7.5 μm像元間距紅外探測(cè)器三維電極的制備與應(yīng)用案例

隨著各類小型化自動(dòng)武器裝備在戰(zhàn)場(chǎng)上被高頻使用，并獲得了大量戰(zhàn)果，此類裝備的國(guó)防需求不斷增長(zhǎng)。同時(shí)紅外探測(cè)器制造技術(shù)不斷提高，低成本、小型化、低功耗（SWaP）已經(jīng)成為第三代碲鎘汞紅外探測(cè)器的重要發(fā)展方向。目前國(guó)外部分產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)，并逐漸成為主流SWaP產(chǎn)品。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，華北光電技術(shù)研究所與中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所組成的科研團(tuán)隊(duì)在《紅外》期刊上發(fā)表了以“7.5 μm像元間距紅外探測(cè)器三維電極的制備與應(yīng)用”為主題的文章。該文章第一作者和通訊作者為王格清助理工程師，主要從事紅外探測(cè)器器件技術(shù)研究。

本工作采用現(xiàn)有讀出電路電極生長(zhǎng)設(shè)備和直寫式光刻設(shè)備開發(fā)了三維電極的制備工藝。在制備過程中，首先在讀出電路表面制備三維電極，在碲鎘汞芯片端生長(zhǎng)銦餅，然后通過倒裝互連工藝可以實(shí)現(xiàn)7.5 μm像元間距的1 k×1 k碲鎘汞芯片與讀出電路的互連?？勺儏?shù)包括金屬生長(zhǎng)角度、生長(zhǎng)速率、生長(zhǎng)厚度以及金屬種類等。

技術(shù)難點(diǎn)

在探測(cè)器的研制過程中，由于碲鎘汞光敏芯片表面起伏較大，倒裝互連設(shè)備在調(diào)平過程中不可避免地存在一定的微小誤差。另外，由于像元間距較小，設(shè)備對(duì)準(zhǔn)誤差的負(fù)面影響也無法被忽略。這些因素大幅提升了7.5 μm像元間距探測(cè)器的倒裝互連工藝對(duì)銦凸點(diǎn)技術(shù)參數(shù)的要求。為了保證探測(cè)器倒裝互連工藝的成品率，需要在7.5 μm像元間距讀出電路的位點(diǎn)上制備出具有較大高度且高度均勻性好的銦凸點(diǎn)。這對(duì)讀出電路銦凸點(diǎn)制備工藝提出了巨大的挑戰(zhàn)。

受下列因素的制約，銦凸點(diǎn)陣列的高度及其均勻性很難提升：首先，為了將無用的金屬銦完全剝離，需要光刻膠的厚度大于所生長(zhǎng)的金屬層厚度的2倍。其次，銦凸點(diǎn)在倒裝互連過程中會(huì)因發(fā)生形變而寬度增加。為了避免相鄰銦凸點(diǎn)發(fā)生連接，需要保證銦凸點(diǎn)間留有足夠的間隙。然而，探測(cè)器的像元間距只有7.5 μm，因此可用于制備銦凸點(diǎn)的空間極為狹小。在上述條件的限制下，7.5 μm像元間距光刻圖形的尺寸和光刻膠的厚度之間產(chǎn)生了不可調(diào)和的矛盾。

在10 μm像元間距條件下，雖然可以通過光刻制備出尺寸更大的銦凸點(diǎn)生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，但在金屬銦生長(zhǎng)過程中還是會(huì)發(fā)生少量生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)堵塞現(xiàn)象，導(dǎo)致此處制備的銦凸點(diǎn)高度無法達(dá)到設(shè)計(jì)值，并且與周圍銦凸點(diǎn)高度差異很大（見圖1）。當(dāng)像元間距降低至7.5 μm時(shí)，可制備的銦凸點(diǎn)生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)尺寸更小，更易發(fā)生生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)堵塞現(xiàn)象。因此制備出的銦凸點(diǎn)高度和高度均勻性均無法滿足倒裝互連工藝的要求。帶有此類銦凸點(diǎn)的讀出電路與碲鎘汞芯片倒裝互連后，會(huì)產(chǎn)生大量盲元，導(dǎo)致制備出的探測(cè)器性能無法滿足應(yīng)用需求。

