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CN111584672A - 一种红外焦平面探测器的铟柱及其制备方法 - Google Patents

一种红外焦平面探测器的铟柱及其制备方法 Download PDF

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CN111584672A
CN111584672A CN202010329369.2A CN202010329369A CN111584672A CN 111584672 A CN111584672 A CN 111584672A CN 202010329369 A CN202010329369 A CN 202010329369A CN 111584672 A CN111584672 A CN 111584672A
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Wuhan Huazhong Kuangteng Optical Technology Co ltd
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Abstract

本发明涉及一种红外焦平面探测器的铟柱的制备方法及用该方法制备的铟柱，本发明方法首先在芯片表面旋涂薄光刻胶，对准像元或读出单元电极中心开展一次套刻，制备圆形打底金属沉积孔，通过电子束蒸发蒸镀复合金属膜，采用湿法剥离方式获得打底金属图形阵列；然后，旋涂中等厚度光刻胶，对准打底金属图形中心开展二次套刻，制备方形铟柱沉积孔，再通过真空热蒸发沉积铟膜，采用湿法剥离工艺获得铟柱；最后采用回流炉在甲酸氛围下缩球，获得大高宽比铟柱阵列。本发明整体工艺难度比现有方式低，制备出的铟柱尺寸能够满足要求，而且尺寸均匀性较高，铟柱表面均匀且光滑，完全能够满足倒装互连工艺一致性要求。

Description

一种红外焦平面探测器的铟柱及其制备方法
技术领域
本发明涉及红外探测器技术领域，具体涉及一种红外焦平面探测器的铟柱及其制备方法。
背景技术
红外焦平面阵列(IRFPA)探测器兼具辐射敏感、电荷存储和多路传输等功能，是第二代凝视型红外热成像系统采用的位于光学系统焦平面上并带有信号处理电路的面阵探测器，其探测单元数量比第一代探测器高3个数量级以上，通过倒装工艺(Flip-Chip)和CMOS读出电路技术实现对目标的快速电扫描成像、识别和追踪，在红外制导、跟踪、凝视成像等武器设备上广泛应用。近年来人们逐渐提出了以高探测率、大面阵、低成本、多光谱为技术特点的第三代红外探测器概念，基于第二代的倒装工艺和读出电路技术，探测器规格不断增加(超大面阵、超小像元)及制备工艺难度降低成为了红外探测器的重要发展趋势。
混合式焦平面探测器是现代成像系统的核心器件。对于混合式焦平面探测器件而言，敏感元芯片和信号读出电路均是分别研制，然后单元之间一对一电气互连。优势在于制备工艺相对简单，灵活性好，但是也带来的复杂的互连问题。目前在混合式焦平面器件的研制中通常采用铟柱倒装互连工艺，在探测器阵列和读出电路表面按栅阵形状布置铟柱，敏感元直接倒装在读出电路上，通过上述铟柱与读出电路上的铟柱实现高密度电气连接，能适应大规模面阵焦平面的发展需求。目前，铟柱的加工主要是采用两种方式：一种是通过扩散成结的方式制成，另一种是通过外延生长方式获得。
