红外焦平面硅基通孔加工及电极互连技术.pdf

欢迎网上投稿电子技术应用2011年 第37卷 第3期混合式红外焦平面探测器在军事上有着重要的应用1。 目前，国内相关的器件研制还不太成熟，其中一个重要的原因就是绝热层结构、电互连可靠性等工艺实现困难2。为改变红外焦平面阵列倒装互连工艺困难的状况，本文设计了微型通孔加工及电极互连工艺，即在硅读出电路上进行红外焦平面阵列倒装互连。 微电子机械技术进步带动了混合式红外焦平面探测器向小型化、 集成化、低成本、高可靠的方向发展，3-D MCM封装的关键技术是IC芯片的垂直互连工艺。 硅通孔垂直互连 技术 作为 信号线的引出方式能较好地解决信号延迟这一问题，系统的寄生电容、引线电阻显 著减 小 ，从而 使系 统的 总功耗降低30%左右3，增加电气性能的同时减小器件的尺寸和重量4。 采用BN-303紫外光刻胶图像反转的剥离工艺，深硅刻蚀实现的 贯穿 硅通 孔技术 ，可以 满足红 外焦平面探测器中底电极与引线制备工艺。 用于混合式红外焦平面 探测 器电互 连的 微金 属柱较 一般 器 件 中 金 属 引线薄膜厚度要大得多，厚度超过100 m。 由于溅 射和 蒸发电极 属于 表面工 艺 ， 小 尺寸 结构侧 壁 金 属 粒 子 附 着差， 即 使采用 正胶 剥离工 艺 ， 胶 膜 厚 度 要 达 到 金 属 电极 薄膜 厚度 的几倍 ， 而胶 厚的增 加势 必降 低 光 刻 分 辨率 ，这 就 无 法 满 足 微 柱 线 宽 小 、电 极 厚 度 高 的 要 求 ，电互 连不 可靠 ， 也不经 济。 通 孔制备 与导 电 浆 料 填 注 通孔 电极互 连技 术是 混合式 红外 焦平 面探测 器 制 备 技 术新的 思路 。1焦平面倒装焊、互连设计混合式 焦 平 面 探 测 器 由 铁 电 材 料 敏 感 像 元 阵 列 和CMOS读出电路芯片倒装焊电极构成。 红外焦平面探测器 像 元 自 下 而 上 由 硅 衬 底 、绝 热 结 构 、下 电 极 、热 释 电红外焦平面硅基通孔加工及电极互连技术*范茂彦1,2,3， 姜胜林1， 张丽芳3（1.华中科技大学 电子科学与技术系，湖北 武汉430074；2.昆明物理研究所，云南 昆明650223；3.玉溪师范学院 信息技术与工程学院，云南 玉溪653100）摘要： 通过硅通孔技术实现红外焦平面电极垂直互连， 提高像元占空比， 缩短了互连引线长度，降低了信号延迟。 用单晶硅湿法刻蚀方法形成通孔，利用直写技术将耐高温Ag-Pd导体浆料填充通孔，实现红外焦平面阵列底电极与硅基片背面倒装焊凸点互连。关键词： 红外焦平面； 硅通孔；倒装焊；垂直互连；直写技术中图分类号：TN30594文献标识码：A文章编号：0258-7998(2011)03-0086-05IFPA processing of through-hole electrode interconnection on siliconFan Maoyan1,2,3, Jiang Shenglin1, Zhang Lifang3（1. Department of Electronic Science and Technology, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China;2. Kunming Institute of Physics, Kunming 650223, China;3. School of Information Technology and Engineering,Yuxi Normal University, Yuxi 653100, China）Abstract: In this work, we put forward an argument that vertical interconnection could be realized by making use