專利名稱：紅外焦平面列陣器件混成互連銦柱的微熔回流加固方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及紅外焦平面列陣成像器件的制造方法，具體是指紅外光敏感列陣芯片和讀出電路之間混成互連銦柱的微熔回流加固方法。
背景技術(shù)：
紅外焦平面列陣器件是既具有紅外信息獲取又具有信息處理功能的先進(jìn)的成像傳感器，它由紅外光敏感列陣芯片和其相應(yīng)的硅讀出電路通過銦柱互連組成。
這種銦柱互連集成方式，不僅給紅外光敏感列陣芯片與其對(duì)應(yīng)的讀出電路的輸入端之間提供機(jī)械和電學(xué)連通，還能夠緩沖紅外光敏感列陣芯片與硅讀出電路在冷熱循環(huán)下熱膨脹失配導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力，以保證紅外光敏感列陣芯片高的探測(cè)性能。
但是，紅外焦平面探測(cè)器在經(jīng)受成百上千次的高低溫冷熱循環(huán)或快速冷熱循環(huán)后，必然會(huì)因?yàn)樘綔y(cè)器芯片與硅讀出電路間的熱膨脹失配而在冷熱循環(huán)下導(dǎo)致銦柱疲勞損傷，直至不能保證它們之間的機(jī)械和電學(xué)連通而致使紅外焦平面列陣器件性能失效。所以，這種紅外焦平面列陣器件的互連銦柱的疲勞及壽命就成了這一領(lǐng)域工作者高度重視的問題。
為了增加銦柱在紅外焦平面列陣器件中的使用壽命，一個(gè)較為常用的方法是往紅外光敏感列陣芯片和讀出電路之間的間距縫隙內(nèi)填充環(huán)氧膠。但由于環(huán)氧膠的熱膨脹系數(shù)都很大，會(huì)導(dǎo)致紅外焦平面列陣器件在冷熱循環(huán)下存在很大的結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力，從而影響紅外光敏感列陣芯片的探測(cè)性能。
而另外一個(gè)增加銦柱在紅外焦平面列陣器件中使用壽命的方法是通過回流自對(duì)準(zhǔn)或回流提拉的混成互連技術(shù)，來增加混成互連銦柱與金屬化電極層間的機(jī)械接觸強(qiáng)度。但是，這兩種混成互連技術(shù)，對(duì)金屬化電極與混成互連銦柱的浸潤(rùn)性要求極高，在工藝實(shí)現(xiàn)上存在很大的難度。

發(fā)明內(nèi)容
基于上述已有的互連銦柱在器件使用壽命方面存在的問題，本發(fā)明的目的是提供一種既簡(jiǎn)單方便、又不影響紅外焦平面列陣器件探測(cè)性能的互連銦柱的微熔回流加固方法，以提高器件的使用壽命。
本發(fā)明的方法是在紅外光敏感列陣芯片和讀出電路在常規(guī)的冷壓混成互連后，采用甲酸作為還原劑，在金屬銦的熔點(diǎn)溫度下進(jìn)行混成互連銦柱的微熔回流加固，以增強(qiáng)混成互連銦柱之間及內(nèi)部的鍵合力，以及混成互連銦柱與金屬化電極層間的機(jī)械接觸強(qiáng)度，從而確保紅外光敏感列陣芯片與硅讀出電路之間的電學(xué)連通，并提高紅外焦平面混成互連的機(jī)械可靠性。
本發(fā)明的混成互連銦柱的微熔回流加固方法步驟為A.將由銦柱冷壓混成互連成的紅外焦平面列陣器件樣品與監(jiān)控銦片一起放到可自動(dòng)升降控溫的回熔爐的樣品臺(tái)上；B.然后對(duì)樣品室抽真空至6×10-3mbar以下，加熱樣品和監(jiān)控銦片，在1-1.5分鐘內(nèi)將其迅速加熱到銦的熔點(diǎn)，同時(shí)在這一升溫和互連銦柱微熔加固的過程中，往腔室里通入500～600L/小時(shí)的通過濃度為80％的甲酸液體的含甲酸氣氛的氮?dú)饬鳌?br> C.觀察監(jiān)控銦片，當(dāng)監(jiān)控銦片回流成球后，立即停止含甲酸氣氛的氮?dú)饬魅?，以流速?000～2500L/小時(shí)的大流量的氮?dú)獯禈悠罚移鹩脴悠放_(tái)冷卻降溫功能，使樣品在10-20秒內(nèi)迅速降至室溫，然后將氮?dú)饬魉俳禐?00～500L/小時(shí)，并維持30-40分鐘來清洗回流微熔加固過程中殘留的甲酸氣體及反應(yīng)生成物，確保微熔回流后的樣品能夠長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存。
