紅外探測(cè)器芯片表面應(yīng)力釋放技術(shù)比較研究

段曉麗, 徐步陸

(1. 河南省安陽(yáng)市高級(jí)技工學(xué)校, 河南 安陽(yáng) 455000;2. 上海硅知識(shí)產(chǎn)權(quán)交易中心有限公司, 上海 200030)

0 引 言

五十多年來(lái)，碲鎘汞(HgCdTe)紅外探測(cè)技術(shù)和產(chǎn)品持續(xù)發(fā)展，在民用、工業(yè)和航天、氣象等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-2]。碲鎘汞材料由于其接近100%的量子效率，以及從近紅外到甚長(zhǎng)波全波段的極廣的應(yīng)用范圍，與硅材料在微電子領(lǐng)域的地位類似，碲鎘汞材料在紅外探測(cè)領(lǐng)域中同樣樹立了絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)地位。目前，隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)圖像傳感器(CIS)、紅外焦平面探測(cè)器也開始出現(xiàn)“背照式”、“前照式”等多種結(jié)構(gòu)，性能和功能也朝著高靈敏、低噪聲、雙多色、大面陣、信號(hào)處理一體化集成的下一代焦平面探測(cè)器方向不斷前進(jìn)。紅外焦平面探測(cè)器可分為制冷型和非制冷型兩大類，它們用途不同、性能不同、結(jié)構(gòu)不同，成本也不同。其中，制冷型紅外焦平面探測(cè)器溫度分辨率和靈敏度高、探測(cè)距離和識(shí)別距離遠(yuǎn)，在探測(cè)率、噪聲等效溫差等反應(yīng)靈敏度的指標(biāo)上同樣大幅優(yōu)于非制冷，主要應(yīng)用于科學(xué)研究、工業(yè)檢測(cè)、宇航、防務(wù)等領(lǐng)域的高端儀器裝備[3-4]。這種紅外焦平面探測(cè)器芯片的發(fā)展方向是大面陣規(guī)格、小像元尺寸，采用的晶圓工藝已經(jīng)開始由6英寸(150 mm)轉(zhuǎn)向8英寸(200 mm)。2017年，一款面陣面積為1 280 μm×1 024 μm，中心距為25 μm的百萬(wàn)像素級(jí)的碲鎘汞凝視焦平面探測(cè)器芯片被公布出來(lái)。2019年，上市公司高德紅外公開了一款1 280 μm×1 024 μm規(guī)模、12 μm像元尺寸的制冷型探測(cè)器芯片。

紅外焦平面探測(cè)器芯片最常見的結(jié)構(gòu)是，通過(guò)倒裝焊重填填充膠方式，連接碲鎘汞外延片和讀出電路。這類紅外芯片在生產(chǎn)測(cè)試和應(yīng)用壽命周期內(nèi)，會(huì)往復(fù)經(jīng)歷60～80 K的工作溫度與室溫之間寬域溫度循環(huán)沖擊。由于組成探測(cè)器芯片的幾種組件材料熱膨脹系數(shù)不同，必然產(chǎn)生應(yīng)力、應(yīng)變，而且運(yùn)輸、使用中也不可避免有震動(dòng)等不規(guī)律外部沖擊。因此，在生產(chǎn)中殘留的芯片邊緣瑕疵在上述沖擊，以及加工應(yīng)力殘留等因素的影響下，芯片可能產(chǎn)生裂縫從而導(dǎo)致碎裂，材料界面也因裂縫產(chǎn)生、生長(zhǎng)引起分層等失效現(xiàn)象[5]。這種失效會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)區(qū)域成像失敗，而且失效過(guò)程不可逆，最終致使昂貴的探測(cè)器芯片無(wú)法維修而報(bào)廢。因此通過(guò)恰當(dāng)?shù)那閳?bào)技術(shù)研究方法，探明前人在此領(lǐng)域的工作成果，并進(jìn)行研究比較，提煉總結(jié)，提出新的技術(shù)思路與方案，無(wú)疑可產(chǎn)生具有高性價(jià)比的現(xiàn)實(shí)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1 探測(cè)器芯片應(yīng)力失配專利技術(shù)路徑研究方法和過(guò)程

