СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОТОПРИЕМНОГО МОДУЛЯ НА ОСНОВЕ PbSe Российский патент 2014 года по МПК H01L31/18 

Заявляемый способ относится к изготовлению полупроводниковых приборов, которые предназначены для регистрации инфракрасного излучения и использования в оптико-электронной аппаратуре, где требуется обнаружение инфракрасного излучения. К такой аппаратуре относятся тепловизионные устройства и теплопеленгаторы, применяющиеся в различных областях техники.

Фотоприемный модуль на основе PbSe представляет собой гибридную микросборку, состоящую из фоточувствительного элемента на основе PbSe, выполненного в виде многоэлементной линейки с контактным растром, изготовленной по усовершенствованной халькогенидной технологии на подложке из полированного фотостекла и кристалла БИС-считывания (мультиплексора), изготовленного по р-канальной технологии, соединенных между собой методом перевернутого монтажа (flip-chip).

Аналогом является способ изготовления сенсора, включающего массив чувствительных элементов и схему для индивидуальной адаптации чувствительных элементов [патент US № 5600143 от 04.02.1997]. Устройство содержит фоточувствительную структуру на основе халькогенида свинца и схему съема и обработки сигнала соединяющимися проводными связями.

Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого способа является способ выполнения двухцветного фотопроводящего линейного детектора [патент US № 5525801 от 11.06.1996]. Это устройство имеет в своем составе фотоприемный модуль, находящийся на теплопроводной подложке, подобный предлагаемому. Фоточувствительный элемент изготавливается в виде линейки на основе PbSe, на кварцевой пластине и соединяется электрическими проводниками с помощью микросварки с мультиплексором, обеспечивающим съем и обработку сигналов с фоточувствительных элементов.

Недостатком выбранных аналогов являются: большая трудоемкость монтажа и низкая надежность в местах соединения контактных площадок фоточувствительного элемента со схемами считывания сигнала.

До недавнего времени в качестве способа стыковки фоточувствительных структур на основе халькогенидов свинца и БИС-считывания применялся метод разварки контактов тонкой проволокой как это реализовано в аналоге и прототипе фотоприемного модуля [патент US № 5525801 от 11.06.1996]. В связи со значительным увеличением числа фоточувствительных элементов и соответственным уменьшением их размеров этот процесс становится трудоемким. Помимо затрат времени на монтаж фотоприемные модули, разваренные золотом, имеют большие массогабаритные характеристики и низкую надежность в местах сварки. На фоне вышеперечисленных недостатков становится преимущественным использование технологии перевернутого монтажа (flip-chip) с использованием индиевых микроконтактов, которые обеспечивают электрическую и механическую связь фоточувствительного элемента с БИС-считывания, позволяя значительно снизить трудоемкость монтажа и повысить эффективность изготовления фотоприемного модуля. Это позволяет выполнить фотоприемный модуль в виде гибридной сборки и расположить БИС-считывания на фоточувствительном элементе, снизить габариты и повысить надежность.

Задачей способа изготовления фотоприемного модуля является снижение габаритных размеров конструкции, повышение надежности и снижение времени и трудоемкости изготовления.

Технический результат достигается тем, что фотоприемный модуль, содержащий фоточувствительный элемент на основе PbSe, изготовленный в виде многоэлементной линейки, и БИС-считывания, выполнен в виде гибридной сборки с использованием метода перевернутого монтажа (Flip-chip), где индиевые столбики, сформированные на контактных площадках ламелей фоточувствительного элемента, стыкуются с индиевыми столбиками БИС-считывания, выполненной по р-канальной технологии, образуя электрическую и механическую связь.

Снижение габаритных размеров по сравнению с конструкцией, разваренной тонкой проволокой, достигается установкой БИС-считывания на фоточувствительный элемент с образованием электрической и механической связи, следовательно, не требуется дополнительная фиксация схемы считывания относительно фоточувствительного элемента.

Повышение надежности по сравнению с использованием тонкой проволоки достигается увеличением площади контактирующих поверхностей и защитой соединений от внешних воздействий корпусом БИС-считывания.

Снижение времени и трудоемкости изготовления достигается применением метода групповой холодной сварки, где стыковка контактов проводится одновременно, за одну операцию с помощью специальной установки. Разварка контактов проволокой проводится последовательно и занимает значительно больше времени.

Предлагаемые решения поясняются следующими иллюстрациями:

фиг.1 - фотоприемный модуль PbSe;

фиг.2 - фрагмент фоточувствительного элемента;

фиг.3 - фотография фотоприемного модуля PbSe.

Фотоприемный модуль включает в себя:

1 - фоточувствительный элемент на основе PbSe;

2 - фоточувствительные элементы, расположенные в виде линейки;

3 - ламели;

4 - БИС-считывания;

5 - подложку;

6 - индиевые столбики.

Технология сборки фотоприемного модуля обеспечивает раздельное изготовление и контроль фоточувствительных элементов, автономное изготовление и контроль мультиплексоров с последующей сборкой, что позволяет обеспечить удовлетворительный процент выхода годных изделии.

