RU2131632C1

RU2131632C1 - Method for assembling photodetectors

Info

Publication number: RU2131632C1
Application number: RU97112114A
Authority: RU
Inventors: В.Н. Овсюк; А.П. Савченко; О.И. Семенова; В.В. Шашкин
Original assignee: Институт физики полупроводников СО РАН
Priority date: 1997-07-14
Filing date: 1997-07-14
Publication date: 1999-06-10

Abstract

FIELD: semiconductor instruments. SUBSTANCE: method involves deposition of indium columns on semiconductor materials with later connection of units constituting assembly, including matrices of photodetectors and commutator. Goal of invention is achieved by deposition of bimetallic sub-layer before deposition of indium on matrix elements. Said sub-layer consists of two sequentially deposited metals, one which is indium-wetted and is located in center of matrix element, and non-wetted which is located on rest of matrix. Then matrix is kept in high-frequency gas-discharge of gas mix for 10-40 s. Gas mix contains argon and freon-14 under partial pressures of respectively 80 and 20, and discharge power density within range of 0.06-0.20 W per sq. cm and subsequent heating up to 160-179 C. Height of columns depends on geometric size of indium-wetted sub-layer using condition h=S1*h1/S, where S1 is initial area of column base, h1 is its initial height, S is area of indium-wetted sub-layer. EFFECT: increased height of indium columns on matrix elements, increased reliability of assembling of photodetectors.

Description

Изобретение относится к технологии сборки фотоприемных устройств, выполненных на основе полупроводниковых материалов и предназначено для повышения надежности сборки. The invention relates to assembly technology of photodetectors made on the basis of semiconductor materials and is intended to improve the reliability of the assembly.

Известен способ получения капель из сплава 95Pb+5Sn, нанесенного на поверхность кремния [P.A.Moskowitz, H.L.Yeh and S.K.Ray. "Termal dry process soldering. " J.Vac.Sci,A.Vol. 4, No. 3, 1986]. Образец нагревали в атмосфере фреона (CF₄)-20 Torr и аргона (Ar)-740 Torr.A known method of producing droplets from an alloy of 95Pb + 5Sn deposited on a silicon surface [PAMoskowitz, HLYeh and SKRay. "Termal dry process soldering." J.Vac.Sci, A.Vol. 4, No. 3, 1986]. The sample was heated in an atmosphere of Freon (CF ₄ ) -20 Torr and argon (Ar) -740 Torr.

Однако для получения положительного результата, предъявляется высокое требование к чистоте исходных газов. Небольшое присутствие в газах кислорода приводит к появлению на поверхности сплава слоя окисла, препятствующего образованию капли. Кроме того, для получения чистых не покрытых коррозией капель исходную смесь газов необходимо пропускать через катализатор из платиновой сетки. However, to obtain a positive result, high demands are made on the purity of the feed gases. A small presence of oxygen in gases leads to the appearance of an oxide layer on the surface of the alloy, which prevents the formation of droplets. In addition, to obtain clean, non-corrosion-coated droplets, the initial gas mixture must be passed through a platinum mesh catalyst.

Наиболее близким к изобретению является способ соединения кремниевого коммутатора с матрицей фотоприемников, где в качестве элемента соединения используют столбы из напыленного индия [T.Kano, M.Saga and et.al. "Deve-lopment of MBE grown HgCdTe 64•64 FPA for long wavelength IR detechion". SPIE Vol. 2020 Infrared Technology (1993), pp. 41 - 48]. Closest to the invention is a method of connecting a silicon switch with a matrix of photodetectors, where as a connection element using columns of sprayed indium [T. Kano, M. Saga and et.al. "Deve-lopment of MBE grown HgCdTe 64 • 64 FPA for long wavelength IR detechion." SPIE Vol. 2020 Infrared Technology (1993), pp. 41 to 48].

