CN107907812B - 一种碲镉汞红外焦平面探测器的失效分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碲镉汞红外焦平面探测器的失效分析方法。先将碲镉汞红外焦平面探测器中的碲镉汞红外光敏芯片与读出电路用切割的方式进行分离，通过宝石电极基板对碲镉汞红外光敏芯片进行电流电压测试；保护不需要观测的结构，对碲镉汞红外焦平面探测器的衬底去除后露出碲镉汞表面，用配制的腐蚀液逐层腐蚀碲镉汞，观察碲镉汞结区、钝化层及倒焊等界面，与焦平面测试结果和电流电压测试结果进行对比，获取器件失效的工艺原因。采用该方法可以对成型后的碲镉汞红外焦平面探测器的性能失效进行逆向工艺分析，对碲镉汞进行逐层腐蚀逐层观测，定位失效的工艺原因，从而改进工艺，进一步提高器件的成品率。

Description

一种碲镉汞红外焦平面探测器的失效分析方法

技术领域

本发明涉及碲镉汞红外焦平面探测器，具体是指一种碲镉汞红外焦平面探测器的失效分析方法，主要对成型后的碲镉汞红外焦平面探测器的性能失效进行工艺分析，定位器件性能失效的工艺原因。

背景技术

碲镉汞红外焦平面探测器主要用于红外探测领域，获取物体的红外信息，对信息进行处理，在空间对地观测、精确制导等民用和军用领域有着广泛的应用。

作为红外探测系统中的核心组成部分，碲镉汞红外焦平面探测器的高性能、低成本成为发展的重要目标。碲镉汞红外焦平面探测器从材料制备到器件完成涉及几十道工序，各个工序的工艺控制对碲镉汞器件的性能有着不同的影响，目前获得高性能的碲镉汞器件的成品率仍然较低，准确定位影响器件性能的关键工艺成为提高器件成品率的重要方向。

碲镉汞红外焦平面探测器包括碲镉汞红外光敏芯片、硅读出电路和电极基板，其中碲镉汞红外光敏芯片是在衬底上外延碲镉汞薄膜，采用半导体工艺制备碲镉汞光敏芯片。碲镉汞红外光敏芯片的制备工艺主要包括湿法腐蚀、金属薄膜和介质薄膜生长、光刻、铟柱制备、倒焊互连、底充胶、减薄抛光等。成型的碲镉汞红外焦平面探测器结构有直接倒焊互连和间接倒焊互连两种，两种结构中碲镉汞红外光敏芯片均采用背入射的方式获取红外信息。在对碲镉汞红外焦平面探测器进行性能进行测试时，除了衬底裸露在外面，碲镉汞红外光敏芯片的大部分结构都无法直接进行观测，要对器件的性能失效进行分析，获得一种可以直观地观测各个工艺界面的方法具有重要意义。

在专利“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”(申请号：201210506767.2)中公开了一种用于碲镉汞红外探测器衬底去除的选择性湿法腐蚀工艺方法。基于该湿法腐蚀工艺，使得进一步对碲镉汞红外焦平面探测器中的碲镉汞红外光敏芯片进行分析成为可能。

发明内容

本发明的目的是提供一种碲镉汞红外焦平面探测器的失效分析方法，该方法可以对成型的碲镉汞红外焦平面探测器进行性能失效分析。

本发明中所述的一种碲镉汞红外焦平面探测器的失效分析方法，包括以下步骤：

1)碲镉汞红外光敏芯片21与读出电路22分离：从切割分离线24处切割宝石电极基板23，将碲镉汞红外光敏芯片21与读出电路22进行分离，通过宝石电极基板23上的光敏元端电极25和公共端电极26金属引线，对碲镉汞红外光敏芯片21进行低温电流电压测试；

2)样品保护：用光致抗蚀剂保护碲镉汞红外焦平面探测器不需要逐层腐蚀的部分，仅露出需要进行失效分析的碲镉汞红外光敏芯片21；

3)衬底去除：采用选择性湿法腐蚀工艺将碲镉汞红外焦平面探测器中碲镉汞红外光敏芯片(21)的衬底去除；

4)配置碲镉汞腐蚀液：将500毫升氢溴酸倒入玻璃烧杯中，抽取5毫升的溴在氢溴酸中搅拌混合均匀，将配制好的腐蚀液放入冰水混合物中冷却10～20分钟；

5)碲镉汞逐层腐蚀：将衬底去除的碲镉汞红外焦平面探测器放入腐蚀液中对碲镉汞进行逐层腐蚀，腐蚀液对碲镉汞的腐蚀速率约为2.5～3.5μm/min，每一层的腐蚀时间根据需要观察的界面进行选择；

6)在显微镜下对腐蚀表面进行观测，与探测器焦平面测试结果和电流电压测试结果进行对比，获取器件失效的工艺原因。

本发明的优点是：

1.本发明能够对成型后的碲镉汞红外焦平面探测器的性能失效进行逆向工艺分析，即在获得器件的性能测试结果后，对性能失效的光敏元针对性地进行逐层解剖分析。能观察到成型的碲镉汞红外焦平面探测器中碲镉汞材料的缺陷和碲镉汞pn结结区及各界面的工艺状态，进行焦平面探测器的工艺失效分析，定位失效的工艺原因(比如倒焊、钝化、金属化等)，从而改进工艺，进一步提高器件的成品率。

2.本发明所提供的失效分析方法可以用于GaAs基或者CdZnTe基的间接倒焊互连和直接倒焊互连碲镉汞红外焦平面探测器的失效分析。直接倒焊互连器件无法进行碲镉汞红外光敏芯片与读出电路的分离，可以直接进行衬底去除后逐层腐蚀碲镉汞，与焦平面测试结果对比进行失效分析。

