碲鎘汞集成偏振探測器應(yīng)力分析

林國畫,徐長彬,吳 卿,李雪梨

(華北光電技術(shù)研究所,北京 100015)

1 引 言

碲鎘汞紅外焦平面探測器結(jié)構(gòu)包括碲鎘汞芯片、讀出電路、銦柱[1]及碲鋅鎘襯底,碲鎘汞探測器在低溫下工作時,由于不同材料的膨脹系數(shù)不同,在芯片與銦柱、芯片與碲鋅鎘襯底之間產(chǎn)生應(yīng)力,應(yīng)力的作用會導(dǎo)致芯片裂片等現(xiàn)象,這種現(xiàn)象會造成探測器盲元增加、性能下降、甚至不可用,通過多年的改進,碲鎘汞探測器內(nèi)部應(yīng)力對性能的影響已經(jīng)可以控制的很好。

紅外碲鎘汞集成偏振探測器是在碲鎘汞探測器的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,在碲鋅鎘襯底上集成偏振結(jié)構(gòu),偏振結(jié)構(gòu)采用金屬線光柵,相當(dāng)于在原有碲鎘汞探測器上增加了金屬層結(jié)構(gòu)。當(dāng)集成偏振探測器在低溫下工作時,偏振結(jié)構(gòu)的金屬層與碲鋅鎘襯底之間產(chǎn)生應(yīng)力,這個應(yīng)力也使得原來碲鎘汞探測器內(nèi)部應(yīng)力發(fā)生了變化,試驗中出現(xiàn)裂片現(xiàn)象。針對裂片現(xiàn)象,采取仿真分析的方法,找到應(yīng)力變化對芯片的影響,通過試驗驗證,找到了好的解決方法,提高了集成偏振探測器的可靠性。

2 碲鎘汞集成偏振探測器裂片現(xiàn)象及原因分析

碲鎘汞集成偏振探測器存在裂片現(xiàn)象,如圖1所示,這使得探測器無法正常工作,要解決裂片現(xiàn)象,就需要分析產(chǎn)生裂片的原因。裂片與集成偏振探測器的結(jié)構(gòu)相關(guān),而結(jié)構(gòu)設(shè)計又與它的工作原理有關(guān),因此,首先需要了解集成偏振探測器的工作原理,然后從結(jié)構(gòu)設(shè)計等分析裂片的原因。

2.1 碲鎘汞集成偏振探測器工作原理簡要說明

碲鎘汞集成偏振探測器的組成如圖2所示,紅外輻射照射到偏振結(jié)構(gòu)上,不同偏振態(tài)的信號由碲鎘汞像元接收,接收后光信號轉(zhuǎn)換為電流,電流經(jīng)過積分電路后積分放大,實現(xiàn)電荷到電壓的轉(zhuǎn)換,最終表現(xiàn)出不同偏振態(tài)的圖像,經(jīng)過融合后,得到融合的偏振圖像。

圖2 碲鎘汞集成偏振探測器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 碲鎘汞集成偏振探測器結(jié)構(gòu)設(shè)計簡要說明

為了實現(xiàn)偏振芯片的工作方式,將偏振結(jié)構(gòu)制備在碲鎘汞芯片背面的碲鋅鎘襯底上,通過碲鋅鎘襯底實現(xiàn)偏振結(jié)構(gòu)與碲鎘汞芯片的光學(xué)連通；為了使碲鎘汞探測器進行光電轉(zhuǎn)換之后的電學(xué)輸出與讀出電路的電學(xué)輸入連通,碲鎘汞芯片與讀出電路采用銦柱進行倒裝互聯(lián)。由此形成了這種多層堆疊的碲鎘汞集成偏振探測器結(jié)構(gòu)。

2.3 碲鎘汞集成偏振探測器裂片現(xiàn)象分析

碲鎘汞集成偏振探測器在室溫環(huán)境下存貯,在低溫(-196 ℃)下工作,每一次工作集成偏振探測器都要經(jīng)受一次從環(huán)境溫度到深低溫的劇烈沖擊,在劇烈的溫度沖擊下,由于材料熱膨脹系數(shù)的差異會帶來芯片之間的熱失配,從而產(chǎn)生熱應(yīng)力和熱變形,探測器的反復(fù)開關(guān)就是熱應(yīng)力的循環(huán)作用。

