专利名称：红外焦平面列阵器件混成互连铟柱的微熔回流加固方法
技术领域：
本发明涉及红外焦平面列阵成像器件的制造方法，具体是指红外光敏感列阵芯片和读出电路之间混成互连铟柱的微熔回流加固方法。
背景技术：
红外焦平面列阵器件是既具有红外信息获取又具有信息处理功能的先进的成像传感器，它由红外光敏感列阵芯片和其相应的硅读出电路通过铟柱互连组成。
这种铟柱互连集成方式，不仅给红外光敏感列阵芯片与其对应的读出电路的输入端之间提供机械和电学连通，还能够缓冲红外光敏感列阵芯片与硅读出电路在冷热循环下热膨胀失配导致的结构热应力，以保证红外光敏感列阵芯片高的探测性能。
但是，红外焦平面探测器在经受成百上千次的高低温冷热循环或快速冷热循环后，必然会因为探测器芯片与硅读出电路间的热膨胀失配而在冷热循环下导致铟柱疲劳损伤，直至不能保证它们之间的机械和电学连通而致使红外焦平面列阵器件性能失效。所以，这种红外焦平面列阵器件的互连铟柱的疲劳及寿命就成了这一领域工作者高度重视的问题。
为了增加铟柱在红外焦平面列阵器件中的使用寿命，一个较为常用的方法是往红外光敏感列阵芯片和读出电路之间的间距缝隙内填充环氧胶。但由于环氧胶的热膨胀系数都很大，会导致红外焦平面列阵器件在冷热循环下存在很大的结构热应力，从而影响红外光敏感列阵芯片的探测性能。
而另外一个增加铟柱在红外焦平面列阵器件中使用寿命的方法是通过回流自对准或回流提拉的混成互连技术，来增加混成互连铟柱与金属化电极层间的机械接触强度。但是，这两种混成互连技术，对金属化电极与混成互连铟柱的浸润性要求极高，在工艺实现上存在很大的难度。
发明内容
基于上述已有的互连铟柱在器件使用寿命方面存在的问题，本发明的目的是提供一种既简单方便、又不影响红外焦平面列阵器件探测性能的互连铟柱的微熔回流加固方法，以提高器件的使用寿命。
本发明的方法是在红外光敏感列阵芯片和读出电路在常规的冷压混成互连后，采用甲酸作为还原剂，在金属铟的熔点温度下进行混成互连铟柱的微熔回流加固，以增强混成互连铟柱之间及内部的键合力，以及混成互连铟柱与金属化电极层间的机械接触强度，从而确保红外光敏感列阵芯片与硅读出电路之间的电学连通，并提高红外焦平面混成互连的机械可靠性。
本发明的混成互连铟柱的微熔回流加固方法步骤为A.将由铟柱冷压混成互连成的红外焦平面列阵器件样品与监控铟片一起放到可自动升降控温的回熔炉的样品台上；B.然后对样品室抽真空至6×10-3mbar以下，加热样品和监控铟片，在1-1.5分钟内将其迅速加热到铟的熔点，同时在这一升温和互连铟柱微熔加固的过程中，往腔室里通入500～600L/小时的通过浓度为80％的甲酸液体的含甲酸气氛的氮气流。
C.观察监控铟片，当监控铟片回流成球后，立即停止含甲酸气氛的氮气流入，以流速为2000～2500L/小时的大流量的氮气吹样品，且起用样品台冷却降温功能，使样品在10-20秒内迅速降至室温，然后将氮气流速降为400～500L/小时，并维持30-40分钟来清洗回流微熔加固过程中残留的甲酸气体及反应生成物，确保微熔回流后的样品能够长时间储存。
在这一技术方案中，甲酸作为还原剂，与混成互连铟柱内许多颗粒间的界面氧化层(In2O3)反应，生成物In(HCOO)3和H2O随含甲酸气氛的氮气流排出腔体。在微熔回流升温时，伴随着这一反应的发生，混成互连铟柱内的铟晶粒间的界面消除使铟晶粒间的结合力增强，在回流的表面张力作用下微熔加固成一体，从而增强了混成互连铟柱之间及内部的键合力。且在混成互连铟柱微熔加固的同时，在回流状态下的铟柱与红外光敏感列阵芯片和读出电路的金属化电极层之间发生亲润，进而增强混成互连铟柱与金属化电极层间的机械接触强度。虽然氢气是很好的还原剂，但在较低温度下它并不具备还原能力。所以，在我们的技术方案中，为了混成互连铟柱能在较低温度下能微熔回流，选择了甲酸作为还原剂。使用监控铟片的目的是为了便于观测铟柱的微熔。
本发明的最大优点是1.采用甲酸作为还原剂，在金属铟的熔点温度就达到红外焦平面列阵器件混成互连铟柱微熔回流加固的目的；2.避免了往红外光敏感列阵芯片和读出电路之间的间距缝隙内填充环氧胶，从而不影响器件探测性能；3.操作简单，便于在工艺上实现。
图1是红外焦平面列阵器件的剖面结构示意图；
图2是互连铟柱微熔回流加固后的剖面金相显微镜图。
具体实施例方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式
