的主要光電性能達(dá)到或優(yōu)于后者水平。由于像元尺寸、陣列規(guī)格等方面的要求比320 × 256/30 μm探測器更高，640 × 512/15 μm碲鎘汞中波紅外探測器在制備過程中需要得到以下幾項優(yōu)化。

圖2 退火工藝流程

圖3 襯底退火前后對比

1.2.1減小材料缺陷尺寸，提高材料質(zhì)量

像元尺寸縮小對材料表面質(zhì)量提出了更高的要求。為控制探測器成像時的盲元尺寸，必須盡量減小材料缺陷尺寸。相關(guān)試驗證明，在富碲氣氛下對襯底晶片進(jìn)行退火熱處理，可有效減小夾雜物缺陷尺寸。圖2所示為退火工藝流程。圖3所示為某片襯底退火前后夾雜物尺寸的紅外顯微鏡對比效果?？梢钥闯觯嘶鸷蟮囊r底夾雜物尺寸由原先的45 μm降到10 μm以下。理論上，盲元尺寸由3 × 3的團簇降至單個點簇。圖4所示為批量襯底退火前后的夾雜物尺寸變化情況。退火后，70%襯底夾雜物的尺寸可保證在10 μm以下。此時在襯底材料上進(jìn)行碲鎘汞外延生長，所得外延材料的表面缺陷密度明顯降低，一般可控制在105 cm-2以下。經(jīng)焦平面芯片流片驗證，芯片團簇比例明顯下降。

1.2.2高精度互連

紅外敏感芯片與讀出電路之間通過倒裝互連的方式連接在一起，其中凸點材料選擇銦。該材料電導(dǎo)率較高、易變形，且在低溫下能保持良好的延展性，因此是紅外探測器芯片互連的理想材料。為保證小尺寸像元互連的成功率，需要對材料平整度、銦柱均勻性以及倒裝焊接互連等方面進(jìn)行優(yōu)化。

1.2.2.1材料平整度

通過優(yōu)化襯底磨拋工藝，碲鋅鎘襯底的平整度明顯降低。對于30 mm×40 mm規(guī)格的碲鋅鎘晶片，平整度可做到小于1 μm，且表面粗糙度僅為1~2 nm（見圖5）。

圖4 批量襯底退火前后的夾雜物變化情況

圖5 碲鋅鎘襯底的平整度

1.2.2.2銦柱均勻性

通過優(yōu)化光刻——鍍膜工藝，得到高均勻性銦柱凸點。首先，通過調(diào)研和驗證來確定分辨率及均勻性均滿足要求的光刻膠；其次，在優(yōu)化工藝的基礎(chǔ)上，利用高精度勻膠、曝光及顯影設(shè)備制備出了滿足要求的光刻圖形；另外，通過采用高真空蒸鍍系統(tǒng)并對襯板清潔等工藝進(jìn)行改進(jìn)，得到了高均勻性銦膜；最終通過剝離實現(xiàn)了銦柱陣列。優(yōu)化后的銦柱形貌均勻性達(dá)到±1 μm，滿足倒裝互連要求。

1.2.2.3倒裝焊接互連

倒裝焊接互連時，采用高準(zhǔn)直的激光找平技術(shù)將互連面的平行度調(diào)整至±0.2μm以內(nèi)，保障互連凸點所受壓力及產(chǎn)生的形變一致。通過高清雙向顯微鏡和高分辨率電荷耦合器件（Charge-Coupled Device，CCD）對互連面上的凸點進(jìn)行對位，并利用四邊的對準(zhǔn)游標(biāo)進(jìn)行校準(zhǔn)。在雙重對位系統(tǒng)的保障下，對位精度可達(dá)±0.3 μm。此精度下的倒焊互連成功率可穩(wěn)定在99.9%以上。圖6所示為2019年高德紅外公司自研640 × 512/15 μm碲鎘汞中波紅外探測器的盲元數(shù)據(jù)。可以看出，目前的有效像元率可穩(wěn)定在99.9%左右。

圖6 探測器盲元分布

1.2.3長真空壽命杜瓦封裝

為保證探測器杜瓦組件的長真空壽命，不僅需控制杜瓦漏率及內(nèi)部放氣，而且還要在腔室內(nèi)放置吸氣劑。根據(jù)法國Lynred公司的杜瓦壽命測試方法，采用老化試驗進(jìn)行測試評估。20℃時，杜瓦的貯存壽命可達(dá)20年。圖7所示為高德紅外公司生產(chǎn)的兩種640× 512/15 μm規(guī)格紅外探測器的貯存結(jié)果。

