7.5 μm小间距铟凸点阵列制备的研究

冯晓宇,孙 健,王成刚,谢 珩,徐长彬,王格清,张 敏,祁娇娇

(华北光电技术研究所,北京 100015)

1 引 言

红外探测器是许多军事和民用应用中先进成像系统的关键组件。近些年许多新的概念被提出以指明红外探测器的发展方向:系统尺寸、重量、功耗、价格和性能(SWaP3)[1-3],在百万像素格式的成像系统中,像元尺寸对这些关键属性起着至关重要的作用。减小像元间距是经济高效地制备大面阵红外探测器的关键因素,有利于实现高空间分辨率的微型化红外成像系统,增加红外系统的检测和识别范围[4-5]。为了成功减小像元间距,制备高精度和均匀性的小型铟凸点阵列是必须克服的挑战之一[6-8]。本文通过不同打底层(UBM)尺寸和铟柱尺寸交叉组合的系列实验研究,分析讨论了小像元间距情况下铟凸点阵列的制备情况。

2 实 验

围绕尺寸为7.5 μm的小像元间距,进行不同UBM尺寸和铟柱尺寸的系列对比实验。铟凸点制备流程如图1所示。硅片→光刻UBM孔→UBM沉积→Lift-off→光刻铟柱孔→铟柱沉积→Lift-off→铟柱成球,其中铟柱生长高度为3 μm,UBM孔的形状为圆形,铟柱孔的形状为正方形,具体参数详见表1。

图1 铟凸点的制备流程

3 结果与讨论

铟凸点制备完成后,对其高度和直径进行随机抽样测试,取平均值,测试结果详见表1。

表1 UBM直径和铟柱边长参数及所制备的铟凸点尺寸

3.1 铟柱边长对铟凸点尺寸的影响

如图2所示,当UBM直径为2 μm时,随着铟柱边长的增长,铟凸点的高度和直径也随之增长。从表2中也可以看出,当UBM尺寸保持一致的情况下,所制备的铟凸点尺寸随着铟柱边长的增加而增加,呈正相关。这是由于当铟柱高度不变,边长增加时,铟的总量增加,导致起球后铟凸点的尺寸整体增大。

图2 UBM直径为2 μm,不同铟柱边长时制备的铟凸点的SEM图和折线图

3.2 UBM直径对铟凸点尺寸的影响

如图3所示,所制备的铟凸点阵列整齐均匀,精度高,统一性好。从图4中可以直观看出,当铟柱边长为5 μm时,随着UBM直径的增长,铟凸点的高度越来越低,直径越来越大。

图3 铟柱边长为5 μm,不同UBM直径时所制备的铟凸点的SEM图

图4 铟柱边长为5 μm时,不同UBM直径对应的铟凸点尺寸

UBM直径同铟凸点的高度呈负相关,同铟凸点的直径呈正相关。这是由于当铟柱高度和边长均不变的情况下,铟的总量不变,UBM的直径控制着成球后铟凸点的截面积,截面积越大,起球后铟凸点的高度则越小,直径则越大。

3.3 铟柱边长与UBM直径的关系对铟凸点均匀性的影响

对铟柱边长为5 μm,UBM直径分别为2 μm、3 μm、4 μm、5 μm时所制备的铟凸点进行多点直径测量,测试结果如图5所示。

图5 铟柱边长为5 μm,不同UBM直径时所制备的铟凸点的SEM图

当UBM直径为2 μm时,最大直径与最小直径差值为0.64 μm,当UBM直径分别为3 μm、4 μm、5 μm时,最大直径与最小直径差值分别为0.56 μm、0.44 μm、0.36 μm,如图6所示。可以看出,随着UBM直径的增加,所制备的铟凸点的最大直径差下降,均匀性逐渐提升。这可能是由于5 μm以下,UBM的直径越来越小,更加接近工艺的极限,导致工艺控制能力相对更弱,从而使得均匀性变差,也可能是由于UBM直径与铟柱边长的差值增大导致的均匀性变差。

图6 铟柱边长为5 μm时,不同UBM直径对应的最大直径差

3.4 铟柱边长与UBM直径的关系对铟凸点形状的影响

当UBM直径小于铟柱边长时,如图2、图3所示,铟凸点呈球状结构；当UBM直径大于铟柱边长时,如图7所示,铟凸点呈椭型岛状结构,并且从图7(b)和(c)可以看出,随着UBM和铟柱尺寸差值的增大,岛状结构底面直径与高度的比例也随之增大。

图7 不同UBM及不同铟柱边长情况下所制备的铟凸点的SEM图

3.5 7.5 μm小间距铟凸点阵列尺寸的选择

针对像元间距为7.5 μm的混成式红外探测器,为了精准地完成倒装互连工艺,不仅需要所制备的铟凸点阵列具有高精度和高均匀性,而且由于其小间距的限制,铟凸点的直径必须保证能够给予倒装互连工艺一定的阈值,以防止互连后凸点间的粘连,在此同时还需要保证铟凸点具有足够高度,以满足倒装互连的工艺要求。综上,从本文所制备的高精度高均匀性铟凸点阵列中选择相对更加合适的铟凸点尺寸,当UBM直径为2 μm,铟柱边长为5 μm时,所制备的铟凸点高度为4.5 μm,直径为4.8 μm,如图3(b)所示；当UBM直径为3 μm,铟柱边长为5 μm时,所制备的铟凸点高度为4.4 μm,直径为5.2 μm,如图3(c)所示,此两种工艺所得铟凸点阵列具备良好的均匀性和精度,并且尺寸更满足7.5 μm小间距的倒装互连工艺要求,可用于7.5 μm像元间距红外探测器的制备。

4 结 论

本文针对7.5 μm像元间距红外探测器,通过系列实验和分析,成功制备出了高尺寸精度和高均匀性的铟凸点阵列,这将大大提升混成式红外探测器的倒装互连工艺精度及导通率,此外,得出了UBM尺寸和铟柱尺寸对所制备铟凸点尺寸的影响,以及UBM尺寸和铟柱尺寸的关系对铟凸点阵列的均匀性和形状的影响,对制备高精度小型铟凸点阵列具有良好的指导意义。