Недостатком этого способа является трудность в получении столбов необходимой высоты, так как процесс их создания требует химического травления, при котором происходит сильное подтравливание индия под фоторезистивным слоем. Уже при толщинах больше 6 мкм наблюдается заметное уменьшение геометрических размеров столбов, как в плоскости его основания, и по высоте. При сборке составляющих фотоприемного устройства, как правило, происходит нарушение плоскопараллельности между плоскостями коммутатора и матрицы. Вследствие этого небольшая высота столбов не позволяет получить надежную гальваническую связь отдельных элементов сборки. Наличие на поверхности матрицы ростовых дефектов, случайное попадание пылинок во время сборки, также приводит к снижению надежности соединения. Чем выше столбы, тем большая вероятность получения надежного соединения при сборке фотоприемных устройств. The disadvantage of this method is the difficulty in obtaining the columns of the required height, since the process of their creation requires chemical etching, in which there is a strong etching of indium under the photoresist layer. Already at thicknesses greater than 6 μm, a noticeable decrease in the geometric dimensions of the columns is observed, both in the plane of its base and in height. When assembling the components of the photodetector, as a rule, there is a violation of plane parallelism between the planes of the switch and the matrix. As a result, the low height of the posts does not allow reliable galvanic coupling of the individual elements of the assembly. The presence on the surface of the matrix of growth defects, the accidental ingress of dust during assembly also reduces the reliability of the connection. The higher the poles, the greater the likelihood of a reliable connection when assembling photodetectors.

Техническим результатом изобретения является увеличение высоты столбов на элементах матрицы, что позволяет повысить надежность сборки фотоприемных устройств. The technical result of the invention is to increase the height of the posts on the matrix elements, which improves the reliability of the assembly of photodetectors.

Технический результат достигается тем, что в способе сборки фотоприемных устройств, включающем напыление индиевых столбов на полупроводниковые материалы с последующим соединением составляющих узлов сборки: матрицы фотоприемников и коммутатора перед напылением индия на элементы матрицы, наносят подслой, состоящий из двух последовательно напыленных металлов: смачиваемого индием - в центре отдельного элемента матрицы и несмачиваемого - на остальной части, затем выдерживают ее в течение 10 - 40 с в высокочастотном разряде смеси газов: аргона и фреона-14, при порциальных давлениях 80 и 20 мТорр, соответственно, и плотности мощности в разряде от 0,06 - 0,2 Вт/см², с последующим нагревом до температуры 160 - 170^oC, причем высоту столбов задают геометрическими размерами смачиваемого индием подслоя по формуле: h= S₁•h₁/S, где S₁ - исходная площадь основания столба, h₁ - его исходная высота, S - площадь смачиваемого индием подслоя.The technical result is achieved by the fact that in the method of assembling photodetectors, including the deposition of indium poles on semiconductor materials with the subsequent connection of the components of the assembly: the photodetector matrix and the switch before spraying indium on the matrix elements, a sublayer is applied, consisting of two sequentially sprayed metals: wetted by indium - in the center of a separate element of the matrix and non-wettable - on the rest, then they are held for 10 - 40 s in a high-frequency discharge of a mixture of gases: argon a and freon-14, at partial pressures of 80 and 20 mTorr, respectively, and power density in the discharge from 0.06 - 0.2 W / cm ² , followed by heating to a temperature of 160 - 170 ^o C, and the height of the columns is set by geometric the dimensions of the sublayer wetted by indium according to the formula: h = S ₁ • h ₁ / S, where S ₁ is the initial area of the column base, h ₁ is its initial height, S is the area of the sublayer wetted by indium.