of the tech-nique of through-silicon-via (TSV) to enhance the duty, shorten the interconnecting metallic line and reduce the signal delay time.A through-hole is formed by silicon wet etching method, and then filled with high-temperature-resisting Ag-Pd conductive pastethrough use of direct writing technology, so as to realize the interconnection between the bottom electrode of infrared focal plane ar-ray and the flip chip bonding bump at the back side of silicon substrate.Key words: infrared focal plane; silicon through-hole; flip chip; vertical interconnection; direct writing technology*基 金 项 目 ： 国 家 自 然 科 学 基 金 （60777043）;国 家 高 技 术 研 究 发 展 计 划（863计 划 ）资 助 （2007AA03Z120）测控技术与仪器仪表Measurement Control Technology and Instruments86电子技术应用2011年 第37卷 第3期层、上电极和吸收层组成。 厚膜结构的探测器在下电极和基底之间加入低热导率的多孔SiO2作为绝热层。 采用钛酸锶钡（BST）厚膜制备热释电红外探测器 ，热 释电厚膜红 外探 测器的 灵敏 度主要 取决 于材 料热 释 电 系 数 和衬底热阻，热阻越大，灵敏度就越高。目前国内外普遍采用像元/衬底间悬空结构5，该措施绝热效果最佳 ，像元 能承受 的过 载加 速度有 限 ，工 艺复杂。 具有“桌形”绝热框架支撑的微桥结构像元，减小了微桥的热导率，提高像元的结构可靠性。 本文设计像元尺寸为200 m200 m， 其中Si层厚240 m；SiO2层厚1m；上下Pt/Ti电极层厚0.1m；BST层厚10 m；上电极Pt/BST层宽200 m；微桥/下电极Pt宽300 m。 铁电材料的作用是将红外辐射转变成电信号，倒装焊电极将电信号与集成读出电路连接，将每个探测元的信号读出，变空间分布的 电信号 为时 序信 号 ，以便 于实 现凝 视热成像，微桥结构与电极互连如图1所示。倒 装 焊 技 术 在 混 合 式 红 外 焦 平 面 探 测 器 中 的 应 用如下：如图2所示 的包 含1616个像 元的 面阵 ，每个像元单 元至少 有一 个电 输入或 输出 引脚与 逻 辑 处 理 电 路输入焊盘一一对应，专用CMOS集成电路芯片信号引线连接，仅在几平方毫米的区域中要利用引线键合的方式来实现这上百个输入和输出端口根本是不可能的，倒装焊却 完全 能够 胜任， 硅 基片 微型通 孔进 行 电 信 号 的 传输，有助于减小基片 单面布 线的 复杂程 度 ，提 高阵 列器件的排列密度。目前，商业化的红外探测器阵列组件的光敏芯片和读出电路是分开制备的。 在读出电路表面制备与探测器芯片电极一一对应的铟柱，互连时把探测器芯片上的电极与读出电路上的铟柱面对面一一对准，通常采用重叠影像的方式来实现对准，压焊在一起。2硅基片微型通孔加工技术目前主要有四种不同的硅通孔互连制作技术6：湿法刻蚀、激光加工 、深层 等离子 体刻 蚀和 光辅助 电化 学刻蚀。 