JP2013077689A - Quantum infrared imaging device and manufacturing method therefor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、量子型赤外線撮像素子およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a quantum infrared imaging device and a method for manufacturing the same.
HgCdTe(水銀カドミウムテルル)等の化合物半導体の基板に受光素子を形成し、Si(シリコン)等の基板に読み出し回路を形成し、これらの基板をフリップチップボンディング(FCB:Flip-Chip-Bonding)で電気的に接続する量子型赤外線撮像素子が知られている。 A light receiving element is formed on a substrate of a compound semiconductor such as HgCdTe (mercury cadmium telluride), a readout circuit is formed on a substrate of Si (silicon), etc., and these substrates are flip-chip bonded (FCB: Flip-Chip-Bonding). An electrically connected quantum infrared imaging device is known.
このような量子型赤外線撮像素子では、赤外線を受けて励起状態となったHgCdTe等の受光素子が自由電子を放出することで、読み出し回路に電流が流れ、赤外線を検知することが可能となっている。 In such a quantum infrared imaging device, a light-receiving device such as HgCdTe that is excited by receiving infrared rays emits free electrons, so that a current flows in the readout circuit and infrared rays can be detected. Yes.
しかし、室温条件下で量子型赤外線撮像素子を動作させると、赤外線を受けなくても受光素子が励起状態になることで、赤外線の有無にかかわらず自由電子が放出され、ノイズが発生してしまうため、77K付近という低温条件で動作させる必要がある。 However, when the quantum infrared imaging device is operated under room temperature conditions, the light receiving device is excited without receiving infrared rays, and free electrons are emitted regardless of the presence or absence of infrared rays, resulting in noise. Therefore, it is necessary to operate under a low temperature condition of around 77K.
動作に際して上記のような制約条件はあるものの、量子型赤外線撮像素子は非冷却型赤外線検知装置と比較してより高感度な観測が可能であることから、高精度な赤外線観測が必要となる分野で広く用いられている。 Although there are restrictions as described above in operation, the quantum infrared imaging device is capable of more sensitive observation than an uncooled infrared detector, and therefore requires high-accuracy infrared observation. Widely used.
これら量子型赤外線撮像素子は常時冷却されているわけではなく、使用時には液体窒素等を用いて77K付近まで冷却されるが、非使用時には冷却せずに保管されるのが通常であり、使用時の77K程度の極低温と、非使用時の室温との間で度重なる温度変化にさらされる。 These quantum infrared imaging devices are not always cooled, but are cooled to around 77K using liquid nitrogen when used, but are usually stored without cooling when not in use. It is exposed to repeated temperature changes between an extremely low temperature of about 77K and a room temperature when not in use.
このため、受光素子を形成した化合物半導体基板と読み出し回路を形成したシリコン基板との熱膨張係数の違いに起因するストレスによってFCBで用いるバンプに歪みや変形が生じ、使用を重ねることでバンプが変形して隣接バンプ同士の接触が発生することがある。 For this reason, the bumps used in the FCB are distorted and deformed due to the stress caused by the difference in thermal expansion coefficient between the compound semiconductor substrate on which the light receiving element is formed and the silicon substrate on which the readout circuit is formed. As a result, contact between adjacent bumps may occur.
バンプの接触が発生すると、接触した二つのバンプのうち電気抵抗が小さいものに大きな電流が流れ、他方にはほとんど電流が流れなくなるなどの影響により、結果としてどちらのバンプに対応する画素も無効画素となってしまう。 When a bump contact occurs, a large current flows through the two bumps with low electrical resistance and almost no current flows through the other. As a result, the pixels corresponding to both bumps are invalid pixels. End up.
このため、この問題は多画素、狭ピッチ化が進む量子型赤外線撮像素子において、特に問題となる。 For this reason, this problem is particularly problematic in a quantum infrared imaging device in which the number of pixels is increasing and the pitch is being reduced.
このような隣接バンプ間の接触を防ぐ一般的な方法として、例えば半導体実装分野では、バンプ間に熱硬化型の樹脂を充填させることでバンプ強度を高めつつ隣接バンプ間の絶縁を確保することができるアンダーフィルと呼ばれる手法が知られている。 As a general method of preventing such contact between adjacent bumps, for example, in the semiconductor mounting field, it is possible to ensure insulation between adjacent bumps while increasing bump strength by filling a thermosetting resin between the bumps. A technique called “underfill” is known.
また、隣接バンプ間に例えば樹脂などの絶縁体の壁状構造を持たせることによってバンプ間短絡の回避を試みる手法が知られている(例えば、特許文献1,2参照)。
In addition, there is known a method of trying to avoid a short circuit between bumps by providing an insulating wall-like structure such as a resin between adjacent bumps (see, for example,
量子型赤外線撮像素子は一般的な半導体デバイスと比べて狭ピッチ、高密度バンプ配置であるため、バンプの接触を防ぐためにアンダーフィル手法を適用すると樹脂充填時にボイド(気泡)が発生しやすい。 Since the quantum infrared imaging device has a narrow pitch and high density bump arrangement as compared with a general semiconductor device, voids (bubbles) are likely to occur when the resin is filled when the underfill method is applied to prevent bump contact.
