背減薄過程中面陣探測器形變研究

孟超　司樂飛　張曉玲　孟慶端

摘要：為提高InSb面陣探測器的探測率，需要借助背減薄工序把InSb光敏元芯片從300μm減薄到10μm，這一過程通常決定了面陣探測器的成品率。為了解面陣探測器在背減薄工序中的形變規(guī)律，針對典型器件結(jié)構(gòu)，借助ANSYS軟件，基于等效建模思路，建立了適用于InSb面陣探測器的三維結(jié)構(gòu)模型，調(diào)整InSb光敏元芯片厚度，模擬探測器形變特征及分布隨背減薄工藝實施過程的變化規(guī)律。模擬結(jié)果表明：當InSb光敏元芯片較厚時，面陣探測器的整體形變以彎曲變形為主，其中心區(qū)域上凸明顯；隨著InSb光敏元芯片逐步減薄，其中心區(qū)域的上凸變形逐步弱化，當InSb光敏元芯片厚度減薄到12μm時，探測器上表面屈曲變形占優(yōu)，且隨著InSb光敏元芯片厚度的減小而愈加清晰可見，此時探測器整體彎曲變形很弱。

關鍵詞：面陣探測器；InSb；光敏元芯片；芯片厚度；形變；ANSYS

中圖分類號：TJ760；TN215 文獻標識碼：A 文章編號：1673-5048（2017）02-0055-05

0引言

InSb焦平面探測器是紅外成像系統(tǒng)的核心部件，由于其靈敏度高、抗干擾能力強、環(huán)境適應性好，且在批量生產(chǎn)中工藝成熟度高、晶片內(nèi)均勻性好，晶片間一致性高，具有明顯的成本優(yōu)勢等優(yōu)點，已在航空航天紅外遙感、紅外制導、跟蹤、凝視成像武器裝備領域得到廣泛應用。

InSb焦平面探測器通常由三層結(jié)構(gòu)組成：InSb光敏元芯片、硅讀出電路（Silicon ROIC）和位于二者之間的銦柱陣列和底充膠，底充膠和銦柱陣列相間排布，底充膠呈網(wǎng)狀分布。制備器件時，先研制出InSb光敏元芯片和硅讀出電路，之后采用熱蒸發(fā)的方式在光敏元芯片和讀出電路上同時蒸鍍銦薄膜，浮膠形成銦柱陣列，隨后通過倒裝焊技術借助銦柱陣列將InSb光敏元芯片和硅讀出電路互連混成，之后在光敏元芯片和硅讀出電路的間隙中填入底充膠，升溫固化以提高銦柱焊點的可靠性。最后借助化學機械拋光技術對InSb光敏元芯片進行背減薄，以提高量子效率。

背減薄工藝的實施程度受限于減薄后芯片的均勻性、平整度等因素。在眾多文獻中有關背減薄工藝對InSb面陣探測器形變的影響少有提及。為此，本文借助先前提出的等效建模思想，建立了適用于InSb面陣探測器形變分析的三維等效結(jié)構(gòu)模型，人為調(diào)整InSb光敏元芯片厚度，理清面陣探測器在背減薄工序中的形變規(guī)律，為優(yōu)化背減薄工藝提供理論支撐。

1模型建立和參數(shù)選擇

2004年，美國西北大學的Chang R W發(fā)表了熱沖擊下單個銦柱承受的熱失配位移公式：

△y=L（α₁-α₂）△T （1）式中：△y為熱失配位移；L為面陣探測器中銦柱焊點到對稱中心軸的距離；α₁和α₂分別為面陣探測器中光敏元和硅讀出電路的線膨脹系數(shù)；△T為降溫范圍。

在熱沖擊降溫范圍確定的前提下，熱失配位移與相鄰材料線膨脹系數(shù)之差和焊點到面陣中心軸距離的乘積成正比。對于大面陣探測器，光敏元數(shù)目增加，焊點數(shù)目亦隨之增加，由于光敏元（或焊點）呈現(xiàn)出周期性二維排布，整個器件的熱失配即為所有焊點熱失配的疊加。為了取得同樣的效果，可采用增加相鄰材料線膨脹系數(shù)之差的辦法，即用一個銦柱等效幾個銦柱的方式，實現(xiàn)小面陣等效大面陣，建立起大面陣探測器結(jié)構(gòu)有限元分析模型，總體上使整個器件的熱失配保持不變。為研究128×128 InSb探測器在熱沖擊下的應變值及分布，人為調(diào)整相鄰材料間熱失配的方式，利用32×32小面陣等效128×128大面陣進行結(jié)構(gòu)應力分析，這種建模有助于解決大面陣探測器結(jié)構(gòu)分析中單元數(shù)過多帶來的計算難題。三維模型如圖1所示。

