CN116053287A - 一种晶圆级红外焦平面阵列制备方法和红外焦平面阵列 - Google Patents

一种晶圆级红外焦平面阵列制备方法和红外焦平面阵列 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种晶圆级红外焦平面阵列制备方法和红外焦平面阵列,该方法包括:在探测器晶圆上制备第一铜柱和第一铜焊盘,在读出电路晶圆上制备第二铜柱和第二铜焊盘;第一铜柱和第二铜柱对准后,将两个晶圆倒装键合形成混合晶圆;底部填充后,先对探测器晶圆的背面进行研磨和抛光,然后在探测器晶圆的背面旋涂光刻胶在探测器晶圆上形成通孔;一次去胶,在探测器晶圆背面沉积出钝化层;刻蚀掉多余钝化层露出图形窗口;二次去胶,在探测器背面电镀铜填充通孔,经过抛光去除多余铜,使探测器晶圆背面通孔中铜露出完成制备。本发明还提出了红外焦平面阵列,采用该方法制备而成;本发明提高红外焦平面阵列的生产效率,降低时间和人力成本。

Description

一种晶圆级红外焦平面阵列制备方法和红外焦平面阵列
技术领域
本发明属于光电子材料与器件领域,特别涉及一种晶圆级红外焦平面阵列制备方法和红外焦平面阵列。
背景技术
红外焦平面阵列(Infrared Focal Plane Array,FPA)属于红外光学系统焦平面上,可使整个视场内景物的每一个像元与一个敏感元相对应的多元平面阵列红外探测器件。光子型红外探测器被广泛应用于红外制导、目标监视与追踪、安防监控和夜视等军事和民用场合。以军事需求为主要推动力,红外焦平面器件向着大面阵、高分辨率、宽光谱、小尺寸、低重量、低成本、低功耗的方向发展。
目前,制备红外焦平面的行业惯例是在一个晶圆上制作若干红外焦平面阵列芯片,划片后将每个芯片与对应的硅基读出电路进行倒装互连,从而形成一个完整的混成式红外焦平面器件。一个探测器晶圆上有几个芯片,就要重复几次相同的倒装互连操作,这样的工作非常耗时耗财。
发明内容
为了解决上述技术问题,本发明提出了一种晶圆级红外焦平面阵列制备方法和红外焦平面阵列,本发明在晶圆级混成式焦平面制备完毕之后,再进行划片、封装,从而提高红外焦平面阵列的生产效率,降低时间和人力成本。
为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种晶圆级红外焦平面阵列制备方法,包括以下步骤:
在探测器晶圆1上制备第一铜柱13和第一铜焊盘14,在读出电路晶圆2上制备第二铜柱23和第二铜焊盘24;并将第一铜柱13和第二铜柱23对准,第一铜焊盘14和第二铜焊盘24对准之后,将晶圆1和读出电路晶圆2进行倒装键合,形成混合晶圆;
形成混合晶圆之后,利用底部填充胶对混合晶圆进行底部填充;
底部填充之后,先将探测器晶圆1衬底减薄,然后在探测器晶圆1的背面旋涂一层光刻胶7,经过前烘、曝光、显影和坚膜后,刻蚀形成通孔;
形成通孔之后,一次去胶,在探测器晶圆1背面沉积出钝化层8;然后利用光刻和刻蚀工艺去除特定图形区域的钝化层8;二次去胶,光刻,沉积金属9;利用剥离工艺在通孔侧壁和顶部形成金属阻挡层之后,在探测器背面沉积铜10填充通孔,经过化学机械抛光使探测器晶圆背面通孔中铜露出来,完成红外焦平面阵列的制备。
进一步的,所述方法还包括在第一铜焊盘14下制备有钝化层5,用于将第一铜焊盘14和探测器晶圆1电隔离。
进一步的,所述将探测器晶圆1和读出电路晶圆2进行倒装键合的方法包括通过施加压力,将两个晶圆进行倒装键合,形成混合晶圆。
进一步的,所述混合晶圆底部填充的方法为:在键合之后,在探测器晶圆1和读出电路晶圆2之间填充底部填充胶6。
进一步的,所述将探测器晶圆1衬底减薄的方法为:采用研磨和抛光工艺,利用磨料和抛光液,实现衬底减薄或者完全去除。
进一步的,所述在探测器晶圆1的背面旋涂一层光刻胶7,经过前烘、曝光、显影后,通过刻蚀形成通孔的过程包括:
在探测器晶圆1的背面旋涂一层光刻胶7之后,经过前烘和曝光,显影出通孔图形;
坚膜,利用光刻胶作为掩膜,通过ICP或者RIE刻蚀探测器材料,形成通孔。