随着应用端对探测器阵列规模和成像分辨率的不断增加，像元中心间距不断缩小，为了避免像元之间因铟柱形变后发生短路，要求铟柱横向尺寸随之缩小，导致直接生长获得的铟柱高度急剧下降。从而产生两个问题：1)随着铟柱高度下降，芯片互连调平容差降低，互连时微小的调平偏差会导致敏感元一侧的部分区域互连失败，而且对芯片不平整度补偿能力变差，恶化了像元的连通率；2)缓解敏感芯片和读出电路芯片之间热失配导致的剪切形变的能力变差，器件耐热冲击的可靠性下降，疲劳寿命降低。因此，大高宽比铟柱可以显著降低焦平面器件盲元率并提升器件可靠性，对于发展更大规模高分辨探测器件有着非常重要的意义。然而，现有传统方法提高铟柱的高度通常采用厚胶光刻工艺，但是厚胶工艺会导致铟柱尺寸均匀性变差，且随着面阵密度的增大，厚胶剥离更加困难。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种红外焦平面探测器的铟柱及其制备方法，整体工艺难度比现有方式低，制备出的铟柱尺寸能够满足要求，而且尺寸均匀性较高，铟柱表面均匀且光滑，完全能够满足倒装互连工艺一致性要求。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种红外焦平面探测器的铟柱的制备方法，包括以下步骤：
1)芯片涂胶：将芯片表面清洗干净并去除残留的水分，而后在芯片表面旋涂一层光刻胶；
2)掩膜刻蚀：依据铟柱的间距尺寸参数在掩膜板上间隔开圆形光刻孔，而后将掩膜板掩盖在步骤1)涂胶后的芯片上，进行第一次光刻曝光，然后显影、定影；
3)镀打底金属：采用真空镀膜的方式在步骤2)处理后的芯片表面镀打底金属，而后清洗掉光刻胶，剥离多余金属；
4)再次涂胶：在经步骤3)处理过的芯片表面再次旋涂一层光刻胶；
5)再次掩膜刻蚀：依据铟柱的间距尺寸参数在掩膜板上间隔开方形光刻孔，而后将掩膜板掩盖在步骤4)涂胶后的芯片上，进行第二次光刻曝光，然后显影、定影；
6)镀铟柱：采用真空镀膜的方式在经步骤5)处理过的芯片表面镀铟膜，而后清洗掉光刻胶，剥离多余铟，得到带有铟柱的芯片；
7)回流缩球：将步骤6)得到的带有铟柱的芯片在真空回流炉中回流缩球，使铟柱由方形变为椭球形，制得铟柱成品。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述步骤1)中，所述芯片的清洗依次采用丙酮和异丙醇分别超声清洗芯片3分钟，再用去离子水冲洗干净。
进一步，所述步骤1)中，所述芯片表面旋涂AZ5214型的光刻胶，采用匀胶机旋涂，转数选4000转/分，旋涂时间为30秒，涂胶后放置还需在95℃温度条件下加热90秒；所述步骤4)中，所述芯片表面旋涂AZ4620型的光刻胶，采用匀胶机旋涂，转数选1000转/分，旋涂时间为40秒，涂胶后放置还需在100℃温度条件下加热180秒。
进一步，所述步骤2)中，圆形光刻孔直径5μm；所述步骤5)中，方形光刻孔尺寸为10μm×10μm。
优选的，所述步骤2)中，曝光剂量控制在58.2～60.5毫焦每平方厘米，曝光后的芯片放入浓度2.38％四甲基氢氧化铵显影液中显影45～55秒，然后纯水定影30～40秒；所述步骤5)中，曝光剂量控制在396.9～405.7焦每平方厘米，曝光后的芯片放入浓度2.38％四甲基氢氧化铵显影液中显影100～120秒，然后纯水定影30～40秒。
优选的，所述步骤3)中，采用电子束蒸发设备，用真空沉积的方式镀打底金属，沉积速率控制在0.2纳米每秒，工作真空度控制在5×10-6帕斯卡，所述步骤3)中，所述打底金属包括依次沉积的50nm金属钛黏附层、30nm金属铂阻挡层和80nm金属金浸润层。
