大規(guī)模紅外焦平面陣列探測(cè)器的效像元率指標(biāo)

隨著大規(guī)模紅外焦平面陣列探測(cè)器應(yīng)用的日益廣泛，用戶對(duì)其有效像元率指標(biāo)提出了越來越高的要求。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，華北光電技術(shù)研究所的科研團(tuán)隊(duì)在《紅外》期刊上發(fā)表了以“大規(guī)模紅外焦平面陣列探測(cè)器的有效像元率研究”為主題的文章。該文章第一作者和通訊作者為謝珩研究員，主要從事紅外探測(cè)器工藝技術(shù)方面的研究工作。

本文分析了有效像元率提升的難點(diǎn)。通過優(yōu)化基于垂直布里奇曼法的襯底生長以及表面加工等工藝，提高了液相外延材料質(zhì)量，獲得了低缺陷中波碲鎘汞薄膜外延材料；通過開發(fā)碲鎘汞探測(cè)器背面平坦化工藝和優(yōu)化探測(cè)器與讀出電路倒裝互連工藝，提高了成品率。最終提升了有效像元率指標(biāo)（大于99.8%），獲得了良好的效果。

百萬像素組件有效像元率提升的難點(diǎn)

控制材料缺陷

對(duì)于1280×1024中波紅外探測(cè)器芯片來說，有效像元率高于99.8%的要求，意味著芯片的盲元數(shù)量小于2000個(gè)。按照1個(gè)缺陷產(chǎn)生2.5個(gè)盲元計(jì)算，所允許的缺陷數(shù)量為800個(gè)。根據(jù)探測(cè)器芯片大小可以計(jì)算缺陷密度：缺陷數(shù)量/探測(cè)器芯片面積＝800/（3.6×3.8/2）＝117個(gè)/平方厘米?？紤]到其他致盲因素和可靠性因素，材料表面缺陷一般控制在15個(gè)/平方厘米以下。因此，對(duì)于小尺寸的碲鎘汞液相外延材料而言，可以通過選取外延膜較好的區(qū)域來制備管芯。但是針對(duì)36 mm×38 mm大尺寸管芯材料，很難再通過這種方式進(jìn)行，而必須從根本上進(jìn)一步降低材料的宏觀缺陷密度。

提升倒裝互連工藝的成品率

1280×1024碲鎘汞中波紅外器件采用國內(nèi)外主流技術(shù)途徑，即通過銦柱將碲鎘汞焦平面芯片和讀出電路倒裝互連，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)讀出。對(duì)于像元中心間距為15 μm的1280×1024器件來說，芯片尺寸達(dá)到19 mm×16 mm以上；倒裝焊點(diǎn)數(shù)量達(dá)到131萬個(gè)，且每個(gè)焊點(diǎn)的直徑小于10 μm，焊點(diǎn)間距為15 μm，使得倒裝焊接難度急劇增加（焊點(diǎn)數(shù)量大、直徑小、密度高、芯片尺寸大幅增加）。以上因素導(dǎo)致互連工藝的容差范圍大大減小，而且由于探測(cè)器芯片不平整度的存在，只要探測(cè)器與讀出電路之間存在極其微小的角度，就會(huì)導(dǎo)致一部分探測(cè)器像元與讀出電路的互連失效，造成有效像元率達(dá)不到要求。

材料工藝優(yōu)化及結(jié)果

襯底晶格質(zhì)量和表面加工工藝優(yōu)化

外延生長具有遺傳性特點(diǎn)：一般碲鋅鎘襯底表面的缺陷容易引入到外延膜上，進(jìn)而影響材料性能。因此，高質(zhì)量的碲鋅鎘襯底是獲得高性能碲鎘汞外延材料的前提。分析來看，碲鋅鎘襯底表面的缺陷實(shí)際上來源于兩部分：一是在晶體生長過程中形成的二次相夾雜缺陷，加工時(shí)暴露在襯底表面，并在生長時(shí)延伸至碲鎘汞薄膜內(nèi)；二是在加工過程中引入的低損傷、劃痕、殘留物等。特別是對(duì)于大尺寸碲鋅鎘襯底，難以通過避開缺陷的方式對(duì)其進(jìn)行篩選。因此，提高碲鋅鎘晶體本身的質(zhì)量和優(yōu)化襯底表面加工工藝顯得尤為必要。

