一種快速估算紅外焦平面探測(cè)器中光敏元芯片厚度的方法
【專利摘要】一種快速估算紅外焦平面探測(cè)器中光敏元芯片厚度的方法；①當(dāng)光敏元芯片厚度減薄到20μm時(shí)，在負(fù)電極區(qū)域上方出現(xiàn)環(huán)帶凹陷；②當(dāng)光敏元芯片厚度減薄到14μm時(shí)，除環(huán)帶凹陷外，在負(fù)電極區(qū)域兩側(cè)出現(xiàn)典型棋盤(pán)格屈曲變形模式；③當(dāng)光敏元芯片厚度減薄到10μm時(shí)，除環(huán)帶凹陷和棋盤(pán)格屈曲變形外，在環(huán)帶凹陷處，與負(fù)電極連接的銦柱正上方出現(xiàn)上凸變形；④當(dāng)光敏元芯片厚度減薄到6μm時(shí)，棋盤(pán)格屈曲變形的峰谷差進(jìn)一步增加。本發(fā)明有益效果：與現(xiàn)有方法相比，采用本發(fā)明快速估算方法具有非接觸性、無(wú)損性、快速性、準(zhǔn)確性的特點(diǎn)，能夠滿足批量生產(chǎn)需求。
【專利說(shuō)明】
-種快速估算紅外焦平面探測(cè)器中光敏元巧片厚度的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于紅外焦平面探測(cè)器背減薄工藝中光敏元忍片厚度估算領(lǐng)域，具體地說(shuō) 是一種快速估算紅外焦平面探測(cè)器中光敏元忍片厚度的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 紅外焦平面探測(cè)器是一種能夠?qū)⒈惶綔y(cè)物體發(fā)射的紅外福射轉(zhuǎn)換成光電信號(hào)，之 后對(duì)光電信號(hào)進(jìn)行處理，得到被測(cè)物體的溫度分布圖像的探測(cè)器。紅外焦平面探測(cè)技術(shù)具 有光譜響應(yīng)波段寬、可晝夜工作等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈預(yù)警、情報(bào)偵察、損毀效果評(píng)估和 農(nóng)、林資源調(diào)查等軍事和民用領(lǐng)域。紅外焦平面探測(cè)器的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由位于 頂層的光敏元忍片、位于底層的娃讀出電路和中間層構(gòu)成。其中中間層由銅柱陣列和底充 膠相間排列而成，運(yùn)里底充膠呈網(wǎng)孔狀分布，銅柱陣列位于底充膠的網(wǎng)孔中。紅外焦平面探 測(cè)器的具體制備流程描述如下：附著有銅柱陣列的光敏元忍片3與附著有銅柱陣列的娃讀 出電路1通過(guò)倒焊互連工藝，把原本分別附著在光敏元忍片3和娃讀出電路1上的兩個(gè)銅柱 陣列通過(guò)冷壓焊的方式連接在一起，互聯(lián)后形成銅柱陣列2。之后在光敏元忍片3和娃讀出 電路1之間的夾縫中填入底充膠4W提高銅柱焊點(diǎn)的可靠性。隨后通過(guò)化學(xué)機(jī)械拋光減薄工 藝或金剛石點(diǎn)切削減薄工藝或化學(xué)腐蝕減薄工藝對(duì)光敏元忍片3進(jìn)行背減薄到合適的厚 度，減薄后的光敏元忍片厚度主要由量子效率和背減薄工藝成熟度決定，通常取1化m左右。 最后在減薄后的光敏元忍片3上蒸鍛抗反射涂層W減少入射光子損失。現(xiàn)有的測(cè)量光敏元 忍片厚度的方法主要有臺(tái)階掃描法、橫斷面拍照測(cè)量等。