Способ изготовления утоньшенной двухспектральной фоточувствительной сборки

Изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых двухспектральных гибридизированных сборок и может использоваться для создания матричных фотоприемников (МФП) различного назначения.

Известны многочисленные способы изготовления монолитных двухцветных в ячейке матричных фотоприемников, описанных в статьях [Y. Reibel, F. Chabuel, С.Vaz, D. Billon-Lanfrey, J. Baylet, O. Gravrand, P. Ballet, and G. Destefanis, "Infrared Dual Band Detectors for Next Generation", Proceedings of SPIE vol. 8012, Infrared Technology and Applications XXXVII, April 2011, pp 801238-1; S.D. Gunapala, S.V. Bandara, J.K. Liu, J.M. Mumolo, D.Z. Ting, C.J. Hill, J. Nguyen, and S.B. Rafol, "Demonstration of 1024x1024 Pixel Dual-Band QWIP Focal Plane Array", Proceedings of SPIE vol. 7660, Infrared Technology and Applications XXXVI, April 2010, pp 76603L-1; R. Rehm, M. Walther, J. Schmitz, F. Rutz, A. Worl, R. Scheibner, and J. Ziegler, "Type-II Superlattices - The Fraunhofer Perspective", Proceedings of SPIE vol. 7660, Infrared Technology and Applications XXXVI, April 2010, pp 76601G-1] и патентах [US 20170155011, US 9647164, US 20160290865, US 9520525, US 9490292, US 20150243825, US 20100051809, US 5731621], основными недостатками которых являются: небольшой коэффициент заполнения, приводящий к меньшей чувствительности; вследствие удвоения количества данных на один пиксель частота кадров уменьшается в два раза; наличие высокой спектральной взаимосвязи между двумя зонами из-за недостаточного поглощения в верхнем фоточувствительном слое; в случае использования одного In микроконтакта возникает потеря времени на переключение полярности встречно включенных p-n переходов, а в случае использования 2-3 In микроконтактов на пиксель будет ухудшаться пространственное разрешение из-за усложнения ячейки; оптическая фокусировка может быть проблематичной в системах с большим относительным отверстием из-за разной глубины двух поглощающих слоев.

Другим способом изготовления являются матричные фотоприемники, чувствительные в монослое и двухцветные в ячейках за счет нанесения интерференционных покрытий в шахматном порядке, описанные в патентах [US 20170142351 и US 20170125614], которые лишены большинства вышеописанных недостатков. Тем не менее, нанесение более тонких интерференционных слоев, как следует из описания патентов, добавляет в общей сложности слой толщиной порядка 15 мкм к фоточувствительному слою, имеющему толщину 5-10 мкм (более тонкому в случае эпитаксиального выращивания, при котором необходимо полностью удалять подложку), что может приводить к повышенным напряжениям при глубоком охлаждении и, как следствие, к возникновению трещин в высокоориентированных полупроводниковых материалах, особенно большого формата. Кроме этого, шахматная структура фильтров приводит к необходимости применения методов фотолитографии к тонкой и хрупкой структуре (особенно на краях), что уменьшает выход годных изделий.

Альтернативным способом изготовления двухцветного матричного фотоприемника является раздельное изготовление двух фотоприемников в одной фокальной плоскости с раздельными спектральными фильтрами, закрепленными на охлаждаемой диафрагме [см. патент US 20120105646 и статью Michael Singer, Dov Oster, "Design of a Cryogenic JR Detector with Integrated Optics", Proceedings of SPIE vol. 7660, Infrared Technology and Applications XXXVI, April 2010, pp 76601Z-1], и раздельной интегрированной охлаждаемой оптикой в одном криокорпусе [I. Hirsh, L. Shkedy, D. Chen, N. Fishier, Y. Hagbi, A. Koifinan, Y. Openhaim, I. Vaserman, M. Singer, and I. Shtrichman, "Hybrid Dual-Color MWIR Detector for Airborne Missile Warning Systems", Proceedings of SPIE vol. 8353, Infrared Technology and Applications XXXVIII, 31 May 2012, pp 83530H-1]. Однако у такого фотоприемника одним из недостатков является параллакс, возникающий вследствие пространственного разделения двух фокальных фотоприемников. Тем не менее такой фотоприемник является наиболее близким аналогом заявляемому устройству.