また、HgCdTe等の化合物半導体が非常にもろいことから、アンダーフィル樹脂のストレスでクラックが発生しやすいなどの技術的問題点を抱えている。 In addition, since compound semiconductors such as HgCdTe are very fragile, they have technical problems such that cracks are likely to occur due to stress of the underfill resin.
さらに、アンダーフィル樹脂の代わりに、受光素子基板とシリコン基板にその両端が固定された絶縁壁構造を隣接バンプ間に設置する場合にも、絶縁壁からのストレスによって受光素子基板にクラックが発生することがある。 In addition, when an insulating wall structure in which both ends are fixed to the light receiving element substrate and the silicon substrate is installed between adjacent bumps instead of the underfill resin, a crack is generated in the light receiving element substrate due to stress from the insulating wall. Sometimes.
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、読み出し回路を備えた第一の基板と受光素子を備えた第二の基板をバンプ接続した量子型赤外線検知デバイスにおいて、HgCdTe等で構成される第二の基板に影響を与えることなく前記第一基板と前記第二基板の熱膨張係数の違いに起因する隣接バンプ間の接触を防止する量子型赤外線撮像素子およびその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described problem, and in a quantum infrared detection device in which a first substrate having a readout circuit and a second substrate having a light receiving element are bump-connected, an HgCdTe Quantum infrared imaging device for preventing contact between adjacent bumps due to a difference in thermal expansion coefficient between the first substrate and the second substrate without affecting the second substrate composed of, for example, and a method for manufacturing the same The purpose is to provide.
上記の目的を達成するために、本発明にかかる量子型赤外線撮像素子は、量子型赤外線受光素子に対する読み出し回路を備えた第一基板と、前記第一基板とFCBによって電気的に接続された、受光素子を備えた第二基板と、前記第一基板と前記第二基板をFCBによって電気的に接続する導体バンプ群と、各バンプの周囲を囲むように存在し、前記第一基板側にのみ固定され、前記第二基板との間に空隙を設けた絶縁壁と、を有する。 In order to achieve the above object, a quantum infrared imaging device according to the present invention is a first substrate provided with a readout circuit for a quantum infrared light receiving device, electrically connected by the first substrate and the FCB, A second substrate provided with a light receiving element, a conductor bump group that electrically connects the first substrate and the second substrate by FCB, and so as to surround each bump, only on the first substrate side And an insulating wall fixed and provided with a gap between the second substrate.
本発明はバンプ間に、第一の基板側にのみ固定された絶縁体の仕切り構造を持たせることで、熱サイクルに起因するバンプ変形による隣接バンプ間の接触を防止する。 In the present invention, an insulating partition structure fixed only on the first substrate side is provided between the bumps, thereby preventing contact between adjacent bumps due to bump deformation caused by a thermal cycle.
しかも、絶縁壁は第一の基板にのみ固定され、第二の基板には固定されていない構造であるために、第二の基板は樹脂壁からのストレスを受けることがない。 In addition, since the insulating wall is fixed only to the first substrate and is not fixed to the second substrate, the second substrate does not receive stress from the resin wall.
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
まず始めに、図1に本発明で使用する量子型赤外線撮像素子の構成を表す模式図を示す。第一基板はシリコン基板に読み出し回路が形成されており、第二基板は化合物半導体基板に受光素子が形成されている。 First, FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a quantum infrared imaging device used in the present invention. The first substrate has a readout circuit formed on a silicon substrate, and the second substrate has a light receiving element formed on a compound semiconductor substrate.
なお、図1は読み出し回路が形成されている領域ではなく、フリップチップボンディングを行った電極形成領域を示している。それぞれの基板において、電極は次のように構成されている。 FIG. 1 shows not the region where the readout circuit is formed, but the electrode formation region where flip chip bonding is performed. In each substrate, the electrodes are configured as follows.
第一基板側の電極は、読み出し回路を備えたシリコン基板1側から、例えば第1Al-Si層4、第2Al-Si層5、Ti-Pd層6によって形成される3層構造を持ち、層間絶縁膜2上に配置されている。
The electrode on the first substrate side has a three-layer structure formed by, for example, a first Al—
層間絶縁膜2としては、例えばSiO2やPSG(Phospho-Silicate Glass)等を用いることができる。また、第一基板側電極はその周囲を例えばシリコン基板1側からSiO2/SiN層で構成された保護膜3によって覆われている。
For example, SiO 2 or PSG (Phospho-Silicate Glass) can be used as the
第二基板側の電極は、受光素子を備えたHgCdTe基板8側から、例えば第1Au層11、Mo層12、Pt層13、第2Au層14によって形成される4層構造を持ち、n+ジャンクジョン9に接続されている。
The electrode on the second substrate side has a four-layer structure formed by, for example, the
また、第二基板側電極はその周囲を例えばZnSで構成され、受光素子基板8上に形成された保護膜10で覆われている。さらに、第一基板側電極と第二基板側電極は、インジウム等の金属によって形成されたバンプ7によって電気的に接続されている。
The second substrate side electrode is made of ZnS, for example, and is covered with a
なお、この量子型赤外線撮像素子の構成は一例であり、量子型赤外線撮像素子として必要な効果を奏することが可能であるなら、他の構造および材質を用いたものであっても構わない。 The configuration of the quantum infrared imaging device is only an example, and other structures and materials may be used as long as the effects necessary for the quantum infrared imaging device can be obtained.