圖1 劣質(zhì)銦凸點(diǎn)的掃描電鏡圖

為了增加銦凸點(diǎn)高度的均勻性，可以在銦凸點(diǎn)下制備直徑小于銦凸點(diǎn)的圓形凸點(diǎn)下金屬層（UBM），然后采用“起球工藝”將銦凸點(diǎn)回融成銦球，從而降低銦凸點(diǎn)高度差異。但是讀出電路的像元接觸孔多為2 μm×2 μm的方孔，其對(duì)角線長(zhǎng)度為2.82 μm，幾乎與UBM直徑相同。因此留給光刻工藝的套刻誤差余量極為有限，同時(shí)還需要保證UBM的一致性。當(dāng)UBM不能完全覆蓋電路像元接觸孔時(shí)，探測(cè)器的性能穩(wěn)定和長(zhǎng)期可靠性會(huì)受到影響。UBM直徑的差異會(huì)降低銦凸點(diǎn)的高度均勻性。過小的UBM會(huì)使銦凸點(diǎn)回融成球后不易粘附在讀出電路表面，容易脫落，形成盲元。綜上所述，7.5 μm像元間距的UBM制備工藝也存在諸多難點(diǎn)。

在滿足上述條件后，銦凸點(diǎn)倒裝互連的技術(shù)路線還要求倒裝互連工藝全過程保持很高的調(diào)平、對(duì)準(zhǔn)精度，否則微小的設(shè)備誤差即會(huì)導(dǎo)致互連失敗。其原因在于：當(dāng)電路銦凸點(diǎn)高度不夠時(shí)，一旦碲鎘汞芯片平坦度稍差或者互連設(shè)備的誤差使碲鎘汞芯片與讀出電路之間存在微小的角度，就會(huì)導(dǎo)致倒裝互連失敗，芯片出現(xiàn)大面積區(qū)域性盲元。而且銦凸點(diǎn)高度差異大，使得絕大部分像元與銦凸點(diǎn)完成連接后仍有部分像元由于銦凸點(diǎn)高度不足沒有實(shí)現(xiàn)連通，導(dǎo)致盲元數(shù)量大幅增加。因此，如何在7.5 μm像元間距的讀出電路上制備出高度合適且均勻性好的銦凸點(diǎn)，是 7.5 μm像元間距碲鎘汞紅外探測(cè)器研制的重要技術(shù)難題。此項(xiàng)技術(shù)的突破，可以大幅提升小間距碲鎘汞紅外探測(cè)器倒裝互連工藝的成品率，進(jìn)而提高探測(cè)器的整體良率。

三維電極的制備與應(yīng)用

由于銦凸點(diǎn)技術(shù)路線存在諸多難點(diǎn)，很難實(shí)現(xiàn)讀出電路與碲鎘汞芯片互連。為了降低7.5 μm像元間距探測(cè)器的倒裝互連工藝難度，提升探測(cè)器的良品率，需要開發(fā)三維電極互連技術(shù)路線。此技術(shù)路線如下：首先在7.5 μm像元間距的讀出電路上制備三維電極，然后在碲鎘汞芯片上制備小高寬比的銦餅，最后通過倒裝互連工藝完成讀出電路與碲鎘汞芯片的互連導(dǎo)通。綜合考慮制備工藝的難度和工藝穩(wěn)定性，三維電極的設(shè)計(jì)高度可以達(dá)到4 μm，且直徑為 2.5 μm~3.5 μm；銦餅的設(shè)計(jì)厚度為2.5 μm，尺寸為5 μm×5 μm。理論上，三維電極和銦餅的總高度可達(dá)6.5 μm左右。此高度足以彌補(bǔ)碲鎘汞芯片表面起伏和互連設(shè)備的誤差，完全滿足7.5 μm像元間距探測(cè)器的倒裝互連工藝需求。在倒裝互連工藝過程中，三維電極不會(huì)因壓力而發(fā)生膨脹。而且由于三維電極的側(cè)壁厚度很小，其與銦餅互連時(shí)會(huì)插入銦餅，因此連通后不會(huì)使銦餅寬度增加，從而降低了工藝對(duì)互連設(shè)備調(diào)平、對(duì)準(zhǔn)精度的要求。

