СПОСОБ СБОРКИ ФОТОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ Российский патент 1999 года по МПК H01L31/18 

Изобретение относится к технологии сборки фотоприемных устройств, выполненных на основе полупроводниковых материалов и предназначено для повышения надежности сборки.

Известен способ получения капель из сплава 95Pb+5Sn, нанесенного на поверхность кремния [P.A.Moskowitz, H.L.Yeh and S.K.Ray. "Termal dry process soldering. " J.Vac.Sci,A.Vol. 4, No. 3, 1986]. Образец нагревали в атмосфере фреона (CF₄)-20 Torr и аргона (Ar)-740 Torr.

Однако для получения положительного результата, предъявляется высокое требование к чистоте исходных газов. Небольшое присутствие в газах кислорода приводит к появлению на поверхности сплава слоя окисла, препятствующего образованию капли. Кроме того, для получения чистых не покрытых коррозией капель исходную смесь газов необходимо пропускать через катализатор из платиновой сетки.

Наиболее близким к изобретению является способ соединения кремниевого коммутатора с матрицей фотоприемников, где в качестве элемента соединения используют столбы из напыленного индия [T.Kano, M.Saga and et.al. "Deve-lopment of MBE grown HgCdTe 64•64 FPA for long wavelength IR detechion". SPIE Vol. 2020 Infrared Technology (1993), pp. 41 - 48].

Недостатком этого способа является трудность в получении столбов необходимой высоты, так как процесс их создания требует химического травления, при котором происходит сильное подтравливание индия под фоторезистивным слоем. Уже при толщинах больше 6 мкм наблюдается заметное уменьшение геометрических размеров столбов, как в плоскости его основания, и по высоте. При сборке составляющих фотоприемного устройства, как правило, происходит нарушение плоскопараллельности между плоскостями коммутатора и матрицы. Вследствие этого небольшая высота столбов не позволяет получить надежную гальваническую связь отдельных элементов сборки. Наличие на поверхности матрицы ростовых дефектов, случайное попадание пылинок во время сборки, также приводит к снижению надежности соединения. Чем выше столбы, тем большая вероятность получения надежного соединения при сборке фотоприемных устройств.

Техническим результатом изобретения является увеличение высоты столбов на элементах матрицы, что позволяет повысить надежность сборки фотоприемных устройств.

Технический результат достигается тем, что в способе сборки фотоприемных устройств, включающем напыление индиевых столбов на полупроводниковые материалы с последующим соединением составляющих узлов сборки: матрицы фотоприемников и коммутатора перед напылением индия на элементы матрицы, наносят подслой, состоящий из двух последовательно напыленных металлов: смачиваемого индием - в центре отдельного элемента матрицы и несмачиваемого - на остальной части, затем выдерживают ее в течение 10 - 40 с в высокочастотном разряде смеси газов: аргона и фреона-14, при порциальных давлениях 80 и 20 мТорр, соответственно, и плотности мощности в разряде от 0,06 - 0,2 Вт/см², с последующим нагревом до температуры 160 - 170^oC, причем высоту столбов задают геометрическими размерами смачиваемого индием подслоя по формуле: h= S₁•h₁/S, где S₁ - исходная площадь основания столба, h₁ - его исходная высота, S - площадь смачиваемого индием подслоя.

Сущность описываемого способа состоит в том, что для увеличения высоты индиевых столбов на элементах матрицы из полупроводниковых материалов, получаемых стандартным методом фотолитографии, перед нанесением индия, наносят подслой, который состоит из двух последовательно напыленных металлов: смачиваемого индием, например, никеля, в центре отдельного элемента, и несмачиваемого, например, хрома, на остальной площади. Так как в процессе создания столбов, индий покрывается слоем естественного окисла, то для его удаления был применен метод плазмохимического травления в высокочастотном разряде смеси газов CF₄+Ar, где в разряде, наряду с ионами аргона, бомбардирующими поверхность индия, существует значительное число ионов фтора и его радикалов, которые химически взаимодействуют с окисной пленкой индия, восстанавливая ее до свободного индия и летучей компоненты OF₂. При нагревании индия до 160 - 170^oC, когда силы поверхностного натяжения жидкого индия становятся больше удерживающих сил, обусловленных остаточным окисным слоем индия, они отрывают In от несмачиваемого им хрома. Температурный интервал нагревания In выбран таким, чтобы заметно не уменьшались силы поверхностного натяжения по мере роста температуры, и не увеличивалась скорость роста окисного слоя на поверхности In, что затрудняет процесс формирования высоты столбов. В указанном выше температурном интервале высота столба (h) увеличится пропорционально отношению площади, занимаемой исходным столбом индия (S₁), к площади, покрытой никелем (S) для каждого элемента матрицы, т.е. исходный объем индия сохраняется постоянным, а меняются площадь основания столба и его высота h= S₁•h₁/S, где h₁ - высота исходного столба. Таким образом, увеличивая это соотношение, можно регулировать высоту столбов.

