混合式紅外焦平面探測(cè)器在軍事上有著重要的應(yīng)用[1]。目前，國(guó)內(nèi)相關(guān)的器件研制還不太成熟，其中一個(gè)重要的原因就是絕熱層結(jié)構(gòu)、電互連可靠性等工藝實(shí)現(xiàn)困難[2]。為改變紅外焦平面陣列倒裝互連工藝?yán)щy的狀況，本文設(shè)計(jì)了微型通孔加工及電極互連工藝，即在硅讀出電路上進(jìn)行紅外焦平面陣列倒裝互連。微電子機(jī)械技術(shù)進(jìn)步帶動(dòng)了混合式紅外焦平面探測(cè)器向小型化、集成化、低成本、高可靠的方向發(fā)展，3-D MCM封裝的關(guān)鍵技術(shù)是IC芯片的垂直互連工藝。硅通孔垂直互連技術(shù)作為信號(hào)線的引出方式能較好地解決信號(hào)延遲這一問(wèn)題，系統(tǒng)的寄生電容、引線電阻顯著減小，從而使系統(tǒng)的總功耗降低30%左右[3]，增加電氣性能的同時(shí)減小器件的尺寸和重量[4]。采用BN-303紫外光刻膠圖像反轉(zhuǎn)的剝離工藝，深硅刻蝕實(shí)現(xiàn)的貫穿硅通孔技術(shù)，可以滿足紅外焦平面探測(cè)器中底電極與引線制備工藝。用于混合式紅外焦平面探測(cè)器電互連的微金屬柱較一般器件中金屬引線薄膜厚度要大得多，厚度超過(guò)100 μm。由于濺射和蒸發(fā)電極屬于表面工藝，小尺寸結(jié)構(gòu)側(cè)壁金屬粒子附著差，即使采用正膠剝離工藝，膠膜厚度要達(dá)到金屬電極薄膜厚度的幾倍，而膠厚的增加勢(shì)必降低光刻分辨率，這就無(wú)法滿足微柱線寬小、電極厚度高的要求，電互連不可靠，也不經(jīng)濟(jì)。通孔制備與導(dǎo)電漿料填注通孔電極互連技術(shù)是混合式紅外焦平面探測(cè)器制備技術(shù)新的思路。
1 焦平面倒裝焊、互連設(shè)計(jì)
    混合式焦平面探測(cè)器由鐵電材料敏感像元陣列和CMOS讀出電路芯片倒裝焊電極構(gòu)成。紅外焦平面探測(cè)器像元自下而上由硅襯底、絕熱結(jié)構(gòu)、下電極、熱釋電層、上電極和吸收層組成。厚膜結(jié)構(gòu)的探測(cè)器在下電極和基底之間加入低熱導(dǎo)率的多孔SiO2作為絕熱層。采用鈦酸鍶鋇（BST）厚膜制備熱釋電紅外探測(cè)器，熱釋電厚膜紅外探測(cè)器的靈敏度主要取決于材料熱釋電系數(shù)和襯底熱阻，熱阻越大，靈敏度就越高。
    目前國(guó)內(nèi)外普遍采用像元/襯底間懸空結(jié)構(gòu)[5]，該措施絕熱效果最佳，像元能承受的過(guò)載加速度有限，工藝復(fù)雜。具有“桌形”絕熱框架支撐的微橋結(jié)構(gòu)像元，減小了微橋的熱導(dǎo)率，提高像元的結(jié)構(gòu)可靠性。本文設(shè)計(jì)像元尺寸為200 μm×200 μm，其中Si層厚240 μm；SiO2層厚1μm；上下Pt/Ti電極層厚0.1μm；BST層厚10 μm；上電極Pt/BST層寬200 μm；微橋/下電極Pt寬300 μm。鐵電材料的作用是將紅外輻射轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，倒裝焊電極將電信號(hào)與集成讀出電路連接，將每個(gè)探測(cè)元的信號(hào)讀出，變空間分布的電信號(hào)為時(shí)序信號(hào)，以便于實(shí)現(xiàn)凝視熱成像，微橋結(jié)構(gòu)與電極互連如圖1所示。