次に、図2乃至図5を基に、本発明における第一の実施形態について説明する。第一基板101はシリコン基板に周知の手法により読み出し回路が形成された構成を有している。
Next, based on FIG. 2 thru | or FIG. 5, 1st embodiment in this invention is described. The
ただし、図2乃至図5では、第一基板101は回路を含む基板全体を模式的に表しており、読み出し回路の構成は省略し、ボンディングに用いる電極102のみを記載している。
However, in FIGS. 2 to 5, the
図2(a)は第一基板101上に感光性ポリイミド等の絶縁性樹脂を塗布した状態を示す模式断面図である。電極102が形成された第一基板101上に、絶縁性樹脂として、例えば感光性ポリイミド103をスピンコートもしくはスプレーコートなどの方法で塗布する。
FIG. 2A is a schematic cross-sectional view showing a state where an insulating resin such as photosensitive polyimide is applied on the
このとき、感光性ポリイミド103を塗布する際の膜厚は、現像工程による膜減りや熱硬化処理(キュア)時の熱収縮を考慮し、最終的に所望の絶縁壁の高さとなるように設定する。
At this time, the film thickness at the time of applying the
具体的には、絶縁壁形成領域における両基板間隔の100%〜110%ほどの厚さで感光性ポリイミドを塗布する。前記した両基板の間隔が、10μm程度で設計されている場合には、10〜11μm程度の厚さの感光性ポリイミドを塗布すればよい。 Specifically, the photosensitive polyimide is applied at a thickness of about 100% to 110% of the distance between both substrates in the insulating wall forming region. When the distance between the two substrates is designed to be about 10 μm, photosensitive polyimide having a thickness of about 10 to 11 μm may be applied.
次に図2(b)に示すように、例えば格子状、円柱状など所望のパターンの絶縁壁構造に対応するマスクパターンを形成したマスク104を用いて感光性ポリイミド103に露光光105の照射を行う。
Next, as shown in FIG. 2B, the exposure light 105 is irradiated to the
塗布された感光性ポリイミド103のうち、露光により光が当たった部分103Bのみ物性が変化し、非露光部103Aの物性は変化しない。
Of the coated
図2(b)で例示されているようなポジ型の感光性ポリイミドの場合には、物性の変化した部分のみ現像液によって溶解されるので露光後に感光性ポリイミド103に現像処理を行うことで図2(c)に例示されるような所定の絶縁壁パターンが形成される。
In the case of a positive type photosensitive polyimide as illustrated in FIG. 2B, only the portion having changed physical properties is dissolved by the developer, so that the
つづいて250℃〜300℃程度の温度でポリイミドに熱硬化処理(キュア)を行う。図2(d)は熱処理前後での樹脂壁の変化を表す模式図である。 Subsequently, the polyimide is subjected to thermosetting (curing) at a temperature of about 250 ° C. to 300 ° C. FIG. 2D is a schematic diagram showing the change of the resin wall before and after the heat treatment.
点線で表された樹脂壁106は熱処理によって絶縁壁107のように一定の割合で収縮し、硬化する。使用する樹脂によっては紫外線を照射して硬化を促進させることも可能である。硬化後、例えばイオンミリング等の手段によって電極102表面の酸化膜を除去してもよい。
The
次に、バンプを形成するためのレジストパターンを形成する。蒸着リフトオフによってバンプを形成する場合、レジストには例えば図3(a)に例示するような庇構造204を持たせることが好ましい。以下、その理由について説明する。
Next, a resist pattern for forming bumps is formed. When bumps are formed by vapor deposition lift-off, it is preferable that the resist has a
図3(a)は庇構造を持ったレジストパターンを用いてバンプ蒸着を行った結果、図3(b)は庇構造を持たないレジストパターンを用いて同様の行為を行った結果を例示した模式図である。 FIG. 3A is a schematic diagram illustrating the result of bump deposition using a resist pattern having a ridge structure, and FIG. 3B is a schematic view illustrating the result of performing a similar action using a resist pattern having no ridge structure. FIG.
