紅外焦平面硅基通孔加工及電極互連技術(shù)

摘 要： 通過硅通孔技術(shù)實(shí)現(xiàn)紅外焦平面電極垂直互連，提高像元占空比，縮短了互連引線長度，降低了信號延遲。用單晶硅濕法刻蝕方法形成通孔，利用直寫技術(shù)將耐高溫Ag-Pd導(dǎo)體漿料填充通孔，實(shí)現(xiàn)紅外焦平面陣列底電極與硅基片背面倒裝焊凸點(diǎn)互連。
關(guān)鍵詞： 紅外焦平面； 硅通孔；倒裝焊；垂直互連；直寫技術(shù)

混合式紅外焦平面探測器在軍事上有著重要的應(yīng)用[1]。目前，國內(nèi)相關(guān)的器件研制還不太成熟，其中一個重要的原因就是絕熱層結(jié)構(gòu)、電互連可靠性等工藝實(shí)現(xiàn)困難[2]。為改變紅外焦平面陣列倒裝互連工藝?yán)щy的狀況，本文設(shè)計了微型通孔加工及電極互連工藝，即在硅讀出電路上進(jìn)行紅外焦平面陣列倒裝互連。微電子機(jī)械技術(shù)進(jìn)步帶動了混合式紅外焦平面探測器向小型化、集成化、低成本、高可靠的方向發(fā)展，3-D MCM封裝的關(guān)鍵技術(shù)是IC芯片的垂直互連工藝。硅通孔垂直互連技術(shù)作為信號線的引出方式能較好地解決信號延遲這一問題，系統(tǒng)的寄生電容、引線電阻顯著減小，從而使系統(tǒng)的總功耗降低30%左右[3]，增加電氣性能的同時減小器件的尺寸和重量[4]。采用BN-303紫外光刻膠圖像反轉(zhuǎn)的剝離工藝，深硅刻蝕實(shí)現(xiàn)的貫穿硅通孔技術(shù)，可以滿足紅外焦平面探測器中底電極與引線制備工藝。用于混合式紅外焦平面探測器電互連的微金屬柱較一般器件中金屬引線薄膜厚度要大得多，厚度超過100 μm。由于濺射和蒸發(fā)電極屬于表面工藝，小尺寸結(jié)構(gòu)側(cè)壁金屬粒子附著差，即使采用正膠剝離工藝，膠膜厚度要達(dá)到金屬電極薄膜厚度的幾倍，而膠厚的增加勢必降低光刻分辨率，這就無法滿足微柱線寬小、電極厚度高的要求，電互連不可靠，也不經(jīng)濟(jì)。通孔制備與導(dǎo)電漿料填注通孔電極互連技術(shù)是混合式紅外焦平面探測器制備技術(shù)新的思路。
1 焦平面倒裝焊、互連設(shè)計
混合式焦平面探測器由鐵電材料敏感像元陣列和CMOS讀出電路芯片倒裝焊電極構(gòu)成。紅外焦平面探測器像元自下而上由硅襯底、絕熱結(jié)構(gòu)、下電極、熱釋電層、上電極和吸收層組成。厚膜結(jié)構(gòu)的探測器在下電極和基底之間加入低熱導(dǎo)率的多孔SiO2作為絕熱層。采用鈦酸鍶鋇（BST）厚膜制備熱釋電紅外探測器，熱釋電厚膜紅外探測器的靈敏度主要取決于材料熱釋電系數(shù)和襯底熱阻，熱阻越大，靈敏度就越高。
目前國內(nèi)外普遍采用像元/襯底間懸空結(jié)構(gòu)[5]，該措施絕熱效果最佳，像元能承受的過載加速度有限，工藝復(fù)雜。具有“桌形”絕熱框架支撐的微橋結(jié)構(gòu)像元，減小了微橋的熱導(dǎo)率，提高像元的結(jié)構(gòu)可靠性。本文設(shè)計像元尺寸為200 μm×200 μm，其中Si層厚240 μm；SiO2層厚1μm；上下Pt/Ti電極層厚0.1μm；BST層厚10 μm；上電極Pt/BST層寬200 μm；微橋/下電極Pt寬300 μm。鐵電材料的作用是將紅外輻射轉(zhuǎn)變成電信號，倒裝焊電極將電信號與集成讀出電路連接，將每個探測元的信號讀出，變空間分布的電信號為時序信號，以便于實(shí)現(xiàn)凝視熱成像，微橋結(jié)構(gòu)與電極互連如圖1所示。