紅外焦平面探測(cè)器芯片，是作為工業(yè)級(jí)中高檔產(chǎn)品向?qū)I(yè)用戶提供?；谛路f性、創(chuàng)造性和實(shí)用性，芯片制造方及整機(jī)廠商對(duì)芯片產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)不斷提出新的技術(shù)方案，專利的申請(qǐng)則更能保護(hù)企業(yè)知識(shí)產(chǎn)權(quán)和商業(yè)利益。同時(shí)，這類由生產(chǎn)催生出的專利提供的技術(shù)路線、方案，更有利于真實(shí)產(chǎn)品的技術(shù)瓶頸突破和工業(yè)量產(chǎn)實(shí)現(xiàn)[6]。因此，本文主要通過(guò)對(duì)專利文獻(xiàn)知識(shí)的挖掘，研究前人紅外焦平面探測(cè)器芯片方面的技術(shù)解決方案，同時(shí)在研究過(guò)程中提出了自己的技術(shù)方案。

本文專利文獻(xiàn)檢索采用國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局知識(shí)產(chǎn)權(quán)出版社的中國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)網(wǎng)信息服務(wù)系統(tǒng)。專利檢索方法為限定國(guó)際專利分類，以及限定中英文“紅外焦平面探測(cè)器芯片”和“應(yīng)力(釋放、消除)” 組合關(guān)鍵詞為檢索策略。專利檢索截至日期為2022年3月31日前公開(公告)專利，檢索時(shí)間為2022年4月。檢索分析專利類型包含發(fā)明(美國(guó)專利含申請(qǐng)和授權(quán)專利，中國(guó)專利含公開和授權(quán)公告)和實(shí)用新型，不包含外觀專利設(shè)計(jì)。最后，經(jīng)數(shù)據(jù)清理、去除噪聲后獲取八篇價(jià)值相對(duì)較高的發(fā)明專利，詳見表1。

經(jīng)過(guò)對(duì)表1所述專利包所載技術(shù)實(shí)施方案研究發(fā)現(xiàn)，這專利的申請(qǐng)(專利權(quán))人的確是紅外焦平面探測(cè)器芯片和系統(tǒng)的主要供應(yīng)商。這反映過(guò)去的十五年中，這些行業(yè)領(lǐng)先者在此領(lǐng)域都面臨過(guò)惡劣環(huán)境下芯片熱失配失效的共性技術(shù)難題。各單位不斷進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，其技術(shù)方案新穎、實(shí)用性程度高。整體而言，國(guó)內(nèi)外對(duì)探測(cè)器芯片應(yīng)力失配問(wèn)題處理的研究，主要有三種技術(shù)解決路線。技術(shù)路線一，采用基板剛性補(bǔ)強(qiáng)芯片，如CN107221566A、CN107665865A、CN102117816A。技術(shù)路線二，采用高分子材料貼附緩解芯片應(yīng)變，如CN110634991A、CN105870097A。技術(shù)路線三，在芯片加工過(guò)程中晶片表面設(shè)置應(yīng)力釋放圖案，如CN1988166A、CN107978654A、CN114300582A。三種技術(shù)路徑各有好處，前二種方法的思路是芯片加固，增加了輔助結(jié)構(gòu)材料，制造工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，器件整體更復(fù)雜。第三種方法的技術(shù)路線不改變器件總結(jié)構(gòu)，通過(guò)在芯片上設(shè)置釋放圖案來(lái)釋放芯片應(yīng)力。方案分為設(shè)置應(yīng)力釋放點(diǎn)、應(yīng)力釋放槽和應(yīng)力釋放環(huán)等三種，下面進(jìn)行分析。