運(yùn)些方法要么把光敏層局部腐蝕 掉，或者把整個(gè)探測(cè)器切開(kāi)觀測(cè)橫斷面，運(yùn)將對(duì)光敏元忍片或者整個(gè)探測(cè)器造成破壞。一旦 用運(yùn)些方法對(duì)光敏元忍片厚度進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量后的紅外焦平面探測(cè)器將不再具有使用價(jià) 值。還有一些基于干設(shè)的非接觸測(cè)量方法，運(yùn)些方法均需要對(duì)中間層（由網(wǎng)孔狀底充膠和銅 柱陣列嵌套而成）的力學(xué)性能參數(shù)有明確要求。而運(yùn)往往難W實(shí)現(xiàn)，因?yàn)橹虚g層非均勻分 布，由兩種材料構(gòu)成。此外底充膠固化前為黏彈性，完全固化后為線彈性，銅柱為黏塑性，它 們各自的力學(xué)性能參數(shù)由工藝流程決定，底充膠固化后中間層的力學(xué)性能參數(shù)也難W估 計(jì)。
[0003] 液態(tài)底充膠通過(guò)毛細(xì)作用填滿光敏元忍片3和娃讀出電路1之間的夾縫，之后升溫 固化，完全固化后，底充膠4從橡膠態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴ＡB(tài)，此時(shí)具有彈性行為特征。通常底充膠固 化后其線彈性模量會(huì)急劇增加、線膨脹系數(shù)會(huì)急劇減小、并伴隨有一定程度的體積收縮。底 充膠的固化過(guò)程將在紅外焦平面探測(cè)器中引入熱應(yīng)力應(yīng)變。在隨后進(jìn)行的背減薄工藝中， 隨著光敏元忍片厚度的逐步變薄，由底充膠固化引起的熱應(yīng)力應(yīng)變將在層狀探測(cè)器結(jié)構(gòu)中 重新分配，熱應(yīng)力應(yīng)變的重新分配將導(dǎo)致在整個(gè)紅外焦平面探測(cè)器表面呈現(xiàn)出屈曲變形， 屈曲變形分布特征及形變幅度取決于光敏元忍片的厚度。由此在本申請(qǐng)中，W呈現(xiàn)在紅外 焦平面探測(cè)器上表面的屈曲變形特征及幅度為依據(jù)，來(lái)快速估算背減薄工藝中光敏元忍片 的厚度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種快速估算紅外焦平面探測(cè)器中光敏元忍 片厚度的方法，該方法能夠無(wú)損地快速估算出紅外焦平面探測(cè)器在背減薄工藝實(shí)施中的光 敏元忍片厚度，解決目前光敏元忍片厚度估算的問(wèn)題。
[0005] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:一種快速估算紅外焦平面探測(cè) 器中光敏元忍片厚度的方法，所述紅外焦平面探測(cè)器包括光敏元忍片、銅柱陣列、底充膠和 娃讀出電路，光敏元忍片通過(guò)銅柱陣列與娃讀出電路互連，底充膠填充在光敏元忍片與娃 讀出電路之間的夾縫中，光敏元忍片的負(fù)電極與娃讀出電路的負(fù)電極相連，所述光敏元忍 片的厚度估算在背減薄工藝中進(jìn)行，包括W下步驟： 步驟一、銅柱選用黏塑性模型，底充膠采用黏彈性Maxwell模型，光敏元忍片、負(fù)電極和 娃讀出電路選用線彈性模型，進(jìn)行直接禪合場(chǎng)分析； 步驟二、將光敏元忍片、互連后的銅柱陣列、底充膠、負(fù)電極和娃讀出電路的楊氏模量、 線膨脹系數(shù)、泊松比及密度輸入材料模型中，所輸入材料參數(shù)均隨溫度發(fā)生變化； 步驟Ξ、基于等效建模方法建立紅外焦平面探測(cè)器的結(jié)構(gòu)分析模型:將光敏元忍片、互 