作进一步的详细说明本发明的红外焦平面列阵器件互连铟柱的微熔回流加固处理是在德国ATV公司的SRO-702回熔仪器上完成的。红外焦平面列阵器件样品是由红外光敏感列阵芯片1和读出电路2通过铟柱3混成互连而成的，红外光敏感列阵芯片1由衬底101，在衬底101上依次置有过度层102、响应红外目标辐射的光敏元列阵构成。每一光敏元由p型层103和n型区104构成。
A.首先将由铟柱冷压混成互连成的红外焦平面列阵器件放在回熔腔的可控温的样品台上，样品台上还放置一监控铟片，关闭回熔腔室，采用抗化学腐蚀的机械泵，抽真空到4mbar，再往回熔腔通入少量氮气，以减少腔室内氧气和水蒸气的含量，最后启动罗茨泵，对回熔腔抽真空到6×10-3mbar以下。
B.在1～1.5分钟内将样品迅速升温到铟的熔点，并维持到监控铟片回熔成球，同时，在这一升温和维持的过程中，往腔室里通入含甲酸气氛的氮气流，以完成混成互连铟柱的微熔回流加固工艺处理。如果冷压混成互连好的红外焦平面列阵器件样品放置时间较长，互连铟柱的表面氧化层就会较厚，这时在熔点温度需要维持较长的时间。甲酸气氛是由流速为500～600L/小时的氮气通过浓度为80％的甲酸液体来带走适量汽化的甲酸气体进入反应腔室的。混成互连铟柱是否完成微熔回流加固是通过回熔腔的观察窗口观察的，由于混成互连铟柱是处于红外光敏感列阵芯片和读出电路的中间位置，不便于直接观察，因此，我们在样品的边上放置一监控铟片，若监控铟片已微熔回流并成表面光亮的球状，则表明混成互连铟柱已经微熔回流并起到加固的作用，此时关闭含甲酸气氛的氮气流进入腔室。
C.然后通入流速为2000～2500L/小时大流量的氮气，且起用样品台冷却降温功能，使样品在10～20秒内快速降到室温，然后将氮气流速降为400～500L/小时，并维持30～40分钟来清洗混成互连铟柱微熔回流加固过程中残留的甲酸气体及反应生成物，以确保微熔回流加固后的样品能够长时间储存。
图1是红外焦平面列阵器件样品的剖面结构示意图，由红外光敏感列阵芯片1和读出电路2通过铟柱3混成互连而成。图2是经微熔回流加固后的互连铟柱剖面金相显微镜图，可见列阵芯片上的铟柱和读出电路上的铟柱混成互连之间及铟柱内部已经没有间隙，铟晶粒间的界面消除，且铟柱与红外光敏感列阵芯片和读出电路的金属化电极层之间完全亲润。同时，对微熔回流加固完的红外焦平面列阵器件进行了推力对比实验，发现比未经微熔回流加固的同等规格的红外焦平面列阵器件的最大能承受剪切推力增加了四倍。而且经室温-液氮温度循环冲击500次后，经测试红外焦平面列阵器件的性能没有变化。
因此，本发明的红外焦平面列阵器件的互连铟柱微熔回流加固方法是可行的、合理的。
权利要求
1.一种红外焦平面列阵器件混成互连铟柱的微熔回流加固方法，其特征在于具体步骤如下§A.将由铟柱冷压混成互连成的红外焦平面列阵器件样品与监控铟片一起放到可自动升降控温的回熔炉的样品台上；§B.然后对样品室抽真空至6×10-3mbar以下，加热样品和监控铟片，在1-1.5分钟内将其迅速加热到铟的熔点，同时在这一升温和互连铟柱微熔加固的过程中，往腔室里通入500～600L/小时的含有甲酸气氛的氮气流，该含甲酸气氛的氮气流由氮气通过80％的甲酸液体产生；§C.观察监控铟片，当铟片回流成球后，立即停止含甲酸气氛的氮气流入，以流速为2000～2500L/小时的大流量的氮气吹样品，且起用样品台冷却降温功能，使样品在10-20秒内迅速降至室温，然后将氮气流速降为400～500L/小时，并维持30-40分钟来清洗回流微熔加固过程中残留的甲酸气体及反应生成物，确保微熔回流后的样品能够长时间储存。
全文摘要
本发明公开了一种红外焦平面列阵器件混成互连铟柱的微熔回流加固方法，该方法是在红外光敏感列阵芯片和读出电路在常规的冷压混成互连后，采用甲酸作为还原剂，在金属铟的熔点温度下进行混成互连铟柱的微熔回流加固，以增强混成互连铟柱之间及内部的键合力，以及混成互连铟柱与金属化电极层间的机械接触强度，从而确保红外光敏感列阵芯片与硅读出电路之间的电学连通，并提高红外焦平面混成互连的机械可靠性。本发明方法操作简单，便于在工艺上实现。
文档编号H01L21/60GK1937190SQ20061011710
公开日2007年3月28日 申请日期2006年10月13日 优先权日2006年10月13日
发明者叶振华, 胡晓宁, 王建新, 周文洪, 王晨飞, 丁瑞军 申请人:中国科学院上海技术物理研究所