CN118866926B - 一种垂直一体化超晶格红外探测器的封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种垂直一体化超晶格红外探测器的封装方法，属于红外探测器领域；解决了传统封装方法得到的红外探测器组件存在的信号传输可靠性低、集成度低的问题；包括以下步骤：取制备好读出电路的晶圆和外延片，将外延片与读出电路通过等离子体低温直接键合工艺，形成异质集成结构；其中外延片是通过在衬底上外延生长二类超晶格材料的外延层得到的；在外延片上通过湿法剥离工艺，完全去除衬底；采用ICP刻蚀工艺和金属化工艺，在外延片上形成焦平面阵列；将焦平面阵列上每个像素的金属电极通过通孔引到读出电路的对应电极区域，使焦平面阵列与读出电路直接相连，得到了红外探测器芯片；本发明应用于超晶格红外探测器封装。
Description
技术领域
本发明提供了一种垂直一体化超晶格红外探测器的封装方法，属于红外探测器技术领域。
背景技术
传统的InAs/GaSb二类超晶格材料与读出电路采用倒装互联的形式构成红外探测器芯片，将红外探测器芯片翻转180°，背面朝上，正面的In柱与读出电路的In柱冷压互联，红外探测器芯片再采用金丝引线键合方式连接转接基板，实现电信号输出。红外探测器组件通过倒装芯片、引线键合或扇出式封装组装在转接基板上，集成度低属于二维集成。采用引线键合，由于打线接触点小，抗震动和冲击能力比较差，在高强度振动的条件下，金丝引线很容易在焊接处发生脱落，导致红外探测器芯片电极与陶瓷基板电极的连接中断，从而出现故障，严重影响探测器组件工作的可靠性。另外随着红外探测器探测的波段越来越大，对封装中电阻、热耗和噪声的要求越来越高，这就对红外探测器组件提出了极高的挑战。
为了满足高度集成、小型化以及高可靠性红外探测器组件的需求，多晶圆堆叠技术正逐渐成为异质集成的主流。异质集成技术推动了不同材料和工艺的跨界融合，可以实现传统的硅基读出电路与III-V族化合物半导体等光学材料相结合。这种融合不仅实现了电子与光子的高效整合，还促进了包含发射、调制和检测功能的完整光子集成电路的晶圆级制造，展现了异质集成在光电子领域的巨大潜力。随着技术的推进，异质结构正在从单个小尺寸器件向大面积集成发展。这一趋势要求在保证性能的同时，实现更大规模的均匀性和一致性，以满足诸如显示、传感等大面积应用的需求。
发明内容
本发明为了解决传统封装方法得到的红外探测器组件存在的信号传输可靠性低、集成度低的问题，提出了一种垂直一体化超晶格红外探测器的封装方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种垂直一体化超晶格红外探测器的封装方法，包括以下步骤：
S1：取制备好读出电路的晶圆和外延片，将外延片与读出电路通过等离子体低温直接键合工艺，形成异质集成结构；其中外延片是通过在衬底上外延生长二类超晶格材料的外延层得到的；
在外延片上通过湿法剥离工艺，完全去除衬底；
S2：采用ICP刻蚀工艺和金属化工艺，在外延片上形成焦平面阵列；
S3：将焦平面阵列上每个像素的金属电极通过通孔引到读出电路的对应电极区域，使焦平面阵列与读出电路直接相连，得到了红外探测器芯片。
步骤S1中外延片与读出电路还可采用间接键合工艺形成异质集成结构。
在进行外延片与读出电路的键合之前，首先对外延片和读出电路的晶圆进行表面处理，所述表面处理包括湿法清洗处理和等离子体活化处理。
步骤S2中的金属化工艺采用接触式光刻工艺，先通过接触式光刻工艺在外延片上实现光刻胶像素图形化，再通过ICP刻蚀工艺实现二类超晶格材料像素图形化。
还包括S4：将红外探测器芯片与转接基板采用同位锡焊或电镀技术实现互联，得到红外探测器组件。
所述湿法清洗处理采用兆声波清洗机实现，分别采用丙酮溶液、乙醇溶液和去离子水对晶圆进行多次兆声清洗。
所述等离子体活化处理步骤置于湿法清洗处理步骤之后。
所述转接基板上的焊盘位置与红外探测器芯片上的焊盘位置是一一对应的。
在进行步骤S4之前，先将经过步骤S1-S3形成的晶圆级的红外探测器芯片进行划片处理，得到多个独立的红外探测器芯片。
所述外延片是通过在GaSb衬底上外延生长InAs/GaSb二类超晶格材料的外延层得到的。