    倒裝焊技術(shù)在混合式紅外焦平面探測(cè)器中的應(yīng)用如下：如圖2所示的包含16×16個(gè)像元的面陣，每個(gè)像元單元至少有一個(gè)電輸入或輸出引腳與邏輯處理電路輸入焊盤一一對(duì)應(yīng)，專用CMOS集成電路芯片信號(hào)引線連接，僅在幾平方毫米的區(qū)域中要利用引線鍵合的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)這上百個(gè)輸入和輸出端口根本是不可能的，倒裝焊卻完全能夠勝任，硅基片微型通孔進(jìn)行電信號(hào)的傳輸，有助于減小基片單面布線的復(fù)雜程度，提高陣列器件的排列密度。

    目前，商業(yè)化的紅外探測(cè)器陣列組件的光敏芯片和讀出電路是分開(kāi)制備的。在讀出電路表面制備與探測(cè)器芯片電極一一對(duì)應(yīng)的銦柱，互連時(shí)把探測(cè)器芯片上的電極與讀出電路上的銦柱面對(duì)面一一對(duì)準(zhǔn)，通常采用重疊影像的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)，壓焊在一起。
2 硅基片微型通孔加工技術(shù)
    目前主要有四種不同的硅通孔互連制作技術(shù)[6]：濕法刻蝕、激光加工、深層等離子體刻蝕和光輔助電化學(xué)刻蝕。光輔助電化學(xué)刻蝕可以制造的最小孔徑很小，但由于其內(nèi)壁比較粗糙給電絕緣層的制作帶來(lái)很多不便；激光打孔是串行操作，加工效率低，更重要的是孔和孔之間相對(duì)位置的精確度完全靠進(jìn)給機(jī)構(gòu)保證，在孔陣列加工時(shí)易產(chǎn)生累積誤差。光刻工藝加工孔陣列是并行的，可以同時(shí)加工出陣列中所有的孔，孔和孔之間相對(duì)位置的精確度取決于光刻模板設(shè)計(jì)的精度以及光刻時(shí)的傳遞精度，是加工大規(guī)模孔陣列時(shí)的首選方案。深層等離子體刻蝕工藝制作的通孔內(nèi)壁平滑，對(duì)硅片的機(jī)械及物理?yè)p傷最小，是制作硅通孔的最佳選擇之一，但其制作成本較高，僅限用于高密度、小尺寸、深寬比較大的硅基片微型通孔加工；濕法刻蝕是最常規(guī)的一種方法，能夠比較好地對(duì)刻蝕過(guò)程進(jìn)行控制。用于混合式紅外焦平面探測(cè)器導(dǎo)電通孔，孔徑為30 μm~100 μm。不同器件對(duì)硅基片的厚度有不同的要求，常見(jiàn)的硅基片的厚度小于300 μm，因此硅基片微型通孔的深寬比一般為幾到幾十[7]。
    KOH溶液的濕法刻蝕是一種低刻蝕溫度、低制造成本且適合于批量生產(chǎn)的硅通孔制作工藝。此方法簡(jiǎn)便易行，而且濕法刻蝕設(shè)備是半導(dǎo)體加工和微細(xì)加工常見(jiàn)而且必備的設(shè)備。由于KOH溶液對(duì)硅單晶的各向異性腐蝕特性，這使得刻蝕出的通孔實(shí)際上是倒金字塔形，孔壁不與硅片表面垂直，且（111）晶面與（100）晶面間的夾角為54.74°。這就造成通孔兩端尺寸差別很大，在硅片背面會(huì)被占去很大部分的面積，硅通孔的表面上窗口寬度Wa=Wb+2Lctg54.74°，其中Wb為底平面的寬度，L為腐蝕深度，其結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖3。因此，其制作的硅通孔為非垂直的且寬度較大，只能滿足低到中等引出端數(shù)封裝的要求。一般厚度為300 μm左右的硅片要采用雙面刻蝕的方式，提高硅表面利用效率，有利于改善通孔加工質(zhì)量。

    單晶硅腐蝕用得最多的是四甲基氫氧化銨腐蝕液(簡(jiǎn)稱TMAH)。TMAH腐蝕液去除沾污方便，且腐蝕速度也較快，對(duì)SiO2掩膜基本不腐蝕。TMAH與硅的反應(yīng)機(jī)理是，TMAH的水溶液與硅反應(yīng)，其反應(yīng)式為：