倒裝焊技術(shù)在混合式紅外焦平面探測器中的應(yīng)用如下：如圖2所示的包含16×16個像元的面陣，每個像元單元至少有一個電輸入或輸出引腳與邏輯處理電路輸入焊盤一一對應(yīng)，專用CMOS集成電路芯片信號引線連接，僅在幾平方毫米的區(qū)域中要利用引線鍵合的方式來實(shí)現(xiàn)這上百個輸入和輸出端口根本是不可能的，倒裝焊卻完全能夠勝任，硅基片微型通孔進(jìn)行電信號的傳輸，有助于減小基片單面布線的復(fù)雜程度，提高陣列器件的排列密度。

目前，商業(yè)化的紅外探測器陣列組件的光敏芯片和讀出電路是分開制備的。在讀出電路表面制備與探測器芯片電極一一對應(yīng)的銦柱，互連時把探測器芯片上的電極與讀出電路上的銦柱面對面一一對準(zhǔn)，通常采用重疊影像的方式來實(shí)現(xiàn)對準(zhǔn)，壓焊在一起。
2 硅基片微型通孔加工技術(shù)
目前主要有四種不同的硅通孔互連制作技術(shù)[6]：濕法刻蝕、激光加工、深層等離子體刻蝕和光輔助電化學(xué)刻蝕。光輔助電化學(xué)刻蝕可以制造的最小孔徑很小，但由于其內(nèi)壁比較粗糙給電絕緣層的制作帶來很多不便；激光打孔是串行操作，加工效率低，更重要的是孔和孔之間相對位置的精確度完全靠進(jìn)給機(jī)構(gòu)保證，在孔陣列加工時易產(chǎn)生累積誤差。光刻工藝加工孔陣列是并行的，可以同時加工出陣列中所有的孔，孔和孔之間相對位置的精確度取決于光刻模板設(shè)計的精度以及光刻時的傳遞精度，是加工大規(guī)?？钻嚵袝r的首選方案。深層等離子體刻蝕工藝制作的通孔內(nèi)壁平滑，對硅片的機(jī)械及物理損傷最小，是制作硅通孔的最佳選擇之一，但其制作成本較高，僅限用于高密度、小尺寸、深寬比較大的硅基片微型通孔加工；濕法刻蝕是最常規(guī)的一種方法，能夠比較好地對刻蝕過程進(jìn)行控制。用于混合式紅外焦平面探測器導(dǎo)電通孔，孔徑為30 μm~100 μm。不同器件對硅基片的厚度有不同的要求，常見的硅基片的厚度小于300 μm，因此硅基片微型通孔的深寬比一般為幾到幾十[7]。
KOH溶液的濕法刻蝕是一種低刻蝕溫度、低制造成本且適合于批量生產(chǎn)的硅通孔制作工藝。此方法簡便易行，而且濕法刻蝕設(shè)備是半導(dǎo)體加工和微細(xì)加工常見而且必備的設(shè)備。由于KOH溶液對硅單晶的各向異性腐蝕特性，這使得刻蝕出的通孔實(shí)際上是倒金字塔形，孔壁不與硅片表面垂直，且（111）晶面與（100）晶面間的夾角為54.74°。這就造成通孔兩端尺寸差別很大，在硅片背面會被占去很大部分的面積，硅通孔的表面上窗口寬度Wa=Wb+2Lctg54.74°，其中Wb為底平面的寬度，L為腐蝕深度，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。因此，其制作的硅通孔為非垂直的且寬度較大，只能滿足低到中等引出端數(shù)封裝的要求。一般厚度為300 μm左右的硅片要采用雙面刻蝕的方式，提高硅表面利用效率，有利于改善通孔加工質(zhì)量。