材料的線膨脹系數(shù)通常隨溫度降低而減小。為準確反映InSb面陣探測器熱沖擊時不同材料中累積的熱應力應變，探測器三維結(jié)構(gòu)模型材料的線膨脹系數(shù)均采用溫度相關模型，其中，N電極材料和硅讀出電路視為各向同性線彈性材料，InSb芯片視為各向異性線彈性材料，銦柱為粘塑性材料，其楊氏模量隨溫度降低而增加，底充膠材料在玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)域視為粘彈性材料，固化后呈現(xiàn)出明顯的線彈性，具體數(shù)值如圖2和表1所示。

InSb晶格是典型的閃鋅礦結(jié)構(gòu)，其特點為在110面方向彈性模量大，其他方向彈性模量小。由于InSb芯片在加工過程中可能受工藝結(jié)構(gòu)缺陷、背面減薄工藝損傷的影響，預期其面外（Z方向）楊氏模量應遠小于面內(nèi)（X-Y平面）的楊氏模量。當InSb芯片法線方向的楊氏模量為體材料楊氏模量的30%時，熱沖擊下的模擬結(jié)果在裂紋起源地、裂紋分布及棋盤格屈曲模式方面均能與典型碎裂照片吻合。

載荷施加包括溫度激勵載荷及約束載荷的施加。溫度激勵載荷的初始點為370 K，即倒裝焊時的溫度，對應于零應力狀態(tài)。之后自然冷卻到室溫，填入底充膠，升溫固化后降至室溫。約束載荷：對稱面處施加對稱約束，對稱軸的最下端施加零位移約束。

2實驗及模擬結(jié)果分析

InSb面陣探測器典型表面形貌照片見圖3。根據(jù)設計版圖，可得出如下形變特征：（1）N電極所在區(qū)域，InSb芯片往下呈條狀凹陷；（2）與銦柱陣列接觸區(qū)域InSb芯片往上凸出，而與底充膠接觸區(qū)域則往下凹陷，二者相間排布，凸起區(qū)域的面積與凹陷區(qū)域的面積相當；（3）探測器的周邊區(qū)域較為平坦。

利用所建模型，結(jié)合溫度加載歷程，得到室溫下InSb面陣探測器上表面形變模擬結(jié)果，具體見圖4。在光敏元陣列中心區(qū)域、N電極區(qū)域和探測器邊緣處，模擬得到的法線方向形變分布與實測結(jié)果幾乎完全一樣。這說明所建模型中采用的建模方法、參數(shù)選取與實際工藝流程高度吻合，可以用來分析整個探測器形變隨InSb光敏層厚度的演化規(guī)律。

背減薄工藝自身不產(chǎn)生應力應變，但背減薄工藝實施前已在器件中生成的熱應力應變，將會隨著InSb光敏元芯片厚度的改變而呈現(xiàn)出不同的形變特征。為研究這一變化趨勢，人為改變InSb光敏元芯片的厚度，判斷熱應力應變隨InSb光敏元芯片厚度的演化規(guī)律。這里僅僅給出幾例典型的形變分布，InSb光敏元芯片的厚度分別取6μm，20μm和200μm，模擬結(jié)果分別如圖5～7所示。

當InSb光敏元芯片厚度從10μm減薄到6μm時，凡是與銦柱陣列相接觸的InSb光敏元芯片上凸變形愈加明顯，凡是與底充膠相接觸的InSb光敏元芯片下凹變形也愈加明顯。這一形變特征屬于典型的棋盤格屈曲變形模式，且隨著InSb光敏元芯片厚度的持續(xù)減薄，棋盤格屈曲變形更為清晰，上凸與下凹的對比度更強。與此同時，整個探測器的上凸變形幅度略有下降，探測器底邊兩端點之間的彎曲程度變小。至此，當InSb光敏元芯片從10μm逐步減薄的過程中，整個器件中心區(qū)域的上凸變形逐步弱化，而InSb光敏元芯片的屈曲變形將占據(jù)主導地位，且愈來愈清晰，上凸與下凹的對比度愈來愈強。