进一步，所述步骤4)中，光刻胶的清洗需先在丙酮中浸泡30～60分钟，再用异丙醇清洗；所述步骤6)中，光刻胶的清洗需先在丙酮中浸泡90～120分钟，再用异丙醇清洗。
进一步，所述步骤6)中，镀铟膜采用真空热蒸发的方法沉积铟，沉积厚度为6μm。
进一步，所述步骤7)中，回流缩球需将步骤6)得到的带有铟柱的芯片在真空回流炉中先加热到80℃，而后在通入甲酸的条件下持续加热至200℃，之后终止通入甲酸并降温至室温。
本发明还要求保护上述制备方法制得的铟柱的技术方案。
本发明的有益效果是：本发明相比直接生长铟柱的方法，虽然增加了一些工艺步骤，但是整体工艺难度大幅下降，工艺过程可控性高，操作精度高，制得的铟柱质量较为优异；本发明方法制得的铟柱尺寸均匀性得到大幅提高，极大提高了倒装互连工艺的一致性；本发明的回流缩球工艺可以增加铟柱高度，同时回流缩球获得的铟柱表面更加均匀且光滑。
附图说明
图1是本发明制备的流程示意图；
图2是本发明制备出的铟柱的结构示意图；
图3回流缩球回流温度时间曲线和甲酸氛围条件曲线图；
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、芯片，2、铟柱，3、打底金属，4、光刻胶。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，本发明设计的一种红外焦平面探测器的铟柱的制备方法，包括以下步骤：
1)芯片1涂胶：将芯片1表面清洗干净并去除残留的水分，而后在芯片1表面旋涂一层光刻胶4；
2)掩膜刻蚀：依据铟柱2的间距尺寸参数在掩膜板上间隔开圆形光刻孔，而后将掩膜板掩盖在步骤1)涂胶后的芯片1上，进行第一次光刻曝光，然后显影、定影；
3)镀打底金属3：采用真空镀膜的方式在步骤2)处理后的芯片1表面镀打底金属3，而后清洗掉光刻胶4，剥离多余金属；
4)再次涂胶：在经步骤3)处理过的芯片1表面再次旋涂一层光刻胶4；
5)再次掩膜刻蚀：依据铟柱2的间距尺寸参数在掩膜板上间隔开方形光刻孔，而后将掩膜板掩盖在步骤4)涂胶后的芯片1上，进行第二次光刻曝光，然后显影、定影；
6)镀铟柱2：采用真空镀膜的方式在经步骤5)处理过的芯片1表面镀铟膜，而后清洗掉光刻胶4，剥离多余铟，得到带有铟柱2的芯片1；
7)回流缩球：将步骤6)得到的带有铟柱2的芯片1在真空回流炉中回流缩球，使铟柱2由方形变为椭球形，制得铟柱2成品。
优选的，本发明所述步骤1)中，所述芯片1的清洗依次采用丙酮和异丙醇分别超声清洗芯片3分钟，再用去离子水冲洗干净。
优选的，本发明所述步骤1)中，所述芯片1表面旋涂AZ5214型的光刻胶4，采用匀胶机旋涂一层薄胶层，转数选4000转/分，旋涂时间为30秒，涂胶后放置还需在95℃温度条件下加热90秒。
本发明所述步骤4)中，所述芯片1表面旋涂AZ4620型的光刻胶4，采用匀胶机旋涂一层中厚胶层，转数选1000转/分，旋涂时间为40秒，涂胶后放置还需在100℃温度条件下加热180秒。
优选的，本发明所述步骤2)中，圆形光刻孔直径5μm；所述步骤5)中，方形光刻孔尺寸为10μm×10μm。这样加工得到的最终的铟柱2尺寸较小，能够满足紧凑布局的需要。
优选的，本发明所述步骤2)中，曝光剂量控制在58.2～60.5毫焦每平方厘米，曝光后的芯片1放入浓度2.38％四甲基氢氧化铵显影液中显影45～55秒，然后纯水定影30～40秒。
本发明所述步骤5)中，曝光剂量控制在396.9～405.7焦每平方厘米，曝光后的芯片1放入浓度2.38％四甲基氢氧化铵显影液中显影100～120秒，然后纯水定影30～40秒。