圖7 紅外探測器的常溫貯存壽命

表1 探測器組件的機械應(yīng)力試驗條件及結(jié)果

1.2.4組件可靠性的提升

在開機——工作——關(guān)機過程中，探測器芯片會經(jīng)歷常溫——低溫——常溫的溫度變化。由于芯片自身屬于多膜系結(jié)構(gòu)，膜系間會產(chǎn)生較大的應(yīng)力作用，芯片由此也容易產(chǎn)生互連失效及斷裂風(fēng)險。另外，隨著應(yīng)用范圍的擴大，外界環(huán)境對探測器的適應(yīng)性要求也越來越高。比如，機載環(huán)境會對探測器的耐振動可靠性有更為嚴(yán)苛的要求。通過優(yōu)化芯片及杜瓦結(jié)構(gòu)并對冷頭進(jìn)行加固設(shè)計，可以明顯提升探測器芯片及冷端的可靠性。

在對芯片進(jìn)行2000次液氮沖擊和1500次開關(guān)機制冷試驗后，其盲元數(shù)及分布狀況沒有發(fā)生明顯變化。經(jīng)過大量級振動后，探測器性能正常。表１列出了探測器在超過常規(guī)量級的振動試驗后的測試結(jié)果。

針對影響探測器組件長期運行可靠性的失效模式，制定了可靠性保障及驗證方案。經(jīng)過充分的試驗驗證后，探測器的可靠性得到了顯著提升。圖８所示為制冷機跑機過程中的電流曲線。

2典型產(chǎn)品

圖9所示為高德紅外公司目前研制的三種640 × 512/15 μm碲鎘汞中波紅外探測器。其中，前兩種分別是Lynred公司的ScORPIOMW K508和LEO MW RM2探測器的對標(biāo)產(chǎn)品；第三種為自研的輕便型探測器，搭載旋轉(zhuǎn)分置式斯特林制冷機后，可明顯減小整機系統(tǒng)的體積。三者的主要性能指標(biāo)如下：（1）光譜范圍為3.7 μm ±0.2 μm～4.8 μm ± 0.2μm。（2）工作模式：snap shot；IWR/ITR；支持開窗功能。（3）動態(tài)范圍≥75 dB。（4）輸出通道有4個，單通道最大輸出速率≥10 MHz。（5）噪聲等效溫差（NoiseEquivalent Temperature Difference，NETD）：≤18 mK（F2）；≤22 mK（F4）；≤25 mK（F5.5）。（6）有效像元率≥99.6%。（7）環(huán)境適應(yīng)性詳見表2。

圖8 樣機試驗過程中的電流曲線

圖9 高德紅外640 × 512/15 μm碲鎘汞中波紅外探測器

表2 探測器的環(huán)境適應(yīng)性

3具體應(yīng)用

640 × 512/15 μm探測器與320 × 256/30 μm探測器在紅外芯片尺寸上基本相同，因此兩種探測器的外觀及尺寸可保持一致。這就為原先采用320 × 256/30 μm探測器的紅外整機等光電系統(tǒng)的更新迭代提供了便利，即可在不改變整體結(jié)構(gòu)尺寸及框架設(shè)計的基礎(chǔ)上實現(xiàn)無縫替換，從而完成相關(guān)裝備的性能升級。

如表3所示，640× 512/15 μm探測器可廣泛應(yīng)用于機載、艦載、陸軍車載、手持等紅外整機中。

表3 紅外探測器的應(yīng)用領(lǐng)域

4結(jié)論

碲鎘汞探測器的規(guī)?；a(chǎn)和批量應(yīng)用會隨工藝的不斷優(yōu)化而加以實現(xiàn)。高德紅外公司在640 × 512/15 μm探測器的研制過程中解決了一系列工藝難題。首先，通過減小材料表面缺陷尺寸和提高倒裝焊接精度，使探測器芯片的盲元數(shù)量及團簇規(guī)模明顯減??；其次，通過優(yōu)化封裝工藝，使杜瓦的真空壽命延長至20年；最后，通過提升組件可靠性，使探測器的使用壽命顯著增加，且探測器性能得到優(yōu)化。目前，這款640 × 512/15 μm探測器可實現(xiàn)年產(chǎn)2000支的生產(chǎn)能力。

5展望

以640 × 512/15 μm規(guī)格為代表的第二代碲鎘汞焦平面探測器的工藝日益成熟，性能也趨于理論極限。因此，新一代紅外探測器聚焦于集小尺寸、輕重量、高性能、低功耗和低成本為一體的技術(shù)特點，而且近十年來小像素、多光譜、數(shù)字化和雪崩探測器技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步為新一代碲鎘汞紅外探測器的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。高德紅外公司研制的1280 ×1024/12 μm碲鎘汞中波紅外探測器就是典型的第三代紅外探測器?？深A(yù)見的是，隨著高端裝備對高性能器件的需求愈來愈大，新一代探測器將會在未來的應(yīng)用中扮演更多、更重要的角色。

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