进一步的,所述刻蚀掉特定图形区域钝化层8的过程包括:
在所述钝化层8之上旋涂一层光刻胶,前烘、曝光、显影后露出通孔底部铜焊盘14和像素阵列对应的探测器晶圆1背面材料;
坚膜,然后以光刻胶作为掩膜,利用ICP或者RIE或者湿法刻蚀工艺去除上述区域的钝化层材料8。
进一步的,所述二次去胶,沉积金属阻挡层9的过程包括:
在探测器晶圆1背面喷涂丙酮或者去胶液,或者使用等离子去胶机,将残余光刻胶去除干净并烘干;
在探测器晶圆1背面旋涂一层光刻胶,前烘、曝光、后烘、显影后,利用磁控溅射或者电子束蒸发工艺沉积金属形成阻挡层9。
进一步的,所述在通孔侧壁和顶部形成金属阻挡层的过程包括:通过剥离工艺,下面覆盖有光刻胶的金属将因光刻胶溶于去胶液而离开晶圆表面,仅保留通孔侧壁和顶部的金属图形。
本发明还提出了一种红外焦平面阵列,采用一种晶圆级红外焦平面阵列制备方法制备而成
发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果,而不是发明所有的全部效果,上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果:
本发明提出了一种晶圆级红外焦平面阵列制备方法和红外焦平面阵列,该方法包括以下步骤:在探测器晶圆上制备第一铜柱和第一铜焊盘,在读出电路晶圆上制备第二铜柱和第二铜焊盘;并将第一铜柱和第二铜柱对准,第一铜焊盘和第二铜焊盘对准之后,将探测器晶圆和读出电路晶圆进行倒装键合,形成混合晶圆;对混合晶圆底部填充之后,先对探测器晶圆的背面进行研磨和化学机械抛光使衬底减薄,然后在探测器晶圆的背面旋涂一层光刻胶,经过前烘、曝光、显影后,利用光刻胶作为掩膜刻蚀形成通孔;形成通孔之后,一次去胶,在探测器晶圆背面沉积出钝化层;然后刻蚀掉特定图形区域钝化层;二次去胶,光刻,沉积金属;利用剥离工艺在通孔侧壁和顶部形成金属阻挡层,在探测器背面沉积铜填充通孔,经过抛光使通孔内铜露出来,完成红外焦平面阵列的制备。本发明基于三维封装TSV技术,在探测器晶圆上制作通孔,实现与读出电路晶圆焊盘的电学连接,从而将读出电路的信号从探测器背面引出,实现红外焦平面阵列的晶圆级制备。在晶圆级混成式焦平面制备完毕之后,再进行划片、封装,从而提高红外焦平面阵列的生产效率,降低时间和人力成本。
附图说明
如图1为本发明实施例1一种晶圆级红外焦平面阵列制备方法实现的示意图;
1-探测器晶圆、2-读出电路晶圆、13-第一铜柱、23-第二铜柱、14-第一铜焊盘、24-第二铜焊盘、5-第一焊盘下钝化层、6-底部填充胶;7-光刻胶;8-通孔内钝化层、8-通孔内钝化层、9-阻挡层、10-填充铜。
具体实施方式
为能清楚说明本方案的技术特点,下面通过具体实施方式,并结合其附图,对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开,下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外,本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的,其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意,在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。
实施例1
本发明实施例1提出了一种晶圆级红外焦平面阵列制备方法,用于解决现有技术中存在的问题:目前,制备红外焦平面的制备方法是在一个晶圆上制作若干红外焦平面阵列芯片,划片后将每个芯片与对应的硅基读出电路进行倒装互连,从而形成一个完整的混成式红外焦平面器件,但是这样的工作非常耗时耗财。
晶圆级封装(Wafer Level Packaging,WLP)是以晶圆片为加工对象,在晶圆片上同时对多个芯片进行全部的封装及测试,最后再切割成单个器件,使用时直接贴装到基板或印刷电路板.上。由于晶圆级封装的封装尺寸与基板或印制电路板上安装面积相同,所以WLP通常被认为是集成电路封装的最终形式。
