CN108987523A - 红外焦平面探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种红外焦平面探测器，其包括硅片衬底、复数个红外探测单元构成的红外探测器阵列、硅读出电路、以及复数个铟柱；红外探测器阵列设置于所述硅片衬底的其中一侧；复数个铟柱设置于红外探测器阵列和硅读出电路之间，将红外探测器阵列的每一红外探测单元和硅读出电路相连。本发明还提供一种红外焦平面探测器的制备方法。本发明的红外焦平面探测器不仅解决了现有的红外焦平面探测器由于红外探测器阵列和硅读出电路两部分的材料不同导致热膨胀系数不同引起的红外焦平面探测器使用寿命短，使用成本高的问题，而且其结构简单，易实现，制造成本低，且减少了对入射的红外辐射的反射和吸收，提高了进光量。
Description
本申请要求2017年06月05日提交中国专利局、申请号为201710414068.8、发明名称为“红外焦平面探测器及其制备方法”的中国发明专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
本申请涉及半导体技术领域，具体涉及一种红外焦平面探测器。本申请还涉及一种红外焦平面探测器的制备方法。
背景技术
红外焦平面探测器是一种同时实现红外信息的获取和进行信息处理的成像传感器，是热成像技术的核心部件，其在人们生活的各个领域都有广泛的应用。红外焦平面探测器可以分为制冷型和非制冷型两类，其中制冷型红外焦平面探测器由于其响应快、灵敏度高等特性而主要应用于在军事、航天等高精尖领域。
现有的制冷型红外焦平面探测器大多由制冷型红外探测器阵列和硅读出电路两部分通过铟柱倒装互连而成，制冷型红外探测器阵列由制冷式红外材料制成。红外焦平面探测器工作时的温度77k，而室温为300k左右，导致红外焦平面探测器每次工作时都将承受较大的温度变化。由于热膨胀系数不同，制冷型红外探测器阵列的变形和读出电路的变形不一致，导致铟柱与连接硅读出电路和制冷型红外探测器阵列的连接处产生一定的应力，铟柱易在连接处断裂，从而会致使探测器失效，影响其使用寿命，同时也提高了使用成本。
发明内容
本申请提供一种红外焦平面探测器，以解决现有的红外焦平面探测器上述的问题。
为解决以上技术问题，本申请提供一种红外焦平面探测器，包括硅片衬底、复数个红外探测单元构成的红外探测器阵列、硅读出电路、以及复数个铟柱；
优选地，所述红外探测器阵列设置于所述硅片衬底的其中一侧；所述复数个铟柱设置于所述红外探测器阵列和所述硅读出电路之间，将所述红外探测器阵列的每一红外探测单元和所述硅读出电路相连。
优选地，其特征在于，所述复数个红外探测单元的材料为锑化铟。
优选地，其特征在于，所述锑化铟为n型锑化铟。
优选地，还包括复数个UBM，所述复数个UBM位于所述红外探测器阵列中的每个红外探测单元与所述复数个铟柱中的每个之间，连接所述红外探测器阵列和所述复数个铟柱。
优选地，在所述硅片衬底远离所述红外探测器阵列一侧的表面还设置有增透膜和/或减反膜。
本申请还提供一种红外焦平面探测器的制备方法，包括：
提供形成有包含p型层和n型层叠层的红外探测器晶片，所述p型层和n型层相邻区域形成p-n结；
在所述红外探测器晶片的一侧粘结硅片衬底；
在所述红外探测器晶片相对于硅片衬底一侧生成包含复数个红外探测单元的红外探测器阵列；
将所述红外探测器阵列的红外探测单元通过铟柱与硅读出电路倒装互连，形成红外焦平面探测器。