    Si+2OH-+2H2O→ SiO2(OH)2-2+2H2↑
    為了獲得TMAH優(yōu)化的腐蝕液配方和腐蝕條件，進(jìn)行了TMAH腐蝕液配方和溫度對(duì)硅刻蝕的影響的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)方法是首先在[100]晶向的硅片上生長(zhǎng)一層氧化硅，然后光刻形成刻蝕窗口。將實(shí)驗(yàn)片放入不同配比腐蝕液和不同溫度中腐蝕30 min，然后用臺(tái)階測(cè)試儀測(cè)試腐蝕的深度，從而計(jì)算出腐蝕硅的速度。通過(guò)比較得到較好的TMAH腐蝕液配方和腐蝕溫度工藝如表1所示。

    從表1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，這種配比的腐蝕液對(duì)[100]晶向的硅腐蝕速度較快,腐蝕效果較好，由于TMAH在與硅反應(yīng)中要釋放出氫氣，因此在腐蝕液中會(huì)產(chǎn)生氫氣泡，局部抑制了TMAH對(duì)硅接觸，造成局部腐蝕速度變慢，從而出現(xiàn)表面有金字塔形的小丘[8,9]。為了降低或消除這種金字塔形的小丘，在腐蝕液中加入異丙醇，利用異丙醇的揮發(fā)性盡快帶走反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣，抑制氫氣泡的產(chǎn)生，使腐蝕液腐蝕速度均勻，避免出現(xiàn)金字塔小丘的現(xiàn)象，異丙醇過(guò)量，硅表面發(fā)黑[10,11]。
    由Technical University of Denmark[12]（丹麥技術(shù)大學(xué)）開(kāi)發(fā)的，用KOH濕法刻蝕制作硅通孔的工藝，KOH溶液的濃度為25%、刻蝕溫度為80℃、刻蝕速率為1.25 μm/min。其開(kāi)發(fā)的硅通孔互連的體電阻為40 mΩ、對(duì)硅襯底的寄生電容為2.5 pF，被設(shè)計(jì)應(yīng)用于高端便攜式產(chǎn)品的三維封裝中。斯坦福的CHOW E M等人[13]用雙面刻蝕的方式在厚400 μm的硅片上加工出直徑為20 μm的通孔，深寬比達(dá)20。
3 焦平面探測(cè)器陣列電極工藝
    紅外焦平面探測(cè)器敏感元上、下電極的圖形化制備，通常采用金屬Pt作為底電極，由于沒(méi)有合適的溶液對(duì)它們進(jìn)行有效腐蝕的同時(shí)又不破壞保護(hù)層（即光刻膠），故采用剝離技術(shù)解決電極的圖形化問(wèn)題[13]。
    剝離技術(shù)（lift-off）是將Si/SiO2基片用標(biāo)準(zhǔn)的硅片清洗工藝進(jìn)行清洗，在襯底上涂覆一層較厚的光刻膠，光刻形成圖形；接著在其上濺射或蒸度淀積金屬薄層，存在窗口的地方金屬就會(huì)淀積到基底上。為了實(shí)現(xiàn)良好的金屬剝離，金屬膜厚不能超過(guò)剝離層膜厚的2/3[14]，同時(shí)光刻窗口的剖面必須整齊且形成下寬上窄的正“八”字圖形。Lift-off工藝制備Pt/Ti電極是在光刻工藝的基礎(chǔ)上增加了濺射或蒸度金屬膜和去膠工藝，流程如圖4所示。
    圖5所示即為利用lift-off工藝得到的Si基Pt/Ti電極微細(xì)圖形，引線寬度為20 μm，厚度為100 nm。從圖中可以看出，線條邊緣較為齊整，總體缺陷較少。經(jīng)過(guò)后續(xù)工藝中加熱至800℃的測(cè)試證明，線條附著性良好，沒(méi)有出現(xiàn)翹邊等現(xiàn)象，電性能也滿足使用要求。