庇構造がない場合、バンプ207の蒸着を行う際に、図3(b)のようにレジスト206が蒸着した金属によって覆われてしまい、レジスト206を除去することが困難となってしまう。
When there is no ridge structure, when the
しかし、レジストに庇構造を持たせることで、図3(a)のようにバンプ207蒸着後もレジスト206が外部に露出した状態を保つことができるため、現像液によるリフトオフが可能となる。
However, by providing the resist with a ridge structure, the resist 206 can be exposed to the outside even after the
レジストに庇構造を持たせる方法として、2段露光を用いたレジストパターン形成手順について以下で説明する。 A resist pattern forming procedure using two-step exposure will be described below as a method of giving the resist a ridge structure.
図4(a)、図4(b)は2段露光による庇構造を持ったレジスト作成手順を例示する模式図である。まず、第一基板101上に第一層目のレジストを塗布し、マスク108を通して露光光109を照射する。
FIGS. 4A and 4B are schematic views illustrating a procedure for creating a resist having a ridge structure by two-step exposure. First, a first layer of resist is applied on the
露光光109が当たった部分のレジストは変性する。非露光部分のレジストを110A、露光部分のレジストを110Bで表す。
The resist in the portion exposed to the
次に、塗布されたレジスト110A、110Bに重ねて第二層目のレジストとして新たなレジストを塗布し、マスク108よりも光を通す幅の小さいマスク111を通して露光光109を照射する。
Next, a new resist is applied as a second-layer resist so as to overlap the applied resists 110A and 110B, and the
光が当たった部分のレジストも同様に変性する。非露光部分のレジストを112A、露光部分のレジストを112Bで表す。現像液によって、露光された部分のレジスト110B、112Bが除去され、図4(c)に例示されるような庇構造を持ったレジストバターンが形成される。 The resist exposed to the light is similarly modified. The resist at the non-exposed portion is denoted by 112A, and the resist at the exposed portion is denoted by 112B. The exposed portions of the resists 110B and 112B are removed by the developer, and a resist pattern having a ridge structure as illustrated in FIG. 4C is formed.
なお、庇構造を持ったレジスト全体(レジスト110Aとレジスト112Aの総称)をレジスト113として定義し、以後記載するものとする。 Note that the entire resist having a ridge structure (a general term for the resist 110A and the resist 112A) is defined as a resist 113, and will be described hereinafter.
本実施例における庇構造の水平突起長は片側3μm程度であるが、この値は使用する装置、蒸着源、膜厚などによって異なるものであり、ここでの記載は庇構造の長さを何ら限定するものではない。 The horizontal projection length of the ridge structure in this embodiment is about 3 μm on one side, but this value varies depending on the apparatus used, the vapor deposition source, the film thickness, etc., and the description here limits the length of the ridge structure at all. Not what you want.
レジストパターン形成後、バンプとして使用する金属の蒸着を行う。本実施の形態においては、インジウムをバンプとして使用している。 After the resist pattern is formed, metal used as bumps is deposited. In the present embodiment, indium is used as a bump.
インジウムは柔らかいために、ある程度の変形を吸収する緩衝材の役割を果たすことができ、また融点が低く、他の金属(例えばAu)に程よく接合するなどの特性がある。このため、量子型赤外線撮像素子の製造プロセスとの整合性がよい。 Since indium is soft, it can serve as a buffer material that absorbs a certain amount of deformation, has a low melting point, and has characteristics such as moderate bonding to other metals (for example, Au). For this reason, the consistency with the manufacturing process of the quantum infrared imaging device is good.
このことから、量子型赤外線撮像素子のバンプにはインジウムを用いることが一般的であるが、インジウム以外の金属を用いることも可能であり、ここでの記載はバンプの材質をインジウムのみに限定するものではない。 Therefore, indium is generally used for the bumps of the quantum infrared imaging device, but metals other than indium can also be used, and the description here limits the material of the bumps to only indium. It is not a thing.
