CN114512554A - 台面型红外探测器铟点阵的制备方法及红外探测器、焦平面阵列芯片和读出电路芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明是针对现有技术台面型红外探测器公共电极在爬坡过程中易断裂、UBM膜层组分确定性差，膜层薄可靠性差的不足，提供一种台面型红外探测器铟点阵的制备方法及红外探测器、焦平面阵列芯片和读出电路芯片，制备方法指在芯片衬底具有高度为h3的台面，其中台面的顶部为像元电极区，台面下方为公共电极区，在像元电极区和公共电极区分别制备像元电极和公共电极，台面型红外探测器指包括焦平面阵列芯片和读出电路芯片，焦平面阵列芯片和读出电路芯片上的电极通过相对应的像元电极和公共电极上的铟点阵通过压焊连接，采用本发明提供的台面型红外探测器铟点阵的制备方法及红外探测器、焦平面阵列芯片和读出电路芯片，电极不易受损折断，连接更可靠。
Description
技术领域
本发明涉及红外探测器技术领域，特别涉及台面型红外探测器铟点阵的制备方法及红外探测器、焦平面阵列芯片和读出电路芯片。
背景技术
通常情况下，制冷型红外探测器的焦平面阵列芯片和读出电路芯片是通过倒装互连工艺实现电导通和机械连接的。倒装互连工艺是在焦平面阵列芯片和读出电路芯片上分别制备铟点阵，将两个芯片相对应的像元电极和公共电极上的铟点阵通过压焊连接，或仅在焦平面阵列芯片或读出电路芯片上设置铟点阵然后再通过铟点阵将二者压焊互连。对于台面型红外探测器，像元电极位于台面顶部，公共电极位于台面下方，位于台面顶部的像元电极和位置台面下方的公共电极顶部之间会有一定的段差，也就是说，像元电极顶部和公共电极顶部高低不齐，而铟点阵制备往往采用电镀或蒸镀的方式，这样制备的铟点阵中铟柱的高度是一致的，无法弥补红外探测器器件台面顶部像元电极和公共电极间存在的段差，在倒装互连时，此段差会导致像元电极区压焊完全，而公共电极区未接触，最终导致器件无法导通。
如图1所示，为解决上述技术问题，现有技术中采用公共电极爬坡使公共电极位置升高的作法来弥补段差，比如，红外与毫米波学报第31卷第6期公开了一种“128*128inas/casbⅡ类超晶格红外焦平面探测器”，在该结构中，公共电极端爬坡至台面顶部，使像元电极和共电极区UBM层等高，再在公共电极上设置公共电极铟柱形成铟陈列、在像元电极上设置像元电极铟柱形成铟陈列，保证所有铟柱几乎处于相同高度，采用此方法获得的红外探测器，其芯片的公共电极需要沿台面侧壁爬坡到台面顶部，因为电极很薄，是只有几百纳米的膜层，因此，电极在从台面下方引到台面上方的过程中极易断裂，面且，增加了电极的材料用量和或使导电性不好，特别是采用UBM膜层作为电极时，UBM膜层通常为由二层或三层不同的金属形成的膜层，镀层不同，组分不一样，导电性也可能会改变，因此，使得探测器的成品率低，且质量稳定性差。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术台面型红外探测器公共电极在爬坡过程中易断裂、UBM膜层组分确定性差，膜层薄可靠性差的不足，提供一种台面型红外探测器铟点阵的制备方法及红外探测器、焦平面阵列芯片和读出电路芯片。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种台面型红外探测器铟点阵的制备方法，在芯片衬底具有高度为h3的台面，其中台面的顶部为像元电极区，台面下方为公共电极区，在像元电极区和公共电极区分别制备像元电极和公共电极，通过对衬底进行电镀或蒸镀处理，在像元电极和公共电极上同时制备等高的像元电极铟柱和公共电极铟柱，再对像元电极铟柱和公共电极铟柱进行回流成球工艺处理，使各像元电极铟柱和公共电极铟柱在像元电极和公共电极表面分别回流成球，在像元电极区得到类球缺形的像元电极铟球阵列，在公共电极区得到类球缺形的公共电极铟球阵列、且使像元电极铟球的球缺高度与台面高度的和与公共电极铟球的球缺高度相等；