优选地，提供形成有包含p型层和n型层叠层的红外探测器晶片，所述p型层和n型层相邻区域形成p-n结具体包括：
提供n型锑化铟晶片衬底；
在所述n型锑化铟晶片衬底的一侧通过离子注入或扩散的方法形成p型层。
优选地，提供形成有包含p型层和n型层叠层的红外探测器晶片，所述p型层和n型层相邻区域形成p-n结具体包括：
提供n型锑化铟晶片衬底；
在所述n型锑化铟晶片衬底的一侧通过离子注入的方法形成p型层；其中，
注入的元素为Be，注入计量为1×1×14/cm2。
优选地，还包括以下步骤：
在惰性气体气氛中对所述红外探测器晶片进行退火处理；
对完成所述退火处理的所述红外探测器晶片的p型层的表面进行预处理，去除表面损伤层。
优选地，所述退火处理的退火温度为480-520℃，退火时间为5-10小时。
优选地，对完成所述退火处理的红外探测器晶片的p型层的表面进行预处理，去除表面损伤层具体包括：
对完成所述退火处理的红外探测器晶片的n型层的表面进行涂胶保护；
通过酸溶液腐蚀的方法去除p型层的表面损伤层。
优选地，所述在所述红外探测器晶片的一侧粘结硅片衬底包括：
在所述红外探测器晶片的p型层一侧粘结硅片衬底；或者
在所述红外探测器晶片的n型层一侧粘结硅片衬底。
优选地，所述在所述红外探测器晶片的一侧粘结硅片衬底具体为采用光胶工艺将在所述红外探测器晶片的一侧粘结硅片衬底；
光胶工艺的压强为150-200g/m2，真空度为10-40Pa，温度为120-150℃，保持时间为24-60小时。
优选地，所述将所述红外探测器阵列的红外探测单元通过铟柱与硅读出电路倒装互连，形成红外焦平面探测器包括以下步骤：
对所述红外探测器阵列中的红外探测单元进行钝化处理，形成钝化层；
在所述钝化层上形成电极孔；
在每个所述电极孔上进行UBM沉积；
在每个所述电极孔的所述UBM上生长铟柱；
将所述铟柱与硅读出电路倒装互连。
与现有技术相比，本申请的其中一个方面具有以下优点：
由于所述红外焦平面探测器的所述硅片衬底与所述硅读出电路的均为硅材料；故而在温度变化时，所述红外探测器阵列和所述硅读出电路的变形较为一致，避免铟柱与探测单元、读出电路的连接处的产生应力，从根本上解决了红外焦平面探测器的红外探测器阵列和硅读出电路的材料不同导致的使用寿命短，使用成本高的问题，大幅提高了红外焦平面探测器的使用寿命，同时降低了使用成本。
由于所述红外焦平面探测器的所述硅片衬底与所述红外探测器阵列通过光胶工艺粘接在一起，与传统的在硅片衬底上生长所述红外探测器阵列的方法相比，该方法简单，易实现，且成本低；此外，由于采用光胶工艺，所述红外焦平面探测器减少了对入射的红外辐射的反射和吸收，提高了进光量。
附图说明
图1是根据本发明的实施例的红外焦平面探测器的结构示意图。
图2是根据本发明的实施例的红外焦平面探测器的制备方法的流程图。
图3至图9是根据本发明的实施例的红外焦平面探测器的制备工艺流程图。
图1-9中，有关附图标记如下：
硅片衬底110、独立的锑化铟红外探测单元120、二氧化硅钝化层121、电极孔122、减薄后的锑化铟红外探测器晶片130、红外探测器晶片140、UBM200、铟柱300、硅读出电路400。
具体实施方式
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