單晶硅腐蝕用得最多的是四甲基氫氧化銨腐蝕液(簡稱TMAH)。TMAH腐蝕液去除沾污方便，且腐蝕速度也較快，對SiO2掩膜基本不腐蝕。TMAH與硅的反應(yīng)機(jī)理是，TMAH的水溶液與硅反應(yīng)，其反應(yīng)式為：
Si+2OH-+2H2O→ SiO2(OH)2-2+2H2↑
為了獲得TMAH優(yōu)化的腐蝕液配方和腐蝕條件，進(jìn)行了TMAH腐蝕液配方和溫度對硅刻蝕的影響的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)方法是首先在[100]晶向的硅片上生長一層氧化硅，然后光刻形成刻蝕窗口。將實(shí)驗(yàn)片放入不同配比腐蝕液和不同溫度中腐蝕30 min，然后用臺階測試儀測試腐蝕的深度，從而計算出腐蝕硅的速度。通過比較得到較好的TMAH腐蝕液配方和腐蝕溫度工藝如表1所示。

從表1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，這種配比的腐蝕液對[100]晶向的硅腐蝕速度較快,腐蝕效果較好，由于TMAH在與硅反應(yīng)中要釋放出氫氣，因此在腐蝕液中會產(chǎn)生氫氣泡，局部抑制了TMAH對硅接觸，造成局部腐蝕速度變慢，從而出現(xiàn)表面有金字塔形的小丘[8,9]。為了降低或消除這種金字塔形的小丘，在腐蝕液中加入異丙醇，利用異丙醇的揮發(fā)性盡快帶走反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣，抑制氫氣泡的產(chǎn)生，使腐蝕液腐蝕速度均勻，避免出現(xiàn)金字塔小丘的現(xiàn)象，異丙醇過量，硅表面發(fā)黑[10,11]。
由Technical University of Denmark[12]（丹麥技術(shù)大學(xué)）開發(fā)的，用KOH濕法刻蝕制作硅通孔的工藝，KOH溶液的濃度為25%、刻蝕溫度為80℃、刻蝕速率為1.25 μm/min。其開發(fā)的硅通孔互連的體電阻為40 mΩ、對硅襯底的寄生電容為2.5 pF，被設(shè)計應(yīng)用于高端便攜式產(chǎn)品的三維封裝中。斯坦福的CHOW E M等人[13]用雙面刻蝕的方式在厚400 μm的硅片上加工出直徑為20 μm的通孔，深寬比達(dá)20。
3 焦平面探測器陣列電極工藝
紅外焦平面探測器敏感元上、下電極的圖形化制備，通常采用金屬Pt作為底電極，由于沒有合適的溶液對它們進(jìn)行有效腐蝕的同時又不破壞保護(hù)層（即光刻膠），故采用剝離技術(shù)解決電極的圖形化問題[13]。
剝離技術(shù)（lift-off）是將Si/SiO2基片用標(biāo)準(zhǔn)的硅片清洗工藝進(jìn)行清洗，在襯底上涂覆一層較厚的光刻膠，光刻形成圖形；接著在其上濺射或蒸度淀積金屬薄層，存在窗口的地方金屬就會淀積到基底上。為了實(shí)現(xiàn)良好的金屬剝離，金屬膜厚不能超過剝離層膜厚的2/3[14]，同時光刻窗口的剖面必須整齊且形成下寬上窄的正“八”字圖形。Lift-off工藝制備Pt/Ti電極是在光刻工藝的基礎(chǔ)上增加了濺射或蒸度金屬膜和去膠工藝，流程如圖4所示。
圖5所示即為利用lift-off工藝得到的Si基Pt/Ti電極微細(xì)圖形，引線寬度為20 μm，厚度為100 nm。從圖中可以看出，線條邊緣較為齊整，總體缺陷較少。經(jīng)過后續(xù)工藝中加熱至800℃的測試證明，線條附著性良好，沒有出現(xiàn)翹邊等現(xiàn)象，電性能也滿足使用要求。

