CN103022246B - 基于选择性湿法腐蚀工艺的碲镉汞探测器的衬底去除技术 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于碲镉汞红外探测器衬底去除技术中的选择性湿法腐蚀工艺方法，该方法是在红外光敏感芯片和读出电路在冷压混成互连后，采用高选择比的无机酸腐蚀液，通过湿法腐蚀工艺，完全腐蚀衬底留下外延层，以展宽探测波段至可见光，减小衬底与读出电路间热应力失配导致的损伤，消除衬底荧光效应，从而提高探测器性能和模块的可靠性。本发明方法操作简单，便于在工艺上实现。

Description

基于选择性湿法腐蚀工艺的碲镉汞探测器的衬底去除技术

技术领域：

本发明专利涉及红外探测器制造工艺技术，具体涉及一种基于选择性湿法腐蚀工艺的碲镉汞探测器的衬底去除技术。

背景技术：

光伏型HgCdTe红外焦平面探测器通常采用混成互连的探测工作模式，探测器制备完成后，在表面生长铟柱阵列，然后采用倒装焊方式将探测器与读出电路进行互连组成红外焦平面探测器模块，由此可见，焦平面探测器为背照射式探测，衬底处于整个模块最上层，探测目标辐射通量透过探测器衬底层进入外延吸收层，光激发产生光生载流子后由内建电场收集并形成电信号。这样的混成互连致使探测器模块存在两方面的问题：首先，衬底和铟柱之间由于热应力不匹配，造成在低温工作时存在热失配，对外延薄膜造成损伤；其次，HgCdTe红外探测器常用的衬底材料主要有CdZnTe、GaAs以及Si，这三种衬底材料禁带宽度均大于HgCdTe，对应截止波长在可见光区域，所以HgCdTe红外探测器的响应光谱曲线会在1μm以下的可见光区域急剧下降，此范围内的光辐射被衬底吸收。

新一代红外焦平面探测器向着大面阵、长线列以及智能化方向发展。随着探测器尺寸的扩大以及光敏元集成度的不断提高，低温工作时不同层次结构之间的热应力失配越来越严重，会导致焦平面模块的可靠性逐渐降低。同时，在实际的HgCdTe红外探测器应用中，需要能够将探测器的透射光谱做到尽可能地展宽，使探测器的响应波段从中、短波红外波段一直延伸至可见光波段，这样单一的焦平面探测器就能够同时探测可见/红外区域，成为宽谱响应探测器，提高应用范围。但是，目前国内尚未见到有关碲镉汞红外焦平面探测器去衬底工艺的相关文献报道。

发明内容：

本发明的目的是提供一种针对碲镉汞红外探测器的高选择比的湿法腐蚀衬底去除方法，主要解决碲镉汞探测器的热应力失配问题。

为实现上述目的，本发明首先采用机械减薄抛光的方式，将探测器芯片衬底减薄至一定的厚度；然后采用化学湿法腐蚀，利用腐蚀液的高选择比，在将剩余衬底全部去除的同时保留外延层；衬底去除后界面会露出一层厚度不定的组分互扩散层，这时需要采用一定的表面处理方法，对外延层界面处的互扩散层进行去除以及表面平整化处理，将外延层界面做成镜面；最后进行掩模剥离，得到衬底完全去除的焦平面探测器模块。

上述技术方案的碲镉汞红外焦平面探测芯片的衬底去除方法如下：

1)采用机械减薄抛光，将红外焦平面探测器模块固定在特制玻璃板上，将衬底厚度减薄至250-350μm；

2)红外探测器模块清洗：使用三氯乙烯、乙醚、丙酮、异丙醇在室温下分别浸泡清洗各5分钟，确保模块表面没有异物残留，以上试剂均为MOS纯；

3)将模块贴在宝石片上，在模块上芯片衬底的四周涂掩膜保护电路图形以及引线区域；

4)选择性湿法腐蚀：将做好掩膜的焦平面模块用氟塑料螺钉夹在特制的夹具上，静置于两种无机酸以及去离子水以一定比例配成的混合腐蚀液中腐蚀，随时观测衬底状况，直至芯片衬底完全被去除，表面呈现花斑颜色，将模块从混合腐蚀液中取出，用去离子水浸洗5遍以上；

所述的混合腐蚀液的配比为：硝酸15-25ml，氢氟酸10-20ml，去离子水55-65ml；

5)再将模块浸入室温的高锰酸钾溶液中，轻轻晃动，直至芯片背面完全变亮，将模块从溶液中取出，在室温下用去离子水浸洗5遍以上；

所述的高锰酸钾溶液的浓度为：5%-10%；

6)用丙酮溶液去除模块的掩膜保护层，再用酒精或异丙醇清洗。

本发明的优点是：巧妙地通过高选择比的湿法腐蚀液，完全去除HgCdTe红外焦平面器件的衬底，能避免腐蚀液对外延层造成损伤。这种选择性湿法腐蚀方法，具有工艺简单、操作便捷、稳定性高和选择性腐蚀效果好的特点。