図4(d)はインジウム蒸着後の状態を例示した模式図である。インジウムは電極102上およびレジスト113上にそれぞれ蒸着される。インジウム蒸着後、アセトン等の剥離液によって、リフトオフ洗浄を行う。図5(a)はリフトオフ洗浄後の状態を例示した模式図である。
FIG. 4D is a schematic view illustrating the state after indium deposition. Indium is deposited on the
剥離液によってレジスト113が除去されると同時に、レジスト113上に形成されたインジウム114も除去され、電極102上に形成されたインジウム115のみが第一の基板101上(電極102上)に残る。
At the same time as the resist 113 is removed by the stripping solution, the
また、ポリイミドからなる絶縁壁107は熱硬化処理が行われているため、リフトオフ剥離液により溶解せずに第一基板101上に残る。
Further, since the insulating
次に、200℃程度でインジウム115をリフローする。図5(b)はインジウムをリフローした状態を例示した模式図である。硬化した感光性ポリイミドの樹脂壁107の耐熱性は300℃以上あり、200℃程度のリフロー処理によって影響を受けることはない。
Next,
次に、図5(c)に示すように、バンプ115のリフロー後、第二基板117側の電極118とリフロー済みバンプ116をフリップチップ接合する。フリップチップ接合時に熱と荷重が加わることで、インジウムと電極との界面で相互拡散が生じ、バンプと電極が接合される。
Next, as shown in FIG. 5C, after the reflow of the
なお、第二基板117は、周知の方法によりHgCdTe基板上に受光素子領域が形成され、第一基板に形成された読み出し回路と接続するための電極118があらかじめ形成された構成を有している。
The
ただし、図中では、第二基板117は受光素子を含む基板全体を模式的に表しており、受光素子の構成は省略し、ボンディングに用いる電極118のみを記載している。
However, in the drawing, the
図5(c)に示すように、第一基板101側の電極102と第二基板117側の電極118がバンプ116によって電気的に接続されており、隣接バンプ間を仕切る絶縁壁107は第一基板101側のみに固定され、第二の基板117側には接触しない。
As shown in FIG. 5C, the
絶縁壁の高さは、基本的には受光素子が形成されたHgCdTe基板等からなる第二の基板に接しない範囲であれば高いほどよい。 The height of the insulating wall is preferably as high as possible as long as it is basically not in contact with the second substrate made of the HgCdTe substrate or the like on which the light receiving element is formed.
しかし、バンプ作成時の誤差等が発生しうることを考慮すると、第二の基板に接触せず、かつバンプ間の接触を防止する絶縁壁として機能し得る高さ、例えばFCB後の絶縁壁形成領域における両基板間隔の70〜90%程度あればよいと考えられる。 However, considering that errors may occur at the time of bump creation, the height that does not contact the second substrate and can function as an insulation wall that prevents contact between bumps, for example, formation of an insulation wall after FCB About 70 to 90% of the distance between both substrates in the region is considered to be sufficient.
このような構成にすることにより、本実施形態によれば第二の基板に物理的影響を与えることなく隣接バンプ間の絶縁を確保できるため、デバイスの品質、耐久性を向上させることができる。 By adopting such a configuration, according to the present embodiment, insulation between adjacent bumps can be secured without physically affecting the second substrate, so that the quality and durability of the device can be improved.
特許文献1として前記した特開平6-236981号の構造を用いた場合、樹脂壁を受光素子基板であるHgCdTe基板側にも設置する必要がある。
In the case of using the structure disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-236981 as
しかしながら、HgCdTe基板は熱に弱く、約100℃ほどで変性してしまうため、受光素子に影響を与えずに絶縁性樹脂を熱硬化することは困難である。 However, since the HgCdTe substrate is vulnerable to heat and denatures at about 100 ° C., it is difficult to thermoset the insulating resin without affecting the light receiving element.
また、隣接バンプの接触は基板間ギャップの中央部で起こることが多いが、その部分が空隙となっているため絶縁壁が十分に効果を発揮できるとは考えにくい。しかし、本実施の形態によれば、このような問題に対応することが可能である。 In addition, the contact between adjacent bumps often occurs in the central portion of the gap between the substrates, but it is difficult to think that the insulating wall can sufficiently exhibit the effect because that portion is a gap. However, according to the present embodiment, it is possible to cope with such a problem.
また、特許文献2として前記した特開平8-288335号の構造を用いた場合、絶縁壁が移動することで微細なゴミが発生しやすくなり、コンタミネーションの原因となる。
Further, when the structure disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 8-288335 described above as
それ以外にも、絶縁壁がHgCdTe基板に衝突することでクラックが発生する原因となるなどの問題が考えられるが、本実施の形態によれば、このような問題に対応することが可能である。 In addition to this, there may be a problem that the insulating wall collides with the HgCdTe substrate, which causes a crack, but according to the present embodiment, it is possible to cope with such a problem. .
次に、図6乃至図8を基に、本発明の第二の実施形態にかかる量子型赤外線撮像素子の製造方法について説明する。 Next, a method for manufacturing a quantum infrared imaging device according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
第一の実施形態では、インジウムバンプの形成を蒸着リフトオフ法で行った。第二の実施形態では、インジウムバンプの形成を蒸着リフトオフではなくパターンめっきで行っている。 In the first embodiment, indium bumps are formed by a vapor deposition lift-off method. In the second embodiment, indium bumps are formed not by vapor deposition lift-off but by pattern plating.