紅外焦平面探測器制作過程中，常常需要將陣列電極和信號處理電路連接，即要實(shí)現(xiàn)接觸孔的電互連結(jié)構(gòu)，在接觸孔和上層傳感器結(jié)構(gòu)之間建立一個金屬互連柱。采用剝離技術(shù)來制作金屬互連柱是不可行的，實(shí)驗(yàn)證明：金屬電極剝離技術(shù)是平面工藝，濺射或蒸發(fā)制備金屬薄膜臺階覆蓋能力差，互連金屬柱高小于2.0 μm，孔、槽內(nèi)壁金屬薄膜生長能力差，不能滿足電性能互連。
4 微型筆直寫技術(shù)制備電極互連
紅外焦平面陣列探測器大規(guī)模集成，小批量生產(chǎn)，現(xiàn)有的互連工藝不能滿足要求。器件的不斷小型化要求互連線更窄、芯片的集成度更高，互連導(dǎo)線出現(xiàn)短路或者斷路的幾率明顯加大，產(chǎn)品廢品率大幅度上升。目前，紅外焦平面陣列探測器電極互連布線最有可能使用的工藝有：(1)厚膜絲網(wǎng)印刷工藝；(2)Fodel光刻成圖技術(shù)；(3)微型筆直寫技術(shù)。
厚膜絲網(wǎng)印刷工藝指使用漏網(wǎng)或掩模按照給定的圖案有選擇地沉積厚膜材料，形成電路的制備技術(shù)。目前厚膜集成電路工藝已達(dá)到線寬/間距150~200 μm，印刷厚膜電路使用的漿料，其主要成分為金、銀、鉑、鈀等，一般來說掩模制作周期長，費(fèi)用高；掩模一旦制成后，不能再修改，對于出現(xiàn)問題的電路板，也不易進(jìn)行修復(fù)。 Fodel光刻成圖技術(shù)是美國Dupont公司光敏漿料系列的一個品牌，是一種適合制造細(xì)線條、小間距導(dǎo)體材料的電子漿料。該電子漿料在普通的厚膜材料中加入光敏聚合物，使之可利用光致抗蝕原理，通過掩模紫外曝光，水顯影而獲得電路。采用Fodel材料及工藝可以制作通常要用昂貴的薄膜工藝方能制作的電路，該類材料有各類Au、Pt/Ag導(dǎo)電漿料,線寬/間距為20 μm~100 μm，燒結(jié)膜層厚度為5 μm~6 μm。微型筆直寫技術(shù)是一種新型的厚膜制備技術(shù)，它無需光刻、掩模制版等成膜工藝準(zhǔn)備過程，只要利用CAD的數(shù)據(jù)就可以在各種基板上直寫導(dǎo)體、電阻、電容等電子元器件，最小線寬30 μm[15]。
將傳統(tǒng)的激光熔覆技術(shù)與直寫技術(shù)相結(jié)合，提出了一種新的布線技術(shù)——激光微細(xì)熔覆柔性布線技術(shù)。該技術(shù)與傳統(tǒng)的厚膜電路工藝相比，具有精度高、工藝簡單靈活、制作周期短、無污染等優(yōu)點(diǎn)。該工藝具有產(chǎn)品研制周期短、工藝參數(shù)易控制、線條細(xì)密均勻且分辨率高、修改設(shè)計便捷、工藝更靈活更經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)[16]。
實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示，該系統(tǒng)由氣源、微型筆、計算機(jī)控制系統(tǒng)、工作臺和監(jiān)視系統(tǒng)等主要部件構(gòu)成。微型筆的工藝原理借鑒了注射成型的原理，把漿料腔內(nèi)的漿料擠壓出微型筆頭，并以注射式涂覆的方式在系統(tǒng)控制單元的控制下，將漿料直接沉積在基板上，從而得到預(yù)先設(shè)計的圖案。

