摘要：InSb紅外焦平面探測(cè)器在中波紅外波段占據(jù)重要地位，但十字盲元問題嚴(yán)重降低了探測(cè)器的性能。通過聚焦離子束定位剝離手段，發(fā)現(xiàn)了十字盲元區(qū)域的銦凸點(diǎn)失效。

進(jìn)一步檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，銦凸點(diǎn)制備參數(shù)欠佳。通過改進(jìn)銦凸點(diǎn)形狀和增加高度，加強(qiáng)了焊接面的牢固度。此后發(fā)現(xiàn)極少InSb器件存在十字盲元問題。在80℃ 下對(duì)銦凸點(diǎn)改進(jìn)后的InSb紅外器件進(jìn)行了14天烘烤。

經(jīng)測(cè)試，十字盲元數(shù)目保持不變，銦凸點(diǎn)的可靠性較好。改進(jìn)銦凸點(diǎn)制備技術(shù)可有效解決十字盲元問題?；ミB失效是十字盲元問題的主要原因。以此類推，該方法可解決所有InSb紅外器件的十字盲元問題。

0 引言

InSb單晶屬于直接帶隙半導(dǎo)體材料，其光吸收形式為本征吸收，77Ｋ 溫度下的禁帶寬度為0.228ｅＶ，響應(yīng)波段為15.5μm 。InSb紅外焦平面探測(cè)器具有量子效率高、光吸收能力強(qiáng)、探測(cè)率高等優(yōu)點(diǎn)，在紅外探測(cè)領(lǐng)域發(fā)揮著十分重要的作用。

美國(guó)雷神公司和洛克希德·馬丁公司、英國(guó)Selex公司、法國(guó)Sofradir公司、以色列SCD公司是InSb紅外探測(cè)器研究領(lǐng)域的主要代表。

InSb紅外探測(cè)器由InSb紅外器件、杜瓦和制冷器等幾個(gè)部分組成。其中，InSb紅外器件通過成結(jié)、臺(tái)面制備、鈍化、電極制備等技術(shù)獲得焦平面陣列。利用銦凸點(diǎn)對(duì)焦平面陣列與讀出電路進(jìn)行電極互連，并實(shí)現(xiàn)歐姆接觸。

然后經(jīng)過底部填充、背面減薄以及增透過程，完成整個(gè)器件的制備。InSb紅外器件的性能決定整個(gè)探測(cè)器的探測(cè)水平。

本文對(duì)引起倒裝式InSb紅外探測(cè)器失效的十字形盲元（以下簡(jiǎn)稱“十字盲元”）問題進(jìn)行研究。具體來說，先對(duì)InSb紅外焦平面探測(cè)器的十字盲元現(xiàn)象進(jìn)行故障描述和分析，然后利用材料檢測(cè)手段對(duì)存在此類故障的InSb紅外探測(cè)器進(jìn)行解剖分析。

針對(duì)定位出的技術(shù)問題，改進(jìn)探測(cè)器制備技術(shù)，并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，從而解決十字盲元問題。

1 十字盲元問題的分析與定位

在測(cè)試評(píng)價(jià) InSb 紅外探測(cè)器的過程中發(fā)現(xiàn)，部分探測(cè)器存在分散或集中的十字盲元。從信號(hào)上來看，十字盲元中心的像元信號(hào)約低于正常信號(hào)的20％，與中心像元最近的4個(gè)像元信號(hào)約為正常像元信號(hào)的1.012倍；

在電平圖上表現(xiàn)為“＋”形高電平連續(xù)像元，通過對(duì)InSb紅外探測(cè)器的結(jié)構(gòu)、制備過程及測(cè)試條件進(jìn)行分析，可以確定十字盲元問題是在InSb紅外器件制備過程中產(chǎn)生的。

對(duì)于含有較少十字盲元的 InSb 紅外器件，在80℃下進(jìn)行14天高溫烘烤后測(cè)試發(fā)現(xiàn)，其十字盲元數(shù)目大幅增多，如圖2所示。因此，InSb 紅外器件一旦測(cè)出有十字盲元，即可判定為不合格。十字盲元嚴(yán)重降低了器件的成品率。

為了了解十字盲元的產(chǎn)生原因，對(duì)有十字盲元問題的 InSb 紅外器件進(jìn)行聚焦離子束（Focused Ion Beam，F(xiàn)IB）定位剝離分析。先腐蝕去除InSb器件的增透膜，再用HF與H2O2的混合腐蝕液對(duì)InSb進(jìn)行腐蝕，使InSb材料剩余35μm，以減少檢測(cè)設(shè)備的損耗，從而完成制樣準(zhǔn)備。

結(jié)合電平圖與 InSb 紅外器件位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)樣品進(jìn)行FIB定位剝離，并配合掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察。

可以發(fā)現(xiàn)，十字盲元區(qū)域內(nèi)鈍化層厚度均勻，電極孔尺寸均勻，InSb/Si讀出電路與電極緊密接觸，電極與銦凸點(diǎn)接觸良好，但焦平面陣列與讀出電路之間的銦凸點(diǎn)接觸不良。因此，十字盲元問題初步歸因于銦凸點(diǎn)失效。