优选的，本发明所述步骤3)中，采用电子束蒸发设备，用真空沉积的方式镀打底金属3，沉积速率控制在0.2纳米每秒，工作真空度控制在5×10-6帕斯卡。所述打底金属3的沉积依次沉积的50nm金属钛黏附层、30nm金属铂阻挡层和80nm金属金浸润层。最终得到直径5μm，高度160nm的打底金属3。
优选的，本发明所述步骤4)中，光刻胶4的清洗需先在丙酮中浸泡30～60分钟，再用异丙醇清洗。清洗掉光刻胶4后，多余的金属随着光刻胶4的清洗而脱落剥离。
本发明所述步骤6)中，光刻胶4的清洗需先在丙酮中浸泡90～120分钟，再用异丙醇清洗。清洗掉光刻胶4后，多余的铟随着光刻胶4的清洗而脱落剥离。
优选的，本发明所述步骤6)中，镀铟膜采用真空热蒸发的方法沉积铟，沉积厚度为6μm。剥离掉多余的铟后，得到横向尺寸约5μm，高度约为6μm的铟柱2。
优选的，所述步骤7)中，回流缩球需将步骤6)得到的带有铟柱2的芯片1在真空回流炉中先加热到80℃，而后在通入甲酸的条件下持续加热至200℃，之后终止通入甲酸并降温至室温。如图3所示，可以预先设置温度时间曲线和甲酸氛围条件曲线来控制回流缩球的工艺过程。
本发明最终制得的铟柱2的结构如图2所示。
实施例1
1)芯片1清洗：芯片1采用丙酮和异丙醇分别超声清洗芯片3分钟，再用去离子水冲洗干净。
2)芯片1涂胶：在洗净的芯片1表面旋涂AZ5214型的光刻胶4，采用匀胶机旋涂一层薄胶层，转数选4000转/分，旋涂时间为30秒，涂胶后放置还需在95℃温度条件下加热90秒。
3)掩膜刻蚀：依据铟柱2的间距尺寸参数在掩膜板上间隔开直径5μm的圆形光刻孔，而后将掩膜板掩盖在涂胶后的芯片1上，进行第一次光刻曝光，曝光剂量控制在58.2毫焦每平方厘米。
4)显影、定影：曝光后的芯片1放入浓度2.38％四甲基氢氧化铵显影液中显影55秒，然后纯水定影30秒。
5)镀打底金属3：采用真空镀膜的方式在定影处理后的芯片1表面镀打底金属3，沉积速率控制在0.2纳米每秒，工作真空度控制在5×10-6帕斯卡，依次沉积的50nm金属钛黏附层、30nm金属铂阻挡层和80nm金属金浸润层。
6)剥离多余金属：将镀金属膜后的芯片1在丙酮中浸泡60分钟，再用异丙醇清洗，清洗掉光刻胶4后，多余的金属随着光刻胶4的清洗而脱落剥离，最终得到直径5μm，高度160nm的打底金属3。
7)再次涂胶：在完成打底金属3加工的芯片1表面旋涂AZ4620型的光刻胶4，采用匀胶机旋涂一层中厚胶层，转数选1000转/分，旋涂时间为40秒，涂胶后放置还需在100℃温度条件下加热180秒。
8)再次掩膜刻蚀：依据铟柱2的间距尺寸参数在掩膜板上间隔开尺寸为10μm×10μm的方形光刻孔，而后将掩膜板掩盖在步骤4)涂胶后的芯片1上，进行第二次光刻曝光，曝光剂量控制在396.9焦每平方厘米。
9)再次显影、定影：曝光后的芯片1放入浓度2.38％四甲基氢氧化铵显影液中显影120秒，然后纯水定影30秒。
10)镀铟层：采用真空热蒸发的方法在再次定影处理后的芯片1表面沉积铟层，沉积厚度为6μm。
11)剥离多余铟：将镀铟层后的芯片1在丙酮中浸泡120分钟，再用异丙醇清洗，清洗掉光刻胶4后，多余的铟随着光刻胶4的清洗而脱落剥离，剥离掉多余的铟后，得到横向尺寸约5μm，高度约为6μm的铟柱2。
12)回流缩球：将剥离掉多余铟的带有铟柱2的芯片1在真空回流炉中回流缩球，按照如图3所示的温度时间曲线和甲酸氛围条件曲线来控制回流缩球的工艺过程，使铟柱2由方形变为椭球形，制得铟柱2成品。
实施例2