直寫基片采用硅基板，導(dǎo)電漿料為自配置的高溫銀導(dǎo)體漿料，導(dǎo)線及電極選用方阻為4 mΩ的Ag-Pd導(dǎo)體漿料，黏度為300 Pa·s。激光器為波長1.07 μm連續(xù)Ytterbium光纖激光器，激光功率50 W以下連續(xù)可調(diào)，最小光斑直徑20 μm，掃描速度≥2 mm/s，實(shí)驗(yàn)主要工藝流程如圖7所示。線寬是衡量電路集成度的一個重要指標(biāo)。激光直寫工藝下導(dǎo)線理論最小線寬應(yīng)等于激光光斑的大小,本實(shí)驗(yàn)中所使用激光器最小聚焦光斑為20 μm，由于不可避免的激光熱區(qū)擴(kuò)散影響的存在，目前實(shí)驗(yàn)最小線寬可做到30 μm。除激光器本身光斑大小影響外，預(yù)置涂層厚度、激光功率和激光掃描速度對導(dǎo)體線寬有很大的影響。

厚膜電阻漿料最為常用的是Ag-Pd電阻漿料及釕系電阻漿料。其固態(tài)成分主要是:導(dǎo)電相、Ag-Pd或者二氧化釕及釕酸鹽；粘結(jié)相，硼硅酸鉛玻璃；少量為改善電阻漿料性能而添加的金屬氧化物，如Al2O3，MnO2等。其液態(tài)成分主要是有機(jī)粘合劑，如松油醇、乙基纖維素等，典型的燒成溫度850℃。激光掃描的作用主要是實(shí)現(xiàn)初步的附著，而要想最終得到性能穩(wěn)定、結(jié)合牢靠的電阻還需要利用傳統(tǒng)的高溫?zé)Y(jié)方法回爐中燒結(jié)。
　 微型筆直寫互連導(dǎo)線微觀形貌與導(dǎo)電通孔示意如圖8所示，線條清晰均勻[17]。經(jīng)測試，導(dǎo)體附著完整，與傳統(tǒng)工藝制備的導(dǎo)體相當(dāng)，可滿足工業(yè)實(shí)際要求。電氣性能優(yōu)良，方阻<6 mΩ，可滿足市場要求，可焊性好。成分相似的漿料制備的導(dǎo)體導(dǎo)電性能區(qū)別不明顯，即導(dǎo)電性的衡量參數(shù)-方阻值主要取決于漿料本身。目前激光直寫導(dǎo)體厚度2~10 μm，可做到的最小線寬/間距為30 μm/30 μm，微型筆直寫灌注Ag-Pd電子漿料及釕系電子漿料填充微通孔相對經(jīng)濟(jì)適用。

探測器噪聲強(qiáng)度取決于互連線中信號傳輸?shù)臒嵩肼暫突ミB線阻抗不均勻或與功能塊的阻抗不匹配產(chǎn)生的反射噪聲。微型通孔垂直互連技術(shù)是一個實(shí)現(xiàn)互連線長度最短的封裝形式，由于減少了互連線的長度，因此也減少了噪聲，改善信號延遲。
與傳統(tǒng)封裝相比，微型通孔垂直互連技術(shù)可使系統(tǒng)尺寸與重量降低到原來的1/40～1/50；提高了硅片的使用效率，與平面引線互連比較，效率從50%提高90％。硅通孔互連技術(shù)提高硅片表面應(yīng)用效率，提高像元占空比，減小紅外焦平面尺寸和體積，改善信號延遲、降低噪聲和功耗。硅通孔互連技術(shù)依然面臨更小通孔的制作、通孔內(nèi)無缺陷金屬化和互連線與硅襯底電絕緣的形成等技術(shù)上的挑戰(zhàn)，通過改善工藝，硅通孔互連技術(shù)能為混合式紅外焦平面陣列電極互連提供更優(yōu)的解決方案。
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