第一基板301は周知の手法により読み出し回路が形成された構成を有している。ただし、図6乃至図8では、第一基板301は回路を含む基板全体を模式的に表しており、読み出し回路の構成は省略し、ボンディングに用いる電極302のみを記載している。
The
図6(a)は第一基板301上にめっきシード膜を成膜した状態を例示する模式断面図である。まず、第一の実施形態と同様に、読み出し回路を備えた第一の基板301上に電極302を形成した後に、めっきシード層303を成膜する。
FIG. 6A is a schematic cross-sectional view illustrating a state in which a plating seed film is formed on the
ここで、めっきシード層の材質には、例えば第一基板側からTi/Cuの層状構造等を用いてもよい。第一基板側電極302のとりうる構造および材質は第一の実施形態と同様である。
Here, as the material of the plating seed layer, for example, a Ti / Cu layered structure from the first substrate side may be used. The structure and materials that the first
第一の実施形態と同様の手順で、絶縁壁構造の形成までのプロセスを行う。図6(b)はめっきシード層303が成膜された第一基板301上に絶縁性樹脂304を塗布した状態を例示した模式図である。
The process up to the formation of the insulating wall structure is performed in the same procedure as in the first embodiment. FIG. 6B is a schematic view illustrating a state in which an insulating
例えば感光性ポリイミド等の絶縁性樹脂をスピンコートもしくはスプレーコートなどの方法でめっきシード層303上に塗布する。
For example, an insulating resin such as photosensitive polyimide is applied onto the
感光性ポリイミド304を塗布する際の膜厚は、現像工程による膜減りやキュア時の熱収縮を考慮し、最終的な絶縁壁の高さとなるように設定するのは、第一の実施形態と同様である。
The film thickness when applying the
具体的には、絶縁壁形成領域における両基板間隔の100%〜110%ほどの厚さで感光性ポリイミドを塗布する。前記した両基板の間隔が、10μm程度で設計されている場合には、10〜11μm程度の厚さの感光性ポリイミドを塗布すればよい。 Specifically, the photosensitive polyimide is applied at a thickness of about 100% to 110% of the distance between both substrates in the insulating wall forming region. When the distance between the two substrates is designed to be about 10 μm, photosensitive polyimide having a thickness of about 10 to 11 μm may be applied.
絶縁隔壁の高さは、基本的には受光素子が形成されたHgCdTe基板等からなる第二の基板に接しない範囲であれば高いほどよい。 The height of the insulating partition is preferably as high as possible as long as it is basically not in contact with the second substrate made of the HgCdTe substrate or the like on which the light receiving element is formed.
しかし、バンプ形成時の誤差等が発生し得ることを考慮すると、第二の基板に接触せず、かつバンプ間の接触を防止する絶縁壁として機能する高さ、例えばFCB後の絶縁壁形成領域における両基板間隔の70〜90%あればよいと考えられる。 However, considering that errors may occur during bump formation, the height that does not contact the second substrate and functions as an insulating wall that prevents contact between the bumps, for example, an insulating wall forming region after FCB It is considered that 70 to 90% of the distance between the two substrates in FIG.
次に図6(c)に示すように、例えば格子状、円柱状など所望のパターンの絶縁壁構造に対応するマスクパターンを形成したマスク305を用いて、感光性ポリイミド304に露光光306の照射を行う。
Next, as shown in FIG. 6C, the
塗布された感光性ポリイミド304のうち、露光光306が当たった部分304Bのみ物性が変化し、非露光部304Aの物性は変化しない。
Of the applied
図3で例示されているようなポジ型の感光性ポリイミドの場合には、物性の変化した部分のみ現像液によって溶解されるので露光後に感光性ポリイミド304に現像処理を行うことで図6(d)に例示されるような所定の絶縁壁パターンが形成される。
In the case of a positive type photosensitive polyimide as illustrated in FIG. 3, only a portion having changed physical properties is dissolved by a developing solution. Therefore, development processing is performed on the
第一の実施形態同様、つづいて250℃〜300℃程度の温度でポリイミドに熱硬化処理を行う。図7(a)は熱処理前後での樹脂壁の変化を表す模式図である。 As in the first embodiment, the polyimide is subsequently thermoset at a temperature of about 250 ° C. to 300 ° C. FIG. 7A is a schematic diagram showing the change of the resin wall before and after the heat treatment.
点線で表された樹脂壁307は熱処理によって308のように一定の割合で収縮し、硬化する。使用する樹脂によっては紫外線を照射して硬化を促進させる場合もある。硬化後、例えばイオンミリング等の手段によってシード層303表面の酸化膜を除去することもある。
The
次に、バンプを形成するためのレジストパターンを形成する。図7(b)、図7(c)はパターンめっきによるレジストパターン形成手順の一例を示す模式図である。 Next, a resist pattern for forming bumps is formed. FIG. 7B and FIG. 7C are schematic views showing an example of a resist pattern forming procedure by pattern plating.
