孟超　司樂飛　張曉玲　孟慶端

摘要：為提高InSb面陣探測(cè)器的探測(cè)率，需要借助背減薄工序把InSb光敏元芯片從300μm減薄到10μm，這一過程通常決定了面陣探測(cè)器的成品率。為了解面陣探測(cè)器在背減薄工序中的形變規(guī)律，針對(duì)典型器件結(jié)構(gòu)，借助ANSYS軟件，基于等效建模思路，建立了適用于InSb面陣探測(cè)器的三維結(jié)構(gòu)模型，調(diào)整InSb光敏元芯片厚度，模擬探測(cè)器形變特征及分布隨背減薄工藝實(shí)施過程的變化規(guī)律。模擬結(jié)果表明：當(dāng)InSb光敏元芯片較厚時(shí)，面陣探測(cè)器的整體形變以彎曲變形為主，其中心區(qū)域上凸明顯；隨著InSb光敏元芯片逐步減薄，其中心區(qū)域的上凸變形逐步弱化，當(dāng)InSb光敏元芯片厚度減薄到12μm時(shí)，探測(cè)器上表面屈曲變形占優(yōu)，且隨著InSb光敏元芯片厚度的減小而愈加清晰可見，此時(shí)探測(cè)器整體彎曲變形很弱。

關(guān)鍵詞：面陣探測(cè)器；InSb；光敏元芯片；芯片厚度；形變；ANSYS

中圖分類號(hào)：TJ760；TN215 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-5048（2017）02-0055-05

0引言

InSb焦平面探測(cè)器是紅外成像系統(tǒng)的核心部件，由于其靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)性好，且在批量生產(chǎn)中工藝成熟度高、晶片內(nèi)均勻性好，晶片間一致性高，具有明顯的成本優(yōu)勢(shì)等優(yōu)點(diǎn)，已在航空航天紅外遙感、紅外制導(dǎo)、跟蹤、凝視成像武器裝備領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

InSb焦平面探測(cè)器通常由三層結(jié)構(gòu)組成：InSb光敏元芯片、硅讀出電路（Silicon ROIC）和位于二者之間的銦柱陣列和底充膠，底充膠和銦柱陣列相間排布，底充膠呈網(wǎng)狀分布。制備器件時(shí)，先研制出InSb光敏元芯片和硅讀出電路，之后采用熱蒸發(fā)的方式在光敏元芯片和讀出電路上同時(shí)蒸鍍銦薄膜，浮膠形成銦柱陣列，隨后通過倒裝焊技術(shù)借助銦柱陣列將InSb光敏元芯片和硅讀出電路互連混成，之后在光敏元芯片和硅讀出電路的間隙中填入底充膠，升溫固化以提高銦柱焊點(diǎn)的可靠性。最后借助化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)對(duì)InSb光敏元芯片進(jìn)行背減薄，以提高量子效率。

背減薄工藝的實(shí)施程度受限于減薄后芯片的均勻性、平整度等因素。在眾多文獻(xiàn)中有關(guān)背減薄工藝對(duì)InSb面陣探測(cè)器形變的影響少有提及。為此，本文借助先前提出的等效建模思想，建立了適用于InSb面陣探測(cè)器形變分析的三維等效結(jié)構(gòu)模型，人為調(diào)整InSb光敏元芯片厚度，理清面陣探測(cè)器在背減薄工序中的形變規(guī)律，為優(yōu)化背減薄工藝提供理論支撐。

1模型建立和參數(shù)選擇

2004年，美國(guó)西北大學(xué)的Chang R W發(fā)表了熱沖擊下單個(gè)銦柱承受的熱失配位移公式：

△y=L（α₁-α₂）△T （1）式中：△y為熱失配位移；L為面陣探測(cè)器中銦柱焊點(diǎn)到對(duì)稱中心軸的距離；α₁和α₂分別為面陣探測(cè)器中光敏元和硅讀出電路的線膨脹系數(shù)；△T為降溫范圍。

在熱沖擊降溫范圍確定的前提下，熱失配位移與相鄰材料線膨脹系數(shù)之差和焊點(diǎn)到面陣中心軸距離的乘積成正比。對(duì)于大面陣探測(cè)器，光敏元數(shù)目增加，焊點(diǎn)數(shù)目亦隨之增加，由于光敏元（或焊點(diǎn)）呈現(xiàn)出周期性二維排布，整個(gè)器件的熱失配即為所有焊點(diǎn)熱失配的疊加。為了取得同樣的效果，可采用增加相鄰材料線膨脹系數(shù)之差的辦法，即用一個(gè)銦柱等效幾個(gè)銦柱的方式，實(shí)現(xiàn)小面陣等效大面陣，建立起大面陣探測(cè)器結(jié)構(gòu)有限元分析模型，總體上使整個(gè)器件的熱失配保持不變。為研究128×128 InSb探測(cè)器在熱沖擊下的應(yīng)變值及分布，人為調(diào)整相鄰材料間熱失配的方式，利用32×32小面陣等效128×128大面陣進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析，這種建模有助于解決大面陣探測(cè)器結(jié)構(gòu)分析中單元數(shù)過多帶來的計(jì)算難題。三維模型如圖1所示。