當InSb光敏元芯片厚度從10μm增加到20μm時，由圖6所知，在整個探測器的上表面，原本出現(xiàn)的典型棋盤格屈曲變形消失殆盡，僅在N電極區(qū)域留下清晰可見的下凹環(huán)帶，仔細觀察還能依稀看到銦柱陣列所在區(qū)域略微上鼓。同時，整個探測器的上凸變形幅度增加，探測器底邊兩端點之間的彎曲程度明顯變大。因此認為，隨著InSb光敏元芯片厚度逐漸增加，InSb光敏元芯片的屈曲變形模式逐步衰減、消亡，與此同時，整個器件中心區(qū)域的上凸變形逐步強化。

當InSb光敏元芯片厚度從20μm增加到200μm時，在整個探測器上表面，看不到屈曲變形的任何痕跡，甚至N電極區(qū)域下面的下凹環(huán)帶也不再出現(xiàn)。與此同時，整個探測器的上凸變形幅度尤為明顯，探測器底邊兩端點之間的彎曲程度也急劇增加。

為了印證上述模擬結(jié)果，隨機選取任一探測器，對其實施背減薄工藝，具體如圖8所示。

圖8（a）為探測器歷經(jīng)化學機械拋光工藝減薄后，在室溫下拍攝的表面形變分布圖。顯然，此時InSb芯片相對較厚，上表面沒有屈曲變形。從圖6（InSb芯片厚度20μm）的形變分布可推斷出，此時InSb芯片略厚于20μm。隨后對探測器進行化學濕法腐蝕減薄，歷經(jīng)一段時間減薄后的表面形變照片如圖8（b）所示。此時，在整個探測器上表面，能夠看到一些棋盤格屈曲變形模式，同時，N電極區(qū)域的條形凹陷也清晰可見。隨著化學腐蝕減薄工序的進一步實施，如圖8（c）所示，此時能夠清晰地看到典型棋盤格屈曲變形模式，并且N電極區(qū)域的條形凹陷清晰可見，此外在探測器四周區(qū)域，也能夠清晰地看到環(huán)狀凹陷。這一形變分布照片與圖5（InSb芯片厚度6μm）中所示的形變分布完全吻合。圖8的形變分布證實了本文模擬結(jié)果的正確性。

需要指出的是，在上述器件形變模擬過程中，僅僅改變了InSb光敏元芯片的厚度，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)和溫度加載歷程均保持不變。根據(jù)InSb光敏元芯片厚度取值不同的形變演變過程，可得出結(jié)論：當器件加工中存在某一定量的熱應力應變后，這一熱應力應變會隨著InSb光敏元芯片厚度的不同，將以不同的形變分布特征呈現(xiàn)在整個探測器上表面。當InSb光敏元芯片較厚時，探測器變形以中心區(qū)域上凸變形為主，在背減薄工藝實施中，這一中心區(qū)域的上凸變形逐步弱化，當InSb光敏元芯片厚度減薄到20μm時，在N電極區(qū)域出現(xiàn)環(huán)帶凹陷，隨著背減薄工藝的繼續(xù)實施，典型棋盤格屈曲變形模式逐步出現(xiàn)，在InSb光敏元芯片厚度取12μm時，清晰可見。與此同時，整個器件中心區(qū)域的上凸變形逐步弱化。

3結(jié)論

借助有限元分析軟件研究了器件加工中生成的熱應力應變隨光敏元厚度的演變規(guī)律，認為當InSb光敏元芯片較厚時，整個面陣探測器以中心區(qū)域上凸彎曲變形為主，隨著背減薄工藝的實施，中心區(qū)域上凸彎曲變形逐步減弱，當InSb光敏元芯片減薄到12μm時，整個探測器的形變由中心區(qū)域上凸彎曲變形為主過渡到以典型棋盤格屈曲變形模式為主，并隨著背減薄工藝的繼續(xù)實施，屈曲模式中的上凸和下凹形變對比度更強。