連后的銅柱陣列、底充膠、負(fù)電極和娃讀出電路的幾何尺寸輸入，設(shè)定紅外焦平面探測(cè)器的 溫度處處均勻、一致，進(jìn)行瞬態(tài)分析，紅外焦平面探測(cè)器的溫度從倒裝焊溫度開(kāi)始，經(jīng)過(guò)底 充膠固化后，隨后降至室溫； 步驟四、將光敏元忍片的厚度從300微米，W某一步長(zhǎng)逐步減薄到4微米，同時(shí)保持其余 材料的結(jié)構(gòu)尺寸不變，進(jìn)行模擬分析，分別得到不同光敏元忍片厚度下整個(gè)紅外焦平面探 測(cè)器的形變分布及幅度； 步驟五、依據(jù)模擬結(jié)果，提取出光敏元忍片厚度的快速估算依據(jù):①當(dāng)光敏元忍片厚度 減薄到2化m時(shí)，在負(fù)電極區(qū)域上方出現(xiàn)環(huán)帶凹陷;②當(dāng)光敏元忍片厚度減薄到1化m時(shí)，除環(huán) 帶凹陷外，在負(fù)電極區(qū)域兩側(cè)出現(xiàn)典型棋盤(pán)格屈曲變形模式;③當(dāng)光敏元忍片厚度減薄到 1化m時(shí)，除環(huán)帶凹陷和棋盤(pán)格屈曲變形外，在環(huán)帶凹陷處，與負(fù)電極連接的銅柱正上方出現(xiàn) 上凸變形;④當(dāng)光敏元忍片厚度減薄到化m時(shí)，棋盤(pán)格屈曲變形的峰谷差進(jìn)一步增加； 步驟六、借助光學(xué)金相顯微鏡觀測(cè)紅外焦平面探測(cè)器經(jīng)背減薄工藝后在室溫下測(cè)得的 上表面形變分布特征，對(duì)比提取的快速估算依據(jù)，快速估算出紅外焦平面探測(cè)器在背減薄 工藝中的光敏元忍片厚度。
[0006] 本發(fā)明所述光敏元忍片為錬化銅（InSb)忍片或蹄儒隸（HgCdTe)忍片或銅嫁神 (InGaAs)忍片或銅神錬（InAsSb)忍片或銅神/嫁錬（InAs/GaSb)忍片或嫁神/侶嫁神(GaAs/ AlGaAs)忍片。
[0007] 本發(fā)明的有益效果是:與現(xiàn)有方法相比，采用本發(fā)明快速估算方法具有非接觸性、 無(wú)損性、快速性、準(zhǔn)確性的特點(diǎn)，能夠滿足批量生產(chǎn)需求。
【附圖說(shuō)明】
[0008] 圖1為本發(fā)明紅外焦平面探測(cè)器的整體結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明紅外焦平面探測(cè)器的示意圖； 圖3為圖2的局部放大圖； 圖4為錬化銅（InSb)光敏元忍片厚度減薄到20微米時(shí)，紅外焦平面探測(cè)器上表面法線 方向應(yīng)變分布圖； 圖5為錬化銅（InSb)光敏元忍片厚度減薄到14微米時(shí)，紅外焦平面探測(cè)器上表面法線 方向應(yīng)變分布圖； 圖6為錬化銅（InSb)光敏元忍片厚度減薄到10微米時(shí)，紅外焦平面探測(cè)器上表面法線 方向應(yīng)變分布圖； 圖7為錬化銅（InSb)光敏元忍片厚度減薄到6微米時(shí)，紅外焦平面探測(cè)器上表面法線方 向應(yīng)變分布圖； 圖8為紅外焦平面探測(cè)器中不同材料的線膨脹系數(shù)隨溫度的變化曲線。
[0009 ]圖中標(biāo)記:1、娃讀出電路，2、銅柱陣列，3、光敏元忍片，4、底充膠，5、負(fù)電極。
【具體實(shí)施方式】
[0010] 下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
