紅外探測器可將不可見的紅外輻射轉(zhuǎn)換為可測量的電信號。作為中波紅外探測的主流，銻化銦紅外探測器具有穩(wěn)定的器件性能以及高可靠性，占據(jù)了大量的市場份額。作為探測器的核心，混成芯片的性能直接決定了紅外探測器的性能水平，這對器件制備工藝提出了很高的要求。銻化銦混成芯片封裝之前，需要通過背減薄工藝實(shí)現(xiàn)其量子效率最大化。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，中國電子科技集團(tuán)有限公司第十一研究所的科研團(tuán)隊在《紅外》期刊上發(fā)表了以“大面陣銻化銦探測器芯片背減薄工藝技術(shù)開發(fā)”為主題的文章。該文章第一作者為李海燕高級工程師，主要從事銻化銦、超晶格紅外探測器方面的研究。

本文從背減薄工藝原理入手，針對大尺寸銻化銦紅外探測器混成芯片的特點(diǎn)，開發(fā)了單點(diǎn)金剛石車削與磨拋相結(jié)合的復(fù)合背減薄工藝。結(jié)果表明，減薄后的器件表面質(zhì)量滿足工藝要求，雙晶衍射測試達(dá)標(biāo)，封裝后成像質(zhì)量良好。

背減薄工藝原理

在混成芯片制備過程中，將光敏芯片與讀出電路芯片倒裝互連，采用背光照方式采集光信號。光照射光敏芯片，在其內(nèi)部被轉(zhuǎn)換為電信號，然后通過讀出電路的讀出、轉(zhuǎn)換、放大、去噪等功能實(shí)現(xiàn)電信號處理與引出。為了實(shí)現(xiàn)量子效率的最大化，提高探測率，減小表面復(fù)合速率，使銻化銦體結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的光生電荷得到最大效率的應(yīng)用，其剩余厚度必須小于少子擴(kuò)散長度，即30~35 μm。在工藝制備過程中，混成芯片采用背減薄工藝將銻化銦材料厚度從幾百微米減小到十幾微米，如圖1所示。背減薄質(zhì)量指標(biāo)（如粗糙度、劃痕、平整度、剩余厚度等）直接影響器件電學(xué)性能（如探測率和光響應(yīng)均勻性），工藝設(shè)計直接決定了生產(chǎn)的產(chǎn)能能力、成品率和成本?？紤]到銻化銦材料為脆性半導(dǎo)體材料，混成芯片自身存在應(yīng)力形變，背減薄工藝開發(fā)難度極大（大尺寸銻化銦混成芯片尤甚）。

圖1 背減薄工藝示意圖

背減薄工藝選取

銻化銦背減薄工藝的技術(shù)水平主要從兩個方面來考察：一個是表面質(zhì)量，主要涉及表面平整度、表面粗糙度、表面損傷和表面外觀質(zhì)量（橘皮、劃痕、霧面）等；另一個是成品率，主要涉及裂紋、裂片、崩邊崩角等形貌問題。表面粗糙度不理想，表面損傷大，形成凹坑、橘皮形貌、相變、位錯等表面損傷時，會造成表面懸掛鍵密度和陷阱密度大。這將吸附雜質(zhì)離子，形成陷阱中心以及高表面態(tài)密度，可能會增大暗電流，導(dǎo)致器件性能下降。目前，主流減薄工藝基于旋轉(zhuǎn)磨削原理實(shí)現(xiàn)器件減?。ㄒ妶D2）：將混成芯片倒壓在磨拋盤上；在磨拋盤上加入磨拋液，施加一定的壓力，在磨拋盤、芯片、磨拋料的自轉(zhuǎn)及公轉(zhuǎn)效果下，通過材料與磨拋盤、磨拋液產(chǎn)生物理、化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)材料由粗磨到精拋的加工工藝過程；在此過程中，不斷實(shí)現(xiàn)材料減薄，同時不斷去除前一道磨拋的工藝損傷，逐步實(shí)現(xiàn)材料表面拋光；最終，通過化學(xué)拋光去除精拋損傷層，進(jìn)一步提高表面質(zhì)量。該方法作為銻化銦混成芯片背減薄工藝，已經(jīng)極為成熟，操作簡單，被長期應(yīng)用于芯片減薄工藝中。隨著超精密加工技術(shù)的進(jìn)步，磨拋工藝可以實(shí)現(xiàn)納米級的加工質(zhì)量。