所述像元电极及公共电极均为UBM层金属电极，为Ti/Pt/Au或Cr/Au或Ti/Au金属层，各UBM层厚度小于300nm；
像元电极和公共电极均为圆形底面；
像元电极和公共电极的直径相等；
设定像元电极铟柱的体积V1，像元电极的直径D1和公共电极直径D2，借助球缺模型公式（1），求取像元电极铟球的球缺高度H1，再结合关系式H2=h3+H1求取公共电极铟球的球缺高度H2,再借助公式（2）求取公共电极铟柱体积V2；或者设定公共电极铟柱的体积V2，借助球缺模型号公式（2）求取H2，再结合关系式H2=h3+H1求取H1，再结合公式（1）求取像元电极的体积V1；
公式（1）
公式（2）
按设定的像元电极铟柱高度h1、像元电极底面尺寸和求得的像元电极铟柱体积V1在像元电极上设置像元电极铟柱，按设定的公共电极的高度、公共电极底面尺寸及计算出的公共电极体积在公共电极上设置高度为h2体积为V2的公共电极铟柱，使像元电极与像元电极铟柱中心重合，使公共电极与公共电极铟柱中心重合，将衬底进行回流缩球，形成高度为H1的球缺形的像元电极铟球，像元电极铟球的底面与像元电极形状和尺寸重合，像元电极铟球球缺底面直径与像元电极直径相等为D1，同时形成高度为H2、体积为V2的球缺形公共电极铟球，得到高度一致的公共电极铟球阵列和像元电极铟球阵列。
一种用于台面型红外探测器的焦平面阵列芯片或读出电路芯片，包括衬底，在衬底上通过刻蚀加工形成有高度为h3的台面，位于台面上部的区域为像元电极区，公共电极区位于台面下方的区域，在像元电极区和公共电极区分别设置有多个像元电极和多个公共电极，在每个像元电极和公共电极上分别设置有像元电极铟球和公共电极铟球从而在像元电极区和公共电极区分别得到像元电极铟球陈列和公共电极铟球阵列，像元电极铟球和公共电极铟球均为类球缺形，像元电极铟球高度为H1，公共电极铟球高度为H2，且H2=H1+ h3；
所述的像元电极和公共电极的底面均为圆形；
所述的像元电极和公共电极直径相等；
在台面表面及衬底表面设置钝化膜，位于台面顶部的钝化膜上开设有设置像元电极的开孔，像元电极位于像元电极开孔内，位于台面下方的钝化膜上开设有设置公共电极的开孔，公共电极设置在公共电极开孔内。
台面型红外探测器，包括焦平面阵列芯片和读出电路芯片，焦平面阵列芯片和读出电路芯片上的电极通过相对应的像元电极和公共电极上的铟点阵通过压焊连接，所述焦平面阵列芯片和/或读出电路芯片分别采用权利要求6-9任意一项所述的结构。
本发明具有以下有益效果：
采用本发明的方法制备台面型红外探测器铟点阵，巧妙地运用了铟柱回流成球工艺中在成球前后铟柱体积不变的特点，在两个不等高的电极上设置等高的铟柱后将铟柱回流成铟球，并使铟球底面与相对应的电极底面的形状和尺寸相同，这样在设定完其中一个电极比如像元电极铟柱或公共电极的体积、高度及电极底面积后，可以通过球缺公式求出该电极的球缺的高度，通过使像元电极铟球和公共电极铟球的高度符合H1=H2+h3，得到另一电极铟球的高度，使获得的铟点阵中的铟球的顶面高度一致，据另一电极的高度，从而获得另一电极铟球的体积，在制备铟点阵时，制作符合要求体积的像元电极铟柱和公共电极铟柱，经过回流成球即可获得等高的像元电极铟球和公共电极铟球，制作工艺简单，同时，由于在制备完成铟柱后需进行铟柱回流，回流时铟球与所对应的电极自然对中，因此，在制备铟柱的过程中对铟柱与电极的对中要求低，降低了工艺难度，公共电极仅位于台面下方的区域，省去了公共电极爬坡步骤，使公共电极的区域小，不易折断，得到顶面高度一致的像元电极铟球和公