1)芯片1清洗：芯片1采用丙酮和异丙醇分别超声清洗芯片3分钟，再用去离子水冲洗干净。
2)芯片1涂胶：在洗净的芯片1表面旋涂AZ5214型的光刻胶4，采用匀胶机旋涂一层薄胶层，转数选4000转/分，旋涂时间为30秒，涂胶后放置还需在95℃温度条件下加热90秒。
3)掩膜刻蚀：依据铟柱2的间距尺寸参数在掩膜板上间隔开直径6μm的圆形光刻孔，而后将掩膜板掩盖在涂胶后的芯片1上，进行第一次光刻曝光，曝光剂量控制在60.5毫焦每平方厘米。
4)显影、定影：曝光后的芯片1放入浓度2.38％四甲基氢氧化铵显影液中显影45秒，然后纯水定影40秒。
5)镀打底金属3：采用真空镀膜的方式在定影处理后的芯片1表面镀打底金属3，沉积速率控制在0.2纳米每秒，工作真空度控制在5×10-6帕斯卡，依次沉积的50nm金属钛黏附层、30nm金属铂阻挡层和80nm金属金浸润层。
6)剥离多余金属：将镀金属膜后的芯片1在丙酮中浸泡30分钟，再用异丙醇清洗，清洗掉光刻胶4后，多余的金属随着光刻胶4的清洗而脱落剥离，最终得到直径6μm，高度160nm的打底金属3。
7)再次涂胶：在完成打底金属3加工的芯片1表面旋涂AZ4620型的光刻胶4，采用匀胶机旋涂一层中厚胶层，转数选1000转/分，旋涂时间为40秒，涂胶后放置还需在100℃温度条件下加热180秒。
8)再次掩膜刻蚀：依据铟柱2的间距尺寸参数在掩膜板上间隔开尺寸为12μm×12μm的方形光刻孔，而后将掩膜板掩盖在步骤4)涂胶后的芯片1上，进行第二次光刻曝光，曝光剂量控制在405.7焦每平方厘米。
9)再次显影、定影：曝光后的芯片1放入浓度2.38％四甲基氢氧化铵显影液中显影100秒，然后纯水定影40秒。
10)镀铟层：采用真空热蒸发的方法在再次定影处理后的芯片1表面沉积铟层，沉积厚度为6μm。
11)剥离多余铟：将镀铟层后的芯片1在丙酮中浸泡90分钟，再用异丙醇清洗，清洗掉光刻胶4后，多余的铟随着光刻胶4的清洗而脱落剥离，剥离掉多余的铟后，得到横向尺寸约6μm，高度约为6μm的铟柱2。
12)回流缩球：将剥离掉多余铟的带有铟柱2的芯片1在真空回流炉中回流缩球，按照如图3所示的温度时间曲线和甲酸氛围条件曲线来控制回流缩球的工艺过程，使铟柱2由方形变为椭球形，制得铟柱2成品。
本发明实施例1和实施例2分别制得直径约11μm和12μm，高度约10μm的椭球形铟柱2。分别对实施例1和实施例2的两组铟柱2的外观尺寸、高度等参数进行测量。实施例1的多个铟柱2外观尺寸基本一致，误差能够控制在0.05％以内，高度基本一致，误差能够控制在0.07％以内。实施例2的多个铟柱2外观尺寸基本一致，误差能够控制在0.03％以内，高度基本一致，误差能够控制在0.04％以内。本发明方法制得的铟柱尺寸均匀性极高，能够完全满足倒装互连工艺的一致性的要求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种红外焦平面探测器的铟柱的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)芯片(1)涂胶：将芯片(1)表面清洗干净并去除残留的水分，而后在芯片(1)表面旋涂一层光刻胶(4)；
2)掩膜刻蚀：依据铟柱(2)的间距尺寸参数在掩膜板上间隔开圆形光刻孔，而后将掩膜板掩盖在步骤1)涂胶后的芯片(1)上，进行第一次光刻曝光，然后显影、定影；
3)镀打底金属(3)：采用真空镀膜的方式在步骤2)处理后的芯片(1)表面镀打底金属(3)，而后清洗掉光刻胶(4)，剥离多余金属；
4)再次涂胶：在经步骤3)处理过的芯片(1)表面再次旋涂一层光刻胶(4)；