本实施例提供一种红外焦平面探测器。请参考图1，该图为锑化铟红外焦平面探测器的结构示意图，n型锑化铟为一种制冷型红外探测器材料，故所述锑化铟红外焦平面探测器为一种制冷型红外焦平面探测器。需要说明的是，本申请以锑化铟作为红外感光半导体材料进行说明，但是本申请并不局限于此，本领域技术人员也可以将本申请的构思应用于其他红外感光半导体材料形成的红外焦平面探测器中。
如图1所示，本实施例中，所述锑化铟红外焦平面探测器从上自下包括硅片衬底110、锑化铟红外探测器单元以孤岛形式排布的红外探测阵列120、设置于每一个红外探测器单元上的UBM(Under Bump Metal，凸块下金属层)200、复数个铟柱300、硅读出电路400。
其中所述硅片衬底110为单晶硅片或者多晶硅片，所述硅片衬底的厚度可与所述硅读出电路的厚度相同或相当，从而使得在与所述读出电路具有相同或相近的热膨胀状态的同时，尽可能的减少对入射红外光的影响。
所述锑化铟红外探测器阵列为由复数个红外探测器单元120以孤岛形式排布而形成的阵列。红外探测器单元的数目由该红外探测器像素数目而决定，探测器单元的横向尺寸由该红外探测器分辨率而决定。
所述红外探测器单元120构成的红外探测器阵列粘贴于所述硅片衬底110的其中一侧。在其中一种具体实施方式中，红外探测器阵列通过光胶工艺粘结于所述硅片衬底110的一侧。此外，也可以通过其他方式将红外探测器阵列粘结于硅片衬底110上，在此不再一一列举。
所述UMB 200为设置于红外探测器单元与读出电路连接的连接柱(或连接球)的连接层，其可以为一层或数层，在为数层时，自红外探测器单元向外可依次包括扩散阻挡层，结合层及抗氧化阻挡层。每层可以采用不同的金属材料。例如，扩散阻挡层可以采用铬、钛等金属，结合层可以采用铜镍等材料，氧化阻挡层可以采用金银等材料。
在所述红外探测器外侧还可以包覆钝化层，所述钝化层目的是保护红外探测器单元免受外界环境影响，例如氧化、污染等。其材质可以是硅基材料，例如二氧化硅。在所述红外探测器单元120相对于所述硅片衬底110侧的钝化层上开设有通孔，通孔底部露出红外探测器单元表明，所述的UMB即形成于所述通孔中，以及钝化层上且通孔边缘区域。所述铟柱300设置于每一红外探测单元的UMB200上，用于连接所述红外探测器单元120与所述硅读出电路400。所述硅读出电路400倒装形成于所述铟柱300上。
其中，所述硅读出电路400为一种Si材料半导体基础电路，其主要功能是采集红外探测器阵列单元形成的电信号，并对所述电信号进行处理，例如转移、放大、存储等。
本实施例中，在所述红外探测器阵列相对于所述硅读出电路400一侧设置所述硅片衬底110，由于所述红外探测器阵列与所述硅读出电路400的均为硅材料；故而在温度变化时，所述硅片衬底和所述硅读出电路具有相同或相似的热膨胀状态，使得探测器的形变较为一致，从而可避免铟柱与探测单元、读出电路的连接处的产生应力，与传统的灌胶加固方法相比，从根本上解决了红外焦平面探测器的红外探测器阵列和硅读出电路的材料不同导致的使用寿命短，使用成本高的问题，大幅提高了红外焦平面探测器的使用寿命，同时降低了使用成本，且能避免采用大规模红外探测器阵列的红外焦平面探测器由于灌胶而加速失效的问题。
此外，由于在红外探测器阵列一侧设置所述硅片衬底110，有可能会减弱入射到红外焦平面探测器的入射能量，为解决这一问题，还可以在所述硅片衬底110远离所述红外探测器阵列一侧的表面还设置增透膜，也可以设置减反膜。
此外，本申请还提供一种红外焦平面探测器的制备方法，如图2所示，所述红外焦平面探测器的制备方法包括以下步骤：
S1：提供形成有包含p型层和n型层叠层的红外探测器晶片，所述p型层和n型层相邻区域形成p-n结；