表1 探測(cè)器芯片應(yīng)力失配高價(jià)值專利文獻(xiàn)列表

2 三種專利技術(shù)分析

前述“在芯片加工過(guò)程中表面設(shè)置應(yīng)力釋放圖案”的技術(shù)路線，根據(jù)芯片表面應(yīng)力釋放的目的、思路不同，采取了應(yīng)力釋放點(diǎn)、應(yīng)力釋放槽和應(yīng)力釋放環(huán)三種方法。CN1988166A、CN107978654A、CN114300582A中的這些方法充分利用了微電子精細(xì)加工設(shè)備和能力，并同步開發(fā)了產(chǎn)品制造工藝。實(shí)施前，要控制工藝加工精度，對(duì)可能帶來(lái)的有效光敏源面積、探測(cè)效率的損失進(jìn)行全面評(píng)估、綜合設(shè)計(jì)。文中諸圖引自相應(yīng)的說(shuō)明書附圖。目前，紅外探測(cè)器像元間距已經(jīng)縮小至10 μm以內(nèi)，陣列規(guī)模越來(lái)越大，因此需要根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的技術(shù)方案。

2.1 應(yīng)力釋放點(diǎn)方案

應(yīng)力釋放點(diǎn)方案，作為硅襯底與碲鎘汞外延薄膜之間熱失配問(wèn)題的解決辦法，由CN1988166A提出。該方案首先在碲鎘汞外延薄膜上形成的光敏元列陣上，每10～20個(gè)光敏元間設(shè)置隔離區(qū)；然后，通過(guò)等離子體干法刻蝕在隔離區(qū)面上形成的局部應(yīng)力釋放小孔。小孔深度為碲鎘汞外延薄膜的厚度，小孔內(nèi)表面置有鈍化層，小孔尺度小于有效光敏元面積的1%。

圖1、圖2是應(yīng)力釋放點(diǎn)方案的縱剖面和俯視結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，1為硅襯底，2為碲鎘汞外延薄膜2，3為光敏元列陣，4為小孔。該方案需要在小孔精密加工時(shí)嚴(yán)格控制刻蝕速度、時(shí)間、深度等工藝參數(shù)，最大程度避免周圍材料損傷和影響信號(hào)收集面。該方案在一種像元數(shù)320×240硅基碲鎘汞紅外焦平面列陣器實(shí)測(cè)結(jié)果為：芯片抗“室溫—液氮溫度77 K”溫度循環(huán)沖擊能力提升10倍，由10次提升至100次。

圖1 應(yīng)力釋放點(diǎn)方案的縱剖面示意圖

圖2 應(yīng)力釋放點(diǎn)方案的俯視示意圖

2.2 應(yīng)力釋放槽方案

應(yīng)力釋放槽方案，作為大面陣凝視型碲鎘汞焦平面探測(cè)器芯片的應(yīng)力釋放方法，由CN107978654A提出。方案通過(guò)采用電感耦合等離子體，在芯片上刻蝕碲鎘汞淺溝槽陣列。通過(guò)刻蝕速率和時(shí)間，控制刻蝕深度小于吸收層厚度，刻蝕寬度小于像元間隔寬度，確?？涛g淺槽位置介于某兩個(gè)N形區(qū)域之間。該方案的核心是，隔離槽位置和深度的控制，防止引入新的影響因子。圖3、圖4是應(yīng)力釋放槽方案的縱剖面和俯視結(jié)構(gòu)示意圖。實(shí)例是一款百萬(wàn)像素級(jí)的碲鎘汞凝視焦平面探測(cè)器芯片，面陣規(guī)格為1 280×1 024。中心距為25 μm，刻蝕深度為1 μm～2 μm。單個(gè)淺槽為十字形，共計(jì)16個(gè)。實(shí)測(cè)結(jié)果為：經(jīng)歷多次開關(guān)機(jī)溫度沖擊(77 K到室溫)未發(fā)現(xiàn)芯片碎裂。說(shuō)明應(yīng)力釋放槽方案對(duì)大面陣芯片應(yīng)力釋放起到明顯作用。

