InAs/GaSb Ⅱ類超晶格紅外探測(cè)器背減薄技術(shù)工作研究

InAs/GaSb超晶格光敏芯片與讀出電路采用倒裝互連的形式構(gòu)成紅外探測(cè)器芯片。紅外光透過(guò)GaSb襯底后，被InAs/GaSb光敏材料吸收而轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；經(jīng)互連電路的讀出、轉(zhuǎn)換、放大和除噪聲處理后實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)輸出。因此，入射到光敏芯片上的紅外光越強(qiáng)，探測(cè)器輸出的電信號(hào)也越強(qiáng)，探測(cè)器成像效果就越好。

但是，探測(cè)器正常工作時(shí)要降溫到77 K。在此溫度下，較厚GaSb襯底的紅外透過(guò)率低，透過(guò)的紅外光少，影響探測(cè)器的成像質(zhì)量。其次，探測(cè)器制備過(guò)程在襯底表面留下明顯的加工損傷，這些損傷也會(huì)影響器件的成像效果。因此迫切需要開發(fā)高表面質(zhì)量探測(cè)器背減薄技術(shù)。

紅外探測(cè)器芯片背減薄的主要方式有機(jī)械切削、機(jī)械拋光、機(jī)械化學(xué)拋光和化學(xué)拋光等。機(jī)械拋光會(huì)在襯底表面留下一定深度的損傷層，需要結(jié)合機(jī)械化學(xué)拋光或化學(xué)拋光去除。而GaSb材料活性大、帶隙小，Sb基氧化物具有鈍化作用，使得GaSb的純化學(xué)拋光難以進(jìn)行。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，中國(guó)電子科技集團(tuán)有限公司第十一研究所的科研團(tuán)隊(duì)在《紅外》期刊上發(fā)表了以“InAs/GaSb Ⅱ類超晶格紅外探測(cè)器背減薄技術(shù)研究”為主題的文章。該文章第一作者為王曉乾，主要從事超晶格紅外探測(cè)器方面的研究工作。

本文采用機(jī)械拋光和機(jī)械化學(xué)拋光相結(jié)合的工藝減薄襯底，并系統(tǒng)研究機(jī)械化學(xué)拋光過(guò)程中拋光液pH值對(duì)襯底表面質(zhì)量的影響。

實(shí)驗(yàn)

如圖1所示，實(shí)驗(yàn)片為倒裝互連后的紅外探測(cè)器芯片。從圖1（a）中可以看出，減薄前的探測(cè)器芯片的襯底厚度較大，且表面存在很多機(jī)械損傷。經(jīng)背減薄后，探測(cè)器芯片的襯底厚度明顯減小，表面的損傷也得到去除。

圖1 倒裝互連后的探測(cè)器芯片（樣品 A）：（a）減薄前；（b）減薄后

互連芯片的背減薄由粗拋光和精拋光兩個(gè)過(guò)程完成。粗拋光選擇磨料尺寸為3 μm的機(jī)械拋光，在機(jī)械作用下快速去除襯底?？紤]到GaSb材料硬而脆，機(jī)械加工困難，單一機(jī)械磨削會(huì)在襯底表面留下劃痕，所以粗拋光后要預(yù)留20 μm厚的襯底進(jìn)行精拋光。精拋光是通過(guò)機(jī)械化學(xué)拋光方式消除粗拋光帶來(lái)的機(jī)械損傷。

機(jī)械化學(xué)拋光液由雙氧水、磷酸、氫氧化鈉和0.5 μm氧化鋁磨料構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)選擇PM5型拋光機(jī)，拋光過(guò)程示意圖如圖2所示。樣品在粗拋光和精拋光工藝過(guò)程后，利用測(cè)厚顯微鏡測(cè)量減薄后的芯片高度，保證減薄后的襯底厚度剩余40 μm左右。

圖2 拋光工藝示意圖

粗拋光削減了大部分襯底厚度，精拋光則用于去除機(jī)械損傷，改善表面質(zhì)量。機(jī)械化學(xué)拋光是拋光液中氧化劑的化學(xué)腐蝕和磨料的機(jī)械磨削共同作用的結(jié)果，襯底的表面質(zhì)量取決于該過(guò)程中化學(xué)作用與機(jī)械作用的相對(duì)強(qiáng)度。在保證拋光過(guò)程中壓力和轉(zhuǎn)速一定的情況下，通過(guò)磷酸溶液調(diào)配機(jī)械化學(xué)拋光液的pH值，調(diào)控拋光過(guò)程的化學(xué)作用強(qiáng)度，從而研究不同pH值拋光液對(duì)GaSb襯底的拋光效果。拋光液的pH值與加入酸含量的關(guān)系見(jiàn)表1。利用檢測(cè)顯微鏡和原子力顯微鏡表征機(jī)械化學(xué)拋光后襯底的表面情況，初步判斷不同pH值拋光液的化學(xué)作用與機(jī)械作用的相對(duì)大小。利用X射線雙晶衍射法測(cè)試樣品的損傷層，進(jìn)一步確定不同pH值拋光液的拋光效果。

表1 拋光液pH值與磷酸體系溶液比例的關(guān)系

結(jié)果與討論

圖3為聚焦離子束掃描電子顯微鏡（FIB-SEM）得到的微區(qū)解剖圖像。可以看出，背減薄后的襯底厚度剩余42 μm左右。保留一定厚度的襯底，一方面能夠滿足探測(cè)紅外光透過(guò)的要求，另一方面還能為深臺(tái)面結(jié)構(gòu)的光敏芯片提供足夠支撐，保障芯片在開關(guān)機(jī)過(guò)程溫度沖擊下的穩(wěn)定。