InSb紅外探測(cè)器在約77Ｋ 溫度下測(cè)試和工作，而InSb紅外器件平時(shí)都在室溫條件下儲(chǔ)存。因此，每次測(cè)試都會(huì)由于溫度的劇烈變化而產(chǎn)生很大的應(yīng)力，這可能會(huì)使銦凸點(diǎn)焊接面斷裂。

部分像元的銦凸點(diǎn)焊接面較小，在導(dǎo)電過程中可能會(huì)熔斷，使像元成為死元。由于紅外器件均進(jìn)行多次測(cè)試，倒裝式紅外器件都采用底部填充技術(shù)，使溫度沖擊所產(chǎn)生的應(yīng)力主要分布的位置由銦凸點(diǎn)變?yōu)檎麄€(gè)紅外器件內(nèi)部。

因此由應(yīng)力造成銦凸點(diǎn)斷裂的情況大大減少。此外，在互連工藝前的銦凸點(diǎn)篩選中，對(duì)其尺寸和均勻性有較嚴(yán)格的要求，由此排除了因工藝重復(fù)性不佳造成較多銦凸點(diǎn)接觸不良的情況。因此，解決十字盲元問題需要對(duì)互連工藝的相關(guān)制備技術(shù)進(jìn)行排查。

通過對(duì)互連調(diào)平對(duì)準(zhǔn)、壓力、保持壓力時(shí)間以及互連后銦凸點(diǎn)回流條件等進(jìn)行一一排查，發(fā)現(xiàn)這些因素與銦凸點(diǎn)失效均沒有關(guān)聯(lián)。然后利用共聚焦顯微鏡對(duì)互連前兩端的銦凸點(diǎn)高度和形狀進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)焦平面陣列端的銦凸點(diǎn)高度約為10μm，呈柱體狀；

而讀出電路端的銦凸點(diǎn)高度約為5μm，也呈柱體狀。由于銦凸點(diǎn)的橫向尺寸很難減小，而較大的高寬比有利于降低銦凸點(diǎn)承受的應(yīng)力，經(jīng)論證可知，互連后銦凸點(diǎn)的最優(yōu)高度約為8－10μm ，可提高銦凸點(diǎn)的可靠性并能防止橫向銦凸點(diǎn)之間粘連。

通常兩端的銦凸點(diǎn)高度偏差約為12μm，互連工藝的調(diào)平對(duì)準(zhǔn)偏差也約為12μm，即總偏差約為36μm。但經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，互連前銦凸點(diǎn)的高度總和約為15μm。

在保證互連后銦凸點(diǎn)高度處于最優(yōu)值時(shí)，很難保證銦凸點(diǎn)焊接面的牢固性，所以銦凸點(diǎn)的尺寸設(shè)計(jì)不妥容易造成兩端銦凸點(diǎn)接觸不良。因此，需要重新設(shè)計(jì)銦凸點(diǎn)尺寸并對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)，以驗(yàn)證銦凸點(diǎn)失效是否會(huì)導(dǎo)致十字盲元的產(chǎn)生。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 器件制備技術(shù)參數(shù)優(yōu)化

InSb紅外探測(cè)器的焦平面陣列與讀出電路兩端的銦凸點(diǎn)均為柱體，在互連過程中容易產(chǎn)生滑移，導(dǎo)致焊接面較小，且多次導(dǎo)電時(shí)易發(fā)生熔斷，進(jìn)而形成死元。此外，由測(cè)試帶來的高低溫變化會(huì)使紅外器件變形，銦凸點(diǎn)也會(huì)產(chǎn)生較大的側(cè)向形變。

在多次反復(fù)形變后，銦凸點(diǎn)容易發(fā)生斷裂，造成銦凸點(diǎn)失效。因此，本文將優(yōu)化原有的銦凸點(diǎn)制備技術(shù)。為了降低互連對(duì)準(zhǔn)的難度，采用一端為柱體、一端為球體的銦凸點(diǎn)制備方法。此時(shí)，柱體表面積小，而球體表面積大。

互連過程相當(dāng)于將柱體銦凸點(diǎn)插入球體銦凸點(diǎn)體內(nèi)，降低了粘連的概率，并有利于提高互連成品率。由于球體銦凸點(diǎn)需經(jīng)過高溫處理才能獲得，考慮到焦平面陣列在高溫下容易發(fā)生Ｉ-Ｖ失效，因此選定硅讀出電路端的銦凸點(diǎn)為球體，焦平面陣列端的銦凸點(diǎn)為柱體。

同時(shí)，銦凸點(diǎn)兩端的高度總和需要考慮互連后銦凸點(diǎn)的高度和工藝偏差。將兩端的銦凸點(diǎn)高度均設(shè)為10μm，保證在偏差允許的情況下實(shí)現(xiàn)有效互連。