光辅助电化学刻蚀可以制造的最小孔径很小，但由于其内壁比较粗糙给电绝缘层的制作带来很多不便；激光打孔是串行操作 ，加工 效率 低，更 重要的 是孔 和孔之间相对位置的精确度完全靠进给机构保证，在孔阵列加 工时易 产生 累积误 差 。 光 刻工 艺加工 孔 阵 列 是 并 行的，可以同时加工出 阵列 中所有 的孔 ，孔和孔 之间 相对位置的 精确 度取决 于光 刻模 板设计 的精 度 以 及 光 刻 时的传递精度，是加工大规模孔阵列时的首选方案。 深层等离子体刻蚀工艺制作的通孔内壁平滑，对硅片的机械及物理损伤最小 ，是制 作硅 通孔的 最佳 选择之 一 ，但 其制作成本较高，仅限用于高密度、小尺寸、深宽比较大的硅基片微型通孔加工； 湿法刻蚀是最常规的一种方法，能够比较好地对刻蚀过程进行控制。 用于混合式红外焦平面探测器导电通孔，孔径为30 m100 m。 不同器件对硅基片的厚度有不同的要求，常见的硅基片的厚度小于300 m， 因此硅 基片 微型通 孔的 深宽 比一般 为几 到几十7。KOH溶液的湿法刻蚀是一种低刻蚀温度、低制造成本且适合于批量生产的硅通孔制作工艺。 此方法简便易行，而且湿法刻蚀设备是半导体加工和微细加工常见而且必备的设备。 由于KOH溶液对硅单晶的各向异性腐蚀特性， 这使得刻蚀出的通孔实际上是倒金字塔形，孔壁不与硅片表面垂直，且（111）晶面与（100）晶面间的夹角为54.74。 这就造成通孔两端尺寸差别很大，在硅片背面会被占去很大部分的面积，硅通孔的表面上窗口宽度Wa=Wb+2Lctg54.74， 其 中Wb为底 平面 的宽 度，L为腐蚀深度，其结构示意图见图3。 因此，其制作的硅通孔为非垂直的且宽度较大，只能满足低到中等引出端数封装的要求。 一般厚度为300 m左右的硅片要采用双面刻蚀的方式，提高硅表 面利 用效率 ，有利 于改 善通孔 加工质量。单晶硅 腐 蚀 用 得 最 多 的 是 四 甲 基 氢 氧 化 铵 腐 蚀 液(简称TMAH)。TMAH腐蚀液去除沾污方便，且腐蚀速度也较快，对SiO2掩膜基本不腐蚀。TMAH与硅的反应机测控技术与仪器仪表Measurement Control Technology and Instruments87欢迎网上投稿电子技术应用2011年 第37卷 第3期硅片处理涂胶前烘曝光中烘后烘显影溅射或蒸度去胶检测图4金属线剥离工艺流程图腐蚀液配比温度（）腐蚀速度（m/min）现 象TMAH；水25 g；75 ml851.3有金字塔形小丘TMAH；水；25 g；60 ml；851.1刻蚀后表面无金字塔异丙醇10 ml形小丘,表面发亮表1 TMAH腐蚀液配方和温度对硅刻蚀的影响理是，TMAH的水溶液与硅反应，其反应式为：Si+2OH-+2H2O SiO2(OH)2-2+2H2为了获得TMAH优化的腐蚀液配方和腐蚀条件 ，进行了TMAH腐蚀液配方和温度对硅刻蚀的影响的实验。实验方法是首先在100晶向的硅片上生长一层氧化硅，然后光刻形成刻蚀窗口。 将实验片放入不同配比腐蚀液和不同温度中腐蚀30 min，然后用台阶测试仪测试腐蚀的深度，从而计算出腐蚀硅的速度。 通过比较得到较好的TMAH腐蚀液配方和腐蚀温度工艺如表1所示。从表1的实验结果可以看出，这种配比的腐蚀液对100晶 向 的 硅 腐 蚀 速 度 较 快,腐 蚀 效 果 较 好 ， 由 于TMAH在与硅反应中要释放出氢气，因此在腐蚀液中会产生 氢气泡 ，局部 抑制 了TMAH对硅 接触 ，造成局 部腐蚀速度变慢，从而出现表面有金字塔形的小丘8,9。 为了降低或消除这种金字塔形的小丘，在腐蚀液中加入异丙醇， 利用异丙醇的挥发性尽快带走反应产生的氢气，抑制氢气泡的产生，使 腐蚀液 腐蚀 速度 均匀 ，避 免出 现金字塔小丘的现象，异丙醇过量，硅表面发黑10,11。由Technical University of Denmark12（丹麦技术大学）开发的，用KOH湿法刻蚀制作硅通孔的工艺，KOH溶液的浓度 为25%、刻 蚀温度 为80、刻 蚀速 率 为1.25 m/min。 