針對(duì)襯底內(nèi)部二次相夾雜缺陷問題，改進(jìn)基于垂直布里奇曼法的碲鋅鎘晶體生長工藝，在石英容器底部單獨(dú)增加鎘單質(zhì)氣源（見圖1（a）），并控制其溫度來產(chǎn)生合適的鎘蒸氣壓力，抑制晶體內(nèi)部鎘組分的非均勻揮發(fā)，使晶體實(shí)現(xiàn)近化學(xué)計(jì)量比生長，以抑制晶體內(nèi)部二次相的形成，從而減小碲鋅鎘襯底內(nèi)部二次相夾雜缺陷的尺寸和密度，提升晶體生長的可控性。圖1（b）和圖1（c）所示分別為改進(jìn)前后所得襯底的紅外透過結(jié)果?？梢钥闯?，改進(jìn)后晶體內(nèi)部的5 μm左右大小的二次相夾雜缺陷基本被消除。

圖1 （a）工藝改進(jìn)的示意圖；（b）改進(jìn)前所得襯底的紅外透過結(jié)果；（c）改進(jìn)后所得襯底的紅外透過結(jié)果

另一方面，優(yōu)化碲鋅鎘襯底表面加工工藝。通過對(duì)晶片研磨工藝、機(jī)械拋光工藝、機(jī)械化學(xué)拋光工藝和化學(xué)拋光工藝進(jìn)行優(yōu)化，開發(fā)了亞微米拋光工藝，并通過改進(jìn)清洗過程中的工藝操作，形成了高一致性的批量化襯底清洗流程，最終獲得了表面粗糙度小、損傷低、表面無劃痕的碲鋅鎘襯底。

在使用襯底時(shí)，開發(fā)了襯底吹干工裝，提高了襯底吹干時(shí)的穩(wěn)定性。這可避免襯底夾取吹干時(shí)崩邊、掉渣的情況，同時(shí)也可避免周圍雜質(zhì)、灰塵的帶入。該工裝的引入規(guī)范了外延裝舟前的襯底吹干工藝，提高了工藝一致性，避免了此工藝中的雜質(zhì)帶入情況，進(jìn)一步抑制了外延膜的表面宏觀缺陷。

低缺陷中波碲鎘汞薄膜外延生長技術(shù)

采用液相外延技術(shù)生長的碲鎘汞晶片上，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)形狀如“火山口”的缺陷。采用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)外延后的碲鎘汞薄膜的表面進(jìn)行測(cè)試后，確定這種缺陷與襯底/外延膜界面處殘留的碳元素有關(guān)：由于生長所用的外延舟材料選擇的是高純石墨材料，在生長過程中，母液在液相外延前處于碳飽和環(huán)境下；水平滑舟時(shí)外延母液與襯底接觸，母液與石墨有相對(duì)滑動(dòng)，石墨顆粒脫落后混入母液。因此，通過每次外延前都對(duì)石墨舟進(jìn)行預(yù)清洗處理，改善石墨舟的表面狀態(tài)，去除松散的石墨顆粒，從而避免由于石墨顆粒脫落而引起的各種外延生長缺陷。

此外，外延完的碲鎘汞薄膜存在殘留的生長應(yīng)力，導(dǎo)致碲鎘汞薄膜內(nèi)位錯(cuò)缺陷增多。通過優(yōu)化液相外延生長溶液配方和調(diào)節(jié)外延生長過程中的失汞速率、開始外延溫度（生長點(diǎn)）以及生長過程中的降溫速率等參數(shù)，降低了碲鎘汞薄膜內(nèi)的生長應(yīng)力，減小了位錯(cuò)密度，提高了碲鎘汞薄膜晶格質(zhì)量。圖2和圖3所示分別為工藝優(yōu)化前后的位錯(cuò)缺陷密度變化情況和材料表面形貌變化情況。