重新設(shè)計(jì)光刻版圖，在工藝中采用優(yōu)化的銦凸點(diǎn)制備方法。完成InSb紅外器件制備后，進(jìn)行封裝和低溫檢測(cè)?？梢园l(fā)現(xiàn)，電平圖上的十字盲元極少，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，改進(jìn)銦凸點(diǎn)制備技術(shù)后，出現(xiàn)十字盲元問題的紅外器件數(shù)量低于原來的10％ 。由此證明十字盲元問題的故障定位準(zhǔn)確，確實(shí)由銦凸點(diǎn)失效造成。這種改進(jìn)方法可有效抑制十字盲元的產(chǎn)生。

2.2 高溫烘烤試驗(yàn)

改進(jìn)方法后，十字盲元問題得到有效抑制，且單支 InSb 器件的十字盲元數(shù)目較少，但不能將其徹底消除。針對(duì)故障定位前高溫烘烤使十字盲元數(shù)目激增的現(xiàn)象，我們需對(duì)技術(shù)改進(jìn)后的InSb器件進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

隨機(jī)選取3個(gè)在銦凸點(diǎn)制備技術(shù)改進(jìn)后仍有十字盲元的InSb 紅外器件，并在80℃下對(duì)其進(jìn)行14天高溫烘烤。烘烤結(jié)束后進(jìn)行封裝和低溫測(cè)試。

可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過高溫持續(xù)烘烤，十字盲元數(shù)目沒有變化。本文優(yōu)化的銦凸點(diǎn)制備技術(shù)可以有效提高銦凸點(diǎn)的焊接面積，且對(duì)高溫持續(xù)烘烤有較強(qiáng)的耐受性。因此，掌握好銦凸點(diǎn)相關(guān)制備技術(shù)，即可有效解決十字盲元問題。

在常見的ｎ-ｏｎ-ｐ型HgCdTe紅外探測(cè)器測(cè)試評(píng)價(jià)中，銦凸點(diǎn)失效一般表現(xiàn)為單個(gè)盲元，極少衍生出十字盲元現(xiàn)象。而InSb紅外探測(cè)器優(yōu)先采用 ｐ-ｏｎ-ｎ結(jié)構(gòu)，ｎ型吸收層的多數(shù)載流子濃度低，少子壽命長(zhǎng)。

銦凸點(diǎn)失效的像元吸收層內(nèi)的少子可參與周圍臨近像元的導(dǎo)電過程，由此形成中心信號(hào)低、臨近信號(hào)高的盲元，并在電平圖上表現(xiàn)為“＋”形高電平連續(xù)像元（即十字盲元）。

但十字盲元的成因不光只有銦凸點(diǎn)失效。凡是造成互連失效、電路元失效等導(dǎo)致存在多余ｎ型吸收層的情況均易引起十字盲元問題，其中互連失效是最主要的原因。

本文討論的十字盲元問題是由銦凸點(diǎn)高度和形狀均欠佳導(dǎo)致銦凸點(diǎn)失效所引起的。通過提高銦凸點(diǎn)的高度和制備較普遍的球體與柱體銦凸點(diǎn)組合，已解決128 ×128 InSb紅外器件的銦凸點(diǎn)失效問題。但面對(duì)大面陣、高集成化的InSb紅外器件，還需進(jìn)一步優(yōu)化互連相關(guān)制備技術(shù)。

比如文獻(xiàn)報(bào)道的微管電極、微針電極與讀出電路銦凸點(diǎn)互連，均有利于提高互連成品率，降低十字盲元的出現(xiàn)幾率。如果探測(cè)器研制指標(biāo)允許，也可以在InSb背面制作微透鏡。入射光通過微透鏡匯聚到像元中心處，能有效降低相鄰像元之間的串音，進(jìn)而減少十字盲元的產(chǎn)生。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)引起倒裝式InSb紅外探測(cè)器失效的十字盲元問題進(jìn)行了現(xiàn)象描述和故障分析，并采用先進(jìn)的聚焦離子束檢測(cè)手段對(duì)其進(jìn)行了定位剝離和技術(shù)分析。針對(duì)明顯的銦凸點(diǎn)失效問題，優(yōu)化了銦凸點(diǎn)制備方法。經(jīng)試驗(yàn)證實(shí)，該方法可有效解決小面陣InSb紅外器件的十字盲元問題。

經(jīng)理論分析可知，十字盲元是由多余 n型吸收層內(nèi)的少子參與臨近像元導(dǎo)電過程而引起的，互連失效是十字盲元問題的主要原因。對(duì)大面陣InSb紅外器件的十字盲元問題提出了有效的解決建議。本文所研究的內(nèi)容對(duì)提高互連工藝的成品率和提升InSb紅外探測(cè)器的性能均具有重要意義。

本文內(nèi)容轉(zhuǎn)載自《紅外》2021年第4期，版權(quán)歸《紅外》編輯部所有。

程雨，李忠賀，謝珩，肖鈺，黃婷

華北光電技術(shù)研究所

編輯：jq