5)再次掩膜刻蚀：依据铟柱(2)的间距尺寸参数在掩膜板上间隔开方形光刻孔，而后将掩膜板掩盖在步骤4)涂胶后的芯片(1)上，进行第二次光刻曝光，然后显影、定影；
6)镀铟柱(2)：采用真空镀膜的方式在经步骤5)处理过的芯片(1)表面镀铟膜，而后清洗掉光刻胶(4)，剥离多余铟，得到带有铟柱(2)的芯片(1)；
7)回流缩球：将步骤6)得到的带有铟柱(2)的芯片(1)在真空回流炉中回流缩球，使铟柱(2)由方形变为椭球形，制得铟柱(2)成品。
2.根据权利要求1所述的一种红外焦平面探测器的铟柱的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中，所述芯片(1)的清洗依次采用丙酮和异丙醇分别超声清洗芯片3分钟，再用去离子水冲洗干净。
3.根据权利要求1所述的一种红外焦平面探测器的铟柱的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中，所述芯片(1)表面旋涂AZ5214型的光刻胶(4)，采用匀胶机旋涂，转数选4000转/分，旋涂时间为30秒，涂胶后放置还需在95℃温度条件下加热90秒；所述步骤4)中，所述芯片(1)表面旋涂AZ4620型的光刻胶(4)，采用匀胶机旋涂，转数选1000转/分，旋涂时间为40秒，涂胶后放置还需在100℃温度条件下加热180秒。
4.根据权利要求1所述的一种红外焦平面探测器的铟柱的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中，圆形光刻孔直径5μm；所述步骤5)中，方形光刻孔尺寸为10μm×10μm。
5.根据权利要求3所述的一种红外焦平面探测器的铟柱的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中，曝光剂量控制在58.2～60.5毫焦每平方厘米，曝光后的芯片(1)放入浓度2.38％四甲基氢氧化铵显影液中显影45～55秒，然后纯水定影30～40秒；所述步骤5)中，曝光剂量控制在396.9～405.7焦每平方厘米，曝光后的芯片(1)放入浓度2.38％四甲基氢氧化铵显影液中显影100～120秒，然后纯水定影30～40秒。
6.根据权利要求1所述的一种红外焦平面探测器的铟柱的制备方法，其特征在于：所述步骤3)中，采用电子束蒸发设备，用真空沉积的方式镀打底金属(3)，沉积速率控制在0.2纳米每秒，工作真空度控制在5×10-6帕斯卡，所述步骤3)中，所述打底金属(3)包括依次沉积的50nm金属钛黏附层、30nm金属铂阻挡层和80nm金属金浸润层。
7.根据权利要求1所述的一种红外焦平面探测器的铟柱的制备方法，其特征在于：所述步骤4)中，光刻胶(4)的清洗需先在丙酮中浸泡30～60分钟，再用异丙醇清洗；所述步骤6)中，光刻胶(4)的清洗需先在丙酮中浸泡90～120分钟，再用异丙醇清洗。
8.根据权利要求1所述的一种红外焦平面探测器的铟柱的制备方法，其特征在于：所述步骤6)中，镀铟膜采用真空热蒸发的方法沉积铟，沉积厚度为6μm。
9.根据权利要求1所述的一种红外焦平面探测器的铟柱的制备方法，其特征在于：所述步骤7)中，回流缩球需将步骤6)得到的带有铟柱(2)的芯片(1)在真空回流炉中先加热到80℃，而后在通入甲酸的条件下持续加热至200℃，之后终止通入甲酸并降温至室温。
10.一种权利要求1～9的制备方法所制备的铟柱(2)。
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