CN1253925C - 红外焦平面探测器的铟柱成球方法 - Google Patents

Abstract

本发明的红外焦平面探测器的铟柱成球方法是采用氩等离子体和含蚁酸气体的氮气流来取代助熔剂的铟柱回熔成球技术。在铟柱回熔过程中，氩等离子体和含蚁酸气体的氮气流是在同一个腔室内完成对铟柱回熔处理的。氩等离子体主要是用于预清洗样品和击碎铟柱表面的氧化层；含蚁酸的氮气流是用以去除铟柱内铟晶粒间界面氧化层以加速铟柱回熔成球过程，并降低铟回熔的温度。这种无助熔剂的铟柱成球技术，避免了助熔剂在回熔后会侵蚀铟柱，提高了红外焦平面探测器的可靠性和延长了其储存寿命。

Description

红外焦平面探测器的铟柱成球方法

技术领域

本发明涉及红外焦平面探测器的制备工艺，具体是指探测器芯片和读出电路倒装焊互连的无需助熔剂的铟柱成球方法。

背景技术

由于金属铟在低温甚至在液氦温度还能保持良好的延展性，并且在室温下制备大面积的铟柱列阵也比较方便，所以红外焦平面探测器通常采用铟柱互连的方法把探测器列阵芯片和读出电路集成在一起。这种红外焦平面器件的铟柱互连，不仅要提供探测器列阵芯片的探测元与其对应的读出电路的输入端之间的机械和电学连通，还要能够缓冲探测器芯片与硅读出电路在冷热循环下的热膨胀失配。

但是红外焦平面探测器在经受成百上千次的高低温冷热循环或快速冷热循环后，必然会因为探测器芯片与硅读出电路间的热膨胀失配而在冷热循环下导致铟柱疲劳损伤，直至不能保证它们之间的机械和电学连通而致使红外焦平面探测器性能失效。所以这种红外焦平面探测器的铟柱互连的疲劳及寿命就成了这一领域工作者高度重视的问题。

为了增加铟柱在红外焦平面探测器中的使用寿命，一个较为直接而又有效的方法就是进行铟柱回熔处理。一方面是因为回熔后的铟柱能增强它与金属化电极层间的接触，从而增强探测器芯片与硅读出电路之间的机械互连强度。另一方面是因为铟柱能够经受的冷热循环次数与红外焦平面探测器互连后铟柱高度的平方成正比(M.J.Varnau，S.Yeh，Flip Chip/BGA Workshop，Binghamton，NY，0ctober 1996)，于是，通过增加铟柱的铟量和采用铟柱回熔成球技术来增加铟柱的高度，就成为可以减缓由热失配导致的应力对铟柱寿命影响的途径。

在铟柱回熔处理过程中，通常采用ZnCl₂助熔剂，依靠熔融金属铟的表面张力作用回熔成铟球(Jean-Lue Tissot，“Collective flip-chipt echnology forhybrid focal plane arrays”，SPIE，2000，Vol.4130，P581-586)。但是，助熔剂ZnCl2有很强的腐蚀性，即使在回熔后进行长时间的漂洗，也不能消除助熔剂对铟柱以及红外焦平面探测器其它部分的腐蚀，从而大大影响了焦平面探测器的储存寿命。

发明内容

基于上述已有铟柱回熔成球方法存在的问题，本发明的目的是提供一种无需助熔剂的、并对焦平面探测器性能无负面影响的和在较低温度下就能完成铟柱回熔成球的方法。

为了达到上述目的，本发明的铟柱成球方法步骤为：

A.将制备好的铟柱列阵样品和用于肉眼观测铟柱成球的铟片一起放在真空腔室内的可控温的样品台上，在真空状态下，用氩等离子体轰击清洗样品2-3分钟，用于击碎铟柱表面的氧化层；

B.然后对样品和铟片加热，在1-1.5分钟内将其迅速加热到铟柱的熔点，直到其回熔成球，同时在这一升温和铟柱回熔成球的过程中，往腔室里通入含蚁酸气体的氮气流；

C.铟柱回熔成球后，立即停止含蚁酸气体的氮气流入，以流速为2000～2500L/小时的大流量的氮气吹样品和通过样品台的控温装置对样品降温，使样品在10-20秒内迅速降至室温，再将氮气流速降为400～500L/小时，并维持30-40分钟来清洗回熔过程中残留的蚁酸气体及反应生成物，确保回熔后的样品能够长时间储存。