附图说明：

图1是：去衬底工艺技术路线图。

图2是：衬底去除前后碲镉汞红外焦平面探测器剖面，其中：图(a)采用混成互连模式的探测器剖面图，图(b)去除衬底之后的探测器剖面图。

图3是：衬底去除前后的短波器件样品在可见光波段的响应光谱对比。

具体实施方式：

下面结合附图，以采用GaAs作为衬底的探测器为例，对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明：

1.利用倒装焊的方法，将红外光敏感芯片和读出电路进行互连，图2（a）为互连后的探测器剖面示意图，然后对铟柱的空隙进行充胶。

2.采用机械减薄的方式，将探测器芯片衬底减薄至300μm。

3.将模块贴在干净空白的宝石片上，利用一种流动性能理想的胶对探测器芯片背面以外的地方进行涂胶保护。然后将涂好掩膜的器件置于干燥烤箱内烘烤，确保其完全干透。其中烘烤温度为55℃，时间为8分钟。

4.配制选择性腐蚀液，腐蚀液选用硝酸/氢氟酸/去离子水，配比为：20ml：15ml：60ml，并用玻璃棒充分搅拌使其混合均匀。然后将做好掩膜的焦平面模块用氟塑料螺钉夹在特制的夹具上，静置于混合均匀的腐蚀液中，随时观测衬底状况，直至芯片衬底完全被去除，表面呈现花斑颜色，整个腐蚀过程耗时2小时25分钟，将模块从混合腐蚀液中取出，用纯度为18M的去离子水浸洗5遍以上。然后配制浓度为7.5%的高锰酸钾溶液，这种溶液起到了一定的化学抛光作用，可去除腐蚀后芯片背面形成的花斑状物质。将该溶液置于室温水浴中，再将模块浸入腐蚀抛光液中，轻轻晃动，直至芯片背面完全变亮，将模块从混合腐蚀液中取出，用纯度为18M的去离子水浸洗5遍以上。其中腐蚀抛光的时间为12秒。

5.利用丙酮溶液去除步骤3中的掩膜材料，然后用酒精溶液对整个器件进行清洗，确保探测器芯片背面没有残留物质。图2（b）为衬底去除后的探测器剖面图。

图3为衬底去除前后的短波器件样品在可见光波段的响应光谱对比。从图中可以看出，衬底去除前探测器的响应光谱在1μm以下的可见光区域急剧下降，此范围内的光辐射全部被吸收。从图中还可以看出，衬底完全去除后探测器的响应光谱从红外波段一直延伸到可见光波段。这表明衬底去除能将探测器的透射光谱展宽，使探测器的响应波段从中短波红外波段一直延伸至可见光波段，这样单一的焦平面探测器就能够同时探测可见/红外区域，成为宽谱响应探测器，从而提高了应用范围。

Claims (1)

1.基于选择性湿法腐蚀工艺的碲镉汞探测器的衬底去除方法，其特征在于包括以下步骤：

1)采用机械减薄抛光，将红外焦平面探测器模块固定在特制玻璃板上，将衬底厚度减薄至250-350μm；

2)红外焦平面探测器模块清洗：使用纯度为MOS级的三氯乙烯、乙醚、丙酮、异丙醇在室温下分别浸泡清洗各5分钟，确保红外焦平面探测器模块表面没有异物残留；

3)将红外焦平面探测器模块贴在宝石片上，在红外焦平面探测器模块上芯片衬底的四周涂掩膜保护电路图形以及引线区域；

4)选择性湿法腐蚀：将做好掩膜的红外焦平面探测器模块用氟塑料螺钉夹在特制的夹具上，静置于两种无机酸以及去离子水以一定比例配成的混合腐蚀液中腐蚀，随时观测衬底状况，直至芯片衬底完全被去除，表面呈现花斑颜色，将红外焦平面探测器模块从混合腐蚀液中取出，用去离子水浸洗5遍以上；

所述的混合腐蚀液的配比为：硝酸15-25ml，氢氟酸10-20ml，去离子水55-65ml；

5)再将红外焦平面探测器模块浸入室温的5％-10％高锰酸钾溶液中，轻轻晃动，直至红外焦平面探测器模块芯片背面完全变亮，将模块从溶液中取出，在室温下用去离子水浸洗5遍以上；

6)用丙酮溶液去除红外焦平面探测器模块的掩膜保护层，再用酒精或异丙醇清洗。