[0011] 對(duì)128X128陣列規(guī)模的錬化銅（InSb)紅外焦平面探測(cè)器進(jìn)行形變分析。該探測(cè)器 由InSb光敏元忍片和娃讀出電路通過(guò)銅柱陣列互連混成，之后在光敏元忍片和娃讀出電路 之間的夾縫中填入底充膠。
[0012] 其模擬過(guò)程如下： 1) 銅柱選用黏塑性模型，底充膠采用黏彈性Maxwell模型，光敏元忍片、負(fù)電極和娃讀 出電路選用線彈性模型，進(jìn)行直接禪合場(chǎng)分析； 2) 將光敏元忍片、互連后的銅柱陣列、底充膠、負(fù)電極和娃讀出電路的楊氏模量、線膨 脹系數(shù)、泊松比及密度輸入材料模型中，所輸入材料參數(shù)均隨溫度發(fā)生變化。具體數(shù)值如下 表1和圖8所示。
[001 引 α=22.46 X 10-6巧.04 X 10-8 X (T-273)，Τ的單位為開(kāi)爾文。
[0014] 3)建立幾何模型，即將光敏元忍片、互連后的銅柱陣列、底充膠、負(fù)電極和娃讀出 電路的幾何尺寸輸入； 4)設(shè)定紅外焦平面探測(cè)器的溫度處處均勻、一致，進(jìn)行瞬態(tài)分析，紅外焦平面探測(cè)器的 溫度從倒裝焊溫度開(kāi)始，經(jīng)過(guò)底充膠固化后，隨后降至室溫； 5)設(shè)定非線性大變形分析;設(shè)置分析環(huán)境的收斂準(zhǔn)則;進(jìn)行運(yùn)算求解;查看室溫下整個(gè) 紅外焦平面探測(cè)器法線方向的形變分布及幅度。
[0015] 6)將光敏元忍片的厚度從300微米，W某一步長(zhǎng)逐步減薄到4微米，同時(shí)保持其余 材料的結(jié)構(gòu)尺寸不變，進(jìn)行模擬分析，分別得到不同光敏元忍片厚度下整個(gè)紅外焦平面探 測(cè)器的形變分布及幅度。
[0016] 下面詳細(xì)介紹上述步驟： A)基于等效方法建立紅外焦平面探測(cè)器的結(jié)構(gòu)分析模型，考慮計(jì)算效率，運(yùn)里我們選 用32X32等效128 XI28陣列規(guī)模。
[0017] B)設(shè)定探測(cè)器的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括光敏元忍片、互連后的銅柱陣列、底充膠和娃 讀出電路Ξ維尺寸及局部形貌;材料參數(shù)和材料模型；網(wǎng)格劃分。運(yùn)里設(shè)定光敏元忍片的厚 度為300微米，互連后的銅柱的高度取10微米，底充膠的厚度取10微米，銅柱陣列與底充膠 相間排列，娃讀出電路的厚度為300微米。其中銅柱為八邊形，直徑固定為24微米。
[0018] C)施加邊界條件和初始條件，運(yùn)里邊界條件指在對(duì)稱面處施加面對(duì)稱條件，同時(shí) 對(duì)娃讀出電路的下表面中屯、點(diǎn)施加零自由度約束;初始條件為整個(gè)器件的溫度為倒裝焊溫 度。進(jìn)行有限元分析求解得出整個(gè)紅外焦平面探測(cè)器法線方向的應(yīng)變分布和幅度。運(yùn)里利 用ANSYS軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)變分析。
[0019] 重新設(shè)定光敏元忍片的厚度，光敏元忍片的厚度從300微米開(kāi)始，W100微米的步 長(zhǎng)減薄到100微米，此后W20微米步長(zhǎng)減薄到20微米，接著W2微米的步長(zhǎng)減薄到4微米，其 余結(jié)構(gòu)參數(shù)保持不變。重復(fù)步驟B-C，可得出128X128陣列規(guī)模紅外探測(cè)器法線方向應(yīng)變分 布及幅度隨光敏元忍片厚度的演化關(guān)系。
