7.5 μm小間距銦凸點陣列制備的研究

馮曉宇,孫 健,王成剛,謝 珩,徐長彬,王格清,張 敏,祁嬌嬌

(華北光電技術研究所,北京 100015)

1 引 言

紅外探測器是許多軍事和民用應用中先進成像系統的關鍵組件。近些年許多新的概念被提出以指明紅外探測器的發展方向:系統尺寸、重量、功耗、價格和性能(SWaP3)[1-3],在百萬像素格式的成像系統中,像元尺寸對這些關鍵屬性起著至關重要的作用。減小像元間距是經濟高效地制備大面陣紅外探測器的關鍵因素,有利于實現高空間分辨率的微型化紅外成像系統,增加紅外系統的檢測和識別范圍[4-5]。為了成功減小像元間距,制備高精度和均勻性的小型銦凸點陣列是必須克服的挑戰之一[6-8]。本文通過不同打底層(UBM)尺寸和銦柱尺寸交叉組合的系列實驗研究,分析討論了小像元間距情況下銦凸點陣列的制備情況。

2 實 驗

圍繞尺寸為7.5 μm的小像元間距,進行不同UBM尺寸和銦柱尺寸的系列對比實驗。銦凸點制備流程如圖1所示。硅片→光刻UBM孔→UBM沉積→Lift-off→光刻銦柱孔→銦柱沉積→Lift-off→銦柱成球,其中銦柱生長高度為3 μm,UBM孔的形狀為圓形,銦柱孔的形狀為正方形,具體參數詳見表1。

圖1 銦凸點的制備流程

3 結果與討論

銦凸點制備完成后,對其高度和直徑進行隨機抽樣測試,取平均值,測試結果詳見表1。

表1 UBM直徑和銦柱邊長參數及所制備的銦凸點尺寸

3.1 銦柱邊長對銦凸點尺寸的影響

如圖2所示,當UBM直徑為2 μm時,隨著銦柱邊長的增長,銦凸點的高度和直徑也隨之增長。從表2中也可以看出,當UBM尺寸保持一致的情況下,所制備的銦凸點尺寸隨著銦柱邊長的增加而增加,呈正相關。這是由于當銦柱高度不變,邊長增加時,銦的總量增加,導致起球后銦凸點的尺寸整體增大。

圖2 UBM直徑為2 μm,不同銦柱邊長時制備的銦凸點的SEM圖和折線圖

3.2 UBM直徑對銦凸點尺寸的影響

如圖3所示,所制備的銦凸點陣列整齊均勻,精度高,統一性好。從圖4中可以直觀看出,當銦柱邊長為5 μm時,隨著UBM直徑的增長,銦凸點的高度越來越低,直徑越來越大。

圖3 銦柱邊長為5 μm,不同UBM直徑時所制備的銦凸點的SEM圖

圖4 銦柱邊長為5 μm時,不同UBM直徑對應的銦凸點尺寸

UBM直徑同銦凸點的高度呈負相關,同銦凸點的直徑呈正相關。這是由于當銦柱高度和邊長均不變的情況下,銦的總量不變,UBM的直徑控制著成球后銦凸點的截面積,截面積越大,起球后銦凸點的高度則越小,直徑則越大。

3.3 銦柱邊長與UBM直徑的關系對銦凸點均勻性的影響

對銦柱邊長為5 μm,UBM直徑分別為2 μm、3 μm、4 μm、5 μm時所制備的銦凸點進行多點直徑測量,測試結果如圖5所示。

圖5 銦柱邊長為5 μm,不同UBM直徑時所制備的銦凸點的SEM圖

當UBM直徑為2 μm時,最大直徑與最小直徑差值為0.64 μm,當UBM直徑分別為3 μm、4 μm、5 μm時,最大直徑與最小直徑差值分別為0.56 μm、0.44 μm、0.36 μm,如圖6所示?？梢钥闯?隨著UBM直徑的增加,所制備的銦凸點的最大直徑差下降,均勻性逐漸提升。這可能是由于5 μm以下,UBM的直徑越來越小,更加接近工藝的極限,導致工藝控制能力相對更弱,從而使得均勻性變差,也可能是由于UBM直徑與銦柱邊長的差值增大導致的均勻性變差。

圖6 銦柱邊長為5 μm時,不同UBM直徑對應的最大直徑差

3.4 銦柱邊長與UBM直徑的關系對銦凸點形狀的影響

當UBM直徑小于銦柱邊長時,如圖2、圖3所示,銦凸點呈球狀結構；當UBM直徑大于銦柱邊長時,如圖7所示,銦凸點呈橢型島狀結構,并且從圖7(b)和(c)可以看出,隨著UBM和銦柱尺寸差值的增大,島狀結構底面直徑與高度的比例也隨之增大。

圖7 不同UBM及不同銦柱邊長情況下所制備的銦凸點的SEM圖

3.5 7.5 μm小間距銦凸點陣列尺寸的選擇

針對像元間距為7.5 μm的混成式紅外探測器,為了精準地完成倒裝互連工藝,不僅需要所制備的銦凸點陣列具有高精度和高均勻性,而且由于其小間距的限制,銦凸點的直徑必須保證能夠給予倒裝互連工藝一定的閾值,以防止互連后凸點間的粘連,在此同時還需要保證銦凸點具有足夠高度,以滿足倒裝互連的工藝要求。綜上,從本文所制備的高精度高均勻性銦凸點陣列中選擇相對更加合適的銦凸點尺寸,當UBM直徑為2 μm,銦柱邊長為5 μm時,所制備的銦凸點高度為4.5 μm,直徑為4.8 μm,如圖3(b)所示；當UBM直徑為3 μm,銦柱邊長為5 μm時,所制備的銦凸點高度為4.4 μm,直徑為5.2 μm,如圖3(c)所示,此兩種工藝所得銦凸點陣列具備良好的均勻性和精度,并且尺寸更滿足7.5 μm小間距的倒裝互連工藝要求,可用于7.5 μm像元間距紅外探測器的制備。

4 結 論

本文針對7.5 μm像元間距紅外探測器,通過系列實驗和分析,成功制備出了高尺寸精度和高均勻性的銦凸點陣列,這將大大提升混成式紅外探測器的倒裝互連工藝精度及導通率,此外,得出了UBM尺寸和銦柱尺寸對所制備銦凸點尺寸的影響,以及UBM尺寸和銦柱尺寸的關系對銦凸點陣列的均勻性和形狀的影響,對制備高精度小型銦凸點陣列具有良好的指導意義。