附图说明

图1是碲镉汞红外焦平面探测器的失效分析方法的步骤图。

图2是间接倒焊互连器件的分离示意图，21为碲镉汞红外光敏芯片，22为读出电路，23为宝石电极基板，24为切割分离线，25为光敏元端电极，26为公共端电极。

图3是分离后不同编号光敏元的电流电压测试曲线，图a是偶数编号光敏元的电流电压测试曲线，图b是奇数编号光敏元的电流电压测试曲线。

图4是器件焦平面测试的电流响应率和电流电压测试中的零偏阻抗。

图5是逐层腐蚀碲镉汞的表面，图a为碲镉汞还有7～8微米时的腐蚀表面，图b为碲镉汞基本腐蚀完以后的表面。

具体实施方式

下面结合附图，以光敏元阵列为256×1的间接倒焊碲锌镉基碲镉汞红外焦平面探测器为实例对本发明的实施方式做详细说明：

本发明中所说的镉汞红外焦平面探测器的失效分析方法，主要步骤为：将256×1碲镉汞红外焦平面探测器的碲镉汞红外光敏芯片21与读出电路22采用Disco切割机切割宝石电极基板23进行分离，24为切割分离线；切割分离后带金属引线的宝石电极基板23和碲镉汞红外光敏芯片21一起与读出电路22分离，对光敏元端电极25和公共端电极26进行碲镉汞光敏芯片21的低温电流电压测试；各光敏元的测试结果如图3所示，从图3a和图3b的结果可以看到，部分光敏元的电流电压测试结果比其他光敏元要差很多。将电流电压测试中的零偏阻抗与器件焦平面测试的电流响应率进行比较，如图4所示，可以看到，电流响应率的下降与碲镉汞红外光敏芯片的电流电压测试变差是吻合的，说明失效发生在碲镉汞红外光敏芯片端。将碲镉汞红外光敏芯片不需要进行逐层腐蚀分析的地方用光致抗蚀剂保护起来；采用专利“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”(申请号：201210506767.2)中公开的衬底去除选择性湿法腐蚀工艺方法对衬底进行去除：将硝酸20ml和氢氟酸15ml倒入去离子水60ml中得到混合腐蚀液，将保护好的样品用氟塑料螺钉夹在特制的夹具上，放入混合腐蚀液中进行衬底腐蚀，直至衬底完全去除，放入去离子水中浸洗5遍。衬底腐蚀后，开始对碲镉汞红外光敏芯片21进行逐层腐蚀观测：将500毫升氢溴酸倒入玻璃烧杯中，抽取5毫升的溴在氢溴酸中搅拌混合均匀，将配制好的腐蚀液放入冰水混合物中冷却15分钟，将衬底去除的样品放入腐蚀液中对碲镉汞进行逐层腐蚀，混合腐蚀液对碲镉汞的腐蚀速率约为2.5～3.5μm/min，每一层的腐蚀时间根据需要观察的界面进行选择。碲镉汞红外光敏芯片逐层腐蚀的表面观测图如图5所示，图5a中的碲镉汞还存留7～8微米左右，图5b中的碲镉汞基本腐蚀结束，从图5a中看到，有的倒焊位置处出现亮凸点，从图5b中看到性能变差的光敏元在倒焊位置处的钝化层出现破损。将图5的逐层腐蚀结果与图4的焦平面测试结果及电流电压测试结果相对比，可以得出结论，性能较差的光敏元是由于铟柱高度偏高引起倒焊互连压力过大导致钝化层破损而造成的性能变差。在后续256×1碲镉汞红外焦平面探测器的制备中，通过提高铟柱的高度一致性和调整倒焊互连的压力后，解决了由于该两项工艺引起的性能失效，提高了探测器的成品率。

本发明的结果已经成功应用于间接倒焊互连256×1、间接倒焊互连400×1、直接倒焊互连512×512等规格的碲镉汞红外焦平面探测器的失效分析中，通过定位工艺失效原因，改进相关工艺，提高了焦平面探测器的成品率。

Claims (1)

1.一种碲镉汞红外焦平面探测器的失效分析方法，其特征在于包括如下步骤：

1)碲镉汞红外光敏芯片(21)与读出电路(22)分离：从切割分离线(24)处切割宝石电极基板(23)将碲镉汞红外光敏芯片(21)与读出电路(22)进行分离，通过宝石电极基板(23)上的光敏元端电极(25)和公共端电极(26)金属引线，对碲镉汞红外光敏芯片(21)进行低温电流电压测试；

2)样品保护：用光致抗蚀剂保护碲镉汞红外焦平面探测器不需要逐层腐蚀的部分，仅露出需要进行失效分析的碲镉汞红外光敏芯片(21)；

3)衬底去除：采用选择性湿法腐蚀工艺将碲镉汞红外焦平面探测器中碲镉汞红外光敏芯片(21)的衬底去除；

4)配置碲镉汞腐蚀液：将500毫升氢溴酸倒入玻璃烧杯中，抽取5毫升的溴在氢溴酸中搅拌混合均匀，将配制好的腐蚀液放入冰水混合物中冷却10～20分钟；

5)碲镉汞逐层腐蚀：将衬底去除的碲镉汞红外焦平面探测器放入腐蚀液中对碲镉汞进行逐层腐蚀，腐蚀液对碲镉汞的腐蚀速率约为2.5～3.5μm/min，每一层的腐蚀时间根据需要观察的界面进行选择；

6)在显微镜下对腐蚀表面进行观测，与器件焦平面测试结果和电流电压测试结果进行对比，获取器件失效的工艺原因。