在碲鎘汞集成偏振探測器的結(jié)構(gòu)中,碲鎘汞芯片被夾在碲鋅鎘襯底與銦柱陣列中間,碲鎘汞芯片的厚度≤10 μm,碲鋅鎘襯底的厚度約400 μm,銦柱高度≤12 μm,集成偏振探測器在工作狀態(tài)與存貯狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過程中,較厚的碲鋅鎘襯底層產(chǎn)生的應(yīng)力變形對很薄的碲鎘汞芯片會產(chǎn)生橫向剪切作用,而銦柱陣列這一端的變形應(yīng)力也會作用到碲鎘汞芯片上,不同的碲鋅鎘厚度、不同的銦柱高度,作用在碲鎘汞芯片上的應(yīng)力不同,在兩個方向應(yīng)力的作用下,會導(dǎo)致碲鎘汞芯片發(fā)生裂片。

集成偏振探測器的設(shè)計、制備是建立在碲鎘汞長波320×256探測器的基礎(chǔ)上,碲鎘汞長波320×256探測器在未集成偏振結(jié)構(gòu)時,相同的工作條件,多次開關(guān)機并未產(chǎn)生裂片現(xiàn)象,而集成偏振結(jié)構(gòu)后出現(xiàn)裂片現(xiàn)象,說明芯片裂片與在碲鋅鎘襯底層上增加了偏振結(jié)構(gòu)有關(guān),增加偏振結(jié)構(gòu)后,導(dǎo)致碲鎘汞芯片承受的應(yīng)力發(fā)生改變,由此產(chǎn)生裂片。

基于上述分析,碲鎘汞芯片上的應(yīng)力發(fā)生變化是導(dǎo)致裂片的關(guān)鍵,要解決集成偏振探測器的裂片問題,需要對偏振結(jié)構(gòu)、碲鋅鎘襯底、銦柱等作用在碲鎘汞芯片上的相關(guān)應(yīng)力進行分析,找到應(yīng)力變化的趨勢,從而發(fā)現(xiàn)解決問題的方法。

3 碲鎘汞集成偏振探測器應(yīng)力仿真分析

利用軟件進行應(yīng)力仿真分析是一種既快捷、又有效的解決問題的方法,針對碲鎘汞集成偏振探測器出現(xiàn)裂片的應(yīng)力仿真分析從三個方面著手進行：一是仿真模型的建立[2]；二是集成偏振探測器應(yīng)力較碲鎘汞探測器芯片應(yīng)力變化分析；三是對影響芯片應(yīng)力的銦柱高度、碲鋅鎘襯底厚度、偏振結(jié)構(gòu)使用的不同金屬材料進行分析。通過分析找到有效的減小應(yīng)力[3]的方法,來解決集成偏振探測器芯片裂片問題。

3.1 碲鎘汞集成偏振探測器應(yīng)力仿真模型的建立

在ANSYS軟件中建立碲鎘汞集成偏振探測器應(yīng)力仿真模型,模型包括碲鎘汞長波320×256(中心間距30 μm)芯片、硅讀出電路、銦柱、碲鋅鎘襯底、偏振光柵金屬層,如圖3所示。仿真模型中,銦柱高度≤12 μm,碲鋅鎘厚度≤400 μm；偏振光柵金屬層分別為鉻-金材料、鋁材料,金屬層的厚度≤1 μm,金屬層材料參數(shù)如表1。仿真模型的工作溫度為80 K。

圖3 仿真三維模型局部放大圖

表1 金屬層材料參數(shù)

3.2 有偏振光柵金屬層與無偏振光柵金屬層的應(yīng)力仿真分析

在進行仿真時,將仿真模型分別設(shè)置為碲鎘汞紅外焦平面探測器狀態(tài)(無偏振光柵金屬層)、碲鎘汞集成偏振探測器的狀態(tài)(覆蓋偏振光柵金屬層),對兩種狀態(tài)的模型進行熱力學(xué)仿真,仿真后,碲鎘汞芯片表面應(yīng)力狀態(tài)如圖4、圖5所示,應(yīng)力數(shù)值如表2所示,從數(shù)值對比可以看出,碲鎘汞集成偏振探測器芯片應(yīng)力比碲鎘汞探測器芯片應(yīng)力增大了約10 %。

表2 有金屬層與無金屬層芯片應(yīng)力值

圖5 無金屬層芯片應(yīng)力分布及有金屬層芯片應(yīng)力分布

圖4 無金屬層芯片應(yīng)力分布

針對探測器芯片增加的10 %應(yīng)力,需要對銦柱的高度、碲鋅鎘襯底的厚度對芯片應(yīng)力影響的趨勢進行分析,以降低增加的應(yīng)力。

3.3 影響碲鎘汞集成偏振探測器應(yīng)力的仿真分析

3.3.1 碲鎘汞集成偏振探測器在不同銦柱高度下的應(yīng)力仿真分析

銦柱連接在碲鎘汞集成偏振探測器的讀出電路與碲鎘汞芯片之間,銦柱的高度不同,碲鎘汞芯片上的應(yīng)力也有所不同,為了得到銦柱高度與碲鎘汞芯片上的應(yīng)力關(guān)系,進行了不同銦柱高度集成偏振探測器的應(yīng)力仿真。在進行仿真時,銦柱高度設(shè)置在7～12 μm之間。