Изобретение решает задачу изготовления утоньшенной двухспектральной фоточувствительной сборки (УД ФЧС) с уменьшенными массогабаритными характеристиками по сравнению с наиболее близким аналогом за счет того, что спектральное разделение осуществлено на одном кристалле посредством пространственного разделения смежных фильтров либо на фоточувствительном слое, либо с помощью фильтров, осуществленных на прозрачной в заданном спектральном диапазоне пластине, закрепленной с помощью In микроконтактов, следствием чего является использование по одному экземпляру БИС считывания, охлаждаемой диафрагмы и оптической системы. Кроме этого, следствием использования большей тепловой массы и размеров у ближайшего аналога является большая тепловая нагрузка на систему охлаждения, приводящая к использованию более мощной микрокриогенной системы (МКС) охлаждения (в данном случае МКС типа К543 Ricor), что приводит к большему энергопотреблению.

Решение задачи изобретения обеспечивается тем, что на лицевой стороне матричного фоточувствительного элемента (МФЧЭ) протравливают канавку определенной глубины, МФЧЭ гибридизируют с БИС считывания и утоныпают базовую область МФЧЭ до уровня протравленной канавки, на одной фоточувствительной сборке изготавливают два смежных фильтра.

В первом варианте изготовления двух смежных фильтров эти два смежных фильтра изготавливают посредством гибридизации и разборки временных масок (вблизи поверхности МФЧЭ) с помощью In микроконтактов на БИС считывания для напыления через них фильтров (типично многослойных интерференционных) 1 и 2 в следующей последовательности: гибридизируют БИС считывания и временную маску 1 для напыления фильтра 1; напыляют фильтр 1; снимают временную маску 1; гибридизируют БИС считывания и временную маску 2 для напыления фильтра 2; напыляют фильтр 2; снимают временную маску 2.

Во втором варианте изготовления двух смежных фильтров эти два смежных фильтра изготавливают посредством гибридизации на БИС считывания с помощью In микроконтактов пластины (типично из кремния) вблизи поверхности МФЧЭ с изготовленными на ближней к МФЧЭ стороне фильтрами с пространственно разделенными спектральными диапазонами 1 и 2 посредством гибридизации и разборки временных масок (вблизи поверхности пластины) с помощью In микроконтактов на пластине для напыления через них фильтров (типично многослойных интерференционных) и гибридизации на БИС считывания расположенную выше пластины временную маску (вблизи поверхности пластины) для напыления интерференционного просветляющего покрытия в следующей последовательности: гибридизируют пластину и временную маску 1 для напыления фильтра 1; напыляют фильтр 1; снимают временную маску 1; гибридизируют пластину и временную маску 2 для напыления фильтра 2; напыляют фильтр 2; снимают временную маску 2, гибридизируют БИС считывания и пластину с осуществленными смежными фильтрами; гибридизируют БИС считывания и временную маску; напыляют интерференционное просветляющее покрытие; снимают временную маску.

При первом варианте изготовления двух смежных фильтров эти два смежных фильтра изготавливают посредством последовательной гибридизации и разборки на БИС считывания с помощью In микроконтактов набора временных масок (вблизи поверхности МФЧЭ) на основе кремния, изготовленных прецизионным анизотропным химическим травлением.

При втором варианте изготовления двух смежных фильтров эти смежные фильтры изготавливают посредством гибридизации на БИС считывания с помощью In микроконтактов кремниевой пластины (вблизи поверхности МФЧЭ, типично толщиной 150 мкм) с последующим утоныпением ее с помощью химико-динамического полирования до толщины уровня канавки определенной глубины (типично 100 мкм) изготовленной на лицевой стороне.

При втором варианте изготовления двух смежных фильтров эти два фильтра изготавливают посредством гибридизации на БИС считывания с помощью In микроконтактов (типично высотой 25 мкм) кремниевой пластины (вблизи поверхности МФЧЭ), на которой, в свою очередь, изготавливаются два смежных фильтра путем напыления многослойного интерференционного покрытия последовательно через две временные маски на основе кремния, гибридизированные на кремниевую пластину с помощью In микроконтактов (типично высотой 3 мкм).

В обоих вариантах изготовления двух смежных фильтров одновременно изготавливают М×K (М=1, 2, 3…, К=1, 2, 3…) УД ФЧС на одной пластине БИС считываний групповым способом, которые на заключительном этапе разделяют на отдельные УД ФЧС с помощью резки (типично дисковой резки) сборки М×K БИС считываний.