其开发的硅通孔互连的体电阻为40 m、对硅衬底的寄生电容为2.5 pF，被设计应用于高端便携式产品的三维封装中。 斯坦福的CHOW E M等人13用双面刻蚀的方式在厚400 m的硅片上加工出直径为20 m的通孔，深宽比达20。3焦平面探测器阵列电极工艺红外 焦 平 面 探 测 器 敏 感 元 上 、 下 电 极 的 图 形 化 制备，通常采用金属Pt作为底电极，由于没有合适的溶液对它们 进行 有效 腐蚀的 同时 又不破 坏保 护 层 （即 光 刻胶），故采用剥离技术解决电极的图形化问题13。剥 离 技 术 （lift-off）是 将Si/SiO2基 片 用 标 准 的 硅 片清洗工艺进行清洗， 在衬底上涂覆一层较厚的光刻胶，光刻形成图形； 接着在其上溅射或蒸度淀积金属薄层，存在窗口的地方金属就会淀积到基底上。 为了实现良好的金属剥离，金属膜厚不能超过剥离层膜厚的2/314，同时光刻窗口的剖面必须整齐且形成下宽上窄的正 “八”字图形。Lift-off工艺制备Pt/Ti电极是在光刻工艺的基础上增加了溅射或蒸度金属膜和去胶工艺，流程如图4所示。图5所示即为利用lift-off工艺得到的Si基Pt/Ti电极 微 细 图 形 ，引 线 宽 度 为20 m，厚 度 为100 nm。 从图中可以看出，线条边缘较为齐整，总体缺陷较少。经过后续工艺中加热至800的测试证明，线条附着性良好，没有出现翘边等现象，电性能也满足使用要求。红外焦平面探测器制作过程中，常常需要将阵列电极 和信 号处理 电路 连接 ， 即 要实 现接 触 孔 的 电 互 连 结构，在接触孔和上层传感器结构之间建立一个金属互连柱。 采用剥离技术来制作金属互连柱是不可行的，实验证明：金属电极剥离 技术是 平面 工艺 ，溅射或 蒸发 制备金属薄膜台阶覆盖能力差， 互连金属柱高小于2.0 m，孔、槽内壁金属薄膜生长能力差，不能满足电性能互连。4微型笔直写技术制备电极互连红外焦平面阵列探测器大规模集成， 小批量生产，现有的互连工艺不能满足要求。 器件的不断小型化要求互连线更窄、芯片的 集成 度更 高，互连 导线 出现短 路或者断路的几率明显加大，产品废品率大幅度上升。目前，红外焦 平面 阵列探 测器 电极 互连布 线最 有 可 能 使 用 的工艺有：(1)厚膜丝网印刷工艺 ；(2)Fodel光刻成图技术；(3)微型笔直写技术。厚 膜 丝 网 印 刷 工 艺 指 使 用 漏 网 或 掩 模 按 照 给 定 的图案有选择地沉积厚膜材料，形成电路的制备技术。 目前 厚膜 集成 电路工 艺 已 达 到 线 宽/间 距150200 m，印刷厚膜电路使用的浆料， 其主要成分为金、 银、 铂、钯等 ，一 般 来 说 掩 模 制 作 周 期 长 ，费 用 高 ；掩 模 一 旦 制 成后，不能再修改，对于出现问题的电路板，也不易进行修复 。Fodel光 刻 成 图 技 术 是 美 国Dupont公 司 光 敏 浆 料系列的一个品牌 ，是一种 适合 制造细 线条 、小间 距导体材料的电子浆料。 该电子浆料在普通的厚膜材料中加入光敏聚合物，使之可 利用 光致 抗蚀原 理 ，通 过掩模 紫外曝光，水显影而获得电路。采用Fodel材料及工艺可以制作通常要用昂贵的薄膜工艺方能制作的电路，该类材料有各类Au、Pt/Ag导电浆料,线宽/间距为20 m100 m，烧结膜层厚度为5 m6 m。 微型笔直写技术是一种新测控技术与仪器仪表Measurement Control Technology and Instruments88电子技术应用2011年 第37卷 第3期图7微型笔直写技术工艺流程图硅片清洗、氧化配制导电浆料直写电极互连导线低温烘干(200 C)激光扫描图形基片超声清洗基片高温烧结(850C)性能测试型的厚膜制备技术 ，它无 需光 刻、掩模 制版 等成膜 工艺准备过程， 只要利用CAD的数据就可以在各种基板上直写导体、电阻、电容等电子元器件，最小线宽30 m15。