圖3 應(yīng)力釋放槽方案的縱剖面示意圖

圖4 應(yīng)力釋放槽方案的俯視示意圖

2.3 應(yīng)力釋放環(huán)方案

應(yīng)力釋放環(huán)方案，作為碲鎘汞芯片加工缺陷和工作負(fù)載中芯片因應(yīng)力引起裂紋問(wèn)題的解決辦法，由CN107978654A提出。方案采用光刻膠圖案保護(hù)、去除，通過(guò)濕法腐蝕的工藝手段，在碲鎘汞芯片成像區(qū)周邊蝕刻產(chǎn)生至少一圈邊框圖案的凹槽。這個(gè)閉合的邊框槽，會(huì)將劃片時(shí)崩邊產(chǎn)生的微裂紋隱患有效阻在碲鎘汞芯片的有效成像區(qū)域外，從而阻斷了斷裂紋向感光功能核心區(qū)擴(kuò)展。閉合邊框凹槽理想的設(shè)計(jì)寬度為15 μm、正面刻蝕深度為20 μm、背面刻蝕深度為碲鎘汞芯片外延層厚度。圖5是應(yīng)力釋放環(huán)正面刻蝕方案的俯視圖。圖6是應(yīng)力釋放環(huán)背面刻蝕方案的俯視圖。圖中：1為讀出電路，2為碲鎘汞芯片，3為有效成像區(qū)，4為邊框凹槽。該方案需要在邊框凹槽加工時(shí)，嚴(yán)格控制刻蝕速度、時(shí)間等工藝參數(shù)，以控制開槽的深度和寬度。實(shí)測(cè)結(jié)果為：在碲鎘汞芯片正面開槽后產(chǎn)生裂紋比從84.7%降低至4.85%。雙面開槽，良率提升更多。

圖5 應(yīng)力釋放槽正面刻蝕方案的俯視示意圖

圖6 應(yīng)力釋放槽背面刻蝕方案的俯視示意圖

3 薄膜沉積緊固帶方案

某公司生產(chǎn)的中波640×512/15 μm探測(cè)器有效像元率已經(jīng)達(dá)到99.99%[7]。然而，紅外敏感材料的某些缺陷，只有在芯片加工工藝過(guò)程中，甚至是測(cè)試表征后才能凸顯。上述三種方案在避免或最小化損失碲鎘汞焦平面探測(cè)器芯片有效光敏面前提下，考慮到溫度循環(huán)沖擊、殘余應(yīng)力釋放等因素，采用離子束干法刻蝕、化學(xué)濕法刻蝕等工藝[8-9]實(shí)施“減法”，在芯片表面不同位置設(shè)置圖案緩沖、釋放工作中殘生的應(yīng)力破壞，實(shí)驗(yàn)結(jié)果改進(jìn)明顯。但無(wú)論上述三種 “減法型”微加工如何精準(zhǔn)，刻蝕工藝中仍不可避免在芯片晶面上產(chǎn)生破壞，引起新裂紋產(chǎn)生的未知風(fēng)險(xiǎn)。因此，受益于半導(dǎo)體微加工工藝進(jìn)步，本文提出一種“加法型”技術(shù)新方案——薄膜沉積緊固帶方案。

本方案實(shí)施過(guò)程是在碲鎘汞焦平面探測(cè)器芯片制備工序中，選擇采用一種機(jī)械附著力、硬度以及化學(xué)穩(wěn)定性比較高的材料作為增強(qiáng)薄膜材料[10]，在光敏面外的死區(qū)之間設(shè)計(jì)合適的易加工邊框圖案，通過(guò)光刻保護(hù)、去除，結(jié)合采用濺射方法或真空磁濺射方法、真空熱蒸發(fā)方法，將薄膜沉積制備添加固化于芯片光學(xué)非感光“死區(qū)”表面。新沉積的固態(tài)膜，作為芯片溫度循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變抗沖擊的形變緩沖緊固帶。工程中可通過(guò)有限元仿真、牢固度認(rèn)證實(shí)驗(yàn)等方法，設(shè)定合適的邊框圖案厚度、寬度、形狀等幾何參數(shù)，以及薄膜沉積溫度、真空度、轉(zhuǎn)速、沉積速率等工藝參數(shù)進(jìn)行制備加工。考慮到芯片整體尺寸一般為幾十微米，薄膜厚度一般控制在低于芯片尺寸兩個(gè)數(shù)量級(jí)，如0.5 μm，緊固帶可以采用復(fù)數(shù)線條、矩形帶框、間隔線束框等形狀，其中以封閉圖案最為常見。這種方法實(shí)質(zhì)上等同“(局部)貼膜保護(hù)屏幕”。