S2：在所述红外探测器晶片的一侧粘结硅片衬底；
S3：在所述红外探测器晶片相对于硅片衬底一侧生成包含复数个红外探测单元的红外探测器阵列；
S4：将所述红外探测器阵列的红外探测单元通过铟柱与硅读出电路倒装互连，形成红外焦平面探测器；
下面结合图3至图9，以一种红外焦平面探测器-锑化铟红外焦平面探测器为例，对上述红外焦平面探测器的制备方法的工艺流程进行具体说明。
首先，请参考图3，提供形成有包含p型层和n型层叠层的锑化铟红外探测器晶片140，所述p型层和n型层相邻区域形成p-n结。
所述锑化铟红外探测器晶片140可以通过可以采用离子注入成结或扩散成结等方法形成。本实施例中，采用离子注入的方法p型层，即对在n锑化铟半导体衬底上，进行离子注入，从而形成在一侧形成p型层，进而形成p-n结，注入元素为Be，注入剂量可以为1×1014/cm2。
在离子注入完成之后，在氮气或其它惰性气体的保护下对所述锑化铟红外探测器晶片进行退火处理，一方面有助于n型层及p型层离子相互扩散，另一方面可以修复晶格损伤，消除应力。本实施例中退火温度为480-520℃，时间为8小时；
完成所述退火处理后，需要对p型层表面进行处理，具体而言，在所述锑化铟红外探测器晶片140的n型层的表面设置保护层，例如涂胶保护；然后对p型层表面采用酸溶液腐蚀，去除表面损伤层。本实施例中腐蚀溶液为柠檬酸和双氧水的混合溶液。当然，也可以采用其他腐蚀溶液，或者其它方法去除表面损伤层。例如可以采用化学机械研磨(ChemicalMechanical Polishing)的方法去除表面损伤层。
接着，请参考图4，在所述锑化铟红外探测器晶片140的一侧粘结硅片衬底110。将所述锑化铟红外探测器晶片140的p型层通过光胶工艺与所述硅片衬底110粘接到一起。所述光胶工艺为不用黏结剂，稍加压力使两个清洁光滑和面形一致的光学零件表面吸附在一起的工艺过程。本实施例中操作时，所述光胶工艺的压强为150-200g/m2，真空度为10-40Pa，温度为120-150℃，保持时间为24-60小时，例如48小时。
然后，如图5所示，将与所述硅片衬底110相连的所述锑化铟红外探测器晶片140的n型层采用化学机械磨抛的方法进行减薄。本实施例中减薄后的锑化铟红外探测器晶片130的厚度为30μm以下。
再接着，在所述锑化铟红外探测器晶片140相对于硅片衬底110一侧生成包含复数个红外探测器单元120的红外探测器阵列。
具体而言，在所述减薄后的锑化铟红外探测器晶片130的n型层的表面进行通过光刻工艺在欲形成红外探测器单元区域形成保护层，然后采用干法刻蚀或湿法刻蚀的方法对未保护区域进行刻蚀形成，从而形成与所述硅片衬底110相连的复数个独立的锑化铟红外探测单元120。采用湿法刻蚀的方法时，所采用的腐蚀溶液可以为柠檬酸和双氧水的混合溶液。完成刻蚀后即形成了如图6所示的所述锑化铟红外探测器阵列。
对形成所述锑化铟红外探测器单元120的硅片衬底通过清洗工艺进行清洗后，对所述锑化铟红外探测器单元120进行钝化处理，在所述锑化铟红外探测器单元120表面形成如图7所示的钝化层121。具体而言，可以在低温化学气相沉积设备中通过化学气相沉积工艺形成所述钝化层121，所述钝化层材质可以为二氧化硅或者氮化硅。也可以是其它性能稳定，不易氧化的材质。此外，也可以采用阳极氧化法或其它非金属薄膜沉积法形成钝化层，在此不再展开论述。