圖2 磨拋工藝示意圖

旋轉(zhuǎn)磨削加工有很多優(yōu)點(diǎn)，其不足在于加工過程中存在大量、長時間的砂輪磨粒機(jī)械作用。這不可避免地會在器件表面形成微裂紋等損傷，不僅易引入新的應(yīng)力，而且易造成裂片。銻化銦材料硬度較低，在磨拋過程中壓力控制不當(dāng)時極易出現(xiàn)裂紋、裂片情況。該問題在大尺寸混成芯片制備過程中尤為明顯，極大降低了器件成品率。

大尺寸銻化銦混成芯片由于自身存在應(yīng)力，粘接在玻璃板上時會呈現(xiàn)四角翹曲、中心凹陷的形貌狀態(tài)，如圖3所示。在工藝開發(fā)中發(fā)現(xiàn)，若在混成芯片因自身應(yīng)力而存在較大翹曲面型的情況下強(qiáng)行將其壓平磨拋，容易造成芯片裂片，因此需要開發(fā)新的工藝技術(shù)方案進(jìn)行器件減薄。

圖3 混成芯片翹曲形態(tài)示意圖

本文討論1280×1024元（25 μm）大尺寸銻化銦混成芯片的背減薄工藝。芯片尺寸約為32 mm×26 mm。在大尺寸探測器上實(shí)現(xiàn)背減薄需要非常強(qiáng)的工藝控制能力：一方面要嚴(yán)格控制工藝損傷，避免在背減薄工藝中裂片，避免因減薄損傷而增加表面態(tài)、增大器件漏電流、降低器件性能；另一方面要實(shí)現(xiàn)低粗糙度光滑表面的制備。本文采用單點(diǎn)金剛石車削工藝配合磨拋工藝進(jìn)行大尺寸銻化銦混成芯片的背減薄。

背減薄工藝過程

單點(diǎn)金剛石車削工藝通過機(jī)床控制單點(diǎn)金剛石刀具對材料進(jìn)行車削。該技術(shù)已較為成熟，可實(shí)現(xiàn)微米級精度控制和微米級粗糙度加工。

器件表面的加工質(zhì)量與刀具進(jìn)給量、金剛石刀頭半徑、刀具磨損、機(jī)床的穩(wěn)定性等多種因素相關(guān)。因此，無法通過調(diào)節(jié)刀具進(jìn)給量等工藝參數(shù)無限制地優(yōu)化表面質(zhì)量。實(shí)際加工的材料表面的粗糙度要遠(yuǎn)大于理論值?？紤]到傳統(tǒng)的磨拋工藝已經(jīng)非常成熟，在損傷及表面粗糙度的控制方面十分穩(wěn)定，因此在本項目研發(fā)中，用單點(diǎn)車削工藝實(shí)現(xiàn)高成品率地去除銻化銦材料的大部分厚度，且對損傷控制、表面粗糙度方面的要求降低。通過傳統(tǒng)磨拋工藝進(jìn)一步減薄和去除單點(diǎn)車削損傷，然后利用更進(jìn)一步的精拋工藝實(shí)現(xiàn)器件對粗糙度的要求，最終實(shí)現(xiàn)銻化銦芯片的完全減薄。