熱力學(xué)仿真結(jié)果表明,隨著銦柱高度的增加,作用在碲鎘汞芯片上的應(yīng)力也相應(yīng)增加,最大可以增加到約20 %以上,因此,若要減小碲鎘汞芯片的應(yīng)力,可降低銦柱高度。

3.3.2 碲鋅鎘襯底減薄的應(yīng)力仿真分析

碲鋅鎘襯底作為集成偏振探測器中偏振結(jié)構(gòu)與碲鎘汞芯片的中間介質(zhì),其厚度不同,碲鎘汞芯片上的應(yīng)力也不同,為了得到碲鋅鎘襯底厚度與碲鎘汞芯片上的應(yīng)力關(guān)系,進行了不同碲鋅鎘襯底厚度的集成偏振探測器應(yīng)力仿真。在進行仿真時,碲鋅鎘襯底厚度在400～100 μm之間。

熱力學(xué)仿真結(jié)果表明,隨著碲鋅鎘襯底厚度的減小,芯片應(yīng)力會降低10 %以上,具有減小碲鎘汞芯片應(yīng)力的效果,如圖6、圖7所示,因此,碲鋅鎘襯底減薄可以降低碲鎘汞芯片裂片的幾率。

圖6 碲鋅鎘襯底減薄前芯片應(yīng)力分布

圖7 碲鋅鎘襯底減薄后芯片應(yīng)力分布

3.3.3 偏振光柵不同金屬層材料的應(yīng)力仿真分析

碲鎘汞集成偏振探測器中的偏振光柵金屬層可以選用不同的材料,不同的材料有不同的熱學(xué)特性,界面應(yīng)力也不同,對碲鎘汞芯片的應(yīng)力影響也不同。設(shè)置碲鎘汞集成偏振探測器模型中偏振光柵金屬層分別為鉻-金材料、鋁材料,金屬層厚度相同。

熱力學(xué)仿真結(jié)果表明,這兩種材料作為光柵介質(zhì)層時,芯片應(yīng)力基本相同。

從上述對碲鎘汞集成偏振探測器應(yīng)力仿真分析的結(jié)果可以看出,碲鎘汞集成偏振探測器芯片應(yīng)力比單獨的碲鎘汞探測器芯片應(yīng)力增大了將近10 %,而降低銦柱高度可以將芯片應(yīng)力減小約20 %、減薄碲鋅鎘襯底可以將芯片應(yīng)力降低10 %以上,因此,要解決碲鎘汞集成偏振探測器裂片問題,可以采取降低銦柱高度、減薄碲鋅鎘襯底厚度,以降低芯片應(yīng)力的方法[4]。

4 針對碲鎘汞集成偏振探測器應(yīng)力分析的試驗

根據(jù)仿真分析得出的結(jié)論,制備了碲鎘汞長波320×256集成偏振探測器組件,制備過程中對探測器的兩個方面進行了改變：一是銦柱高度較之前裂片探測器的銦柱高度有所降低,高度<10 μm；二碲鋅鎘襯底厚度較之前裂片探測器的厚度進行了較大幅度的減薄,襯底厚度<100 μm。

采取這兩項措施后,制備的集成偏振探測器組件進行了開關(guān)機試驗[5],在經(jīng)過了200次以上的從室溫到77 K低溫工作狀態(tài)的開關(guān)機試驗后,未出現(xiàn)裂片現(xiàn)象,從而證明了仿真分析結(jié)果對試驗的指導(dǎo)意義。

5 結(jié) 語

通過對碲鎘汞長波320×256集成偏振探測器的應(yīng)力仿真分析,量化了在碲鎘汞混成芯片上增加偏振結(jié)構(gòu)后,所帶來的芯片應(yīng)力的變化,認識到了芯片裂片的原因,同時,通過應(yīng)力仿真分析也量化了降低銦柱高度、減薄碲鋅鎘襯底厚度對減小碲鎘汞芯片應(yīng)力所帶來的好處。通過試驗,驗證了分析結(jié)果的有效性,解決了集成偏振探測器的裂片現(xiàn)象。

碲鎘汞集成偏振探測器的應(yīng)力仿真分析為試驗提供了有利的支撐,縮短了試驗周期,不僅使后續(xù)工藝得以順利開展,而且為類似產(chǎn)品的設(shè)計積累了豐富的數(shù)據(jù)。