本发明相对于现有技术具备的有益效果为：红外探测器组件的传统封装工艺是先将晶圆划成小片，单个红外探测器芯片倒装互联之后再减薄抛光，而采用本发明的方法可以实现晶圆级键合，节约成本，适合批量化生产；且本发明的方法可以完全去除衬底，增强了红外光吸收强度，提高了响应率，且实现了GaSb衬底的重复利用，降低了生产成本；读出电路与外延片直接键合的方式，实现了更灵活的材料组合和结构设计，降低了后续工艺难度；并且红外探测器芯片与转接基板的直接焊接，使得红外探测器组件的集成度更高，可以提高电器互联信号传输的稳定性和可靠性。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明：
图1为本发明InAs/GaSb二类超晶格材料和读出电路键合及剥离工艺的流程示意图；
图2为本发明红外探测器芯片的焦平面阵列与读出电路互联的结构示意图；
图3为通过本发明的方法封装完成的红外探测器组件的结构示意图；
图中：1为读出电路、2为外延层、3为GaSb衬底、4为读出电路焊盘、5为金属电极、6为转接基板、7为基板焊盘。
具体实施方式
如图1至图3所示，本发明提供了一种垂直一体化超晶格红外探测器的封装方法，包括以下步骤：
S1：取制备好读出电路1的晶圆和外延片，将外延片与读出电路1通过等离子体低温直接键合工艺，形成异质集成结构；其中外延片是通过在GaSb衬底3上外延生长InAs/GaSb二类超晶格材料的外延层2得到的；直接键合工艺实现了更灵活的材料组合和结构设计，降低了后续工艺的难度；
在外延片上通过湿法剥离工艺，完全去除GaSb衬底3，增强了红外光吸收强度，提高了响应率，实现了GaSb衬底3的重复利用，降低了生产成本；
S2：采用ICP（Inductively Coupled Plasma，即电感耦合等离子体）刻蚀工艺和金属化工艺，在外延片上形成焦平面阵列；焦平面阵列由排列的单个像素组成，在像素与像素之间刻蚀有隔离槽；
S3：在隔离槽内进行通孔刻蚀，将每个像素的金属电极5通过通孔引到读出电路1的对应电极区域，直接相连，从而实现电器互联，得到了红外探测器芯片；该步骤不需要倒装互联，降低了工艺难度，且信号传输稳定可靠；
S4：将红外探测器芯片与转接基板6采用同位锡焊或电镀技术实现互联，得到红外探测器组件。该步骤可以使得红外探测器芯片与转接基板6的集成度更高，可靠性更强。
其中步骤S1中在进行外延片与读出电路1键合之前需要对两者的晶圆进行表面处理，表面处理分为两部分：
一方面需要对晶圆表面进行湿法清洗，其实现步骤如下：分别用丙酮、乙醇溶液通过兆声波清洗机将晶圆清洗5min，清洗功率在100~330W，并用去离子水淋洗20次；再用去离子水通过兆声波清洗机将晶圆清洗5min，清洗功率在100~330W，并用去离子水淋洗20次；最后用氮气吹干。兆声清洗技术使用高频率声波，通过声压和声流效应，对溶液中的微细颗粒进行高效清洗，确保无污染物残留，为键合工艺提供了高质量基础。此外，该技术还能提升晶圆表面的羟基密度，增强其亲和性，兆声清洗的高频声波不易损伤清洗对象。
另一方面，为了进一步降低晶圆表面的粗糙度和提高晶圆活化程度，形成强亲水性（即接触角<5°），有利于亲水键合。其实现步骤如下：利用等离子去胶机在300W功率，150mTorr压力条件下对晶圆表面进行氧等离子体处理2min。氧气氛下的等离子活化具有物理和化学作用，能够去除杂质、断裂化学键，并通过与水反应在表面形成羟基和氢键，增强亲水性。
然后，在常温常压的条件下，将经过清洗、活化处理的InAs/GaSb二类超晶格材料的外延片与读出电路1的晶圆的活化面对齐接触，通过施压使两个晶圆表面的羟基足够接近，利用界面力贴合，可自发完成预键合，随后将完成预键合的晶圆装入键合机中完成键合，形成异质集成结构；键合条件为：温度200~300℃，压强8~10MPa，时间30~60 min。
最后利用湿法腐蚀溶液，将GaSb衬底3从外延片上剥离下来，实现GaSb衬底3的可重复利用。
其中读出电路1的晶圆可以采用硅基读出电路晶圆。
步骤S2中，在异质集成结构上，通过接触式光刻、ICP刻蚀工艺确定焦平面阵列上单个像素的电路结构，该步骤中ICP刻蚀工艺的参数为：采用Cl2、BCl3、Ar作为刻蚀气体，ICP功率为400~600W，射频（RF）功率为100~200W，腔压为2~4mTorr，Table温度60~200℃。其中Table温度为承载晶圆的工作台（也称为基板或衬底）的温度。
