Лекция 5

Тема 5. Конструкция и технология изготовления матричных и субматричных фчэ.

Гибридный вариант построения МФПУ является к настоящему времени общепризнанным и широко используется. В этом варианте МФЧЭ и интегральная схема считывания и обработки сигнала (в дальнейшем мультиплексор (МП)) изготавливаются раздельно, каждый в оптимальных технологических режимах, а электрическая и механическая связь их между собой осуществляется при помощи индиевых или иных микростолбиков путем «холодной сварки».

Гибридные МФПУ в зависимости от характера применения можно разделить на «смотрящие» матрицы с плотной упаковкой пикселей и субматрицы, в которых допускается неплотная упаковка пикселей в направлении сканирования. В первом случае освещение происходит со стороны базовой области фотодиодов матрицы (рис.1), а во втором случае возможно освещение с лицевой стороны матрицы через «окна прозрачности» в МП (рис.1). В МФПУ с плотной упаковкой пикселей для обеспечения высокой квантовой эффективности толщина базовой области должна быть достаточно малой.

В России к настоящему времени отсутствует технология изготовления эпитаксиальных пленок антимонида индия, которые наиболее подходящие для создания МФЧЭ с тонкой базой.

МФПУ включает:

- матрицу фоточувствительных элементов (МФЧЭ) на основе фотодиодов из антимонида индия;

- кремниевую БИС, гибридизированную индиевыми микроконтактами с МФЧЭ и обеспечивающую считывание, предварительное усиление и мультиплексирование сигналов МФЧЭ;

- вакуумный криостатируемый корпус, в котором размещены МФЧЭ, кремниевая БИС, газопоглотители и датчик температуры (ДТ);

- микрокриогенную систему (МКС) охлаждения.

МФЧЭ размещается в холодной зоне криостатируемого корпуса в фокальной плоскости оптической системы. Основными узлами МФПУ, определяющими его параметры, являются матрица фотодиодов, сформированных в InSb n-типа проводимости методом ионной имплантации и кремниевая БИС считывания.

Каждый из этих кристаллов (чипов) изготавливается отдельно. Их гибридизация (стыковка) обеспечивается холодной сваркой индиевых микроконтактов (столбиков), формируемых на областях р+-типа фотодиодов в фотоприемной матрице и истоковых контактах входных полевых транзисторов кремниевого мультиплексора.

Матрица фотодиодов и БИС считывания состыкованы (образуя фоточувствительную сборку) при помощи индиевых столбов размером 12х12 мкм суммарной высотой 45 мкм таким образом, что каждый фотодиод подсоединен In-столбом к входу своей ячейки БИС считывания

Рис. 1. Варианты построения гибридных МФПУ.

Существенной проблемой, определяющей надежность такой стыковки, является различие коэффициентов температурного расширения МФЧЭ и подложки БИС считывания (Si). Одним из возможных решений является использование кремния в качестве несущей подложки для тонкой структуры антимонида индия.

Фоточувствительная сборка располагается на сапфировом растре, который размещается на охлаждаемой поверхности держателя криостатируемого корпуса. При этом сигнальный поток ИК-излучения направляется на МФЧЭ со стороны несущей кремниевой подложки.

Охлаждаемый узел МФПУ на основе InSb состоит из:

• матрицы фоточувствительных элементов на основе фотодиодов из InSb спектрального диапазона 3-5 мкм;

• кремниевой БИС, гибридизированной индиевыми микроконтактами с МФЧЭ;

• диафрагмы,

• датчика температуры (ДТ).

Мультиплексор и матричный фотоприемник механически и электрически соединяются методом «холодной» сварки при помощи индиевых микростолбиков и представляют собой фоточувствительную сборку.

Фоточувствительная сборка и термодатчики, монтируются на растр при помощи криогенного клея на эпоксидной основе УК-1 образуя при этом модуль фотоэлектронный. Для надежного теплового контакта с растром толщина клеевого соединения должна быть минимальной и не превышать 5 мкм.

Растр клеится на палец держателя с теми же требованиями к толщине клеевого соединения, затем производится разварка контактных дорожек растра на контактные дорожки держателя золотыми проводами.

К растру приклеивается диафрагма ограничивающая фоновую нагрузку на фоточувствительные элементы и обеспечивающая требуемую апертуру завершая формирование охлаждаемого узла. Охлаждаемый узел МФПУ собирается на держателе, который затем интегрируется с газовой криогенной машиной.

Матричные фотоприемники целесообразно изготавливать на основе фотодиодов. Их преимущества заключаются в незначительной рассеиваемой электрической мощности, а также (ввиду высокого дифференциального сопротивления) хорошим согласованием с последующей кремниевой электроникой как по сигналу, так и по шуму. Отработанная технология имплантации бериллия для создания р⁺-областей в материале InSb n-типа позволяет достаточно надежно формировать двумерные массивы фотодиодов.

По углам массива находятся зоны для формирования омических контактов к базовой р-области. В каждой из них располагается вскрытое в диэлектрике металлизированное прямоугольное окно и крестообразный индиевый столбик, имеющий ответную часть на кремниевой БИС. Рядом, в этих же зонах, помещены специальные знаки совмещения, используемые для процесса стыковки и формируемые с помощью двух технологических слоев. Они должны были обеспечить достаточный оптический контраст в ИК диапазоне спектра.

В углах кристалла нанесены дополнительные реперные знаки, позволяющие корректировать угловые перемещения в процессе совмещения чипов МФЧЭ из InSb и кремниевой БИС и их стыковке.

В топологию периферийной части чипа МФЧЭ внесены элементы, позволяющие повысить точность резки пластин на чипы и избежать скола диэлектрика по краям.