碲鎘汞焦平面器件背面減薄技術(shù)

李春領(lǐng)，劉海龍

(華北光電技術(shù)研究所，北京100015)

1 前言

隨著紅外焦平面器件在軍事上的應(yīng)用逐漸受到重視［1］，焦平面器件得到了快速的發(fā)展［2］。在器件性能提高的同時(shí)，工程應(yīng)用對(duì)器件的可靠性提出了更高的要求。中長(zhǎng)波的光伏型紅外探測(cè)器必須在低溫條件下工作，而器件卻是在室溫下組裝的，當(dāng)降至低溫時(shí)，組成器件的不同材料由于熱膨脹系數(shù)的不同而產(chǎn)生不同程度的收縮，從而在器件內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力。當(dāng)應(yīng)力大小超過(guò)材料斷裂強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)對(duì)器件產(chǎn)生破壞，導(dǎo)致器件失效。國(guó)外主要幾家從事碲鎘汞紅外焦平面器件的機(jī)構(gòu)都在研究解決這一問(wèn)題的辦法，有的將碲鎘汞薄膜生長(zhǎng)在硅襯底上［3］，將問(wèn)題轉(zhuǎn)化為碲鎘汞材料制備過(guò)程;有的采用襯底減薄的辦法［4］，對(duì)減薄工藝提出了很高的要求;還有的采用其他技術(shù)途徑解決這一問(wèn)題［5－7］。本文采用對(duì)底部填充的碲鎘汞焦平面器件襯底減薄的方法，通過(guò)機(jī)械拋光和機(jī)械化學(xué)拋光進(jìn)行碲鋅鎘襯底背面減薄，最后采用專(zhuān)用腐蝕液A腐蝕的方法將碲鋅鎘襯底全部腐蝕去除，碲鎘汞全部露出;減薄后的MW1280×1024器件經(jīng)受高低溫循環(huán)沖擊的可靠性顯著提高，取得了良好的應(yīng)用效果。

2 試驗(yàn)

將互連后的碲鎘汞焦平面器件粘附在玻璃基板上，保護(hù)好焊盤(pán)，非接觸厚儀測(cè)定器件碲鋅鎘襯底厚度;利用拋光設(shè)備對(duì)器件襯底進(jìn)行機(jī)械拋光和機(jī)械化學(xué)拋光，去除碲鋅鎘襯底。器件分別留有5 μm碲鋅鎘襯底、機(jī)械化學(xué)拋光完全將碲鋅鎘襯底去除和專(zhuān)用腐蝕液腐蝕A完全去除碲鋅鎘襯底，觀察器件表面，測(cè)試器件性能。

3 結(jié)果與討論

3.1 剩余一定厚度碲鋅鎘襯底的器件性能

圖1為碲鋅鎘襯底為5 μm的MW 1280×1024碲鎘汞焦平面器件表面和測(cè)試盲元圖。由圖可以看出，MW1280×1024器件在碲鋅鎘襯底厚度為5 μm時(shí)器件經(jīng)過(guò)液氮沖擊測(cè)試后，器件表面發(fā)生裂片。前期碲鋅鎘襯底減薄試驗(yàn)過(guò)程中，將碲鋅鎘襯底厚度分別留為 400 μm、200 μm 及 50 μm，器件進(jìn)行測(cè)試時(shí)均發(fā)生碲鎘汞芯片裂片現(xiàn)象。這是由于碲鎘汞和碲鋅鎘材料與Si材料之間的熱膨脹系數(shù)差異較大，在高低溫沖擊過(guò)程受到熱失配產(chǎn)生的應(yīng)力作用，碲鎘汞材料與硅材料相比，碲鎘汞材料的強(qiáng)度較低［8］，所以造成芯片開(kāi)裂。所以為提高碲鎘汞焦平面器件經(jīng)受高低溫循環(huán)沖擊的可靠性，需要將碲鋅鎘襯底全部去除。

圖1 MW1280×1024器件表面及盲元分布圖(碲鋅鎘厚度為5 μm)

3.2 機(jī)械化學(xué)拋光完全去除碲鋅鎘襯底

由于碲鋅鎘襯底的存在使器件在測(cè)試過(guò)程中受到高低溫沖擊時(shí)造成器件開(kāi)裂，所以需要將襯底全部去除。通常去除襯底的方法為機(jī)械拋光和機(jī)械化學(xué)拋光以及化學(xué)腐蝕，機(jī)械化學(xué)拋光和化學(xué)腐蝕可以獲得無(wú)損傷的表面。圖2為機(jī)械化學(xué)拋光去除碲鋅鎘襯底時(shí)碲鎘汞器件表面。由圖2可以看出，機(jī)械化學(xué)拋光作為最后一個(gè)工藝步驟完全去除碲鋅鎘襯底時(shí)容易造成部分襯底已完全去除，碲鎘汞露出，可以看到光敏元陣列。如果繼續(xù)拋光將碲鋅鎘襯底全部去除，就會(huì)對(duì)已露出的碲鎘汞表面造成損害，在測(cè)試時(shí)就會(huì)表現(xiàn)為盲元。所以，機(jī)械化學(xué)拋光不能作為完全去除碲鋅鎘襯底減薄工藝中最后一步。