材料的線膨脹系數(shù)通常隨溫度降低而減小。為準(zhǔn)確反映InSb面陣探測(cè)器熱沖擊時(shí)不同材料中累積的熱應(yīng)力應(yīng)變，探測(cè)器三維結(jié)構(gòu)模型材料的線膨脹系數(shù)均采用溫度相關(guān)模型，其中，N電極材料和硅讀出電路視為各向同性線彈性材料，InSb芯片視為各向異性線彈性材料，銦柱為粘塑性材料，其楊氏模量隨溫度降低而增加，底充膠材料在玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)域視為粘彈性材料，固化后呈現(xiàn)出明顯的線彈性，具體數(shù)值如圖2和表1所示。

InSb晶格是典型的閃鋅礦結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)為在110面方向彈性模量大，其他方向彈性模量小。由于InSb芯片在加工過程中可能受工藝結(jié)構(gòu)缺陷、背面減薄工藝損傷的影響，預(yù)期其面外（Z方向）楊氏模量應(yīng)遠(yuǎn)小于面內(nèi)（X-Y平面）的楊氏模量。當(dāng)InSb芯片法線方向的楊氏模量為體材料楊氏模量的30%時(shí)，熱沖擊下的模擬結(jié)果在裂紋起源地、裂紋分布及棋盤格屈曲模式方面均能與典型碎裂照片吻合。

載荷施加包括溫度激勵(lì)載荷及約束載荷的施加。溫度激勵(lì)載荷的初始點(diǎn)為370 K，即倒裝焊時(shí)的溫度，對(duì)應(yīng)于零應(yīng)力狀態(tài)。之后自然冷卻到室溫，填入底充膠，升溫固化后降至室溫。約束載荷：對(duì)稱面處施加對(duì)稱約束，對(duì)稱軸的最下端施加零位移約束。

2實(shí)驗(yàn)及模擬結(jié)果分析

InSb面陣探測(cè)器典型表面形貌照片見圖3。根據(jù)設(shè)計(jì)版圖，可得出如下形變特征：（1）N電極所在區(qū)域，InSb芯片往下呈條狀凹陷；（2）與銦柱陣列接觸區(qū)域InSb芯片往上凸出，而與底充膠接觸區(qū)域則往下凹陷，二者相間排布，凸起區(qū)域的面積與凹陷區(qū)域的面積相當(dāng)；（3）探測(cè)器的周邊區(qū)域較為平坦。

利用所建模型，結(jié)合溫度加載歷程，得到室溫下InSb面陣探測(cè)器上表面形變模擬結(jié)果，具體見圖4。在光敏元陣列中心區(qū)域、N電極區(qū)域和探測(cè)器邊緣處，模擬得到的法線方向形變分布與實(shí)測(cè)結(jié)果幾乎完全一樣。這說明所建模型中采用的建模方法、參數(shù)選取與實(shí)際工藝流程高度吻合，可以用來分析整個(gè)探測(cè)器形變隨InSb光敏層厚度的演化規(guī)律。

背減薄工藝自身不產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變，但背減薄工藝實(shí)施前已在器件中生成的熱應(yīng)力應(yīng)變，將會(huì)隨著InSb光敏元芯片厚度的改變而呈現(xiàn)出不同的形變特征。為研究這一變化趨勢(shì)，人為改變InSb光敏元芯片的厚度，判斷熱應(yīng)力應(yīng)變隨InSb光敏元芯片厚度的演化規(guī)律。這里僅僅給出幾例典型的形變分布，InSb光敏元芯片的厚度分別取6μm，20μm和200μm，模擬結(jié)果分別如圖5～7所示。

當(dāng)InSb光敏元芯片厚度從10μm減薄到6μm時(shí)，凡是與銦柱陣列相接觸的InSb光敏元芯片上凸變形愈加明顯，凡是與底充膠相接觸的InSb光敏元芯片下凹變形也愈加明顯。這一形變特征屬于典型的棋盤格屈曲變形模式，且隨著InSb光敏元芯片厚度的持續(xù)減薄，棋盤格屈曲變形更為清晰，上凸與下凹的對(duì)比度更強(qiáng)。與此同時(shí)，整個(gè)探測(cè)器的上凸變形幅度略有下降，探測(cè)器底邊兩端點(diǎn)之間的彎曲程度變小。至此，當(dāng)InSb光敏元芯片從10μm逐步減薄的過程中，整個(gè)器件中心區(qū)域的上凸變形逐步弱化，而InSb光敏元芯片的屈曲變形將占據(jù)主導(dǎo)地位，且愈來愈清晰，上凸與下凹的對(duì)比度愈來愈強(qiáng)。

當(dāng)InSb光敏元芯片厚度從10μm增加到20μm時(shí)，由圖6所知，在整個(gè)探測(cè)器的上表面，原本出現(xiàn)的典型棋盤格屈曲變形消失殆盡，僅在N電極區(qū)域留下清晰可見的下凹環(huán)帶，仔細(xì)觀察還能依稀看到銦柱陣列所在區(qū)域略微上鼓。同時(shí)，整個(gè)探測(cè)器的上凸變形幅度增加，探測(cè)器底邊兩端點(diǎn)之間的彎曲程度明顯變大。因此認(rèn)為，隨著InSb光敏元芯片厚度逐漸增加，InSb光敏元芯片的屈曲變形模式逐步衰減、消亡，與此同時(shí)，整個(gè)器件中心區(qū)域的上凸變形逐步強(qiáng)化。

當(dāng)InSb光敏元芯片厚度從20μm增加到200μm時(shí)，在整個(gè)探測(cè)器上表面，看不到屈曲變形的任何痕跡，甚至N電極區(qū)域下面的下凹環(huán)帶也不再出現(xiàn)。與此同時(shí)，整個(gè)探測(cè)器的上凸變形幅度尤為明顯，探測(cè)器底邊兩端點(diǎn)之間的彎曲程度也急劇增加。

為了印證上述模擬結(jié)果，隨機(jī)選取任一探測(cè)器，對(duì)其實(shí)施背減薄工藝，具體如圖8所示。

圖8（a）為探測(cè)器歷經(jīng)化學(xué)機(jī)械拋光工藝減薄后，在室溫下拍攝的表面形變分布圖。顯然，此時(shí)InSb芯片相對(duì)較厚，上表面沒有屈曲變形。從圖6（InSb芯片厚度20μm）的形變分布可推斷出，此時(shí)InSb芯片略厚于20μm。隨后對(duì)探測(cè)器進(jìn)行化學(xué)濕法腐蝕減薄，歷經(jīng)一段時(shí)間減薄后的表面形變照片如圖8（b）所示。此時(shí)，在整個(gè)探測(cè)器上表面，能夠看到一些棋盤格屈曲變形模式，同時(shí)，N電極區(qū)域的條形凹陷也清晰可見。隨著化學(xué)腐蝕減薄工序的進(jìn)一步實(shí)施，如圖8（c）所示，此時(shí)能夠清晰地看到典型棋盤格屈曲變形模式，并且N電極區(qū)域的條形凹陷清晰可見，此外在探測(cè)器四周區(qū)域，也能夠清晰地看到環(huán)狀凹陷。這一形變分布照片與圖5（InSb芯片厚度6μm）中所示的形變分布完全吻合。圖8的形變分布證實(shí)了本文模擬結(jié)果的正確性。

需要指出的是，在上述器件形變模擬過程中，僅僅改變了InSb光敏元芯片的厚度，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)和溫度加載歷程均保持不變。根據(jù)InSb光敏元芯片厚度取值不同的形變演變過程，可得出結(jié)論：當(dāng)器件加工中存在某一定量的熱應(yīng)力應(yīng)變后，這一熱應(yīng)力應(yīng)變會(huì)隨著InSb光敏元芯片厚度的不同，將以不同的形變分布特征呈現(xiàn)在整個(gè)探測(cè)器上表面。當(dāng)InSb光敏元芯片較厚時(shí)，探測(cè)器變形以中心區(qū)域上凸變形為主，在背減薄工藝實(shí)施中，這一中心區(qū)域的上凸變形逐步弱化，當(dāng)InSb光敏元芯片厚度減薄到20μm時(shí)，在N電極區(qū)域出現(xiàn)環(huán)帶凹陷，隨著背減薄工藝的繼續(xù)實(shí)施，典型棋盤格屈曲變形模式逐步出現(xiàn)，在InSb光敏元芯片厚度取12μm時(shí)，清晰可見。與此同時(shí)，整個(gè)器件中心區(qū)域的上凸變形逐步弱化。

3結(jié)論

借助有限元分析軟件研究了器件加工中生成的熱應(yīng)力應(yīng)變隨光敏元厚度的演變規(guī)律，認(rèn)為當(dāng)InSb光敏元芯片較厚時(shí)，整個(gè)面陣探測(cè)器以中心區(qū)域上凸彎曲變形為主，隨著背減薄工藝的實(shí)施，中心區(qū)域上凸彎曲變形逐步減弱，當(dāng)InSb光敏元芯片減薄到12μm時(shí)，整個(gè)探測(cè)器的形變由中心區(qū)域上凸彎曲變形為主過渡到以典型棋盤格屈曲變形模式為主，并隨著背減薄工藝的繼續(xù)實(shí)施，屈曲模式中的上凸和下凹形變對(duì)比度更強(qiáng)。