Сущность описываемого способа состоит в том, что для увеличения высоты индиевых столбов на элементах матрицы из полупроводниковых материалов, получаемых стандартным методом фотолитографии, перед нанесением индия, наносят подслой, который состоит из двух последовательно напыленных металлов: смачиваемого индием, например, никеля, в центре отдельного элемента, и несмачиваемого, например, хрома, на остальной площади. Так как в процессе создания столбов, индий покрывается слоем естественного окисла, то для его удаления был применен метод плазмохимического травления в высокочастотном разряде смеси газов CF₄+Ar, где в разряде, наряду с ионами аргона, бомбардирующими поверхность индия, существует значительное число ионов фтора и его радикалов, которые химически взаимодействуют с окисной пленкой индия, восстанавливая ее до свободного индия и летучей компоненты OF₂. При нагревании индия до 160 - 170^oC, когда силы поверхностного натяжения жидкого индия становятся больше удерживающих сил, обусловленных остаточным окисным слоем индия, они отрывают In от несмачиваемого им хрома. Температурный интервал нагревания In выбран таким, чтобы заметно не уменьшались силы поверхностного натяжения по мере роста температуры, и не увеличивалась скорость роста окисного слоя на поверхности In, что затрудняет процесс формирования высоты столбов. В указанном выше температурном интервале высота столба (h) увеличится пропорционально отношению площади, занимаемой исходным столбом индия (S₁), к площади, покрытой никелем (S) для каждого элемента матрицы, т.е. исходный объем индия сохраняется постоянным, а меняются площадь основания столба и его высота h= S₁•h₁/S, где h₁ - высота исходного столба. Таким образом, увеличивая это соотношение, можно регулировать высоту столбов.The essence of the described method consists in the fact that to increase the height of the indium columns on the matrix elements from semiconductor materials obtained by the standard method of photolithography, before applying indium, a sublayer is applied, which consists of two sequentially deposited metals: wetted by indium, for example, nickel, in the center of a separate element, and non-wettable, for example, chromium, in the remaining area. Since indium is coated with a layer of natural oxide during the creation of the pillars, the plasma-chemical etching method in a high-frequency discharge of a gas mixture of CF ₄ + Ar was used to remove it, where a significant number of fluorine ions exist in the discharge, along with argon ions bombarding the indium surface and its radicals, which chemically interact with the indium oxide film, reducing it to free indium and the volatile component OF ₂ . When indium is heated to 160 - 170 ^o C, when the surface tension of liquid indium becomes greater than the holding forces due to the residual oxide layer of indium, they tear In from non-wettable chromium. The temperature interval for heating In was chosen so that the surface tension forces did not decrease noticeably with increasing temperature, and the growth rate of the oxide layer on the In surface did not increase, which complicates the process of forming the height of the columns. In the above temperature range, the column height (h) will increase in proportion to the ratio of the area occupied by the original indium column (S ₁ ) to the area covered by nickel (S) for each matrix element, i.e. the initial volume of indium remains constant, and the area of the base of the column and its height h = S ₁ • h ₁ / S, where h ₁ is the height of the original column, change. Thus, increasing this ratio, you can adjust the height of the posts.

Важным моментом в данном процессе является правильный выбор плотности мощности газового разряда (0.06 - 0.20 Вт/см²). При плотности мощности меньше 0.06 Вт/см² энергия ионов в разряде не превышает 10 эВ и не приводит к разрушению поверхностных окисных слоев индия, а при мощности больше 0.20 Вт/см² на поверхности In начинается рост полимерной пленки, которая препятствует увеличению высоты столбов. Время выдержки, в указанном выше интервале плотности мощности, выбирается от 10 - 40 с, т.к. при времени, меньшем 10 с, окисный слой полностью еще не удаляется, при большем 40 сек на сформировавшихся столбах появляется налет продуктов химических реакций в разряде и возможно введение дефектов в приповерхностный слой полупроводникового материала.An important point in this process is the correct choice of the power density of the gas discharge (0.06 - 0.20 W / cm ² ). When the power density is less than 0.06 W / cm ^2, the ion energy in the discharge does not exceed 10 eV and does not lead to the destruction of the surface indium oxide layers, and when the power is greater than 0.20 W / cm ² , the polymer film begins to grow on the In surface, which prevents the column height from increasing. The exposure time, in the above range of power density, is selected from 10 - 40 s, because at a time shorter than 10 s, the oxide layer has not yet been completely removed; at more than 40 sec, deposits of chemical reactions in the discharge appear on the formed columns and defects can be introduced into the surface layer of the semiconductor material.

Выбор парциального давления газов (80 мТорр-Ar, 20 мТорр-CF₄) был сделан на основании экспериментов по варьированию соотношения CF₄:Ar. Разбавление фреона аргоном необходимо поскольку, во-первых, уменьшает скорость травления и делает процесс более контролируемым, во-вторых, ионы Ar⁺ обладают достаточной массой и энергией для разрушения поверхности окисла, не испаряя его, в-третьих, без введения избытка Ar заметными становятся процессы газофазной полимеризации радикалов, приводящие к образованию на поверхности образцов фторуглеродистых пленок.The choice of the partial pressure of gases (80 mTorr-Ar, 20 mTorr-CF ₄ ) was made on the basis of experiments on varying the ratio CF ₄ : Ar. Dilution of freon with argon is necessary because, firstly, it reduces the etching rate and makes the process more controlled, secondly, Ar ⁺ ions have sufficient mass and energy to destroy the oxide surface without evaporating it, and thirdly, without introducing an excess of Ar, they become noticeable processes of gas-phase polymerization of radicals leading to the formation of fluorocarbon films on the surface of samples.