圖2 1000倍顯微鏡下的位錯(cuò)缺陷分布：（a）優(yōu)化前；（b）優(yōu)化后

圖3 液相外延材料的表面形貌：（a）優(yōu)化前；（b）優(yōu)化后

通過以上優(yōu)化措施，提高了液相外延材料質(zhì)量，使表面宏觀缺陷密度降低至15個(gè)/平方厘米以下，為有效像元率的提升打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

器件工藝優(yōu)化及結(jié)果

碲鎘汞探測(cè)器平坦化工藝優(yōu)化

碲鎘汞薄膜和碲鋅鎘襯底之間存在應(yīng)力。這會(huì)使薄膜材料發(fā)生形變。雖然在實(shí)施器件工藝之前經(jīng)過了表面平坦化工藝，但器件工藝過程中仍會(huì)經(jīng)過多步高溫工藝，使薄膜材料表面的平面度變差，從而對(duì)后續(xù)的倒裝互連工藝造成影響。針對(duì)這一問題，在表面平坦化工藝的基礎(chǔ)上開發(fā)并優(yōu)化背面平坦化工藝，以提高倒裝互連前碲鎘汞器件表面的平面度。在劃片前測(cè)試器件厚度，采用光刻膠保護(hù)器件表面，然后將器件正面向下粘附于玻璃襯底上，并利用單點(diǎn)金剛石精密車床對(duì)碲鋅鎘襯底進(jìn)行背面平坦化，從而間接調(diào)整器件正面的平面度。

圖4為1280×1024中波紅外器件背面平坦化后的表面輪廓圖?？梢钥闯?，經(jīng)背面平坦化后，器件表面的平面度得到進(jìn)一步改善（0.41 μm）。這增大了后續(xù)倒裝互連工藝的容差范圍，為提升有效像元率打好了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖4 1280×1024中波紅外器件背面平坦化后的表面輪廓圖

高導(dǎo)通率倒裝互連工藝

對(duì)于倒裝互連工藝本身來說，最重要的參數(shù)是互連壓力和互連時(shí)間。互連壓力需要在單個(gè)銦柱的受力與整個(gè)芯片材料的受力之間進(jìn)行折中考慮。若整個(gè)芯片材料受力過大，則材料產(chǎn)生應(yīng)力累積，造成材料位錯(cuò)密度增加；但是材料受力過小又不利于單個(gè)銦柱的互連牢靠度。互連時(shí)間越長，一般效果就越好，但也需要兼顧效率問題。

在優(yōu)化倒裝互連壓力和互連時(shí)間的同時(shí)，為了提高探測(cè)器芯片與讀出電路的互連精度，在芯片四周分別設(shè)計(jì)了調(diào)平標(biāo)記。在互連工藝中使用基于雙激光束測(cè)距的調(diào)平方式（見圖5），使調(diào)平標(biāo)記位置到讀出電路的距離差小于1 μm，從而提高倒裝互連工藝的精度和成品率。

圖5 基于雙激光束測(cè)距的調(diào)平示意圖

通過以上優(yōu)化措施，1280×1024碲鎘汞中波紅外器件的倒裝互連導(dǎo)通率高于99.99%，倒裝互連工藝成品率達(dá)到90%以上。

結(jié)束語

提升第三代大規(guī)模中波紅外焦平面陣列探測(cè)器的有效像元率需要對(duì)材料和器件的相關(guān)重點(diǎn)工藝進(jìn)行綜合考慮。在材料方面，通過改進(jìn)基于垂直布里奇曼法的襯底生長以及表面加工等工藝，提高了液相外延材料質(zhì)量，獲得了低缺陷中波碲鎘汞薄膜外延材料；在器件方面，通過開發(fā)碲鎘汞探測(cè)器背面平坦化工藝和優(yōu)化倒裝互連工藝，提高了成品率，最終提升了有效像元率指標(biāo)。下一步將對(duì)器件流片中光刻、表面鈍化、干法刻蝕、電極成型、倒裝互連等各工藝的步驟及細(xì)節(jié)進(jìn)行監(jiān)控分析和優(yōu)化，使有效像元率得到進(jìn)一步提升。

審核編輯：劉清