在這一技術(shù)方案中，甲酸作為還原劑，與混成互連銦柱內(nèi)許多顆粒間的界面氧化層(In2O3)反應(yīng)，生成物In(HCOO)3和H2O隨含甲酸氣氛的氮?dú)饬髋懦銮惑w。在微熔回流升溫時(shí)，伴隨著這一反應(yīng)的發(fā)生，混成互連銦柱內(nèi)的銦晶粒間的界面消除使銦晶粒間的結(jié)合力增強(qiáng)，在回流的表面張力作用下微熔加固成一體，從而增強(qiáng)了混成互連銦柱之間及內(nèi)部的鍵合力。且在混成互連銦柱微熔加固的同時(shí)，在回流狀態(tài)下的銦柱與紅外光敏感列陣芯片和讀出電路的金屬化電極層之間發(fā)生親潤(rùn)，進(jìn)而增強(qiáng)混成互連銦柱與金屬化電極層間的機(jī)械接觸強(qiáng)度。雖然氫氣是很好的還原劑，但在較低溫度下它并不具備還原能力。所以，在我們的技術(shù)方案中，為了混成互連銦柱能在較低溫度下能微熔回流，選擇了甲酸作為還原劑。使用監(jiān)控銦片的目的是為了便于觀測(cè)銦柱的微熔。
本發(fā)明的最大優(yōu)點(diǎn)是1.采用甲酸作為還原劑，在金屬銦的熔點(diǎn)溫度就達(dá)到紅外焦平面列陣器件混成互連銦柱微熔回流加固的目的；2.避免了往紅外光敏感列陣芯片和讀出電路之間的間距縫隙內(nèi)填充環(huán)氧膠，從而不影響器件探測(cè)性能；3.操作簡(jiǎn)單，便于在工藝上實(shí)現(xiàn)。


圖1是紅外焦平面列陣器件的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是互連銦柱微熔回流加固后的剖面金相顯微鏡圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步的詳細(xì)說明本發(fā)明的紅外焦平面列陣器件互連銦柱的微熔回流加固處理是在德國(guó)ATV公司的SRO-702回熔儀器上完成的。紅外焦平面列陣器件樣品是由紅外光敏感列陣芯片1和讀出電路2通過銦柱3混成互連而成的，紅外光敏感列陣芯片1由襯底101，在襯底101上依次置有過度層102、響應(yīng)紅外目標(biāo)輻射的光敏元列陣構(gòu)成。每一光敏元由p型層103和n型區(qū)104構(gòu)成。
A.首先將由銦柱冷壓混成互連成的紅外焦平面列陣器件放在回熔腔的可控溫的樣品臺(tái)上，樣品臺(tái)上還放置一監(jiān)控銦片，關(guān)閉回熔腔室，采用抗化學(xué)腐蝕的機(jī)械泵，抽真空到4mbar，再往回熔腔通入少量氮?dú)?，以減少腔室內(nèi)氧氣和水蒸氣的含量，最后啟動(dòng)羅茨泵，對(duì)回熔腔抽真空到6×10-3mbar以下。
B.在1～1.5分鐘內(nèi)將樣品迅速升溫到銦的熔點(diǎn)，并維持到監(jiān)控銦片回熔成球，同時(shí)，在這一升溫和維持的過程中，往腔室里通入含甲酸氣氛的氮?dú)饬?，以完成混成互連銦柱的微熔回流加固工藝處理。如果冷壓混成互連好的紅外焦平面列陣器件樣品放置時(shí)間較長(zhǎng)，互連銦柱的表面氧化層就會(huì)較厚，這時(shí)在熔點(diǎn)溫度需要維持較長(zhǎng)的時(shí)間。甲酸氣氛是由流速為500～600L/小時(shí)的氮?dú)馔ㄟ^濃度為80％的甲酸液體來帶走適量汽化的甲酸氣體進(jìn)入反應(yīng)腔室的?；斐苫ミB銦柱是否完成微熔回流加固是通過回熔腔的觀察窗口觀察的，由于混成互連銦柱是處于紅外光敏感列陣芯片和讀出電路的中間位置，不便于直接觀察，因此，我們?cè)跇悠返倪吷戏胖靡槐O(jiān)控銦片，若監(jiān)控銦片已微熔回流并成表面光亮的球狀，則表明混成互連銦柱已經(jīng)微熔回流并起到加固的作用，此時(shí)關(guān)閉含甲酸氣氛的氮?dú)饬鬟M(jìn)入腔室。