圖2 機(jī)械化學(xué)拋光去除碲鋅鎘襯底時(shí)碲鎘汞器件表面

3.3 化學(xué)腐蝕去除碲鋅鎘襯底

為防止碲鋅鎘襯底完全去除時(shí)碲鎘汞不能同時(shí)露出而造成器件盲元增加的現(xiàn)象，在襯底減薄過(guò)程中采用先機(jī)械化學(xué)去除碲鋅鎘襯底厚度，再利用機(jī)械化學(xué)拋光獲得無(wú)損傷的碲鋅鎘襯底表面，剩余10 μm左右的碲鋅鎘襯底，最后利用專(zhuān)用腐蝕液完全去除碲鋅鎘襯底。圖3是利用專(zhuān)用腐蝕A液完全去除碲鋅鎘襯底的器件表面。由圖3可以看出，利用專(zhuān)用腐蝕液可以完全將碲鋅鎘襯底完全去除，碲鎘汞全部露出，表面光潔，可以看到光敏元陣列。圖4為減薄后MW1280×1024碲鎘汞焦平面器件測(cè)試盲元圖。由圖4可以看出，減薄后的焦平面器件經(jīng)過(guò)3350次高低溫沖擊，盲元數(shù)和分布沒(méi)有變化，說(shuō)明器件經(jīng)受高低溫循環(huán)沖擊的可靠性顯著提高。

圖3 專(zhuān)用腐蝕液去除碲鋅鎘襯底的器件表面

圖4 MW1280×1024減薄后盲元圖

4 結(jié)論

采用機(jī)械拋光和機(jī)械化學(xué)拋光進(jìn)行碲鎘汞焦平面器件的碲鋅鎘襯底背面減薄，最后采用專(zhuān)用腐蝕液腐蝕的方法將碲鋅鎘襯底全部腐蝕去除，碲鎘汞全部露出;減薄后的MW1280×1024焦平面器件經(jīng)受高低溫循環(huán)沖擊的可靠性顯著提高，取得了良好的應(yīng)用效果。

［1］ TAO Yu，ZHAN G Zhiquan.Military application of staringinfrared focal plane subassembly［J］Infrared and Laser Engineering，2001，30:70 －73.(in Chinese)陶禹，張智詮.凝視型紅外焦平面組件的軍事應(yīng)用［J］.紅外與激光工程，2001，30:70 －73.

［2］ CHEN Boliang.Development state of IRFPA imaging device［J］.Infrared and Laser Engineering，2005，34:1 － 7.(in Chinese)陳伯良.紅外焦平面成像器件發(fā)展現(xiàn)狀［J］.紅外與激光工程，2005，34:1 －7.

［3］ Dhar N K，Chen Y，Brill G，et al.Composite substrate forlarge form at HgCdTe IRFPA［J］.SPIE，2003，5074:157－165.

［4］ Jean Luc Tissot，F(xiàn)ranco is Marion.Collective flip chip technology for hybrid focal plane arrays［J］.SPIE，2000，4310:581 586.

［5］ Tribolet P，Costa P，F(xiàn)illon P，et al.Large staring arrays at-Sofradir［J］.SPIE，2003，4820:46 －56.

［6］ Pierre Castelein，F(xiàn)rancois Marion，Jean LucMartin，et al.A megapixel HgCdTeMW IR focalplanearraywith 15μmpitch［J］.SPIE，2003，5074:52 －59.

［7］ Love Peter J，Hoffman A lanW，Gulbransen David J，et al.Largeformat 0.85 ～ 2.5 micron HgCdTe detector arrays forlowbackground applications［J］.SPIE，2004，5167:134－142.

［8］ LI Yanjin，HE li，YANG Jianrong，et al.Study on thermal mismatch stress of HgCdTe infrared focal plane arrays［J］.Journal of Infrared and Millimeter Waves，2008，27:409 －412.(in Chinese)李言謹(jǐn)，何力，楊建榮，等.碲鎘汞紅外焦平面器件熱失配應(yīng)力研究［J］.紅外與毫米波學(xué)報(bào)，2008，27:409－412.