ПРИЕМНИК ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК H01L31/24 

Изобретение относится к фоточувствительным приборам, предназначенным для обнаружения электромагнитного излучения, в частности к охлаждаемым полупроводниковым ИК приемникам излучения, например к кремниевым приемникам с засветкой с обратной стороны.

Известен приемник ИК-излучения с засветкой с обратной стороны, в котором кристалл фоточувствительной (ФЧ) ИС закреплен на держателе, установленном на охлаждаемом основании (см. Каталог фирмы EG & G RETICON 055-0298 March 1992 с. 180-186). Недостатком такой конструкции является большое время выхода на режим при охлаждении до рабочей температуры приемника из-за большой охлаждаемой массы, а также низкая надежность из-за наличия проволочных выводов между кристаллом ФЧ ИС и держателем.

Известен выбранный за прототип приемник излучения, содержащий основание и закрепленный на столбиковых выводах кристалл ФЧ ИС, загерметизированный при помощи рамки из изолирующего материала, через центр которой проходят внешние электроды (см пат. США N 5357056, НКИ 174/52.4, 1994 г.). Недостатком данной конструкции является плохой теплоотвод в рабочем режиме прибора, так как основными теплопроводящими элементами являются только выводы ИС. Для улучшения теплоотвода предусмотрено введение дополнительных теплопроводящих элементов, примыкающих к обратной стороне кристалла, что невозможно использовать в приемниках излучения с засветкой с обратной стороны кристалла. Кроме того, при герметизации прибора диэлектрической рамкой с применением смол и полимеров герметизируемый объем заполняется парами растворителей, что снижает эксплуатационные характеристики приемников излучения.

Техническим результатом при использовании предлагаемого изобретения является увеличение теплопроводности между кристаллом ФЧ ИС и основанием, уменьшение охлаждаемой массы и времени выхода на рабочий режим прибора и увеличение надежности работы приемника излучения.

Указанный результат достигается тем, что в приемнике излучения, содержащем герметично соединенные рамкой охлаждаемое основание и кристалл с фоточувствительной ИС, контактные площадки которой присоединены к столбиковым выводам, соединенным с внешними выводами, столбиковые выводы установлены непосредственно на основание, а рамка выполнена металлической. Между рамкой и основанием размещены тонкопленочные участки диэлектрического материала, а внешние выводы выполнены на основании в виде токопроводящих дорожек, в месте пересечения с рамкой проходящих под участками диэлектрического материала. В другом случае выполнения между рамкой и основанием расположен слой диэлектрического материала, граница которого с металлической рамкой имеет ступенчатый рельеф. Также тонкопленочные участки диэлектрического материала могут быть размещены между рамкой и кристаллом с фоточувствительной ИС, причем они могут быть расположены со смещением относительно диэлектрических участков между рамкой и основанием.

Наличие металлической рамки, обладающей высокой теплопроводностью, обеспечивает увеличение теплопроводности между основанием и кристаллом ФЧ ИС. Это позволяет уменьшить время выхода на рабочий режим прибора, что является особенно актуальным для приемников ИК-излучения, работающих при криогенных температурах, например, матричных фотоприемников с барьером Шоттки на основе силицида платины. Размещение присоединенных к контактным площадкам ИС-столбиковых выводов непосредственно на основании позволяет выполнить внешние выводы в виде токопроводящих дорожек, что повышает надежность работы прибора при эксплуатации, а также улучшает теплоотвод. В целом, предложенная конструкция обеспечивает герметизацию фоточувствительной области приемника без дополнительных элементов крепления, что максимально уменьшает охлаждаемую массу прибора.

Особенностью работы охлаждаемых приемников является их частое охлаждение от комнатной до рабочей температур с возможным перепадом до трехсот и более градусов. При этом необходимо предусматривать меры, предотвращающие разрушение целостности системы кристалл-рамка-основание из-за разности коэффициентов термического расширения (КТР) применяемых материалов, причем величина этих напряжений увеличивается с увеличением линейных размеров соединенных деталей. Для предотвращения нарушения герметичности при охлаждении прибора до рабочей температуры из-за различных КТР охлаждаемых элементов и металлической рамки, между ними располагаются участки тонкопленочного диэлектрического материала. Тонкопленочными принято считать слои толщиной менее 2 мкм. Эти участки секционируют протяженные границы контакта рамки с кристаллом или основанием, предотвращая накопление возникающих при охлаждении напряжений. Кроме того, некоторые из этих участков или все могут использоваться для изоляции внешних выводов в местах их пересечения с герметизирующей металлической рамкой. В другом случае для предотвращения нарушения герметичности при охлаждении прибора до рабочей температуры из-за различных КТР охлаждаемых элементов и металлической рамки, между ними расположен слой диэлектрического материала, граница которого с металлической рамкой выполнена ступенчатой. Ступенчатый рельеф приводит к смене направления напряжений с горизонтальных на вертикальные, предотвращая их накопление до критических значений.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 представлена схема приемника излучения, на фиг. 2а - разрез по одной из сторон металлической рамки в случае наличия тонкопленочных участков диэлектрического материала между рамкой и основанием и рамкой и кристаллом, на фиг. 26 - разрез по одной из сторон металлической рамки в случае наличия диэлектрического слоя и без участков диэлектрического материала между рамкой и кристаллом.