Пример выполнения способа. An example of the method.

Изготовлена матрица 128х128 элементов с шагом 50 мкм и высотой индиевых столбов 6 мкм, полученных с помощью фотолитографии, помещалась в газовый разряд аргона и фреона-14 с соотношением потоков газов (4:1) с плотностью мощности, вкладываемой в разряд 0.08 Вт/см². При комнатной температуре она выдерживалась в разряде в течение 30 с, затем разряд выключали и нагревали ее до температуры 160^oC и сразу выключали нагрев. Охлаждали до произвольной температуры ниже 150^o. При этом индиевые столбы были нанесены на подслой, состоящий из двух металлов: никеля 40•40 мкм² - в центре элемента матрицы и хрома в виде рамки, наружный размер которой составлял 46•46 мкм². Было видно, что индий, который лежал на хроме, сошел с него на подслой никеля, а высота столба стала равной h=S₁•h₁/S, где S₁ - исходная площадь основания, занимаемая индиевым столбом, h₁ - его высота, S - площадь подслоя никеля, и составила - 7.9 мкм. Если вместо Ni внутренний подслой был напылен из титана, который плохо смачивался индием, то образовавшиеся капли были произвольно расположены на титане и не занимали всю площадь подслоя.A matrix of 128x128 elements with a step of 50 μm and a height of indium columns of 6 μm obtained using photolithography was manufactured; it was placed in a gas discharge of argon and freon-14 with a ratio of gas flows (4: 1) with a power density invested in the discharge of 0.08 W / cm ² . At room temperature, it was maintained in the discharge for 30 s, then the discharge was turned off and heated to a temperature of 160 ^° C and the heating was immediately turned off. Cooled to an arbitrary temperature below 150 ^o . In this case, indium columns were deposited on a sublayer consisting of two metals: nickel 40 • 40 μm ² — in the center of the matrix element and chromium in the form of a frame whose outer size was 46 • 46 μm ² . It was evident that indium, which was lying on chrome, descended from it onto the nickel sublayer, and the column height became equal to h = S ₁ • h ₁ / S, where S ₁ is the initial base area occupied by the indium column, h ₁ is its height , S is the area of the nickel sublayer, and amounted to 7.9 μm. If instead of Ni the inner sublayer was sprayed from titanium, which was poorly wetted by indium, then the resulting drops were arbitrarily located on titanium and did not occupy the entire area of the sublayer.

Была проведена проверка режимов во всех указанных интервалах мощности, температуры и времени и показано, что результат во всех случаях был положительных. The modes were checked in all indicated intervals of power, temperature and time, and it was shown that the result in all cases was positive.

Использование предлагаемого способа позволило надежно собирать фотоприемные устройства (ФПУ) 128х128 элементов с шагом 5-0- мкм на основе гетероструктур AlGaAs/-GaAs с квантовыми ямами и коммутатор на кремнии. Using the proposed method made it possible to reliably collect photodetector devices (FPU) of 128x128 elements with a step of 5-0 μm based on AlGaAs / -GaAs heterostructures with quantum wells and a silicon switch.

Claims

A method of assembling photodetectors, including spraying indium poles onto semiconductor materials, followed by connecting the component assemblies: photodetector arrays and a commutator, characterized in that before spraying on the matrix elements, an undercoat is applied, consisting of two sequentially deposited metals: wetted by indium - in the center of a separate matrix element and non-wettable - on the rest, then maintain it for 10-40 s in a high-frequency gas discharge of a mixture of gases: argon and freon-14, at arterial pressures of 80 and 20 mTorr, respectively, and the power density in the discharge from 0.06-0.20 W / cm ² , followed by heating to a temperature of 160-170 ^o C, and the height of the columns is determined by the geometric dimensions of the sublayer wetted by indium according to the formula
h = S ₁ • h ₁ / S,
where S ₁ is the initial area of the base of the column;
h ₁ is its initial height;
S is the area of the sublayer wetted by indium.