将传统的激光熔覆技术与直写技术相结合，提出了一种新的布线技术激光微细熔覆柔性布线技术。 该技术与传统的厚膜 电路 工艺 相比 ，具 有精 度高、工 艺简单灵活、制作周期短、无污染等优点。该工艺具有产品研制周期短、工艺参数易控制、线条细密均匀且分辨率高、修改设计便捷、工艺更灵活更经济等优点16。实验装置如图6所示，该系统由气源、微型笔、计算机控制系统、工作台和监视系统等主要部件构成。 微型笔的工艺原理借鉴了注射成型的原理，把浆料腔内的浆料挤压出微型笔头，并以注射式涂覆的方式在系统控制单元的控制下，将 浆料 直接沉 积在 基板 上 ，从而 得到 预先设计的图案。直写基片采用硅基板，导电浆料为自配置的高温银导体浆料，导线及电极选用方阻为4 m的Ag-Pd导体浆 料 ， 黏 度 为300 Pas。 激 光 器 为 波 长1.07 m连 续Ytterbium光纤激光器，激光功率50 W以下连续可调，最小光斑直径20 m，扫描速度2 mm/s，实验主要工艺流程如图7所示 。 线宽 是衡量 电路 集成 度 的 一 个 重 要 指标。 激光直写工艺下导线理论最小线宽应等于激光光斑的大小,本实验中所使用激光器最小聚焦光斑为20 m，由于不可避免的激光热区扩散影响的存在，目前实验最小线宽可做到30 m。 除激光器本身光斑大 小影 响外 ，预置涂层厚度、激光功率和激光扫描速度对导体线宽有很大的影响。厚膜电 阻浆 料 最 为 常 用 的 是Ag-Pd电 阻 浆 料 及 钌系电阻浆料。 其固态成分主要是:导电相、Ag-Pd或者二氧化钌及钌酸盐；粘结相，硼硅酸铅玻璃；少量为改善电阻浆料性能而添加的金属氧化物，如Al2O3，MnO2等。 其液态成分主要是有机粘合剂，如松油醇、乙基纤维素等，典型的烧成温度850。 激光扫描的作用主要是实现初步的附着，而要想最 终得 到性能 稳定 、结合牢 靠的 电阻还需要利用传统的高温烧结方法回炉中烧结。微 型 笔 直 写 互 连 导 线 微 观 形 貌 与 导 电 通 孔 示 意 如图8所示，线条清晰均匀17。 经测试，导体附着完整，与传统工艺制备的导体相当，可满足工业实际要求。 电气性能优良，方阻6 m，可满足市场要求 ，可焊性好。 成分相似的浆料制备的导体导电性能区别不明显，即导电性的衡量参数-方阻值主要取决于浆料本身。 目前激光直写导体厚度210 m， 可做到的最小线宽/间距为30m/30 m， 微型笔直写灌注Ag-Pd电子浆料及 钌系 电子浆料填充微通孔相对经济适用。探 测 器 噪 声 强 度 取 决 于 互 连 线 中 信 号 传 输 的 热 噪声 和互 连线阻 抗不 均匀或 与功 能块 的阻抗 不 匹 配 产 生的反射噪声。 微型通孔垂直互连技术是一个实现互连线长度最短的封装形 式 ，由 于减 少了互 连线 的长度 ，因此也减少了噪声，改善信号延迟。与传统封装相比，微型通孔垂直互连技术可使系统尺寸与重量降低到原来的1/401/50； 提高了硅片的使用效率， 与平面引线互连比较， 效率从50%提高90。硅通孔互连技术提高硅片表面应用效率，提高像元占空比，减小红外焦平面尺寸和体积，改善信号延迟、降低噪声和功耗。 硅通孔互连技术依然面临更小通孔的制作、通孔 内无 缺陷金 属化 和互 连线与 硅衬 底电绝 缘 的 形 成等技术上的挑战，通 过改 善工 艺，硅通 孔互 连技术 能为混合式红外焦平面阵列电极互连提供更优的解决方案。参考文献1苏吉儒,魏建华,庄继胜.赴向21世纪的非制冷热成像技术J.红外与激光工程,1999,28(3):41-45.2袁宁一,李格,李金华,等.微测辐射热计的红外热响应模拟J.红外与毫米波学报,2006,25(3):183-187.3杨建生.BGA多芯片组件及三维立体封装(3D)技术J.电子与封装,2003,3(1):34-38.4 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