请参考图8，在每个独立的锑化铟红外探测单元120的所述二氧化硅钝化层121上通过光刻及刻蚀工艺形成电极孔122。其中刻蚀工艺可以采用等离子体刻蚀或酸溶液刻蚀，本实施例中采用酸溶液刻蚀，腐蚀溶液为氢氟酸和双氧水的混合溶液。电极孔122底部露出n型层表面。
请参考图9，在每个所述电极孔122中及电极孔122周围形成UBM 200。其可以采用沉积、光刻及刻蚀工艺而形成，该步骤所采用的具体的工艺方法与传统的红外焦平面探测器的工艺方法相同，此处不再赘述；
接着，在每个所述电极孔122的每个所述UBM 200上生长所述铟柱300。该步骤所采用的具体的工艺方法与传统的红外焦平面探测器的工艺方法相同，此处不再赘述；
最后，采用倒装互连的方法将所述铟柱300与所述硅读出电路400相连，形成如图1所示的锑化铟红外焦平面探测器。
需要说明的是，上述所述锑化铟红外焦平面探测器的制备方法的工艺流程中，将“将锑化铟红外探测器晶片140的p型层通过光胶工艺与所述硅片衬底110粘接到一起”的步骤，也可以以“将锑化铟红外探测器晶片140的n型层与所述硅片衬底110通过光胶工艺粘接在一起”来实施，此时需要对该步骤的前后步骤中所采用的工艺方法进行适当的调整，此处不再赘述。
需要说明的是，所述锑化铟红外焦平面探测器的制备方法的最后1个步骤中：
在每个独立的锑化铟红外探测单元120的所述二氧化硅钝化层121上的所述电极孔122的所述UBM 200上生长所述铟柱300，即在所述红外探测器阵列的每个独立的锑化铟红外探测单元120上生长所述铟柱300，再采用倒装互连的方法将所述铟柱300与所述硅读出电路400相连，形成如图1所示的锑化铟红外焦平面探测器。
也可以替换为：在所述硅读出电路400上生长所述铟柱300；将所述红外探测器阵列的每个独立的锑化铟红外探测单元120与所述铟柱300倒装互连，形成如图1所示的锑化铟红外焦平面探测器。
还可以替换为：在所述红外探测器阵列的每个独立的锑化铟红外探测单元120上和所述硅读出电路400上均生长所述铟柱300，从而将所述红外探测器阵列和所述硅读出电路400倒装互连在一起，形成如图1所示的锑化铟红外焦平面探测器。
本申请还提供一种红外焦平面探测器，包括衬底；设置于衬底一侧的红外探测器阵列；通过复数个连接部件与所述红外探测器阵列相连接的读出电路；其中所述衬底与所述读出电路的材料相同，其中材料相同不是指二者材料完全相同，而是指二者所采用基础材料相同，从而使得二者具有相同或相近的热膨胀率。在二者具有相同的热膨胀率时，可使得红外焦平面探测器内部具有相同或类似的热膨胀状态，内部结构不会因局部热膨胀状态不一致而产生应力，从而可避免造成断裂，有助于提高红外焦平面探测器的稳定性，延长使用寿命。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。
Claims (15)
1.一种红外焦平面探测器，其特征在于，包括硅片衬底、复数个红外探测单元构成的红外探测器阵列、硅读出电路、以及复数个铟柱；
所述红外探测器阵列设置于所述硅片衬底的其中一侧；所述复数个铟柱设置于所述红外探测器阵列和所述硅读出电路之间，将所述红外探测器阵列的每一红外探测单元和所述硅读出电路相连。
2.根据权利要求1所述红外焦平面探测器，其特征在于，所述复数个红外探测单元的材料为锑化铟。
3.根据权利要求2所述红外焦平面探测器，其特征在于，所述锑化铟为n型锑化铟。
4.根据权利要求1所述红外焦平面探测器，其特征在于，还包括复数个UBM，所述复数个UBM位于所述红外探测器阵列中的每个红外探测单元与所述复数个铟柱中的每个之间，连接所述红外探测器阵列和所述复数个铟柱。
