Технология матричного чувствительного элемента с тонкой базовой областью

При гибридном варианте построения МФПУ неизбежно возникают термомеханические напряжения при охлаждении до рабочей температуры, связанные с различием коэффициентов термического расширения (КТР) матричного чувствительного элемента и мультиплексора. Эти напряжения действуют на индиевые микростолбики и поэтому конструкция МФЧЭ должна обеспечивать их максимальное уменьшение. Толщина базовой области, в которой происходит поглощение излучения должна быть не более 15÷20 мкм. Одновременное удовлетворение этим требованиям привело к разработке нескольких способов реализации гибридного варианта МФПУ.

Сначала происходит стыковка на индиевых микростолбиках МП и МФЧЭ с толстой базовой областью с дальнейшим уменьшением толщины до требуемой величины. Такой подход требует механо-химической обработки вместе с МП, это в свою очередь приводит к необходимости нанесения дополнительных покрытий для придания механической прочности и защиты сборки. Возникающие при утоньшении термомеханические напряжения полностью приложены к индиевым микростолбикам, что может приводить к нарушению контакта и особенно критично для больших форматов. Кроме этого, для уменьшения взаимосвязи за счет перекрестной диффузии генерированных ИК-излучением неосновных носителей заряда на освещаемой стороне формируются специальные структуры с применением фотолитографии, применение которой в этом случае невозможно.

Известен способ изготовления МФЧЭ на основе эпитаксиальной структуры nInSb - n⁺InSb(подложка), причем уровень легирования подложки обеспечивает прозрачность до 3 мкм за счет эффекта Бурштейна –Мосса. Толщина эпитаксиального слоя составляла 10-15 мкм а p-n-переход создавался путем ионной имплантации Be⁺ всей поверхности эпитаксиального слоя с последующим формированием меза-структур на глубину, равную толщине эпитаксиального слоя. После стыковки с МП толщина подложки путем механо-химической обработки уменьшалась до толщины 60 мкм, что обеспечивало пропускание около 60% в области 3-5 мкм. Очевидным достоинством этого метода является полное отсутствие фотоэлектрической взаимосвязи между пикселями МФЧЭ, однако при такой остаточной толщине подложки возможно возникновение термомеханических напряжений на индиевые микростолбики.

Разработанный МФЧЭ на МЗ «Сапфир» содержит несущую кремниевую подложку с просветленными на область 3÷5 мкм поверхностями, на которой при помощи криогенного клея закреплен матричный фотодиодный приемник с тонкой базовой областью n-типа. Поскольку площадь клеевого соединения примерно на порядок величины превышает площадь индиевых микростолбиков, то и величина термомеханических сдвиговых усилий на них гораздо меньше, что повышает надежность стыковки МП и МФЧЭ.

Технология изготовления МФЧЭ состоит из следующих этапов:

• изготовление МФЧЭ с толстой базовой областью;

• утоньшение базовой области;

• создание индиевых микростолбиков.

Технология создания тонкой базовой области

Изготовление МФЧЭ с тонкой базовой областью состоит из следующих основных операций (рис.2):

1) приклейка МФЧЭ с толстой базовой областью с контактной системой Cr-Au лицевой стороной на лейкосапфировую подложку диаметром 32 мм с плоскостностью не хуже 1 мкм при помощи термоклея. В качестве термоклея используется химфан с температурой размягчения около 120⁰ С или КР-194 с температурой размягчения около 90⁰ С, а также салол с температурой плавления 42⁰С с принудительной кристаллизацией при комнатной температуре. С практической стороны последний способ приклейки наиболее воспроизводим по толщине клеевого соединения, величина которого составляет несколько микрон, в то время как для химфана и КР-194 толщина клея лежит в диапазоне 10-15 мкм.

2) утоньшение базовой области состоит из операций химико-механической обработки с использованием специально разработанных приспособлений. В качестве травителя использовался следующий состав: 120 мл H₂O₂+90 мл винной кислоты +20 мл этиленгликоля +2г NaCl. Средняя скорость травления 5-8 мкм/мин. На этой стадии толщина базовой области доводилась до 120-150 мкм. Финишной операцией является свободное химическо-динамическое травление в растворе следующего состава: 20 мл H₂O₂+20 мл HF+130 мл этиленгликоля+30 мл H₂O. Скорость травления составляет примерно 5 мкм/мин. Травление проводится в наклонной вращающейся ванне, с подобранным в соответствии с вязкостью химического раствора и размером пластины, числом оборотов, что позволяло доводить толщину базовой области, при необходимости до 10 мкм с такой же плоскостностью, что и на предыдущей стадии. После этой стадии возможно создание различных структур на поверхности с использованием методов двухсторонней фотолитографии для уменьшения коэффициента взаимосвязи между пикселями.

3) для уменьшения скорости поверхностной рекомбинации фотогенерированных дырок проводилось анодное оксидирование обработанной поверхности в аналогичном режиме, как и для случая толстой базовой области, что обеспечивало получение положительного встроенного заряда.

4) приклейка на несущую просветленную кремниевую подложку проводилась при помощи криогенных эпоксидных клеев ХСКД или «Орион». Если в дальнейшем не предполагалось удаление несущей подложки, то проводилась полная полимеризация клея в соответствующих для каждого клея температурно-временных режимах. Если в дальнейшем предполагалось удаление подложки, то полимеризация проводилась не полностью путем выдержки при температуре 60⁰С в течении 12 часов.

5) отклейка лейкосапфировой подложки проводилась механическим путем при температуре t120⁰С, когда термоклей переходил в жидкую фазу, а криоклей размягчался.

После отклейки и соответствующих отмывок производится формирование индиевых микростолбиков, технология которого будет изложена ниже.

6. резка пластины на отдельные МФЧЭ и стыковка с МП при помощи индиевых микростолбиков. В варианте МФЧЭ без несущей подложки ее удаление производится после стыковки с МП путем растворения криоклея (или термоклея) в диметилформамиде.

Рис.2 Технологические стадии изготовления МФПУ с МФЧЭ с тонкой базовой областью