СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МАТРИЧНОГО ФОТОПРИЕМНИКА (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF MAKING PHOTODETECTOR ARRAY (VERSIONS)

Изобретения относятся к технологии изготовления полупроводниковых фотоприемников и могут использоваться для создания многоэлементных фотоприемников различного назначения.
Изготовление матричного фотоприемника (МФП) из объемного материала требует утоньшения базовой области матричного фоточувствительного элемента (МФЧЭ) до толщины 10÷20 мкм.
Известен способ изготовления матричного фотоприемника (патент на изобретении РФ №2343590), заключающийся в том, что утоньшение базовой области матричного фоточувствительного элемента осуществляют с использованием промежуточной подложки. Для этого фоточувствительный элемент приклеивают промежуточным клеем-расплавом на промежуточную несущую подложку из лейкосапфира. Затем другую сторону фоточувствительного элемента, свободную от приклейки, утоньшают химико-механической обработкой до нужной толщины (10÷20 мкм) и проводят анодное оксидирование. После чего приклеивают к обработанной стороне стационарным оптическим клеем несущую подложку из высокоомного полированного кремния и удаляют промежуточную несущую подложку вместе с промежуточным клеем-расплавом. Гибридизация фоточувствительного элемента с кремниевой БИС мультиплексора осуществляют после процесса утоньшения базовой области.
Недостатком этой технологии являются потери полезного сигнала при прохождении ИК-илучения в несущей подложке из кремниевого материала и оптическом клее. В некоторых случаях наблюдается искажение сигнала за счет интерференции в клеевом слое. Кроме того, возникают трудности при переклейки «тонкой» структуры.
Известен способ изготовления матричного фотоприемника из объемного материала, принятый в качестве прототипа (Тезисы докладов XIX Международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения 23-26 мая 2006 г., Киселева Л.В. и др. «Исследование характеристик матричного фотоприемника с тонкой базовой областью на основе InSb», 2006 г., стр.118), заключающийся в том, что утоньшение базовой области фоточувствительного элемента проводят после гибридизации матричного фоточувствительного элемента и БИС мультиплексора. Процесс утоньшения включает химико-механическую полировку до толщины базовой области фоточувствительного элемента 80÷100 мкм и химико-динамическую полировку до конечной толщины.
Однако в известном устройстве не описано, каким образом осуществляется утоньшение базовой области фоточувствительного элемента.
Предложенные изобретения решают задачу создание простых и надежных способов закрепления заготовки фотоприемника, состоящей из фоточувствительного элемента и БИС мультиплексора, для осуществления последующей операции утоньшения базовой области фоточувствительного элемента до конечной величины.
Технический результат в первом изобретении достигается тем, что способ изготовления матричного фотоприемника заключается в том, что фоточувствительный элемент гибридизируют с БИС мультиплексора, затем приклеивают торцевую поверхность БИС мультиплексора на крепежное устройство и утоньшают базовую область фоточувствительного элемента.
Технический результат во втором изобретении достигается тем, что способ изготовления матричного фотоприемника заключается в том, что фоточувствительный элемент гибридизируют с БИС мультиплексора индиевыми столбиками, образуя тем самым заготовку фотоприемника, затем полученную заготовку фотоприемника приклеивают на крепежное устройство, состоящее из подложки и калибровочного диска, при этом сначала заготовку приклеивают на подложку, а затем заливают термоклеем пространство между калибровочным диском и заготовкой, в том числе и пространство между индиевыми столбиками, зачищают боковые поверхности базовой области фоточувствительного элемента от клея до поверхности калибровочного диска, утоньшают базовую область фоточувствительного элемента, отклеивают заготовку фотоприемника и промывают ее от термоклея, в том числе и пространство между индиевыми столбиками.
При этом в процессе утоньшения базовой области фотоприемника проводят химико-механическую полировку до толщины базовой области 80÷100 мкм и химико-динамическую полировку до толщины базовой области 10÷20 мкм.
При этом процесс нанесения защитного и просветляющего покрытия могут проводить как до процесса отклеивания и промывки заготовки от крепежного устройства, так и после процесса отклеивания и промывки заготовки от крепежного устройства.