[0020] 圖4是本實(shí)施例中，光敏元忍片的厚度減薄到20微米時(shí)，室溫下模擬得到的InSb紅 外焦平面探測(cè)器法線方向的應(yīng)變分布圖。圖5是本實(shí)施例中，光敏元忍片的厚度減薄到14微 米時(shí)，室溫下模擬得到的InSb紅外焦平面探測(cè)器法線方向的應(yīng)變分布圖。圖6是本實(shí)施例 中，光敏元忍片的厚度減薄到10微米時(shí)，室溫下模擬得到的InSb紅外焦平面探測(cè)器法線方 向的應(yīng)變分布圖。圖7是本實(shí)施例中，光敏元忍片的厚度減薄到6微米時(shí)，室溫下模擬得到的 In訊紅外焦平面探測(cè)器法線方向的應(yīng)變分布圖。
[0021] 當(dāng)光敏元忍片的厚度超過(guò)2化m時(shí)，利用光學(xué)金相顯微鏡觀測(cè)探測(cè)器表面形貌，負(fù) 電極區(qū)域上方的環(huán)帶凹陷很模糊。當(dāng)光敏元忍片減薄到2化m時(shí)，在光學(xué)金相顯微鏡下，能夠 看到在負(fù)電極區(qū)域上方開(kāi)始出現(xiàn)可識(shí)別的環(huán)帶凹陷，且隨著背減薄工藝的繼續(xù)實(shí)施，環(huán)帶 凹陷愈加清晰可見(jiàn)，見(jiàn)圖4;當(dāng)光敏元忍片減薄到1化m時(shí)，除了在負(fù)電極區(qū)域出現(xiàn)清晰的環(huán) 帶凹陷外，在負(fù)電極區(qū)域兩側(cè)均開(kāi)始出現(xiàn)典型棋盤(pán)格屈曲變形模式，見(jiàn)圖5,伴隨著背減薄 工藝的繼續(xù)實(shí)施，典型棋盤(pán)格屈曲變形幅度逐步增加，愈加清晰可見(jiàn)；當(dāng)光敏元忍片減薄到 1化m時(shí)，除了在負(fù)電極區(qū)域兩側(cè)清晰地出現(xiàn)典型棋盤(pán)格屈曲變形模式外，在負(fù)電極區(qū)域的 環(huán)帶凹陷處，與負(fù)電極連接的銅柱正上方開(kāi)始出現(xiàn)上凸變形，上凸幅度沒(méi)有負(fù)電極區(qū)域兩 側(cè)出現(xiàn)的典型棋盤(pán)格屈曲變形幅度大，見(jiàn)圖6;當(dāng)光敏元忍片減薄到化m時(shí)，銅柱所在區(qū)域均 呈現(xiàn)出尖銳的棋盤(pán)格屈曲變形模式，屈曲峰谷差明顯增加，清晰可見(jiàn)，見(jiàn)圖7。
[0022] 由此可知，隨著光敏元忍片厚度的減小，室溫下紅外焦平面探測(cè)器上表面的變形 分布及幅度呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。利用運(yùn)些形變分布規(guī)律，即可快速估算出光敏元忍片的厚 度。
[0023] 作為其他實(shí)施方式，光敏元忍片還可為蹄儒隸(HgCdTe)忍片或銅嫁神（InGaAs)忍 片或銅神錬（InAsSb)忍片或銅神/嫁錬（InAs/GaSb)忍片或嫁神/侶嫁神(GaAs/AlGaAs)忍 片。