Приемник излучения содержит охлаждаемое основание 1 и кристалл с фоточувствительной ИС 2. Их герметично соединяет расположенная вдоль периметра кристалла 2 металлическая рамка 3. Расположенные на кристалле 2 контактные площадки ИС присоединены к столбиковым выводам 4, установленным непосредственно на основание 1. Между металлической рамкой и основанием расположены участки тонкопленочного диэлектрического материала 5, под некоторыми из которых проходят внешние выводы 6, соединяющие столбиковые выводы 4 со схемой обработки сигнала. Между металлической рамкой 3 и кристаллом 2 с ФЧ ИС также расположены участки тонкопленочного диэлектрического материала 7. Вместо участков тонкопленочного диэлектрического материала 5 между основанием 1 и рамкой 3 может быть расположен слой диэлектрического материала 8, имеющий ступенчатую границу раздела с рамкой 3.

Для обеспечения работы приемника излучения необходимо охлаждение кристалла ФЧ ИС 2 до рабочей температуры, которое предусмотрено через основание 1, соединенное с источником холода, например, газовой криогенной машиной (не показана). При этом соединяющие основание 1 и кристалл 2 металлическая рамка 3, а также столбиковые выводы 4, обладающие высокой теплопроводностью, обеспечивают быстрое охлаждение. В одном случае для снятия возникающих при этом из-за различных КТР материалов рамки, основания и кристалла термических напряжений предусмотрены расположенные между ними тонкопленочные участки диэлектрического материала 5 и 7.

При этом напряжения накапливаются только в пределах размеров диэлектрических участков и расстояний между ними, разряжаясь на границе между материалами диэлектрического участка и основания. Для материалов с небольшим различием КТР количество таких участков, являющихся одновременно изолирующими, может быть равно количеству внешних выводов, при значительном отличии КТР их целесообразно увеличить.

Предложенная конструкция реализована для приемника ИК излучения со сформированной на Si кристалле матрицей ПЗС с фоточувствительными элементами на барьерах Шоттки из силицида платины, работающего при температуре 78 К. Охлаждаемое основание выполнено из сапфира, а тонкопленочные участки диэлектрического материала между рамкой и основанием - из пленки полиимида толщиной 2 мкм, протяженностью ≈200 мкм и расстоянием между ними ≈200 мкм. Количество таких участков по всему периметру рамки равнялось 63, 15 из которых служат одновременно изолирующими для внешних выводов, выполненных на основании в виде токопроводящих дорожек. Размеры рамки составляли 6,3 х 6,3 мм при толщине 200 мкм и высоте 30 мкм, в качестве материала для нее и столбиковых выводов применялся сплав In - 80%, Pb - 15%, Ag - 5%, осаждаемый гальванически на основание. При реализации такой конструкции теплопроводность между основанием и кристаллом увеличена более, чем в три раза и существенно снижена вероятность отслаивания рамки.

В другом случае материалом основания может быть кремний с окислом SiO₂ в качестве слоя диэлектрического материала на поверхности. Толщина окисла равнялась 1 мкм со ступенькой высотой 1 мкм и протяженностью 200 мкм.

В качестве материала для металлической рамки и столбиковых выводов может также использоваться In, сплав In - 50%, Sn - 50% и т.п.

Сборка предложенной конструкции приемника излучения и герметизация пространства между кристаллом и основанием проводится при нагревании в контролируемой газовой среде или вакууме без применения растворителей, что обеспечивает увеличение надежности и стабильности параметров прибора при эксплуатации. Также достоинством предложенной конструкции является то, что технология изготовления ее элементов состоит из стандартных операций, производимых на стандартном оборудовании, применяемых при изготовлении интегральных схем.

Использование: фоточувствительные приборы, предназначенные для обнаружения электромагнитного излучения, в частности охлаждаемые полупроводниковые ИК приемники излучения. Сущность изобретения: в приемнике излучения, содержащем герметично соединенные рамкой охлаждаемое основание и кристалл с фоточувствительной ИС, контактные площадки которой присоединены к столбиковым выводам, соединенным с внешними выводами, столбиковые выводы установлены непосредственно на основание, а рамка выполнена металлической. Между рамкой и основанием размещены тонкопленочные участки диэлектрического материала, а внешние выводы выполнены на основании в виде токопроводящих дорожек в месте пересечения с рамкой, проходящих под участками диэлектрического материала. В другом случае выполнения между рамкой и основанием расположен слой диэлектрического материала, граница которого с металлической рамкой имеет ступенчатый рельеф. Также тонкопленочные участки диэлектрического материала могут быть размещены между рамкой и кристаллом с фоточувствительной ИС, причем они могут быть расположены со смещением относительно диэлектрических участков между рамкой и основанием. Техническим результатом при использовании предлагаемого изобретения является увеличение теплопроводности между кристаллом с фоточувствительной ИС и основанием, уменьшение охлаждаемой массы и времени выхода на рабочий режим прибора и увеличение надежности работы приемника излучения. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Приемник излучения, содержащий герметично соединенные рамкой охлаждаемое основание и кристалл с фоточувствительной ИС, контактные площадки которой присоединены к столбиковым выводам, соединенным с внешними выводами, отличающийся тем, что столбиковые выводы установлены непосредственно на основание, а рамка выполнена металлической. 2. Приемник излучения по п.1, отличающийся тем, что между металлической рамкой и основанием размещены тонкопленочные участки диэлектрического материала. 3. Приемник излучения по п.1, отличающийся тем, что между металлической рамкой и основанием размещен слой диэлектрического материала, граница которого с металлической рамкой выполнена ступенчатой. 4. Приемник излучения по п.2 или 3, отличающийся тем, что внешние выводы выполнены на основании в виде токопроводящих дорожек, в месте пересечения с рамкой проходящих под участками диэлектрического материала. 5. Приемник излучения по п.1, или 2, или 3, или 4, отличающийся тем, что между рамкой и кристаллом с фоточувствительной ИС размещены тонкопленочные участки диэлектрического материала.