Для реализации УД ФЧС в наиболее общем случае производят гибридизацию сборки М×K БИС считываний (БИС мультиплексоров) и М×K матричных фоточувствительных элементов (МФЧЭ), и утоньшают базовую область фоточувствительного элемента как единого целого после приклеивания сборки М×K БИС мультиплексоров на крепежном устройстве [см. патент RU 2460174] с предварительным формированием на лицевой стороне сборки М×K МФЧЭ канавки определенной глубины, которую изготавливают после травления индиевых микроконтактов, не снимая нижний защитный и верхний фоторезисты, напыления тонкой пленки SiO, фотолитографии по SiO с фотошаблоном, открывающим место под углубление, плазмохимического травления SiO в месте углубления и жидкостного химического травления непосредственно углубления на требуемую величину, удаления фоторезиста, плазмохимического стравливания оставшейся пленки SiO и удаления остатков фоторезиста [см. патент RU 2573714]. При этом разделение сборки на отдельные кристаллы МФЧЭ происходит посредством химико-динамического утоныпения до уровня канавки. Далее, в одном из способов изготовления УД ФЧС последовательно гибридизируют и разбирают набор временных масок (вблизи поверхности МФЧЭ) с помощью In микроконтактов на сборку М×K БИС считываний для напыления через них смежных фильтров (типично многослойных интерференционных). В другом способе изготовления предварительно изготавливают на ближней к МФЧЭ стороне кремниевой пластины смежные фильтры с пространственно разделенными спектральными диапазонами 1 и 2 посредством гибридизации и разборки временных масок (вблизи поверхности пластины) с помощью In микроконтактов на пластине для напыления через них фильтров (типично многослойных интерференционных). Далее УД ФЧС гибридизируют на сборку М×K БИС считываний с помощью In микроконтактов вблизи поверхности МФЧЭ сборку М×K фильтров, осуществленных на прозрачной в заданном спектральном диапазоне пластине со смежными пространственно разделенными спектральными диапазонами 1 и 2 на ближней к МФЧЭ стороне с последующим утоныпением ее как единого целого после приклеивания сборки М×K УД ФЧС на крепежном устройстве [см. патент RU 2460174] до уровня канавки определенной глубины, предварительно изготовленной на стороне фильтров с полным разделением прозрачной в заданном спектральном диапазоне пластины со смежными фильтрами на отдельные кристаллы. При этом канавку определенной глубины изготавливают после травления индиевых микроконтактов, не снимая нижний защитный и верхний фоторезисты, напыления тонкой пленки SiO, фотолитографии по SiO с фотошаблоном, открывающим место под углубление, плазмохимического травления SiO в месте углубления и жидкостного химического травления непосредственно углубления на требуемую величину, удаления фоторезиста, плазмохимического стравливания оставшейся пленки SiO и удаления остатков фоторезиста [см. патент RU 2573714], Далее, последовательно гибридизируют и разбирают временную маску с помощью In микроконтактов, расположенных на периферии сборки М×K БИС считываний вблизи поверхности, прозрачной в заданном спектральном диапазоне пластины со смежными фильтрами, для напыления через нее просветляющего покрытия. После этого УД ФЧС разделяют на отдельные кристаллы с помощью резки сборки М×K БИС считываний.

Сущность изобретения поясняемся фигурами.

На фиг. 1 показан рисунок полупрозрачной утоньшенной двухспектральной фоточувствительной сборки формата 4×4 с разделенными МФЧЭ (типично из InSb), с расположенными выше пластиной (типично из Si) со смежными фильтрами и с временной маской (типично из Si) для напыления просветляющего покрытия, которые закреплены на сборке БИС считываний при помощи In микроконтактов различной высоты.

На фиг. 2 показан рисунок полупрозрачной утоньшенной двухспектральной фоточувствительной сборки формата 4×4 аналогичной рисунку фиг. 1 под другим углом зрения.

На фиг. 3 показан рисунок, поясняющий конструкцию временных масок.

На фиг. 4 показан рисунок, поясняющий конструкцию пластины со смежными фильтрами, закрепленной с помощью индиевых микроконтактов (вид сверху).

На фиг. 5 показан рисунок, поясняющий конструкцию пластины со смежными фильтрами, закрепленной с помощью индиевых микроконтактов (вид сбоку).