Важным моментом в данном процессе является правильный выбор плотности мощности газового разряда (0.06 - 0.20 Вт/см²). При плотности мощности меньше 0.06 Вт/см² энергия ионов в разряде не превышает 10 эВ и не приводит к разрушению поверхностных окисных слоев индия, а при мощности больше 0.20 Вт/см² на поверхности In начинается рост полимерной пленки, которая препятствует увеличению высоты столбов. Время выдержки, в указанном выше интервале плотности мощности, выбирается от 10 - 40 с, т.к. при времени, меньшем 10 с, окисный слой полностью еще не удаляется, при большем 40 сек на сформировавшихся столбах появляется налет продуктов химических реакций в разряде и возможно введение дефектов в приповерхностный слой полупроводникового материала.

Выбор парциального давления газов (80 мТорр-Ar, 20 мТорр-CF₄) был сделан на основании экспериментов по варьированию соотношения CF₄:Ar. Разбавление фреона аргоном необходимо поскольку, во-первых, уменьшает скорость травления и делает процесс более контролируемым, во-вторых, ионы Ar⁺ обладают достаточной массой и энергией для разрушения поверхности окисла, не испаряя его, в-третьих, без введения избытка Ar заметными становятся процессы газофазной полимеризации радикалов, приводящие к образованию на поверхности образцов фторуглеродистых пленок.

Пример выполнения способа.

Изготовлена матрица 128х128 элементов с шагом 50 мкм и высотой индиевых столбов 6 мкм, полученных с помощью фотолитографии, помещалась в газовый разряд аргона и фреона-14 с соотношением потоков газов (4:1) с плотностью мощности, вкладываемой в разряд 0.08 Вт/см². При комнатной температуре она выдерживалась в разряде в течение 30 с, затем разряд выключали и нагревали ее до температуры 160^oC и сразу выключали нагрев. Охлаждали до произвольной температуры ниже 150^o. При этом индиевые столбы были нанесены на подслой, состоящий из двух металлов: никеля 40•40 мкм² - в центре элемента матрицы и хрома в виде рамки, наружный размер которой составлял 46•46 мкм². Было видно, что индий, который лежал на хроме, сошел с него на подслой никеля, а высота столба стала равной h=S₁•h₁/S, где S₁ - исходная площадь основания, занимаемая индиевым столбом, h₁ - его высота, S - площадь подслоя никеля, и составила - 7.9 мкм. Если вместо Ni внутренний подслой был напылен из титана, который плохо смачивался индием, то образовавшиеся капли были произвольно расположены на титане и не занимали всю площадь подслоя.

Была проведена проверка режимов во всех указанных интервалах мощности, температуры и времени и показано, что результат во всех случаях был положительных.

Использование предлагаемого способа позволило надежно собирать фотоприемные устройства (ФПУ) 128х128 элементов с шагом 5-0- мкм на основе гетероструктур AlGaAs/-GaAs с квантовыми ямами и коммутатор на кремнии.

Использование: технология сборки фотоприемных устройств, выполненных на основе полупроводниковых материалов. Сущность изобретения: в способе сборки фстоприемных устройств, включающем напыление индиевых столбов на полупроводниковые материалы с последующим соединением составляющих узлов сборки: матрицы фотоприемников и коммутатора, перед напылением на элементы матрицы индия наносят подслой, состоящий из двух последовательно напыленных металлов: смачиваемого индием - в центре элемента матрицы и несмачиваемого - на остальной части, затем выдерживают ее в течение 10 - 40 с в высокочастотном газовом разряде смеси газов: аргона и фреона-14, при парциальных давлениях 80 и 20 мТорр соответственно и плотности мощности в разряде от 0,06 - 0,20 Вт/см², с последующим нагревом до температуры 160 - 170^oC, причем высоту столбов задают геометрическими размерами смачиваемого индием подслоя по формуле: h=S₁•h₁/S, где S₁ исходная площадь основания столба, h₁- его исходная высота, S - площадь смачиваемого индием подслоя. Техническим результатом изобретения является увеличение высоты индиевых столбов на элементах матрицы, что позволяет повысить надежность сборки фотоприемных устройств.

Способ сборки фотоприемных устройств, включающий напыление индиевых столбов на полупроводниковые материалы с последующим соединением составляющих узлов сборки: матрицы фотоприемников и коммутатора, отличающийся тем, что перед напылением на элементы матрицы индия наносят подслой, состоящий из двух последовательно напыленных металлов: смачиваемого индием - в центре отдельного элемента матрицы и несмачиваемого - на остальной части, затем выдерживают ее в течение 10-40 с в высокочастотном газовом разряде смеси газов: аргона и фреона-14, при парциальных давлениях 80 и 20 мТорр соответственно и плотности мощности в разряде от 0,06-0,20 Вт/см², с последующим нагревом до температуры 160-170^oC, причем высоту столбов задают геометрическими размерами смачиваемого индием подслоя по формуле
h = S₁•h₁/S,
где S₁ - исходная площадь основания столба;
h₁ - его исходная высота;
S - площадь смачиваемого индием подслоя.