共电极铟球，这样，在进行红外探测倒装互连时像元电极和公共电极均能压焊完全接触，使器件的导通性能良好，采用本发明方法制备的铟芯片倒装互连结构，由于像元电极设置在台面上，公共电极仅位置台面下方的区域，在像元电极和公共电极上直接设置铟柱而后形成铟球，因此，公共电极无需爬坡，一方面使公共电极和像元电极底面均可设置成规则的平面形状，铟球位置集中，公共电极成球时仅在台面下方的区域的电极上形成铟球，铟球高度的可控性好，获得的铟点阵中各铟球的顶面高度一致性好，另一方面公共电极不易断裂，整体接触可靠，使探测器的性能保持稳定。
本发明的焦平面阵列芯片和读出电路芯片，像元电极位于台面顶部，公共电极位于台面下方，与台面相对应的像元电极铟球的高度H1与公共电极铟球的高度H2的差值与台面高度相等，铟球为球缺结构，与电极接触的表面的面积小于铟球的最大直径，形成中间鼓两头小的球缺结构，因此，像元电极铟球和公共电极铟球顶面高度一致性好，当焊接时，两芯片间相互压紧，没有段差，可紧密连接，即使各铟球间存在一定的高度误差，由于铟球呈球缺结构，当压焊时，变形性好，增加了连接的可靠性，为二者间的导通性能提供了良好的结构保证，并且电极完全位于铟球的下方，因此，电极不易受损折断，连接更可靠。
采用本发明结构的红外台测器，像元电极和公共电极均采用球缺形铟球点阵，球缺的高度差与段差相等，弥补了因存在台面使得像元电极和公共电极存在段差的不足，使二者的顶面等高，因此，当焦平面阵列芯片和读出电路芯片互焊时，二者接触良好，得到的红外探测器质量稳定，导通性能好，且由于像元电极和公共电极均位于铟球的下方，因此，电极不易断裂，连接可靠。
附图说明
图1是现有技术台面型红外探测器芯片铟点阵实施例结构示意图；
图2为本发明设置有铟柱的台面型红外探测器芯片实施例结构示意图；
图3为本发明设置有铟球的台面型红外探测器芯片实施例结构示意图。
附图标记说明，
1、衬底；2、台面； 4、像元电极铟柱；5、公共电极铟柱； 6、像元电极铟球；7、公共电极铟球； 8、像元电极区；9、公共电极区；10、像元电极；11、公共电极；
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。
下现结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制。
如图1和图2所示，在芯片衬底1上进行材料刻蚀加工形成高度为h3的台面2，其中像元电极区8位于台面2的顶部，公共电极区9位于台面下方。
在与像元电极区8和公共电极区9位置相对应处分别制备多个直径为D1和D2的UBM膜层，其中与像元电极区8相对应的UBM膜层为像元电极10，与公共电极区相对应的UBM膜层为公共电极11，各UBM膜层厚度通常小于300nm，再在每个UBM膜层上分别制备体积为V1和V2的铟柱，其中位于像元电极上的铟柱称为像元电极铟柱，位于公共电极上的铟柱称为公共电极铟柱，其中像元电极铟柱4的高度为h1，公共电极铟柱5的高度为h2，像元电极铟柱4和公共电极铟柱5通过镀膜工艺一次制备完成，则 h1=h2。铟柱制备完成后，采用回流缩球工艺对衬底进行工艺处理，由于In和Au具有浸润性，如图2所示，铟柱在成球过程中形成分别以像元电极10和公共电极11为底面的类球缺结构的像元电极铟球6和公共电极铟球7。回流缩球后，像元电极铟球6的高度为H1，公共电极铟球7的高度为H2，如图2所示。使H1和H2的关系满足
，这样制备完成的像元电极铟球6与公共电极铟球7的顶部相对于衬底芯片位于等高的位置。