Технический результат изготовления утоньшенной двухспектральной фоточувствительной сборки (см. фиг. 1 и фиг. 2) с уменьшенными массогабаритными характеристиками достигается тем, что используют по одному экземпляру БИС считывания, охлаждаемой диафрагмы и оптической системы. Для этого в наиболее общем случае первоначально гибридизируют сборки М×K БИС считываний (6) и МФЧЭ как единого целого и утоныпают сборки М×K МФЧЭ как единого целого после приклеивания сборки М×K БИС мультиплексоров на крепежном устройстве [см. патент RU 2460174] с предварительным формированием на лицевой стороне сборки М×K МФЧЭ канавки определенной глубины, которую изготавливают после травления индиевых микроконтактов, не снимая нижний защитный и верхний фоторезисты, напыления тонкой пленки SiO, фотолитографии по SiO с фотошаблоном, открывающим место под углубление, плазмохимического травления SiO в месте углубления и жидкостного химического травления непосредственно углубления на требуемую величину, удаления фоторезиста, плазмохимического стравливания оставшейся пленки SiO и удаления остатков фоторезиста [см. патент RU 2573714]. При этом разделение сборки на отдельные кристаллы МФЧЭ происходит посредством химико-динамического утоныпения до уровня канавки определенной глубины (типично 10 мкм), изготовленной на лицевой стороне сборки МФЧЭ. Далее, в одном из способов изготовления УД ФЧС последовательно гибридизируют и разбирают набор временных масок (1) (фиг. 3) (типично изготовленных из кремния прецизионным анизотропным химическим травлением [Kurt Е. Petersen, "Silicon as a Mechanical Material", Proceedings of the IEEE, Vol. 70, No. 5, May 1982, pp 420-457] с помощью In микроконтактов (2) на сборку М×K БИС (6) считываний вблизи поверхности МФЧЭ (типично на расстоянии 10 мкм) для напыления через них смежных многослойных интерференционных фильтров 1 и 2. В другом способе изготовления предварительно изготавливают на ближней к МФЧЭ стороне кремниевой пластины смежные фильтры с пространственно разделенными спектральными диапазонами 1 и 2 посредством гибридизации и разборки временных масок (вблизи поверхности пластины) с помощью In микроконтактов на пластине для напыления через них фильтров (типично многослойных интерференционных). Далее УД ФЧС (фиг. 4, 5) гибридизируют на сборку М×K БИС считываний (6) с помощью In микроконтактов (4) вблизи поверхности МФЧЭ сборку кремниевой пластины (типично из кремния толщиной 150 мкм) с изготовленными на ней М×K смежными фильтрами (3) с пространственно разделенными спектральными диапазонами 1 и 2 на ближней к МФЧЭ стороне с последующим утоныпением ее как единого целого после приклеивания сборки М×K УД ФЧС на крепежном устройстве [см. патент RU 2460174] до уровня канавки определенной глубины, предварительно изготовленной на стороне фильтров (типично глубиной 100 мкм), с полным разделением прозрачной в заданном спектральном диапазоне пластины со смежными фильтрами на отдельные кристаллы. При этом канавку определенной глубины изготавливают после травления индиевых микроконтактов, не снимая нижний защитный и верхний фоторезисты, напыления тонкой пленки SiO, фотолитографии по SiO с фотошаблоном, открывающим место под углубление, плазмохимического травления SiO в месте углубления и жидкостного химического травления непосредственно углубления на требуемую величину, удаления фоторезиста, плазмохимического стравливания оставшейся пленки SiO и удаления остатков фоторезиста [см. патент RU 2573714]. Далее, последовательно гибридизируют и разбирают временную маску (1) (фиг. 3) (типично изготовленную из кремния прецизионным анизотропным химическим травлением [Kurt Е. Petersen, "Silicon as a Mechanical Material", Proceedings of the IEEE, Vol. 70, No. 5, May 1982, pp 420-457] с помощью In микроконтактов (2), расположенных на периферии сборки М×K БИС считываний вблизи поверхности пластин с фильтрами (типично на расстоянии 10 мкм), для напыления через нее просветляющего покрытия.

При этом для обеспечения возможности группового тестирования сборка М×K БИС считываний (6) содержит схемы мультиплексирования, позволяющие тестировать все УД ФЧС с помощью контактных площадок (5) (фиг. 4) при межоперационном контроле на различных стадиях изготовления УД ФЧС на зондовой установке [см. патент RU 2624623], в том числе при температуре жидкого азота. На заключительном этапе УД ФЧС разделяют на отдельные кристаллы с помощью резки (типично дисковой резки) сборки М×K БИС считываний.

Способ изготовления утоньшенной двухспектральной фоточувствительной сборки может использоваться при создании экспериментальных, опытных и серийных образцов матричных фотоприемных устройств на основе антимонида индия. Однако, предлагаемый способ применим и к матричным фотоприемным устройствам на основе других полупроводниковых материалов.