    紅外焦平面探測(cè)器制作過(guò)程中，常常需要將陣列電極和信號(hào)處理電路連接，即要實(shí)現(xiàn)接觸孔的電互連結(jié)構(gòu)，在接觸孔和上層傳感器結(jié)構(gòu)之間建立一個(gè)金屬互連柱。采用剝離技術(shù)來(lái)制作金屬互連柱是不可行的，實(shí)驗(yàn)證明：金屬電極剝離技術(shù)是平面工藝，濺射或蒸發(fā)制備金屬薄膜臺(tái)階覆蓋能力差，互連金屬柱高小于2.0 μm，孔、槽內(nèi)壁金屬薄膜生長(zhǎng)能力差，不能滿足電性能互連。
4 微型筆直寫技術(shù)制備電極互連
    紅外焦平面陣列探測(cè)器大規(guī)模集成，小批量生產(chǎn)，現(xiàn)有的互連工藝不能滿足要求。器件的不斷小型化要求互連線更窄、芯片的集成度更高，互連導(dǎo)線出現(xiàn)短路或者斷路的幾率明顯加大，產(chǎn)品廢品率大幅度上升。目前，紅外焦平面陣列探測(cè)器電極互連布線最有可能使用的工藝有：(1)厚膜絲網(wǎng)印刷工藝；(2)Fodel光刻成圖技術(shù)；(3)微型筆直寫技術(shù)。
    厚膜絲網(wǎng)印刷工藝指使用漏網(wǎng)或掩模按照給定的圖案有選擇地沉積厚膜材料，形成電路的制備技術(shù)。目前厚膜集成電路工藝已達(dá)到線寬/間距150~200 μm，印刷厚膜電路使用的漿料，其主要成分為金、銀、鉑、鈀等，一般來(lái)說(shuō)掩模制作周期長(zhǎng)，費(fèi)用高；掩模一旦制成后，不能再修改，對(duì)于出現(xiàn)問(wèn)題的電路板，也不易進(jìn)行修復(fù)。 Fodel光刻成圖技術(shù)是美國(guó)Dupont公司光敏漿料系列的一個(gè)品牌，是一種適合制造細(xì)線條、小間距導(dǎo)體材料的電子漿料。該電子漿料在普通的厚膜材料中加入光敏聚合物，使之可利用光致抗蝕原理，通過(guò)掩模紫外曝光，水顯影而獲得電路。采用Fodel材料及工藝可以制作通常要用昂貴的薄膜工藝方能制作的電路，該類材料有各類Au、Pt/Ag導(dǎo)電漿料,線寬/間距為20 μm~100 μm，燒結(jié)膜層厚度為5 μm~6 μm。微型筆直寫技術(shù)是一種新型的厚膜制備技術(shù)，它無(wú)需光刻、掩模制版等成膜工藝準(zhǔn)備過(guò)程，只要利用CAD的數(shù)據(jù)就可以在各種基板上直寫導(dǎo)體、電阻、電容等電子元器件，最小線寬30 μm[15]。
    將傳統(tǒng)的激光熔覆技術(shù)與直寫技術(shù)相結(jié)合，提出了一種新的布線技術(shù)——激光微細(xì)熔覆柔性布線技術(shù)。該技術(shù)與傳統(tǒng)的厚膜電路工藝相比，具有精度高、工藝簡(jiǎn)單靈活、制作周期短、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。該工藝具有產(chǎn)品研制周期短、工藝參數(shù)易控制、線條細(xì)密均勻且分辨率高、修改設(shè)計(jì)便捷、工藝更靈活更經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)[16]。
     實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示，該系統(tǒng)由氣源、微型筆、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、工作臺(tái)和監(jiān)視系統(tǒng)等主要部件構(gòu)成。微型筆的工藝原理借鑒了注射成型的原理，把漿料腔內(nèi)的漿料擠壓出微型筆頭，并以注射式涂覆的方式在系統(tǒng)控制單元的控制下，將漿料直接沉積在基板上，從而得到預(yù)先設(shè)計(jì)的圖案。