經(jīng)過仿真計(jì)算，對(duì)銦凸點(diǎn)互連位點(diǎn)與三維電極互連位點(diǎn)的應(yīng)力分布進(jìn)行比較。計(jì)算結(jié)果表明，兩種互連結(jié)構(gòu)的溫度從室溫降低至77 K的過程中，產(chǎn)生的熱應(yīng)力極值相當(dāng)，均為1300 MPa左右。但是銦凸點(diǎn)與碲鎘汞芯片和讀出電路接觸的兩端均存在高應(yīng)力集中區(qū)域。而三維電極的高應(yīng)力集中區(qū)域僅存在于讀出電路端，如圖2所示。因此可以推斷三維電極互連技術(shù)路線使探測(cè)器的長(zhǎng)期可靠性更高。

圖2 應(yīng)力仿真結(jié)果：(a)鋼凸點(diǎn)互連位點(diǎn)；(b)三維電極互連位點(diǎn)

為了在讀出電路表面制備出高質(zhì)量的三維電極，首先需要在其表面完成高質(zhì)量的大深寬比光刻圖形轉(zhuǎn)移，并且保證圖形在后續(xù)金屬生長(zhǎng)過程中不會(huì)由于溫度升高而發(fā)生形變，使最終金屬電極的形貌符合初始設(shè)計(jì)。常規(guī)光刻工藝過程中，光刻膠曝光后烘烤的主要目的是光刻消除駐波效應(yīng)，因此普遍時(shí)間設(shè)置較短。但為了提升光刻圖形強(qiáng)度，需要適度延長(zhǎng)曝光后的烘烤過程。這樣不僅可以充分消除光刻圖形的駐波效應(yīng)，同時(shí)使光刻膠溶劑有效揮發(fā)，提升光刻膠的強(qiáng)度。

在光刻膠顯影后光刻圖形已經(jīng)形成，此時(shí)再次進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間高溫烘烤會(huì)導(dǎo)致光刻圖形頂部與底部光刻膠溶劑的揮發(fā)速率不同，使光刻圖形發(fā)生形變。因此需要特殊設(shè)計(jì)光刻膠曝光顯影后的烘烤過程，均衡釋放光刻圖形各個(gè)部分的光刻膠溶劑，從而避免大深寬比光刻圖形發(fā)生形變，同時(shí)提升光刻圖形的堅(jiān)固程度。所以可將長(zhǎng)時(shí)間曝光顯影后的烘烤過程分割成多個(gè)高溫烘烤階段，并加入多個(gè)不同溫度的低溫保持過程，進(jìn)而釋放由于光刻膠溶劑揮發(fā)導(dǎo)致的內(nèi)部應(yīng)力，防止發(fā)生龜裂和變形。最后待光刻圖形自然降溫至室溫后，再進(jìn)行后續(xù)工藝。

通過此方法制備的光刻圖形具有深寬比大、側(cè)壁陡直度高、圖形在高溫環(huán)境下不易變形的優(yōu)點(diǎn)，可以保證在后續(xù)的金屬生長(zhǎng)和離子刻蝕工藝過程中光刻圖形不發(fā)生形變，最終制備出幾何尺寸與設(shè)計(jì)值相近的三維電極。

三維電極的具體制備過程如下：在待制備三維電極的讀出電路表面使用上述優(yōu)化的光刻工藝，制備出預(yù)先設(shè)計(jì)好的高深寬比三維電極圖形；然后在光刻圖形表面上，按照預(yù)先設(shè)計(jì)生長(zhǎng)一定厚度的多種金屬?gòu)?fù)合膜層；使用離子銑選取合適的刻蝕角度，對(duì)讀出電路表面的復(fù)合金屬膜層進(jìn)行刻蝕，斷開三維電極與表面多余金屬的連接部分；最后將讀出電路放入80℃的N-甲基吡咯烷酮（NMP）中浸泡，使用剝離工藝完成三維電極的制備（見圖3）。上述所有工藝過程均需控制溫度，全過程中讀出電路表面的溫度必須低于90℃。

圖3 三維電極陣列的掃描電鏡圖

讀出電路加工過程中經(jīng)常使用的金屬有Cu、Sn、Ag、Al等。這些金屬所制備的結(jié)構(gòu)與讀出電路表面具有很高的粘附性，并且不會(huì)造成讀出電路性能損傷。因此，為了兼顧三維電極在讀出電路上的牢固程度和強(qiáng)度，可以選取Cu、Sn、Ag、Al等多種金屬組合成復(fù)合膜層來制備三維電極。根據(jù)三維電極組成金屬的不同，適當(dāng)調(diào)整離子刻蝕工藝參數(shù)。最終制備出的三維電極高度可達(dá)到3.8 μm（見圖4），高度非均勻性小于3%。與碲鎘汞芯片表面銦餅互連后，可形成高度約為5 μm的結(jié)構(gòu)（見圖5）。

