Способ сборки фотоприемного устройства
Владельцы патента RU 2308787:
Федеральное государственное унитарное предприятие "НПО "ОРИОН" ФГУП "НПО "ОРИОН" (RU)
Изобретение относится к технологии сборки фотоприемных устройств ИК-диапазона и кремниевой БИС считывания, где актуальной проблемой является получение надежного гальванического соединения элементов фотоприемной матрицы и матрицы считывания. Сущность изобретения: в способе сборки фотоприемного устройства, включающем напыление слоя индия на полупроводниковые материалы, формирование индиевых столбов посредством процессов фотолитографии и последующее соединение матриц фоточувствительных элементов и кремниевой БИС считывания, слой индия для формирования столбов выполняют толщиной 8÷20 мкм, посредством высоковакуумного напыления на охлаждаемые (15-20°С) матрицы фоточувствительных элементов и кремниевой БИС считывания со скоростью 0,3÷1 мкм/мин. Изобретение позволяет повысить надежность соединения матрицы фоточувствительных элементов с матрицей кремниевой БИС считывания.
Изобретение относится к технологии сборки фотоприемных устройств, выполненных на основе полупроводниковых материалов.
Известно, что для увеличения надежности соединения элементов фотоприемной матрицы с матрицей кремниевой БИС при термоциклировании в диапазоне рабочих температур +60÷-196°С необходимо иметь суммарную высоту индиевых столбов не менее 20 мкм (Young-Ho Kim, Jong-Hwa Choi and et.al. «New Refrow Process for Indium Bump» SPIE Vol 3061, pp.60-67). Для получения столбов слои толщиной 10 мкм напыляют высоковакуумным испарением индия со скоростью 10 Å/сек. Такие слои имеют шероховатую поверхность, что препятствует прецизионному совмещению фотолитографической маски при формировании индиевых столбов химическим травлением. Кроме того, шероховатость поверхности приводит к уменьшению эффективной площади контактов при гибридизации. Поэтому авторы предлагают отказаться от метода химического травления индия через маску фоторезиста и формируют столбы переплавлением при 170°С индия, напыленного на маску фоторезиста с высотой стенок 30 мкм, нанесенную на поверхность кремниевой БИС считывания, в сферические капли.
Возможно, применение этой технологии оправдано при шаге элементов матрицы ˜70 мкм и позволяет получать сферические капли диаметром 20 мкм. Однако при шаге 30 мкм ожидаемая высота сфер, получаемых по этой технологии, будет значительно меньше (˜12 мкм), поскольку с уменьшением шага уменьшится площадь, с которой индий собирается в сферы. И для обеспечения надежной гибридизации потребуется формирование индиевых столбов на фотоприемной матрице.
Однако технология переплавления индия неприемлема для фоточувствительных элементов на основе узкозонных материалов из-за возможной деградации р-n-переходов при температуре 170°С.
Наиболее близким к изобретению является способ соединения кремниевой БИС считывания с матрицей фотоприемников, где в качестве элемента соединения используют двухслойные столбы из напыленного индия (А.Г.Клименко, В.Г.Войнов и др. Автометрия №4, 1998 г., РАН, Сибирское отделение, стр.105÷112). Столбы индия получают вакуумным выпариванием. Столбы формируют на кремниевой БИС считывания и матрице фотоэлементов из КРТ. Основание столбов высотой 5,5 мкм получают методом химического травления через маску фоторезиста. Однако верхняя часть столба выполняется напылением 10 мкм индия через свободную маску отверстий (предварительно совмещенную с матрицей), и из-за малейшего коробления маски или ее неплотного прилегания к шероховатой поверхности индия при шаге элементов матрицы 30 мкм возникают подпыления, приводящие к гальванической связи между столбами.
Следует отметить также, что, подчеркивая важность требований к структуре напыленного слоя индия, в известном способе умалчивается о режимах его формирования.
Задачей изобретения является повышение надежности соединения матрицы фоточувствительных элементов с матрицей кремниевой БИС.
Технический результат достигается тем, что способ сборки фотоприемного устройства включает напыление слоя индия на полупроводниковые материалы, формирование индиевых столбов посредством процессов фотолитографии и последующего соединения матрицы фоточувствительных элементов и кремниевой БИС считывания, при этом слой индия для формирования столбов выполняют толщиной 8÷20 мкм, посредством высоковакуумного напыления на охлаждаемые 15-20°С матрицы фоточувствительных элементов и кремниевой БИС считывания со скоростью 0,3÷1 мкм/мин.
Предлагаемый способ состоит в том, что напыление индия со скоростью 0,3-1 мкм/мин и температуре матриц фоточувствительных элементов и кремниевой БИС 15-20°С обеспечивает достаточно малую шероховатость поверхности при толщине слоя не менее 8 мкм, пригодную для прецизионного совмещения элементов матрицы и фотошаблона.
Выбор скорости напыления был сделан на основании результатов исследований по отработке режимов напыления индия. При проведении исследований установлено, что структура напыленных слоев зависит от температуры матрицы фоточувствительного элемента или матрицы кремниевой БИС, установленных на подложкодержателе, скорости осаждения, конструкции испарителя, подготовки поверхности и кристаллографической ориентации подложек.
Основным результатом проведенных исследований является то, что увеличение скорости напыления более 1 мкм/мин приводит к локальному перегреву поверхности и образованию капель на дефектах. Уменьшение скорости осаждения менее 0,3 мкм/мин способствует росту зернистой структуры, рассеивающей свет, что препятствует проведению прецизионного фотолитографического процесса формирования индиевых столбов химическим травлением.
Понижение температуры матрицы фоточувствительного элемента или матрицы кремниевой БИС, установленных на подложкодержателе, способствует росту зернистой структуры слоя индия. Так, при температуре матрицы фоточувствительных элементов или матрицы кремниевой БИС - 10°С получаются слои толщиной 10 мкм с размером зерна ˜1 мкм, наблюдаются характерные картины напряжений сжатия и, как следствие, плохая адгезия. С увеличением температуры подложкодержателя адгезия пленок возрастает, шероховатость уменьшается, однако повышается вероятность перегрева матриц и образование капель.
Изготовлена матрица 288×384 фоточувствительных элементов на основе эпитаксиального слоя КРТ с шагом 30 мкм и высотой столбов 12 мкм, полученных напылением индия со скоростью 0,5 мкм/мин и температуре подложкодержателя 18°С, сформированных химическим травлением через маску фоторезиста. Столбы имеют форму усеченной пирамиды с площадью основания 18×18 мкм и вершины 12×12 мкм.
Использование предлагаемого способа позволило надежно собирать фотоприемные устройства разного формата, в том числе с количеством элементов 288×384 и шагом 30 мкм, на основе эпитаксиальных слоев КРТ и кремниевой БИС считывания.
Способ сборки фотоприемного устройства, включающий напыление слоя индия на полупроводниковые материалы, формирование индиевых столбов посредством процессов фотолитографии и последующее соединение матриц фоточувствительных элементов и кремниевой БИС считывания, отличающийся тем, что слой индия для формирования столбов выполняют толщиной 8÷20 мкм, посредством высоковакуумного напыления на охлаждаемые (15-20°С) матрицы фоточувствительных элементов и кремниевой БИС считывания со скоростью 0,3÷1 мкм/мин.