    直寫基片采用硅基板，導(dǎo)電漿料為自配置的高溫銀導(dǎo)體漿料，導(dǎo)線及電極選用方阻為4 mΩ的Ag-Pd導(dǎo)體漿料，黏度為300 Pa·s。激光器為波長(zhǎng)1.07 μm連續(xù)Ytterbium光纖激光器，激光功率50 W以下連續(xù)可調(diào)，最小光斑直徑20 μm，掃描速度≥2 mm/s，實(shí)驗(yàn)主要工藝流程如圖7所示。線寬是衡量電路集成度的一個(gè)重要指標(biāo)。激光直寫工藝下導(dǎo)線理論最小線寬應(yīng)等于激光光斑的大小,本實(shí)驗(yàn)中所使用激光器最小聚焦光斑為20 μm，由于不可避免的激光熱區(qū)擴(kuò)散影響的存在，目前實(shí)驗(yàn)最小線寬可做到30 μm。除激光器本身光斑大小影響外，預(yù)置涂層厚度、激光功率和激光掃描速度對(duì)導(dǎo)體線寬有很大的影響。

       厚膜電阻漿料最為常用的是Ag-Pd電阻漿料及釕系電阻漿料。其固態(tài)成分主要是:導(dǎo)電相、Ag-Pd或者二氧化釕及釕酸鹽；粘結(jié)相，硼硅酸鉛玻璃；少量為改善電阻漿料性能而添加的金屬氧化物，如Al2O3，MnO2等。其液態(tài)成分主要是有機(jī)粘合劑，如松油醇、乙基纖維素等，典型的燒成溫度850℃。激光掃描的作用主要是實(shí)現(xiàn)初步的附著，而要想最終得到性能穩(wěn)定、結(jié)合牢靠的電阻還需要利用傳統(tǒng)的高溫?zé)Y(jié)方法回爐中燒結(jié)。
　    微型筆直寫互連導(dǎo)線微觀形貌與導(dǎo)電通孔示意如圖8所示，線條清晰均勻[17]。經(jīng)測(cè)試，導(dǎo)體附著完整，與傳統(tǒng)工藝制備的導(dǎo)體相當(dāng)，可滿足工業(yè)實(shí)際要求。電氣性能優(yōu)良，方阻<6 m&Omega;，可滿足市場(chǎng)要求，可焊性好。成分相似的漿料制備的導(dǎo)體導(dǎo)電性能區(qū)別不明顯，即導(dǎo)電性的衡量參數(shù)-方阻值主要取決于漿料本身。目前激光直寫導(dǎo)體厚度2~10 &mu;m，可做到的最小線寬/間距為30 &mu;m/30 &mu;m，微型筆直寫灌注Ag-Pd電子漿料及釕系電子漿料填充微通孔相對(duì)經(jīng)濟(jì)適用。

    探測(cè)器噪聲強(qiáng)度取決于互連線中信號(hào)傳輸?shù)臒嵩肼暫突ミB線阻抗不均勻或與功能塊的阻抗不匹配產(chǎn)生的反射噪聲。微型通孔垂直互連技術(shù)是一個(gè)實(shí)現(xiàn)互連線長(zhǎng)度最短的封裝形式，由于減少了互連線的長(zhǎng)度，因此也減少了噪聲，改善信號(hào)延遲。
    與傳統(tǒng)封裝相比，微型通孔垂直互連技術(shù)可使系統(tǒng)尺寸與重量降低到原來(lái)的1/40～1/50；提高了硅片的使用效率，與平面引線互連比較，效率從50%提高90％。硅通孔互連技術(shù)提高硅片表面應(yīng)用效率，提高像元占空比，減小紅外焦平面尺寸和體積，改善信號(hào)延遲、降低噪聲和功耗。硅通孔互連技術(shù)依然面臨更小通孔的制作、通孔內(nèi)無(wú)缺陷金屬化和互連線與硅襯底電絕緣的形成等技術(shù)上的挑戰(zhàn)，通過(guò)改善工藝，硅通孔互連技術(shù)能為混合式紅外焦平面陣列電極互連提供更優(yōu)的解決方案。
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