5.根据权利要求1所述的红外焦平面探测器，其特征在于，在所述硅片衬底远离所述红外探测器阵列一侧的表面还设置有增透膜和/或减反膜。
6.一种红外焦平面探测器的制备方法，包括：
提供形成有包含p型层和n型层叠层的红外探测器晶片，所述p型层和n型层相邻区域形成p-n结；
在所述红外探测器晶片的一侧粘结硅片衬底；
在所述红外探测器晶片相对于硅片衬底一侧生成包含复数个红外探测单元的红外探测器阵列；
将所述红外探测器阵列的红外探测单元通过铟柱与硅读出电路倒装互连，形成红外焦平面探测器。
7.根据权利要求6所述的红外焦平面探测器的制备方法，其特征在于：提供形成有包含p型层和n型层叠层的红外探测器晶片，所述p型层和n型层相邻区域形成p-n结具体包括：
提供n型锑化铟晶片衬底；
在所述n型锑化铟晶片衬底的一侧通过离子注入或扩散的方法形成p型层。
8.根据权利要求7所述的红外焦平面探测器的制备方法，其特征在于：提供形成有包含p型层和n型层叠层的红外探测器晶片，所述p型层和n型层相邻区域形成p-n结具体包括：
提供n型锑化铟晶片衬底；
在所述n型锑化铟晶片衬底的一侧通过离子注入的方法形成p型层；其中，
注入的元素为Be，注入计量为1×1×14/cm2。
9.根据权利要求7或8所述的红外焦平面探测器的制备方法，其特征在于，在形成p型层之后，还包括以下步骤：
在惰性气体气氛中对所述红外探测器晶片进行退火处理；
对完成所述退火处理的所述红外探测器晶片的p型层的表面进行预处理，去除表面损伤层。
10.根据权利要求9所述的一种红外焦平面探测器的制备方法，其特征在于，所述退火处理的退火温度为480-520℃，退火时间为5-10小时。
11.根据权利要求9所述的一种红外焦平面探测器的制备方法，其特征在于，对完成所述退火处理的红外探测器晶片的p型层的表面进行预处理，去除表面损伤层具体包括：
对完成所述退火处理的红外探测器晶片的n型层的表面进行涂胶保护；
通过酸溶液腐蚀的方法去除p型层的表面损伤层。
12.根据权利要求6所述的一种红外焦平面探测器的制备方法，其特征在于，所述在所述红外探测器晶片的一侧粘结硅片衬底包括：
在所述红外探测器晶片的p型层一侧粘结硅片衬底；或者
在所述红外探测器晶片的n型层一侧粘结硅片衬底。
13.根据权利要求12所述的一种红外焦平面探测器的制备方法，其特征在于，所述在所述红外探测器晶片的一侧粘结硅片衬底具体为采用光胶工艺将在所述红外探测器晶片的一侧粘结硅片衬底；
光胶工艺的压强为150-200g/m2，真空度为10-40Pa，温度为120-150℃，保持时间为24-60小时。
14.如权利要求6所述的一种红外焦平面探测器的制备方法，其特征在于，所述将所述红外探测器阵列的红外探测单元通过铟柱与硅读出电路倒装互连，形成红外焦平面探测器包括以下步骤：
对所述红外探测器阵列中的红外探测单元进行钝化处理，形成钝化层；
在所述钝化层上形成电极孔；
在每个所述电极孔上进行UBM沉积；
在每个所述电极孔的所述UBM上生长铟柱；
将所述铟柱与硅读出电路倒装互连。
15.一种红外焦平面探测器，其特征在于，包括衬底；
设置于衬底一侧的红外探测器阵列；
通过复数个连接部件与所述红外探测器阵列相连接的读出电路；其中所述衬底与所述读出电路的材料相同。
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |