一种控制铟镓砷光敏芯片平面度的平衡层结构的制作方法

本发明涉及一种红外探测器的制备技术，具体涉及一种控制铟镓砷大面阵光敏芯片平面度的平衡层结构，该结构可有效校正铟镓砷大面阵光敏芯片面形，实现高平面度面阵器件，从而为提高大面阵光敏芯片与读出电路耦合的连通率提供了新的解决方案。

背景技术：

铟镓砷探测器是用于获取物体红外信息，并同时进行信息处理的成像传感器，其在航空、航天、农业还有军事多个领域都有广泛的应用。

短波红外铟镓砷探测器具有高探测率、高量子效率、室温工作等优异性能，随着短波红外成像技术向高分辨率发展的技术需求，铟镓砷焦平面探测器向大规模、小像元、高灵敏度的方向发展。

ingaas红外焦平面探测器通常采用倒焊的方式实现探测器芯片与读出电路之间的电、热和机械特性连接，从而达到既有红外信号获取、又具有信号处理功能的目的。在结构上，一个基本的探测器模块是集成了引线基板、硅读出电路、铟柱区和探测器芯片的多层材料体系，铟柱的高度通常7～8μm,直径8～9μm，为满足较高的连通率要求，光敏芯片与电路均具有较高的平面度。在铟镓砷焦平面探测器向更大规模方向发展时，光敏芯片的平面度对焦平面耦合过程连通率的影响非常显著。

材料或器件平面度是指材料或光敏芯片表面具有宏观的凸凹高度相对于理想平面的偏差。对于延长波长器件，高in组分的铟镓砷外延材料通常是由inalas帽层材料、高in组分inxga1-xas吸收层材料和inp衬底材料组成，高in组分铟镓砷外延材料与inp衬底的晶格失配严重，造成材料的界面较大的失配应力；由于外延材料层间的热膨胀系数差异，当材料从原生长温度750k降至室温环境时，材料之间的热失配将使得整个材料结构产生较大的低温形变和热应力；加之材料生长过程中的相变效应、表面张力等内应力形成因素的影响，使得外延层材料综合内应力很大，造成外延材料面形呈上凸状弯曲。对于小规模面阵器件，由于器件整体尺寸较小，其光敏芯片表面弯曲的pv值一般低于5μm，通过倒焊过程铟柱高度的匹配，光敏芯片平面度问题不影响器件与电路的耦合。随着面阵规模的增大，尤其是1280×1024元及更大规模的面阵器件，材料应力造成的平面度问题在大面阵的探测器的研制中会表现得更加明显，是大规模红外焦平面探测器发展过程中不可避免的难点。器件研制过程经历数十道工艺步骤，也会引入新的工艺应力，尤其是薄膜沉积过程会引入较大应力，应力累积导致铟镓砷大面阵探测器在弯曲程度进一步增大，导致在器件研制完成后表面pv值高达几十微米，无法满足倒焊对大面阵探测器芯片平面度的要求，造成焦平面连通率低、死像元多等问题；

对于常规波长器件，虽然材料内应力小，初始平面度较好，器件研制过程同样也会引入新的工艺应力，随着面阵规模增加光敏芯片尺寸不断增大，也面临着光敏芯片平面度恶化问题。因此，如何控制光敏芯片的平面度成为大面阵研制中的一个巨大的挑战。

技术实现要素：

基于上述铟镓砷焦平面探测器芯片材料及制备中存在的问题，本发明提供一种控制铟镓砷大面阵平面度的平衡层结构。通过在光敏芯片基底背面集成光学薄膜，并通过调整光学薄膜的应力实现光敏芯片基底两侧的力学平衡，达到对光敏芯片平面度的精确控制，解决材料内应力及制备工艺应力带来的器件平面度问题。

一种控制铟镓砷光敏芯片平面度的平衡层结构，集成于光敏芯片基底的背面；其材料为透射红外波段的sinx、zns、sio2或ti2o5光学薄膜；

所述的平衡层厚度由光敏芯片长膜前pv值决定，需通过经验曲线推算，其推算方法为：通过一组单项实验，测量特定工艺参数下不同长膜厚度对应的光敏芯片平面度pv值变化，获得膜厚与光敏芯片平面度变化关系曲线；依据此关系曲线、长膜前光敏芯片pv值推算所需的长膜厚度；