車削工藝的操作如圖4所示。首先，將混成芯片粘接在玻璃基板上。測算減薄厚度后將芯片連同玻璃基板放置在車削機(jī)床上并加以固定。設(shè)置車削參數(shù)后進(jìn)行車削。在車削機(jī)床上設(shè)置多級車削參數(shù)，使車削過程由粗加工向精細(xì)加工逐級進(jìn)行。減薄初期，車削工藝設(shè)置以快速減薄厚度為主要目標(biāo)。隨著芯片厚度下降，犧牲減薄速度以逐級降低切削損傷與切削粗糙度。圖5所示為車削之后的材料表面。可以看出，采用金剛石單點(diǎn)車削工藝進(jìn)行器件減薄時，加工后的器件表面完整度良好，表面光亮。與傳統(tǒng)的磨拋減薄工藝相比，該工藝在減薄過程中減少了外來應(yīng)力帶來的器件裂片風(fēng)險，極大提高了成品率。

圖4 車削設(shè)備加工示意圖

圖5 減薄后器件表面的形貌圖

由于單點(diǎn)車削屬于大進(jìn)給粗拋工藝，器件表面會形成一層損傷層。損傷層的存在會嚴(yán)重影響器件性能。因此，單點(diǎn)車削步驟完成后，需進(jìn)行第二步芯片精拋，通過旋轉(zhuǎn)磨削工藝去除第一階段研磨造成的損傷。單點(diǎn)車削完成后，由于銻化銦厚度大幅減薄，應(yīng)力及翹曲情況改善。此時將混成芯片倒扣在磨拋設(shè)備上，繼續(xù)減薄。裂片風(fēng)險相比于原始混成芯片極大降低。本文采用的機(jī)械化學(xué)拋光法（CMP）具有簡單方便、成本低的優(yōu)點(diǎn)。該方法大致分為三個步驟：首先進(jìn)行粗磨，將材料進(jìn)行較大厚度量的去除，同時去除單點(diǎn)車削損傷；其次進(jìn)行粗拋，去除粗磨帶來的損傷并進(jìn)一步減小銻化銦厚度；最后是精拋，主要去除粗拋損傷，同時進(jìn)一步降低表面粗糙度。

結(jié)果與分析

如圖5和圖6所示，減薄后的混成芯片表面光亮完整。通過顯微觀察沒有發(fā)現(xiàn)劃道、損傷、沾污等情況。采用雙晶衍射方法測試材料損傷。半峰寬值約為8.20~11.90 arcsec，基本達(dá)到測試極限，表明背減薄工藝后銻化銦晶片表面晶格的完整性很好。

圖6 器件局部效果圖

該工藝應(yīng)用于1280×1024元（25 μm）大尺寸銻化銦混成芯片。芯片減薄增透后，將其封裝于微杜瓦結(jié)構(gòu)中進(jìn)行測試（結(jié)果見表1）。圖7為探測器組件的成像效果圖?？梢钥闯?，該組件具有良好性能。

表1 探測器組件的光電性能參數(shù)

圖7 探測器組件的成像效果圖

結(jié)束語

與傳統(tǒng)磨拋工藝相比，本文采用單點(diǎn)金剛石車削工藝實(shí)現(xiàn)混成芯片大部分厚度的減薄，然后通過磨拋工藝去除單點(diǎn)車削帶來的材料表面損傷。采用單點(diǎn)金剛石車削工藝的優(yōu)勢在于減薄過程中減小了對混成芯片縱向上的壓力，同時隨著芯片厚度的不斷降低，不斷釋放芯片應(yīng)力，大大減小了裂片率；采用傳統(tǒng)成熟的磨拋工藝去除損傷，在較低工藝難度下即可獲得滿足產(chǎn)品性能要求的混成芯片。該工藝技術(shù)尤其適用于大尺寸混成芯片的高質(zhì)量減薄，對芯片的原始平整度要求低，有利于獲得高均勻性、高質(zhì)量的混成芯片。

審核編輯：劉清