圖4 油Cu、Sn、Ag、Al組成的三維電極的掃描電鏡圖

圖5 多金屬層三維電極互連效果

倒裝互連完成后，將樣品切片。使用掃描電鏡（SEM）觀察發(fā)現(xiàn)，將帶有三維電極的讀出電路與碲鎘汞芯片進(jìn)行互連的過程中，由于僅三維電極的頂部邊緣與銦餅表面接觸，并且三維電極的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于銦餅，因此隨著互連壓力的增加，三維電極會(huì)插入銦餅體內(nèi)（見圖5），實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度連通。三維電極與銦餅的接觸面積遠(yuǎn)小于銦凸點(diǎn)技術(shù)路線，相同的互連壓力可以產(chǎn)生更大的壓強(qiáng)，因此探測(cè)器完成互連所需的壓力大幅下降?；ミB壓力的降低，有利于對(duì)碲鎘汞芯片的保護(hù)，降低其在互連工藝過程中被損壞的概率。

樣品倒裝互連完成后，經(jīng)過高溫回流，使互連位點(diǎn)的金屬銦和三維電極形成互融，互連位點(diǎn)進(jìn)一步得到了加固。此后，為了便于觀察互連工藝的實(shí)際效果，使用物理方法將碲鎘汞芯片與讀出電路分離。通過SEM觀察發(fā)現(xiàn)，讀出電路和碲鎘汞芯片表面上的三維電極仍能保持完整。經(jīng)計(jì)算可得，單個(gè)三維電極在經(jīng)受7.6×10?? N的壓力并對(duì)銦餅產(chǎn)生約 2.64×10? Pa的壓強(qiáng)后，仍然能保持形態(tài)完整。這充分說明多金屬層三維電極具有很高的強(qiáng)度，經(jīng)過互連回流工藝后不會(huì)形變（見圖6）。

圖6 與芯片分離后的讀出電路

與此同時(shí)，有些三維電極受限于互連設(shè)備的精度，并未與碲鎘汞芯片的銦餅中心對(duì)準(zhǔn)，但是三維電極與銦餅連接的牢固程度沒有受到影響。而且像元位置仍然實(shí)現(xiàn)了連通，相鄰像元之間也沒有發(fā)生連接，因此整體像元連通率并沒有受到影響。這表明三維電極互連技術(shù)路線可以彌補(bǔ)互連設(shè)備誤差對(duì)芯片連通造成的負(fù)面影響，降低倒裝互連工藝對(duì)精度的需求，提升探測(cè)器互連工藝的穩(wěn)定性和成品率（見圖7）。

圖7 三維電極與銦并未對(duì)準(zhǔn)

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，利用三維電極互連技術(shù)路線可以制備出高度和高度均勻性均滿足倒裝互連工藝需求的7.5 μm像元間距互連位點(diǎn)。碲鎘汞芯片與讀出電路完成倒裝互連后，互連位點(diǎn)的強(qiáng)度滿足需求。對(duì)比銦凸點(diǎn)互連技術(shù)路線，三維電極互連技術(shù)路線需要的互連工藝精度、實(shí)現(xiàn)難度大幅降低，可以保證實(shí)現(xiàn)較高的工藝成品率和工藝穩(wěn)定性。通過仿真模型可以看出，三維電極互連技術(shù)路線減少了互連位點(diǎn)在降溫過程中的高應(yīng)力集中區(qū)域，有利于提高7.5 μm像元間距紅外探測(cè)器的性能穩(wěn)定性和長(zhǎng)期可靠性。三維電極的上述優(yōu)勢(shì)，使得此技術(shù)路線可以繼續(xù)向5 μm像元間距發(fā)展，為更小像元間距探測(cè)器的研制提供了技術(shù)基礎(chǔ)。其在小間距、超大面陣、垂直集成等多類型碲鎘汞紅外探測(cè)器的研制過程中廣泛應(yīng)用，可以大幅降低此類探測(cè)器的倒裝互連工藝難度，進(jìn)而提升探測(cè)器的成品率。

審核編輯：劉清