步骤S2中在外延片的隔离槽上刻蚀通孔，可以暴露出读出电路1的焊盘，然后在读出电路1的每个焊盘与对应外延片的像素之间沉积50nm厚的Ti、50nm厚的Pt、300nm厚的Au形成金属电极5，通过该金属电极5实现了InAs/GaSb二类超晶格材料的像素与读出电路1的互联集成，得到红外探测器芯片。
将该红外探测器芯片根据要求进行划片，得到多个独立的红外探测器芯片。
步骤S3中采用装配式的转接基板6，转接基板6上的焊盘位置与划片后的单个的红外探测器芯片上的焊盘位置是一一对应的，采用锡焊或者电镀技术将读出电路焊盘4与基板焊盘7进行互联，实现转接基板6与红外探测器芯片的高度集成；避免了传统金丝引线键合，打线接触点小，接线长等问题，提高了红外探测器组件的抗震动和冲击能力，增强了红外探测器组件的工作可靠性。
其中转接基板6可以采用陶瓷基板。
在步骤S1的读出电路1与外延片的键合方式上，也可以采用间接键合工艺，在二者之间加一些介质实现两者的键合。
本发明通过将读出电路1与外延片直接键合或间接键合，然后通孔刻蚀沉积金属电极5，实现了读出电路1的焊盘与二类超晶格材料的稳定电性连接。
通过本发明的封装方法可以实现红外探测器的高度垂直一体化封装和信号传输，其主要体现在两部分：
1、电信号的第一次传输，通过隔离槽的通孔，外延片可以直接连接读出电路1，外延片与读出电路1之间无片间距；而传统需要倒装焊铟柱互联实现传输信号的红外探测器有几um的片间距，还需要在片间距中间填充胶，提高互联稳定性，工艺路线复杂。
2、电信号第二次传输，将读出电路1输出的电信号，通过通孔金属化原位传输到转接基板7的电极上。而传统工艺是采用引线键合方式进行电信号传输的，可靠性降低。
这样两次信号传输都是在同一个垂直方向，从而实现了垂直一体化，集成度更高。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (8)
1.一种垂直一体化超晶格红外探测器的封装方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：取制备好读出电路的晶圆和外延片，将外延片与读出电路通过等离子体低温直接键合工艺，形成异质集成结构；其中外延片是通过在衬底上外延生长二类超晶格材料的外延层得到的；
在外延片上通过湿法剥离工艺，完全去除衬底；
所述外延片是通过在GaSb衬底上外延生长InAs/GaSb二类超晶格材料的外延层得到的；
S2：采用ICP刻蚀工艺和金属化工艺，在外延片上形成焦平面阵列；
S3：将焦平面阵列上每个像素的金属电极通过通孔引到读出电路的对应电极区域，使焦平面阵列与读出电路直接相连，得到了红外探测器芯片；
S4：将红外探测器芯片与转接基板通过位于读出电路通孔内的转接基板焊盘与读出电路焊盘实现互联，得到红外探测器组件。
2.根据权利要求1所述的一种垂直一体化超晶格红外探测器的封装方法，其特征在于：步骤S1中外延片与读出电路还可采用间接键合工艺形成异质集成结构。
3.根据权利要求1或2所述的一种垂直一体化超晶格红外探测器的封装方法，其特征在于：在进行外延片与读出电路的键合之前，首先对外延片和读出电路的晶圆进行表面处理，所述表面处理包括湿法清洗处理和等离子体活化处理。
4.根据权利要求3所述的一种垂直一体化超晶格红外探测器的封装方法，其特征在于：步骤S2中的金属化工艺采用接触式光刻工艺，先通过接触式光刻工艺在外延片上实现光刻胶像素图形化，再通过ICP刻蚀工艺实现二类超晶格材料像素图形化。
5.根据权利要求3所述的一种垂直一体化超晶格红外探测器的封装方法，其特征在于：所述湿法清洗处理采用兆声波清洗机实现，分别采用丙酮溶液、乙醇溶液和去离子水对晶圆进行多次兆声清洗。
6.根据权利要求3所述的一种垂直一体化超晶格红外探测器的封装方法，其特征在于：所述等离子体活化处理步骤置于湿法清洗处理步骤之后。
7.根据权利要求5所述的一种垂直一体化超晶格红外探测器的封装方法，其特征在于：所述转接基板上的焊盘位置与红外探测器芯片上的焊盘位置是一一对应的。
8.根据权利要求5所述的一种垂直一体化超晶格红外探测器的封装方法，其特征在于：在进行步骤S4之前，先将经过步骤S1-S3形成的晶圆级的红外探测器芯片进行划片处理，得到多个独立的红外探测器芯片。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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