まず、第一基板301上にレジスト311を塗布し、電極302に対応する位置のみ光が通過するよう調整されたフォトマスク309を通して露光光310を照射する。
First, a resist 311 is applied on the
露光光310が当たった部分のレジスト311は変性する。非露光部分のレジストを311A、露光部分のレジストを311Bで表す。
The resist 311 in the portion exposed to the
現像液によって、露光部分のレジスト311Bが除去され、図7(c)に示されるような、電極302上部が露出したレジストパターンが形成される。
The exposed portion of the resist 311B is removed by the developer, and a resist pattern in which the upper portion of the
なお、前記レジストパターンは、ネガ型レジストを使用した場合でも作成可能である。ネガ型レジストを使用する場合は、電極302に対応する位置のみ光を遮断するよう調整されたフォトマスクを通して露光光310を照射する。
The resist pattern can be created even when a negative resist is used. In the case of using a negative resist, the
露光によって変性しなかった部分のレジストが現像液によって除去され、電極302上部が露出したレジストパターンが形成される。
The portion of the resist that has not been modified by exposure is removed by the developer, and a resist pattern in which the upper portion of the
レジストパターン形成後、インジウム等のバンプとして使用する金属のめっきを行う。図7(d)はめっき後の状態を例示した模式図である。 After the resist pattern is formed, metal used as a bump such as indium is plated. FIG. 7D is a schematic view illustrating the state after plating.
レジスト311Aに覆われていない電極302上部のめっきシード層303上にのみインジウム312が付着し、バンプを形成する。
インジウムめっき後、レジストの除去を行う。図8(a)はレジスト除去後の状態を示す模式図である。レジスト剥離液によってレジスト311Aが除去され、インジウムバンプ312と絶縁壁構造308が第一基板301上に残る。
After indium plating, the resist is removed. FIG. 8A is a schematic diagram showing a state after the resist is removed. The resist 311A is removed by the resist stripping solution, and the indium bumps 312 and the insulating
その後、イオンミリング等によって余分なシード層303を除去する。シード層除去後の状態を図8(b)に例示する。
Thereafter, the
200℃程度でインジウムバンプ312をリフローする。図8(c)はインジウムをリフローした状態を例示した模式図である。硬化した感光性ポリイミド樹脂壁308の耐熱性は300℃以上あり、200℃程度のリフロー処理によって影響を受けることはない。
The
図8(d)はフリップチップボンディング後の状態を例示した模式図である。インジウムバンプ312のリフロー後、第二基板315側の電極314とリフロー済みインジウムバンプ313をフリップチップボンディングする。
FIG. 8D is a schematic view illustrating the state after flip chip bonding. After the reflow of the
第二基板315には、周知の方法によりHdCdTe基板上に受光素子領域が形成され、第一基板301に形成された読み出し回路と接続するための電極314があらかじめ形成された構成を有している。
The
ただし、図中では、第二基板315は受光素子を含む基板全体を模式的に表しており、受光素子の構成は省略し、ボンディングに用いる電極314のみを記載している。
However, in the drawing, the
図8(d)に示すように、第一基板301側の電極302と第二基板315側の電極314がバンプ313によって電気的に接続されており、隣接バンプ間を仕切る絶縁壁308は第一基板301側のみに固定され、第二基板315側には接触しない。
As shown in FIG. 8D, the
図9は絶縁壁の平面構造を例示した模式図である。このように、第一の実施形態、第二の実施形態ともに、前記絶縁壁パターンは、格子状(図9(a))、バンプ周囲を囲む円状構造(図9(b))、隣接バンプ間にある壁状構造(図9(c))等の平面構造をとってもよい。 FIG. 9 is a schematic view illustrating the planar structure of the insulating wall. Thus, in both the first embodiment and the second embodiment, the insulating wall pattern has a lattice shape (FIG. 9A), a circular structure surrounding the bump periphery (FIG. 9B), and an adjacent bump. A planar structure such as a wall-like structure (FIG. 9C) between them may be used.
また、第一の実施形態、第二の実施形態ともに絶縁壁の形成はインジウムバンプの形成前に行っている。これは、感光性ポリイミド等のバンプ間隔壁に使用する絶縁体の種類によっては、絶縁体形成途中の熱処理(例えば感光性ポリイミドの熱硬化処理等)の温度がインジウムバンプの融点より高くなる可能性があること、また、バンプを形成後に絶縁樹脂を塗布する場合、大きな凹凸が生じてしまい、十分な露光フォーカスマージンを確保することが難しいという問題があるためである。 In both the first embodiment and the second embodiment, the insulating wall is formed before the indium bump is formed. This is because, depending on the type of insulator used for the bump spacing wall such as photosensitive polyimide, the temperature of the heat treatment during the formation of the insulator (for example, thermosetting treatment of photosensitive polyimide) may be higher than the melting point of the indium bump. In addition, when the insulating resin is applied after the bumps are formed, large irregularities are generated, and it is difficult to secure a sufficient exposure focus margin.
なお、前記第一、第二の実施の形態では、絶縁壁パターンをポジ型の感光性ポリイミドを使用して作成したが、ネガ型の感光性ポリイミドを使用して作成することも可能である。 In the first and second embodiments, the insulating wall pattern is created using positive photosensitive polyimide, but it can also be created using negative photosensitive polyimide.
ネガ型感光性ポリイミドを使用する場合は、露光により光が当たった部分のみ物性が変化し、現像液によって溶解されなくなる。 In the case of using a negative photosensitive polyimide, the physical properties change only in the portion exposed to light by exposure and are not dissolved by the developer.