[0024] 作為其他實(shí)施方式，如果更換了光敏元忍片的材質(zhì)，模擬中需要相應(yīng)更改模型中 光敏元忍片的力學(xué)性能參數(shù)，包括線膨脹系數(shù)，楊氏模量，泊松比，密度。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種快速估算紅外焦平面探測(cè)器中光敏元芯片厚度的方法，所述紅外焦平面探測(cè)器 包括光敏元芯片(3)、銦柱陣列（2)、底充膠(4)和硅讀出電路（1)，光敏元芯片（3)通過(guò)銦柱 陣列（2)與硅讀出電路（1)互連，底充膠(4)填充在光敏元芯片(3)與硅讀出電路（1)之間的 夾縫中，光敏元芯片(3)的負(fù)電極與硅讀出電路（1)的負(fù)電極相連，其特征在于:包括以下步 驟： 步驟一、銦柱選用黏塑性模型，底充膠采用黏彈性Maxwell模型，光敏元芯片、負(fù)電極和 硅讀出電路選用線彈性模型，進(jìn)行直接耦合場(chǎng)分析； 步驟二、將光敏元芯片、互連后的銦柱陣列、底充膠、負(fù)電極和硅讀出電路的楊氏模量、 線膨脹系數(shù)、泊松比及密度輸入材料模型中，所輸入材料參數(shù)均隨溫度發(fā)生變化； 步驟三、基于等效建模方法建立紅外焦平面探測(cè)器的結(jié)構(gòu)分析模型:將光敏元芯片、互 連后的銦柱陣列、底充膠、負(fù)電極和硅讀出電路的幾何尺寸輸入，設(shè)定紅外焦平面探測(cè)器的 溫度處處均勻、一致，進(jìn)行瞬態(tài)分析，紅外焦平面探測(cè)器的溫度從倒裝焊溫度開(kāi)始，經(jīng)過(guò)底 充膠固化后，隨后降至室溫； 步驟四、將光敏元芯片的厚度從300微米，以某一步長(zhǎng)逐步減薄到4微米，同時(shí)保持其余 材料的結(jié)構(gòu)尺寸不變，進(jìn)行模擬分析，分別得到不同光敏元芯片厚度下整個(gè)紅外焦平面探 測(cè)器的形變分布及幅度； 步驟五、依據(jù)模擬結(jié)果，提取出光敏元芯片厚度的快速估算依據(jù):①當(dāng)光敏元芯片厚度 減薄到20μηι時(shí)，在負(fù)電極區(qū)域上方出現(xiàn)環(huán)帶凹陷;②當(dāng)光敏元芯片厚度減薄到14μηι時(shí)，除環(huán) 帶凹陷外，在負(fù)電極區(qū)域兩側(cè)出現(xiàn)典型棋盤(pán)格屈曲變形模式;③當(dāng)光敏元芯片厚度減薄到 ΙΟμπι時(shí)，除環(huán)帶凹陷和棋盤(pán)格屈曲變形外，在環(huán)帶凹陷處，與負(fù)電極連接的銦柱正上方出現(xiàn) 上凸變形;④當(dāng)光敏元芯片厚度減薄到6μηι時(shí)，棋盤(pán)格屈曲變形的峰谷差進(jìn)一步增加； 步驟六、借助光學(xué)金相顯微鏡觀測(cè)紅外焦平面探測(cè)器經(jīng)背減薄工藝后在室溫下測(cè)得的 上表面形變分布特征，對(duì)比提取的快速估算依據(jù)，快速估算出紅外焦平面探測(cè)器在背減薄 工藝中的光敏元芯片厚度。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種快速估算紅外焦平面探測(cè)器中光敏元芯片厚度的方法， 其特征在于：所述光敏元芯片為銻化銦（InSb)芯片或碲鎘汞（HgCdTe)芯片或銦鎵砷 (InGaAs)芯片或銦砷銻（InAsSb)芯片或銦砷/鎵銻（InAs/GaSb)芯片或鎵砷/鋁鎵砷(GaAs/ AlGaAs)芯片。
【文檔編號(hào)】H01L21/66GK105870032SQ201610275906
【公開(kāi)日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年4月29日
【發(fā)明人】張曉玲, 孟慶端, 張茉莉, 李艷霞, 高艷平, 張明川, 張立文, 普杰信
【申請(qǐng)人】河南科技大學(xué)