基于三維集成技術(shù)的紅外探測器

紅外探測器被廣泛應(yīng)用于紅外偵查、預(yù)警、制導(dǎo)、遙感等領(lǐng)域。近些年來，隨著應(yīng)用需求的不斷牽引，紅外探測器在保持高空間分辨率、高溫度靈敏度的同時，還需兼顧向小型化、集成化的發(fā)展。傳統(tǒng)的單片式信號處理電路在極限性能、功能集成度方面已難以滿足未來紅外系統(tǒng)的發(fā)展需求，基于三維集成技術(shù)的紅外探測器逐步成為解決方案之一。

傳統(tǒng)的紅外探測器結(jié)構(gòu)示意圖

三維集成技術(shù)可分為三維晶圓級封裝、基于三維中介層（interposer）的集成、三維堆疊式集成電路（3D staked IC，3D-SIC）、單片三維集成電路、三維異構(gòu)集成等。傳統(tǒng)的二維電路結(jié)構(gòu)限制了像元級電路功能，三維電路集成顯示出了其不受像元尺寸限制的優(yōu)越性。三維集成電路將允許在相互獨立的層內(nèi)布局模擬電路和數(shù)字電路，這就可以充分利用模擬和數(shù)字電路各自的最佳設(shè)計規(guī)則和工藝技術(shù)，從而降低噪聲、功耗并且提高產(chǎn)出率。

三維垂直集成示意圖

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，華北光電技術(shù)研究所喻松林研究員課題組在《激光與紅外》期刊上發(fā)表了以“三維集成技術(shù)在紅外探測器中的應(yīng)用”為主題的文章。喻松林長期從事航天工程用紅外技術(shù)創(chuàng)新探索、技術(shù)攻關(guān)、工程研制和自主可控技術(shù)平臺建設(shè)。

這項研究對微電子器件三維集成技術(shù)進行了總結(jié)介紹，列舉了國外相關(guān)研究機構(gòu)利用三維集成技術(shù)研制紅外探測器的進展，探討了三維集成技術(shù)在紅外探測器研制中面臨的挑戰(zhàn)。

紅外焦平面探測器芯片由光電二極管陣列和讀出電路芯片互連形成。根據(jù)互連形式可以分為兩種，其一是采用In柱的互連結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是國內(nèi)外絕大多數(shù)研究機構(gòu)的技術(shù)方案；其二是采用通孔的互連結(jié)構(gòu)。紅外探測器中的三維集成可以分為讀出電路的三維集成以及探測器的三維集成，由于摒棄了In柱互連，后者集成度更高。但是無論哪一種集成結(jié)構(gòu)，采用通孔互連都是必備的技術(shù)途徑。

In柱互連和通孔互連結(jié)構(gòu)的紅外探測器示意圖

隨著光電系統(tǒng)應(yīng)用需求的牽引，紅外探測器正在向著縮小體積、重量和功耗，同時提高功能集成度的方向發(fā)展。采用三維集成技術(shù)實現(xiàn)多電路集成，可突破傳統(tǒng)單片讀出電路對紅外系統(tǒng)性能和功能的限制，提高系統(tǒng)極限性能、擴展系統(tǒng)功能并且提高其集成度，滿足對遠距離弱小目標探測、高精度激光雷達成像等需求。

國外研究機構(gòu)開發(fā)了各自適用的三維集成工藝，已經(jīng)完成了主被動成像探測、高性能紅外探測器、片上相機等原理樣品的研制，相關(guān)測試結(jié)果表明，三維集成技術(shù)在提高紅外探測器極限性能、提升功能集成度方面可發(fā)揮重要作用，突破該技術(shù)將有助于縮小紅外探測器系統(tǒng)體積重量和功耗，提升紅外探測器系統(tǒng)靈敏度、動態(tài)范圍等指標，提升紅外探測器片上處理能力，是未來紅外探測器技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。

目前，三維集成技術(shù)在制冷型紅外探測器中已經(jīng)獲得了初步驗證，不少研究機構(gòu)均完成了各自的集成工藝開發(fā)，集成過程的主要難點包括：

（1）集成方式：減薄、表面金屬沉積、對準標記等工藝可以晶圓級操作，提高效率；多層電路集成時，采用芯片級集成，可以提前選定合格芯片，避免晶圓集成時帶來的良品率降低問題。但是，對于芯片級集成，引入了更多的手工操作，因此顆粒污染等控制難度增加。

（2）電路減?。壕A級減薄，要對晶圓邊緣進行研磨，避免減薄過程中裂片；對減薄過程以及減薄后硅的厚度進行測試，保證晶圓級厚度可控；減薄后芯片厚度很小，易出現(xiàn)彎曲和變形。綜上，在減薄電路芯片操控上需開發(fā)對應(yīng)的工藝。

（3）電路鍵合：考慮到鍵合精度影響TSV的對準，因此要求鍵合精度微米量級，像元越小，要求越高，對于30μm間距的器件，對準精度要保持在3μｍ以內(nèi)。對于工作在低溫環(huán)境的紅外探測器，還要求鍵合具備良好的可靠性，因此，需考慮電路之間的鍵合強度、鍵合應(yīng)力，這對鍵合材質(zhì)提出了較高要求。

（4）TSV制備：硅基電路上的TSV工藝相對成熟，但是對于工作在低溫環(huán)境的紅外探測器，在TSV制備中，應(yīng)當考慮大量TSV中金屬引入的應(yīng)力。集成密度增加意味著像元間距縮小，最小像元間距受到TSV對準精度和全局金屬焊盤寬度的綜合影響。

該研究第一作者為華北光電技術(shù)研究所高級工程師譚振，主要從事紅外探測器芯片制備方面的研究工作。

審核編輯 ：李倩