歸一化探測(cè)率D*常被用于描述不同紅外探測(cè)器的性能優(yōu)劣，比探測(cè)率D更客觀[11]。D*實(shí)質(zhì)上就是探測(cè)器單位面積Ad、單位放大器帶寬Δf、單位輻射功率下的信噪比。公式(1)中，NEP為等效噪聲功率。探測(cè)器性能表征因子NEP是探測(cè)率D的倒數(shù)，其值越小則探測(cè)器的性能越好。

(1)

本薄膜沉積緊固帶方案與未實(shí)施優(yōu)化方案相比歸一化探測(cè)率D*、探測(cè)器單位面積Ad、單位放大器帶寬Δf、單位輻射功率下的信噪比均不發(fā)生變化。因此本方案在帶來(lái)器件機(jī)械性能提升的同時(shí)，并未損害器件的電學(xué)特性。這一點(diǎn)而言，本方案優(yōu)于現(xiàn)有其他技術(shù)方案。進(jìn)一步結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可以通過(guò)有限元法進(jìn)行熱應(yīng)力分析來(lái)選擇合適的薄膜沉積材料。表2是本文所及四種方案的比較。

表2 四種晶片表面設(shè)置應(yīng)力釋放圖案方案比較

在大面陣探測(cè)器芯片制備工藝中薄膜沉積緊固帶方案，還具有芯片表面應(yīng)力監(jiān)測(cè)的作用。由于諸如襯底沉淀相延伸到外延產(chǎn)生孔洞缺陷，這些外延缺陷將在芯片上形成壞點(diǎn)或團(tuán)簇。工藝上HgCdTe外延材料表面不良率難以完全杜絕，因此測(cè)試表征中仍可能發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。薄膜沉積緊固帶由于生長(zhǎng)材料和工藝、形狀不同，斷裂強(qiáng)度也不同。若后序工藝過(guò)程中緊固帶斷裂，則說(shuō)明膜層受應(yīng)力形變過(guò)大，從而得知此時(shí)該處的應(yīng)力值。文獻(xiàn)記載的幾種有限元參考模型中，芯片最大Von Mises等效應(yīng)力在60 MPa上下[12]。這個(gè)應(yīng)力值可以與計(jì)算預(yù)知的溫度循環(huán)中HgCdTe的斷裂強(qiáng)度閾值相比，如這個(gè)應(yīng)力值比閾值高，則需調(diào)整結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或前序工藝參數(shù)，或需通過(guò)后續(xù)工藝調(diào)整器件應(yīng)力分布，以提高器件成品率、膜層均勻性。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文采用了專利文獻(xiàn)挖掘技術(shù)，研究了在惡劣工作環(huán)境中碲鎘汞焦平面探測(cè)器芯片失效的解決方案，歸納出基板剛性補(bǔ)強(qiáng)芯片、高分子材料黏附、晶片表面設(shè)置應(yīng)力釋放圖案三種技術(shù)路線。由于微電子加工工藝越來(lái)越精細(xì)，重點(diǎn)研究了晶片表面設(shè)置應(yīng)力釋放圖案的三種“減法型”思路的具體工程實(shí)現(xiàn)：設(shè)置應(yīng)力釋放點(diǎn)、應(yīng)力釋放槽和應(yīng)力釋放環(huán)?；谝阎こ虇?wèn)題，本文提出“加法型”思路的薄膜沉積緊固帶方案工程實(shí)現(xiàn)方法。這種新方法與未實(shí)施優(yōu)化方案相比，在不降低器件電學(xué)特性的前提下提升了探測(cè)器芯片結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。與三種“減法型”方案相比，取得結(jié)構(gòu)性能提升的同時(shí)，不引入新應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。此外，新方法還帶來(lái)應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警功能，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、調(diào)整工藝或采取規(guī)避措施以提高芯片可靠性。今后可以結(jié)合探測(cè)器芯片由“背照式”向“前照式”的發(fā)展，以及晶片材料改變、優(yōu)化等因素，進(jìn)一步完善優(yōu)化。