在这一技术方案中，蚁酸作为还原剂，与铟柱内许多颗粒间的界面氧化层(In₂O₃)反应，反应方程式为 ，反应生成物In(HCOO)₃和H₂O随含蚁酸气体的氮气流排出腔体。在回熔升温时，伴随着这一反应的发生，铟柱内的铟晶粒间的界面消除使铟晶粒间的结合力增强，这样只要达到熔点温度就能由表面张力的作用而回熔成球。虽然氢气是很好的还原剂，但在较低温度下它并不具备还原能力。所以，在我们的技术方案中，为了铟柱能在较低温度下能回熔成球，选择了蚁酸作为In₂O₃的还原剂。

本发明的最大优点是：用蚁酸作为还原剂，避免了助熔剂对铟柱以及红外焦平面探测器其它部分的腐蚀，从而大大将低了影响焦平面探测器的储存寿命。

附图说明

图1是回熔前铟柱的SEM形貌图；

图2是回熔后铟柱的SEM形貌。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明：

本发明的铟柱成球方法是在德国ATV公司的SRO-702回熔仪器上完成的。

A.首先将样品放在回熔腔的可控温的样品台上，样品台上还放置一用于肉眼观测铟柱成球的铟片，关闭回熔腔室，采用抗化学腐蚀的机械泵，抽真空到4mbar，然后往回熔腔通入少量氮气，以减少腔室内氧气和水蒸气的含量，最后启动罗茨泵，对回熔腔抽真空到6×10^-3mbar以下。

B.在室温下，用氩等离子体轰击清洗样品2-3分钟，用于击碎铟柱表面的氧化层。氩等离子体是由频率为40KHz，功率为200瓦的低频等离子体发生器获得的，腔室内的氩气压力为5×10^-1mbar。

C.在1～1.5分钟内将样品迅速升温到铟的熔点，并维持到铟柱成球，同时，在这一升温和维持的过程中，往腔室里通人含蚁酸气体的氮气流，以完成铟柱回熔成球的工艺处理。如果制备好的样品放置时间较长，样品的铟柱表面氧化层就会较厚，这时在熔点温度需要维持较长的时间。蚁酸气体是由流速为500～600L/小时的氮气通过浓度为80％的蚁酸液体汽化产生的。铟柱是否回熔成球是通过回熔腔的观察窗口观察的，由于样品的铟柱较小，肉眼无法看清，因此，我们在样品的边上放置一铟片，若铟片已成球，则样品铟柱肯定已成球，此时关闭含蚁酸气氛的氮气和停止加温。

D.然后通人流速为2000～2500L/小时大流量的氮气和通过样品台的控温装置对样品降温，使样品在10～20秒内快速降到室温，再将氮气流速降为400～500L/小时，并维持30～40分钟来清洗回熔过程中残留的蚁酸气体及反应生成物，以确保回熔后的样品能够长时间储存。

E.打开回熔腔室，取出回熔完的样品，并用吸管将蚁酸汽化器内剩余的蚁酸溶液吸干。

用扫描隧道显微镜(SEM)观察回熔前后铟柱形貌的变化。图1是回熔前样品的铟柱形貌图，图2是回熔后样品的铟柱形貌图，表明此回熔方法是可行的。

Claims (3)

1.一种红外焦平面探测器的铟柱成球方法，其特征在于步骤为：

A.将制备好的铟柱列阵样品和用于肉眼观测铟柱成球的铟片一起放在真空腔室内的可控温的样品台上，用氩等离子体轰击清洗样品2-3分钟；

B.然后对样品和铟片加热，在1-1.5分钟内将其迅速加热到铟的熔点，直到其回熔成球，同时在这一升温和铟柱回熔成球的过程中，往腔室里通入含蚁酸气体的氮气流；

C.铟柱回熔成球后，立即停止含蚁酸气体的氮气流入，以流速为2000～2500L/小时的大流量的氮气吹样品和通过样品台的控温装置对样品降温，使样品在10-20秒内迅速降至室温，再将氮气流速降为400～500L/小时，并维持30-40分钟，清洗回熔过程中残留的蚁酸气体及反应生成物。

2.根据权利要求1的一种红外焦平面探测器的铟柱成球方法，其特征在于所说的氩等离子体是由频率为40KHz，功率为200瓦的低频等离子体发生器获得的，腔室内的氩压力为5×10^-1mbar。

3.根据权利要求1的一种红外焦平面探测器的铟柱成球方法，其特征在于所说的含蚁酸气体的氮气流是由流速为500～600L/小时的氮气通过浓度为80％的蚁酸液体汽化产生的。

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