C.然后通入流速為2000～2500L/小時(shí)大流量的氮?dú)猓移鹩脴悠放_(tái)冷卻降溫功能，使樣品在10～20秒內(nèi)快速降到室溫，然后將氮?dú)饬魉俳禐?00～500L/小時(shí)，并維持30～40分鐘來清洗混成互連銦柱微熔回流加固過程中殘留的甲酸氣體及反應(yīng)生成物，以確保微熔回流加固后的樣品能夠長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存。
圖1是紅外焦平面列陣器件樣品的剖面結(jié)構(gòu)示意圖，由紅外光敏感列陣芯片1和讀出電路2通過銦柱3混成互連而成。圖2是經(jīng)微熔回流加固后的互連銦柱剖面金相顯微鏡圖，可見列陣芯片上的銦柱和讀出電路上的銦柱混成互連之間及銦柱內(nèi)部已經(jīng)沒有間隙，銦晶粒間的界面消除，且銦柱與紅外光敏感列陣芯片和讀出電路的金屬化電極層之間完全親潤(rùn)。同時(shí)，對(duì)微熔回流加固完的紅外焦平面列陣器件進(jìn)行了推力對(duì)比實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)比未經(jīng)微熔回流加固的同等規(guī)格的紅外焦平面列陣器件的最大能承受剪切推力增加了四倍。而且經(jīng)室溫-液氮溫度循環(huán)沖擊500次后，經(jīng)測(cè)試紅外焦平面列陣器件的性能沒有變化。
因此，本發(fā)明的紅外焦平面列陣器件的互連銦柱微熔回流加固方法是可行的、合理的。
權(quán)利要求
1.一種紅外焦平面列陣器件混成互連銦柱的微熔回流加固方法，其特征在于具體步驟如下§A.將由銦柱冷壓混成互連成的紅外焦平面列陣器件樣品與監(jiān)控銦片一起放到可自動(dòng)升降控溫的回熔爐的樣品臺(tái)上；§B.然后對(duì)樣品室抽真空至6×10-3mbar以下，加熱樣品和監(jiān)控銦片，在1-1.5分鐘內(nèi)將其迅速加熱到銦的熔點(diǎn)，同時(shí)在這一升溫和互連銦柱微熔加固的過程中，往腔室里通入500～600L/小時(shí)的含有甲酸氣氛的氮?dú)饬?，該含甲酸氣氛的氮?dú)饬饔傻獨(dú)馔ㄟ^80％的甲酸液體產(chǎn)生；§C.觀察監(jiān)控銦片，當(dāng)銦片回流成球后，立即停止含甲酸氣氛的氮?dú)饬魅?，以流速?000～2500L/小時(shí)的大流量的氮?dú)獯禈悠?，且起用樣品臺(tái)冷卻降溫功能，使樣品在10-20秒內(nèi)迅速降至室溫，然后將氮?dú)饬魉俳禐?00～500L/小時(shí)，并維持30-40分鐘來清洗回流微熔加固過程中殘留的甲酸氣體及反應(yīng)生成物，確保微熔回流后的樣品能夠長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種紅外焦平面列陣器件混成互連銦柱的微熔回流加固方法，該方法是在紅外光敏感列陣芯片和讀出電路在常規(guī)的冷壓混成互連后，采用甲酸作為還原劑，在金屬銦的熔點(diǎn)溫度下進(jìn)行混成互連銦柱的微熔回流加固，以增強(qiáng)混成互連銦柱之間及內(nèi)部的鍵合力，以及混成互連銦柱與金屬化電極層間的機(jī)械接觸強(qiáng)度，從而確保紅外光敏感列陣芯片與硅讀出電路之間的電學(xué)連通，并提高紅外焦平面混成互連的機(jī)械可靠性。本發(fā)明方法操作簡(jiǎn)單，便于在工藝上實(shí)現(xiàn)。
文檔編號(hào)H01L21/60GK1937190SQ20061011710
公開日2007年3月28日 申請(qǐng)日期2006年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月13日
發(fā)明者葉振華, 胡曉寧, 王建新, 周文洪, 王晨飛, 丁瑞軍 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所