На контактные площадки фоточувствительного элемента и БИС-считывания наносятся микроконтакты, выполненные в виде индиевых столбиков, затем проводится точная стыковка контактных площадок фоточувствительного элемента и БИС-считывания. При комнатной температуре под давлением на кристалл БИС-считывания происходит диффузия индиевых микроконтактов друг в друга с образованием электрического и механического соединения между фоточувствительным элементом и кристаллом БИС-считывания.

Индиевые контактные столбики обеспечивают механическое и электрическое соединение функциональных узлов полупроводниковых приборов, собранных методом групповой холодной сварки (flip-chip), к прочности их соединения предъявляются жесткие требования.

Прочность соединения определяется величиной прикладываемого при сборке давления, которое, в свою очередь, обусловлено величиной площади соединяемых поверхностей с образованием контакта, а также их чистотой, в частности наличием и толщиной естественного окисла, так как наиболее качественная сварка достигается при слипании чистого индия.

Фоточувствительный элемент изготовлен на подложке, в качестве которой традиционно применена подложка из матированного кварца для слоя PbSe размером 25,0×25,0 мм² с линейкой фоточувствительных площадок по 256 элементов в каждой.

Фоточувствительные элементы имеют размеры 40×60 мкм, зазор между соседними элементами в одном ряду 10 мкм.

Подложка с фоточувствительными элементами делится на две зоны; собственно фоточувствительный элемент с рядом фоточувствительных площадок и контактным растром с ламелями, шириной 60 мкм и шагом 80 мкм, на которые после изготовления фоточувствительного элемента и растра наносятся индиевые контакты высотой ~5 мкм, необходимые для электрической и механической стыковки с БИС-считывания. Качественная реализация этого процесса сложна из-за значительной толщины напыляемого слоя индия, зернистой структуры пленки, низкой механической прочности и малой температуры плавления.

Покрытие подложки состоит из трех компонентов - хром (Cr); палладий (Pd), золото (Аи) общей толщиной около 0,2 мкм. Омический контакт золото - сульфид свинца обеспечивается золотой пленкой, которая наносится в вакуумном процессе с использованием процесса обратной фотолитографии. На этой стадии сформированы фоточувствительные линейки и общий электрод. Фоточувствительные площадки и контактный растр сформируются ионно-плазменным травлением через фоторезистивную маску.

Для стабилизации параметров фоточувствительных площадок и предохранения контактного растра от механических воздействий весь фоточувствительный элемент, за исключением ламелей под разварку, покрывается защитной пленкой для фоточувствительного элемента на основе PbSe - халькогенидным стеклом (трисульфидом мышьяка).

Для стыковки БИС-считывания с фоточувствительным элементом непосредственно через индиевые столбики невозможно использовать классическую технологию, где контактный растр фоточувствительного элемента представляет собой подслой из трех металлов Cr-Pd-Au, так как подслой из Au при контакте с индием подвергается деградации с ухудшением электрических и механических параметров.

В стандартную технологию изготовления фоточувствительных элементов дополнительно введены новые операции, такие как нанесение на контактные площадки поверх основного подслоя подслоев из хрома и индия, это позволило получить фоточувствительные элементы готовые к стыковке с БИС-считывания.

Сочетание описанных особенностей изготовления позволило создать компактный, технологичный фотоприемный модуль.

В данном способе изготовления фотоприемного модуля можно обозначить впервые используемую операцию стыковки фоточувствительных элементов на основе халькогенидов свинца непосредственно с БИС-считывания, изготовленных по р-канальной технологии с коммутационными растрами, выполненных на стекле кварцевом оптическом, где дорожки растра и контактные площадки выполнены по классической халькогенидной технологии.

Изобретение может быть использовано в различной оптико-электронной аппаратуре для обнаружения инфракрасного излучения. Фотоприемный модуль на основе PbSe согласно изобретению представляет собой гибридную микросборку, состоящую из фоточувствительного элемента, в виде линейки на основе PbSe и кристалла БИС-считывания (мультиплексора), соединенных между собой методом перевернутого монтажа (flip-chip), при этом индиевые столбики наносят на контактные площадки ламелей фоточувствительного элемента, которые помимо слоев Cr, Pd, An содержат подслой Cr и In, и стыкуют с индиевыми столбиками, нанесенными на БИС-считывания, образуя электрическую и механическую связь. Изобретение позволяет значительно снизить трудоемкость монтажа и повысить эффективность изготовления, используя метод групповой холодной сварки, что в свою очередь позволяет конструктивно выполнить фотоприемный модуль в виде гибридной сборки и расположить БИС-считывания на фоточувствительном элементе, снизить габариты и повысить надежность. 3 ил.

Способ изготовления фотоприемного модуля, заключающийся в том, что на подложке выполняют фоточувствительный элемент на основе PbSe, отдельно изготавливают БИС-считывания, отличающийся тем, что гибридную сборку фоточувствительного элемента и БИС-считывания осуществляют при помощи метода перевернутого монтажа (flip-chip): индиевые столбики наносят на контактные площадки ламелей фоточувствительного элемента, которые помимо слоев Cr, Pd, An содержат подслой Cr и In, и стыкуют с индиевыми столбиками, нанесенными на БИС-считывания, образуя электрическую и механическую связь.