红外焦平面阵列(infrared Focal Plane Array)属于红外光学系统焦平面上,可使整个视场内景物的每一个像元与一个敏感元相对应的多元平面阵列红外探测器件。
本申请在探测器晶圆相应位置制作通孔,通孔内填充金属铜,与读出电路焊盘实现电学连接。这样,划片就可以在探测器晶圆和读出电路晶圆倒装互连之后进行,从而提高红外焦平面阵列的生产效率。
该方法实现的过程包括:
在探测器晶圆1上制备第一铜柱13和第一铜焊盘14,在读出电路晶圆2上制备第二铜柱23和第二铜焊盘24;并将第一铜柱13和第二铜柱23对准,第一铜焊盘14和第二铜焊盘24对准之后,将两晶圆进行倒装键合,形成混合晶圆;
形成混合晶圆之后,对混合晶圆进行底部填充以增强混合晶圆的机械强度和减小热失配应力;
底部填充之后,先对探测器晶圆1的背面进行研磨和化学机械抛光,然后在探测器晶圆1的背面旋涂一层正性光刻胶7,经过前烘、曝光、显影后,坚膜,利用光刻胶作为掩膜,通过ICP或者RIE或者湿法刻蚀工艺形成通孔;
形成通孔之后,一次去胶,在探测器晶圆1背面沉积出钝化层8;然后刻蚀掉特定图形区域钝化层8;二次去胶,光刻,沉积阻挡层9;利用剥离工艺在通孔侧壁和顶部形成阻挡层之后,在探测器背面沉积铜10填充通孔,经过抛光使探测器晶圆背面通孔中铜露出来,完成红外焦平面阵列的制备。
该方法还包括在第一铜焊盘14下制备有钝化层5,用于将第一铜焊盘14和探测器晶圆电隔离。
形成混合晶圆的方法包括通过施加一定压力,将探测器晶圆和读出电路晶圆进行倒装键合。
混合晶圆底部填充的方法为:在倒装键合之后,在探测器晶圆1和读出电路晶圆2之间填充底部填充胶6。
对探测器晶圆1的背面进行衬底减薄的方法为:采用研磨和化学机械抛光工艺,利用适当的研磨料和抛光液,对衬底进行减薄。
在探测器晶圆1的背面旋涂一层光刻胶7,经过前烘、曝光、显影后,坚膜,利用光刻胶作为掩膜刻蚀形成通孔的过程包括:
在探测器晶圆1的背面旋涂一层光刻胶7之后,经过前烘和曝光,显影出通孔图形;
利用光刻胶掩模,通过ICP或者RIE刻蚀探测器材料,形成通孔。
刻蚀特定区域钝化层8的过程包括:在钝化层之上旋涂一层光刻胶,前烘,曝光,显影后露出通孔底部铜焊盘14和像素阵列对应的探测器晶圆1背面材料,坚膜以光刻胶作为掩模,利用ICP或者RIE或者湿法刻蚀工艺去除上述光刻胶暴露区域的钝化层材料8。
二次去胶,沉积金属阻挡层9的过程包括:在探测器晶圆1背面旋涂一层光刻胶,前烘、曝光、后烘、显影,利用磁控溅射或者电子束蒸发工艺沉积阻挡层9。
如图1为本发明实施例1一种晶圆级红外焦平面阵列制备方法实现的示意图;
图1的(1)中,在探测器晶圆1上制备第一铜柱13和第一铜焊盘14,在读出电路晶圆2上制备第二铜柱23和第二铜焊盘24;并将第一铜柱13和第二铜柱23对准;图1的(1)中3包括第一铜柱13和第二铜柱23。
并且在第一铜焊盘14下制备有钝化层5,用于将第一铜焊盘14和探测器晶圆电隔离。
图1的(2)中,通过施加压力(和温度),将探测器晶圆和读出电路晶圆进行倒装键合,形成混合晶圆。
图1的(3)中,利用底部填充胶6对混合晶圆进行底部填充。
图1的(4)中,对探测器晶圆1背面进行掩膜和化学机械抛光,将探测器晶圆1衬底减薄或者完全去除。
图1的(5)中,在探测器晶圆1背面旋涂一层光刻胶7,经过前烘,曝光后,显影出通孔图形;利用光刻胶掩模,通过ICP或者RIE刻蚀探测器材料,形成通孔。
图1的(6)中,去胶,在探测器晶圆1背面沉积出通孔内钝化层8。
图1的(7)中,在通孔内钝化层8之上旋涂一层光刻胶,前烘,曝光,显影后露出通孔底部和像素阵列对应的探测器晶圆1背面的通孔内钝化层8材料,以光刻胶作为掩模,刻蚀掉通孔底部铜焊盘14和像素阵列对应的晶圆1背面探测器材料。
图1的(8)中,去胶,在探测器晶圆1背面旋涂一层光刻胶,前烘,曝光,显影,沉积金属阻挡层9。
图1的(9)中,将剥离液喷涂于探测器晶圆1的背面,剥离多余金属。
图1的(10)中,在探测器背面电镀铜10填充通孔。