在制备过程中，一般取像元电极铟柱的体积V1是已知的，像元电极的直径D1和公共电极D2的直径也是已知的，均据探测器的规格而定，借助球缺模型公式（1），求取H1，再结合关系式H2=h3+H1来求取H2,再借助球缺模型公式（2）求取公共电极铟柱体积V2。或者设定公共电极铟柱的体积V2是已知的，借助球缺模型号公式（2）求取H2，再结合关系式H2=h3+H1求取H1，再结合公式（1）求取像元电极铟柱的体积V1。
公式（1）
公式（2）
制备时，首先根据产品规格确定最终像元电极区回流后的像元电极铟球的高度H1、像元电极直径D1、公共电极直径D2，再据公式（1）计算出像元电极体积V1，再跟据H1与H2的关系，计算出公共电极铟柱回流后形成的公共电极铟球的高度H2。根据式（2）即可计算出相应的公共电极铟柱体积V2。由于h2=h1，最终计算出公共电极铟球的底面积，根据底面积来设计相应的掩膜版尺寸。
其中D1和D2据产品规格自行设定，为简化其间，一般取D1和D2相等；D1、H1和V1均设定，再求取H2和V2；或反过来先设定D2、H2和V2，再求取H1和V1。
通过上述方法，可以设计出不同体积、不同高度的的铟柱，再经过回流后得到高度基本一致的铟球点阵，使高度差满足倒焊要求，但每次回流所得到的铟球的高度视设定的铟柱体积和高度而不同。
下面以具体实施例进行说明：
实施例1、
取台面高度h3为3um， 像元电极和公共电极直径均为10um，厚度300nm，像元电极和公共电极均采用UBM金属电极，材料为Cr/Au或者Ti/Pt/Au或者Ti/Au。像元电极铟柱4和公共电极铟柱均为矩形柱体，像元电极铟柱底面尺寸为：10umx10um，高度h1为10um，其体积为1000 um。按公式（1）计算像元电极铟球6的高度H1约为10.4um。据像元电极铟球的高度H1得到公共电极铟球的高度H2的数值为H2=10.4+3=13.4um，据公式（2）计算公共电极的体积V2= 1785 um3 。
在像元电极区设置像元电极，在公共电极区设置公共电极，而后按设定的像元电极铟柱高度h1、像元电极底面直径D1和求得的像元电极铟柱体积V1在像元电极上设置像元电极铟柱，按计算出的公共电极的高度、公共电极底面直径D2及公共电极体积在公共电极上设置高度为h2体积为V2的公共电极铟柱，使像元电极与像元电极铟柱中心重合，使公共电极与公共电极铟柱中心重合。
将衬底进行回流缩球，形成高度为H1的球缺形的像元电极铟球6，像元电极铟球的底面与像元电极底面形状和尺寸重合，像元电极铟球球缺底面直径为与像元电极直径相等为DI，同时形成高度为H2、体积为V2的球缺形公共电极铟球7。在芯片上得到顶面高度一致的公共电极铟球阵列和像元电极铟球阵列。
当然，铟柱可以是方形的，也可以是圆形的或其它几何形状。电极底面可以是圆形的也可以是如方形的、椭圆形的或其它几何形状的，本专利中为了易计算铟柱的高度和体积，电极采用了底面为圆形的结构，铟柱采用了方形柱体结构。
当电极底面形状为方形时，得到的球缺其底部也大致方形，但随着高度增加，其形状越接近球的形状，因此，本发明中，得到的球缺是类球缺结构，不是严格的球缺形状。
本发明中像元电极和公共电极可以采用多种金属膜层，只要跟铟接触的金属可以与铟有很好的浸润性就可以，保证铟球的底部能够形成和电级金属层一样的图形即可。比如Ti/Pt/Au，Ti/Au，Cr/Au等等。
通常，在台面表面及衬底表面设置钝化膜对器件进行保护，位于台面顶部的钝化膜上开设有设置像元电极的开孔，像元电极位于像元电极开孔内，位于台面下方的钝化膜上开设有设置公共电极的开孔，公共电极设置在公共电极开孔内。
我们可以根据产品的需求，设计不同的铟柱尺寸，并最终得到高度一致的铟球点阵。
Claims (10)