所述的膜应力为压应力，且应力值与薄膜厚度成正比关系。

上述平衡层结构中，其薄膜厚度控制方法具体如下(流程图见附图2)：

(1)在一组薄膜生长工艺条件下，只改变长膜时间，测量器件背面生长不同厚度光学薄膜后光敏芯片平面度的变化，由此建立特定工艺参数下光学薄膜生长厚度与光敏芯片平面度变化的关系，获得膜厚与平面度变化的关系曲线；

(2)依据步骤(1)获取的关系曲线、器件所长膜前的pv值推算所需的长膜厚度；

(3)对光敏芯片基底背面进行光学薄膜工艺集成；

(4)测量并校准计算光敏芯片平面度，实现平面度控制要求。

本发明的优点是：对于特定规模的光敏芯片，可以根据器件研制完成后的表面pv值、器件所需控制的平面度，设计所需薄膜的生长工艺参数和薄膜厚度。本发明具有精确控制、工艺集成性好等特点，解决大面阵光敏芯片的平面度控制难题，为高连通率的焦平面耦合提供新的解决方案。

附图说明

图1：平衡膜结构图。

图2：精确控制光敏芯片平面度的流程图。

图3：实施例中特定参数下光敏芯片平面度与光学膜厚度之间的关系。

具体实施方式

1、先进行长膜单项实验，确定能产生压应力、应力可调的icpcvd工艺参数为：icp功率400w，he压强5mt，刻蚀温度75℃，sih4:n2＝14:10sccm；再对面阵规模1024×512元光敏芯片尺寸相同的样品进行sinx平衡膜生长单项实验，对长膜厚度分别为0.15μm、0.2μm、0.3μm、0.4μm的样品平面度变化进行测量，得到如图3所示的长膜厚度与温度关系曲线；

2、推算需要长膜厚度：针对初始pv为93μm的1024×512元光敏芯片，需要将pv调整为5μm，则平面度pv值变化为88μm,计算得到需要生长相同条件的薄膜厚度为0.25μm；

3、sinx平衡膜生长工艺集成：在面阵光敏芯片背面生长厚度为0.25μm的sinx薄膜；

4、进行光敏芯片平面度测量、校准，测得光敏性芯片平面度pv值4.8μm，满足研制需求。

技术特征：

1.一种控制铟镓砷光敏芯片平面度的平衡层结构，其特征在于：

所述的平衡层结构集成于光敏芯片基底的背面；其材料为透射红外波段的sinx、zns、sio2或ti2o5光学薄膜；

所述的平衡层厚度由光敏芯片长膜前pv值决定，需通过经验曲线推算，其推算方法为：通过一组单项实验，测量特定工艺参数下不同长膜厚度对应的光敏芯片平面度pv值变化，获得膜厚与光敏芯片平面度变化关系曲线；依据此关系曲线、长膜前光敏芯片pv值推算所需的长膜厚度。

技术总结
本发明公开一种控制铟镓砷光敏芯片平面度的平衡层结构，该结构是在光敏芯片基底背面集成一种投射红外波段的光学薄膜，通过控制光学薄膜生长厚度，可实现对光学薄膜内应力的调整，从而达到光敏芯片基底背面与正面的应力平衡，实现高平面度的光敏芯片，薄膜厚度推算方法为：通过测量特定工艺参数下不同长膜厚度对应的光敏芯片平面度PV值变化，获得膜厚度与光敏芯片平面度变化关系经验曲线，依据此关系曲线、长膜前光敏芯片PV值推算所需的长膜厚度。本发明具有精确控制、工艺集成性好等特点，解决大面阵光敏芯片的平面度控制难题，为高连通率的焦平面耦合提供新的解决方案。

技术研发人员：程吉凤;李雪;邵秀梅;邓双燕;万露红;李淘;马英杰;龚海梅
受保护的技术使用者：中国科学院上海技术物理研究所
技术研发日：2019.07.10
技术公布日：2019.11.22