图1的(11)中,利用化学机械抛光去除多余铜,使通孔内铜露头,完成晶圆级红外焦平面阵列的制备。
本发明实施例1提出的一种晶圆级红外焦平面阵列制备方法,通过在探测器晶圆上制备与硅基读出电路焊盘电学连接的通孔,将读出电路信号从探测器晶圆背面引出。这样,划片就可以在探测器晶圆和读出电路晶圆倒装互连之后进行,从而提高红外焦平面阵列的生产效率,降低时间和人力成本。
实施例2
基于本发明实施例1提出了一种晶圆级红外焦平面阵列制备方法,本发明实施例2提出了红外焦平面阵列,采用一种晶圆级红外焦平面阵列制备方法制备而成。通过在探测器晶圆上制备与硅基读出电路焊盘电学连接的通孔,将读出电路信号从探测器晶圆背面引出。划片在探测器晶圆和读出电路晶圆倒装互连之后进行。
该方法实现的过程包括:
在探测器晶圆1上制备第一铜柱13和第一铜焊盘14,在读出电路晶圆2上制备第二铜柱23和第二铜焊盘24;并将第一铜柱13和第二铜柱23对准,第一铜焊盘14和第二铜焊盘24对准之后,将探测器晶圆进行键合;
在对探测器晶圆键合之后,填充探测器晶圆1和读出电路晶圆2之间的缝隙;
缝隙填充之后,先对探测器晶圆1的背面进行化学机械抛光,然后在探测器晶圆1的背面旋涂一层光刻胶7,经过前烘,曝光和刻蚀后形成通孔;
形成通孔之后,一次去胶,在探测器晶圆1背面沉积出钝化层8;然后刻蚀掉钝化层8;二次去胶,沉积阻挡层9;在剥离掉多余沉积阻挡层9之后,在探测器背面沉积铜10填充通孔,经过抛光使通孔内铜露出来,完成红外焦平面阵列的制备。
如图1为本发明实施例1一种晶圆级红外焦平面阵列制备方法实现的示意图;
图1的(1)中,在探测器晶圆1上制备第一铜柱13和第一铜焊盘14,在读出电路晶圆2上制备第二铜柱23和第二铜焊盘24;并将第一铜柱13和第二铜柱23对准;图1的(1)中3包括第一铜柱13和第二铜柱23。
并且在第一铜焊盘14下制备有钝化层5,用于将第一铜焊盘14和探测器晶圆电隔离。
图1的(2)中,通过施加一定压力,将探测器晶圆进行键合。
图1的(3)中,将底部填充胶6填充到探测器晶圆1和读出电路晶圆2的间隙。
图1的(4)中,对探测器晶圆1背面进行研磨和化学机械抛光,将探测器晶圆1衬底减薄或者完全去除。
图1的(5)中,在探测器晶圆1背面旋涂一层光刻胶7,经过前烘,曝光后,显影出通孔图形;利用光刻胶掩模,通过ICP或者RIE刻蚀探测器材料,形成通孔。
图1的(6)中,去胶,在探测器晶圆1背面沉积出通孔内钝化层8。
图1的(7)中,在通孔内钝化层8之上旋涂一层光刻胶,前烘,曝光,显影后露出通孔底部和像素阵列对应的探测器晶圆1背面的通孔内钝化层8材料,坚膜,以光刻胶作为掩模,刻蚀掉通孔底部和像素阵列对应的晶圆1背面的通孔内钝化层8。
图1的(8)中,去胶,在探测器晶圆1背面旋涂一层光刻胶,前烘、曝光、后烘、显影,沉积金属阻挡层9。
图1的(9)中,将剥离液喷涂于探测器晶圆1的背面,剥离多余金属。
图1的(10)中,在探测器背面电镀铜10填充通孔。
图1的(11)中,利用化学机械抛光去除多余铜,使通孔内铜露头,完成晶圆级红外焦平面阵列的制备。
本发明实施例2提出的红外焦平面阵列,通过在探测器晶圆上制备与硅基读出电路焊盘电学连接的通孔,将读出电路信号从探测器晶圆背面引出。这样,划片就可以在探测器晶圆和读出电路晶圆倒装互连之后进行,从而提高红外焦平面阵列的生产效率,降低时间和人力成本。
本申请实施例提供的一种红外焦平面阵列中相关部分的说明可以参见本申请实施例1提供的一种晶圆级红外焦平面阵列制备方法中对应部分的详细说明,在此不再赘述。