1.一种台面型红外探测器铟点阵的制备方法，其特征在于：在芯片衬底具有高度为h3的台面，其中台面的顶部为像元电极区，台面下方为公共电极区，在像元电极区和公共电极区分别制备像元电极和公共电极，通过对衬底进行电镀或蒸镀处理，在像元电极和公共电极上同时制备等高的像元电极铟柱和公共电极铟柱，再对像元电极铟柱和公共电极铟柱进行回流成球工艺处理，使各像元电极铟柱和公共电极铟柱在像元电极和公共电极表面分别回流成球，在像元电极区得到类球缺形的像元电极铟球阵列，在公共电极区得到类球缺形的公共电极铟球阵列、且使像元电极铟球的球缺高度与台面高度的和与公共电极铟球的球缺高度相等。
2.根据权利要求1所述的台面型红外探测器铟点阵的制备方法，其特征在于：所述像元电极及公共电极均为UBM层金属电极，为Ti/Pt/Au或Cr/Au或Ti/Au金属层，各UBM层厚度小于300nm。
3.根据权利要求1所述的台面型红外探测器铟点阵的制备方法，其特征在于：像元电极和公共电极均为圆形底面。
4.根据权利要求3所述的台面型红外探测器铟点阵的制备方法，其特征在于：像元电极和公共电极的直径相等。
5.根据权利要求1所述的台面型红外探测器铟点阵的制备方法，其特征在于：设定像元电极铟柱的体积V1，像元电极的直径D1和公共电极直径D2，借助球缺模型公式（1），求取像元电极铟球的球缺高度H1，再结合关系式H2=h3+H1求取公共电极铟球的球缺高度H2,再借助公式（2）求取公共电极铟柱体积V2；或者设定公共电极铟柱的体积V2，借助球缺模型号公式（2）求取H2，再结合关系式H2=h3+H1求取H1，再结合公式（1）求取像元电极的体积V1；
公式（1）
公式（2）
按设定的像元电极铟柱高度h1、像元电极底面尺寸和求得的像元电极铟柱体积V1在像元电极上设置像元电极铟柱，按设定的公共电极的高度、公共电极底面尺寸及计算出的公共电极体积在公共电极上设置高度为h2体积为V2的公共电极铟柱，使像元电极与像元电极铟柱中心重合，使公共电极与公共电极铟柱中心重合，将衬底进行回流缩球，形成高度为H1的球缺形的像元电极铟球（6），像元电极铟球的底面与像元电极形状和尺寸重合，像元电极铟球球缺底面直径与像元电极直径相等为D1，同时形成高度为H2、体积为V2的球缺形公共电极铟球（7），得到高度一致的公共电极铟球阵列和像元电极铟球阵列。
6.一种用于台面型红外探测器的焦平面阵列芯片或读出电路芯片，其特征在于：包括衬底，在衬底上通过刻蚀加工形成有高度为h3的台面（2），位于台面(2)上部的区域为像元电极区（8），公共电极区(9)位于台面下方的区域，在像元电极区(8)和公共电极区(9)分别设置有多个像元电极和多个公共电极，在每个像元电极和公共电极上分别设置有像元电极铟球和公共电极铟球从而在像元电极区和公共电极区分别得到像元电极铟球陈列和公共电极铟球阵列，像元电极铟球和公共电极铟球均为类球缺形，像元电极铟球高度为H1，公共电极铟球高度为H2，且H2=H1+ h3。
7.如权利要求6所述的一种用于台面型红外探测器的焦平面阵列芯片或读出电路芯片，其特征在于：所述的像元电极和公共电极的底面均为圆形。
8.如权利要求7所述的一种用于台面型红外探测器的焦平面阵列芯片或读出电路芯片，其特征在于：所述的像元电极和公共电极直径相等。
9.如权利要求7所述的一种用于台面型红外探测器的焦平面阵列芯片或读出电路芯片，其特征在于：在台面表面及衬底表面设置钝化膜，位于台面顶部的钝化膜上开设有设置像元电极的开孔，像元电极位于像元电极开孔内，位于台面下方的钝化膜上开设有设置公共电极的开孔，公共电极设置在公共电极开孔内。
10.台面型红外探测器，包括焦平面阵列芯片和读出电路芯片，焦平面阵列芯片和读出电路芯片上的电极通过相对应的像元电极和公共电极上的铟点阵通过压焊连接，其特征在于：所述焦平面阵列芯片和/或读出电路芯片分别采用权利要求6-9任意一项所述的结构。
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