そこで、樹脂壁として残したい部分のみ光を透過させるようなマスクパターンを形成したマスクを使用して、感光性ポリイミドに露光光の照射を行えばよい。 Therefore, it is sufficient to irradiate the photosensitive polyimide with exposure light using a mask in which a mask pattern that allows light to pass through only a portion that is desired to remain as a resin wall is used.
また、第一の実施形態及び第二の実施形態では感光性ポリイミドを用いたフォトリソグラフィによって絶縁壁構造を作成する手順について例示したが、絶縁壁パターンを作成する方法はこれに限らない。 In the first embodiment and the second embodiment, the procedure for creating the insulating wall structure by photolithography using photosensitive polyimide is exemplified, but the method for creating the insulating wall pattern is not limited to this.
例えば非感光性の絶縁樹脂に、フォトレジストを用いたフォトリソグラフィ等を適用することによっても同様の構造を作成することが可能である。 For example, a similar structure can be formed by applying photolithography using a photoresist to a non-photosensitive insulating resin.
1 読み出し回路を備えたシリコン基板
2 層間絶縁膜
3 保護膜
4 第1Al-Si層
5 第2Al-Si層
6 Ti-Pd層
7 バンプ
8 受光素子を備えた基板
9 n+ジャンクジョン
10 保護膜
11 第1Au層
12 Mo層
13 Pt層
14 第2Au層
101 読み出し回路を備えた第一の基板
102 第一基板側の電極
103 感光性ポリイミド等の絶縁性樹脂
103A 感光性ポリイミドの非露光部
103B 感光性ポリイミドの露光部
104 フォトマスク
105 露光光
106 熱処理前の樹脂壁
107 絶縁壁
108 第一のフォトマスク
109 露光光
110 第一層目のレジスト
110A第一層目のレジストの非露光部分
110B 第一層目のレジストの露光部分
111 第一のフォトマスクより光を通す幅の小さい第二のフォトマスク
112 第二層目のレジスト
112A 第二層目のレジストの非露光部分
112B 第二層目のレジストの露光部分
113 庇構造を持ったレジスト
114 レジスト上に形成されたインジウム
115 電極上に形成されたインジウム
116 インジウムバンプ(リフロー後)
117 受光素子を備えた第二の基板
118 第二基板側の電極
201 読み出し回路を備えた第一の基板
202 第一基板側の電極
203 樹脂壁
204 庇構造を持ったレジスト
205 レジストと癒着していないバンプ
206 庇構造のないレジスト
207 レジストと癒着したバンプ
301 読み出し回路を備えた第一の基板
302 第一基板側の電極
303 めっきシード層
304 感光性ポリイミド等の絶縁性樹脂
304A 感光性ポリイミドの非露光部分
304B 感光性ポリイミドの露光部分
305 フォトマスク
306 露光光
307 熱処理前の樹脂壁
308 樹脂壁
309 フォトマスク
310 露光光
311 レジスト
311Aレジストの非露光部分
311Bレジストの露光部分
312 インジウムバンプ
313 インジウムバンプ(リフロー後)
314 第二基板側の電極
315 受光素子を備えた第二の基板
401 樹脂壁
402 インジウムバンプ
DESCRIPTION OF
117
314 Second
401
Claims (11)
前記第一基板とフリップチップボンディングによって電気的に接続される、量子型赤外線受光素子を備えた第二基板と、
前記第一基板と前記第二基板をフリップチップボンディングによって電気的に接続する複数の導体バンプ群と、
各バンプの周囲を囲むように形成し、前記第一基板側にのみ固定され、前記第二基板との間に空隙を設けた絶縁壁と、
を有することを特徴とする量子型赤外線撮像素子。 A first substrate provided with a readout circuit for the quantum infrared light receiving element;
A second substrate having a quantum infrared light receiving element electrically connected to the first substrate by flip chip bonding;
A plurality of conductive bump groups electrically connecting the first substrate and the second substrate by flip chip bonding;
An insulating wall that is formed so as to surround each bump, is fixed only to the first substrate side, and has an air gap between the second substrate,
A quantum infrared imaging device.
パターニングされた前記絶縁壁構造を熱硬化させる手順と、
前記第一基板側の電極上に導体バンプを形成する手順と、
形成された前記導体バンプをリフローする手順と、
前記第一基板と、受光素子を備えた第二基板を前記バンプによってフリップチップボンディングする手順と、
を有することを特徴とする、量子型赤外線撮像素子の製造方法。 Applying an insulating resin on a first substrate provided with a readout circuit for the quantum infrared light receiving element, and patterning to form a desired insulating wall structure so as to surround the electrode region;
Thermally curing the patterned insulating wall structure; and
A procedure for forming a conductor bump on the electrode on the first substrate side;
Reflowing the formed conductor bumps;
Flip chip bonding the first substrate and a second substrate having a light receiving element with the bumps;
A method of manufacturing a quantum infrared imaging device, comprising:
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