需要说明的是,在本文中,诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。另外,本申请实施例提供的上述技术方案中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明,以免过多赘述。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述,但并非对本发明保护范围的限制。对于所属领域的技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的修改或变形。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。在本发明的技术方案的基础上,本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种晶圆级红外焦平面阵列制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
在探测器晶圆(1)上制备第一铜柱(13)和第一铜焊盘(14),在读出电路晶圆(2)上制备第二铜柱(23)和第二铜焊盘(24);并将第一铜柱(13)和第二铜柱(23)对准,第一铜焊盘(14)和第二铜焊盘(24)对准之后,将晶圆(1)和读出电路晶圆(2)进行倒装键合,形成混合晶圆;
形成混合晶圆之后,利用底部填充胶对混合晶圆进行底部填充;
底部填充之后,先将探测器晶圆(1)衬底减薄,然后在探测器晶圆(1)的背面旋涂一层光刻胶(7),经过前烘、曝光、显影和坚膜后,刻蚀形成通孔;
形成通孔之后,一次去胶,在探测器晶圆(1)背面沉积出钝化层(8);然后利用光刻和刻蚀工艺去除特定图形区域的钝化层(8);二次去胶,光刻,沉积金属(9);利用剥离工艺在通孔侧壁和顶部形成金属阻挡层之后,在探测器背面沉积铜(10)填充通孔,经过化学机械抛光使探测器晶圆背面通孔中铜露出来,完成红外焦平面阵列的制备。
2.根据权利要求1所述的一种晶圆级红外焦平面阵列制备方法,其特征在于,所述方法还包括在第一铜焊盘(14)下制备有钝化层(5),用于将第一铜焊盘(14)和探测器晶圆(1)电隔离。
3.根据权利要求1所述的一种晶圆级红外焦平面阵列制备方法,其特征在于,所述将探测器晶圆(1)和读出电路晶圆(2)进行倒装键合的方法包括通过施加压力,将两个晶圆进行倒装键合,形成混合晶圆。
4.根据权利要求1所述的一种晶圆级红外焦平面阵列制备方法,其特征在于,所述混合晶圆底部填充的方法为:在键合之后,在探测器晶圆(1)和读出电路晶圆(2)之间填充底部填充胶(6)。
5.根据权利要求1所述的一种晶圆级红外焦平面阵列制备方法,其特征在于,所述将探测器晶圆(1)衬底减薄的方法为:采用研磨和抛光工艺,利用磨料和抛光液,实现衬底减薄或者完全去除。
6.根据权利要求1所述的一种晶圆级红外焦平面阵列制备方法,其特征在于,所述在探测器晶圆(1)的背面旋涂一层光刻胶(7),经过前烘、曝光、显影后,通过刻蚀形成通孔的过程包括:
在探测器晶圆(1)的背面旋涂一层光刻胶(7)之后,经过前烘和曝光,显影出通孔图形;
坚膜,利用光刻胶作为掩膜,通过ICP或者RIE刻蚀探测器材料,形成通孔。
7.根据权利要求1所述的一种晶圆级红外焦平面阵列制备方法,其特征在于,所述刻蚀掉特定图形区域钝化层(8)的过程包括:
在所述钝化层(8)之上旋涂一层光刻胶,前烘、曝光、显影后露出通孔底部铜焊盘(14)和像素阵列对应的探测器晶圆(1)背面材料;
坚膜,然后以光刻胶作为掩膜,利用ICP或者RIE或者湿法刻蚀工艺去除上述区域的钝化层材料(8)。
8.根据权利要求1所述的一种晶圆级红外焦平面阵列制备方法,其特征在于,所述二次去胶,沉积金属阻挡层(9)的过程包括:
在探测器晶圆(1)背面喷涂丙酮或者去胶液,或者使用等离子去胶机,将残余光刻胶去除干净并烘干;
在探测器晶圆(1)背面旋涂一层光刻胶,前烘、曝光、后烘、显影后,利用磁控溅射或者电子束蒸发工艺沉积金属形成阻挡层(9)。
9.根据权利要求1所述的一种晶圆级红外焦平面阵列制备方法,其特征在于,所述在通孔侧壁和顶部形成金属阻挡层的过程包括:通过剥离工艺,下面覆盖有光刻胶的金属将因光刻胶溶于去胶液而离开晶圆表面,仅保留通孔侧壁和顶部的金属图形。
10.一种红外焦平面阵列,其特征在于,采用权利要求1至9任意一项所述的一种晶圆级红外焦平面阵列制备方法制备而成。
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