圖3 背減薄后襯底厚度的FIB-SEM圖像

利用放大100倍的檢測(cè)顯微鏡觀察襯底表面（結(jié)果見(jiàn)圖4）。其中沒(méi)有添加磷酸溶液的拋光液的pH值為11.8，精拋光后襯底表面存在較多的腐蝕坑。由于機(jī)械化學(xué)拋光液與襯底作用，造成了過(guò)度腐蝕，在機(jī)械剝離作用下形成腐蝕坑。添加1%的磷酸體系溶液后，拋光液的pH值為10.2。此時(shí)襯底表面上的腐蝕坑數(shù)量明顯減少。當(dāng)添加1.4%的磷酸體系溶液后，拋光液的pH值為9.4。此時(shí)襯底表面平整光滑，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的腐蝕坑，且表面也沒(méi)有明顯的機(jī)械劃痕，說(shuō)明機(jī)械與化學(xué)作用接近，具有很好的拋光效果。當(dāng)pH值低于8.3后，襯底表面出現(xiàn)一些明顯的劃痕，此時(shí)的機(jī)械作用較強(qiáng)，機(jī)械摩擦產(chǎn)生劃痕。

圖4 不同pH值拋光液拋光后的表面形貌圖（放大100倍）：（a）pH值為11.8；（b）pH值為10.2；（c）pH值為9.4；（d）pH值為8.3

利用X射線雙晶衍射法表征襯底損傷情況。測(cè)試結(jié)果列于表2中?？梢钥闯?，經(jīng)pH值為9.4的機(jī)械化學(xué)拋光液拋光過(guò)的樣品表面的加工損傷層最小，而隨著拋光液pH值的降低，機(jī)械作用增強(qiáng)，機(jī)械作用相對(duì)強(qiáng)度增大，在襯底表面留下的機(jī)械劃痕增多，表面損傷程度呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。而拋光液pH值過(guò)高時(shí)，存在化學(xué)腐蝕坑也使得襯底表面損傷程度較高。結(jié)合檢測(cè)顯微鏡結(jié)果可以判斷，當(dāng)拋光液pH值為9.4時(shí)，更有利于獲得高質(zhì)量的襯底表面。利用原子力顯微鏡（AFM）表征拋光液（pH值為9.4）拋光后的襯底表面，獲得的立體形貌如圖5所示?？梢钥闯?，襯底表面粗糙度降低到2.6 nm。

表2 不同pH值拋光液對(duì)襯底的損傷

圖5 AFM立體形貌

將該探測(cè)器芯片封裝到微杜瓦內(nèi)，測(cè)試減薄后紅外探測(cè)器的光譜透過(guò)和成像情況（結(jié)果見(jiàn)圖6）。從圖6（a）中可以看出，背減薄前，探測(cè)器的光譜透過(guò)率均低于20%；背減薄后，探測(cè)器的光譜透過(guò)率有了明顯增加，其中4.5~5.4 μm波段的透過(guò)率提升66%左右，5.4~10 μm波段的透過(guò)率提升25%左右。從圖6（b）中可以看出，紅外圖像層次較分明，輪廓清晰，圖像表面沒(méi)有出現(xiàn)多余的線條和污點(diǎn)，說(shuō)明InAs/GaSb Ⅱ類超晶格紅外探測(cè)器件的背減薄工藝適配性好；機(jī)械化學(xué)拋光液的pH值為9.4時(shí)，獲得了高表面質(zhì)量的GaSb襯底，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了高成像品質(zhì)的紅外探測(cè)器組件。

圖6 探測(cè)器組件封裝測(cè)試：（a）光譜透過(guò)率曲線；（b）成像效果圖

結(jié)束語(yǔ)

本文主要研究了InAs/GaSb Ⅱ類超晶格紅外探測(cè)器芯片背減薄后的襯底情況。結(jié)果表明，機(jī)械化學(xué)拋光液的pH值顯著影響機(jī)械化學(xué)拋光過(guò)程的化學(xué)作用強(qiáng)度。當(dāng)pH值較高時(shí)，化學(xué)腐蝕作用明顯，在襯底表面留下明顯的腐蝕坑。當(dāng)pH低于一定值時(shí)，化學(xué)腐蝕作用變差，機(jī)械作用相對(duì)增大，在襯底表面留下機(jī)械劃痕。腐蝕坑和機(jī)械劃痕的存在，都使得襯底表面損傷較大。而當(dāng)拋光液的pH值為9.4時(shí)，機(jī)械作用強(qiáng)度與化學(xué)腐蝕強(qiáng)度相匹配，拋光后樣品表面損傷小，粗糙度小，探測(cè)器組件成像效果好。

機(jī)械拋光結(jié)合機(jī)械化學(xué)拋光的背減薄工藝，不僅可以實(shí)現(xiàn)襯底厚度的快速去除，而且還可以獲得高質(zhì)量襯底表面，為探測(cè)器組件的高品質(zhì)成像提供支持。該工藝為Ⅱ類超晶格材料在紅外探測(cè)領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展奠定了重要基礎(chǔ)。但是，這種背減薄工藝過(guò)程中長(zhǎng)時(shí)間受外加壓力作用，對(duì)探測(cè)器芯片的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有一定影響，在成品率提升方面還有優(yōu)化空間。

審核編輯：劉清