Изобретения поясняются чертежами, поясняющими процессы получения матричного фотоприемника по предлагаемым способам, где:
фиг.1 - БИС кремниевого мультиплексора с индиевыми столбиками;
фиг.2 - матричный фоточувствительный элемент с толстой базовой областью;
фиг.3 - заготовка фотоприемника, состоящая из БИС мультиплексора, гибридизированной индиевыми столбиками с матричным фоточувствительным элементом;
фиг.4 - закрепление заготовки фотоприемника в крепежном устройстве;
фиг.5 - утоньшение базовой области фоточувствительного элемента;
фиг.6 - нанесение защитного и просветляющего покрытия;
фиг.7 - закрепление заготовки фотоприемника в крепежном устройстве, содержащем лейкосапфировую подложку и калибровочный диск;
фиг.8 - закрепление и защита заготовки фотоприемника (ФП) с помощью термоклея;
фиг.9 - образец кристалла InSb с габаритами 10,5×8,6 мм, гибридизированный с БИС мультиплексора до утоньшения (толщина 400 мкм);
фиг.10 - образец кристалла InSb с габаритами 10,5×8,6 мм, гибридизированный с БИС мультиплексора после утоньшения (толщина 10÷12 мкм);
фиг.11-14 - профилограммы в различных областях утоньшенного фоточувствительного элемента;
фиг.15 - спектр отражения при комнатной температуре непросветленной поверхности фоточувствительного элемента и поверхности с двухслойным просветлением.
На фиг.1-8 элементы фотоприемника и крепежного элемента обозначены следующими позициями:
1 - БИС кремниевого (Si) мультиплексора (мультиплексор);
2 - базовая область матричного фоточувствительного элемента (МФЧЭ);
3 - индиевые столбики (In);
4 - защитное и просветляющее покрытие (например, анодный окисел и SiO);
5 - термоклей;
6 - прецизионная лейкосапфировая подложка крепежного устройства;
7 - калибровочный диск.
Для осуществления изобретения по первому варианту осуществляют следующую последовательность действий:
- Осуществляют гибридизацию БИС мультиплексора 1 с «толстой» базовой областью (толщиной 0,4÷1 мм) фоточувствительного элемента 2 посредством индиевых столбиков 3 (фиг.3).
- Приклеивают торцевую поверхность БИС мультиплексора 1 на крепежное устройство 6 с помощью термоклея 5. В частном случае крепежное устройство выполнено в виде лейкосапфировой подложки (фиг.4).
- Утоньшают «толстую» базовую область МФЧЭ прецизионными бездефектными методами химико-механической полировкой (до толщины 100÷80 мкм) и химико-динамической полировкой до конечной толщины 10÷20 мкм («тонкая» базовая область МФЧЭ) (фиг.5).
- Наносят защитное и просветляющее покрытие 4 на поверхность «тонкой» базовой области МФЧЭ, отклеивают мультиплексор от крепежного устройства и промывают его от термоклея (фиг.6).
При этом процесс нанесения защитного и просветляющего покрытия 4 могут проводить как до процесса отклеивания мультиплексора от крепежного устройства, так и после процесса отклеивания мультиплексора от крепежного устройства.
Для осуществления изобретения по второму варианту осуществляют следующую последовательность действий:
- Осуществляют гибридизацию БИС мультиплексора 1 с «толстой» базовой областью (толщиной 0,4÷1 мм) фоточувствительного элемента 2 посредством индиевых столбиков 3, в дальнейшем именуемая заготовкой фотоприемника (фиг.3).
- Закрепляют заготовку ФП на крепежном устройстве. В частном случае крепежное устройство может состоять из лейкосапфировой подложки 6 и калибровочного диска 7. Калибровочный диск выполняет двойную функцию. Он служит для расчета необходимого утоньшения базовой области МФЧЭ и дополнительного закрепления и защиты заготовки при выполнении дальнейших технологических операций. Заготовку ФП вначале приклеивают с помощью термоклея 5 на лейкосапфировую подложку 6 (фиг.7), а затем заливают термоклеем пространство между калибровочным диском и заготовкой, в том числе и пространство между индиевыми столбиками (фиг.8). В процессе выполнения операции по закреплению заготовки ФП определяют расстояние по вертикали от поверхности мультиплексора до поверхности калибровочного диска. Делают это для того, чтобы контролировать необходимое утоньшение базовой области.
- Зачищают боковые поверхности «толстой» базовой области от клея до поверхности калибровочного диска.
- Утоньшают «толстую» базовую область МФЧЭ прецизионными бездефектными методами химико-механической полировкой (до толщины 100÷80 мкм) и химико-динамической полировкой до конечной толщины 10÷20 мкм («тонкая» базовая область МФЧЭ).
- Наносят защитное и просветляющее покрытие на поверхность утоньшенной базовой области МФЧЭ, а именно нанесение анодного окисла толщиной 0,1 мкм и моноокиси кремния SiO - 0,5 мкм.
- Отклеивают заготовку ФП и промывают ее от термоклея, в том числе пространство между индиевыми столбиками.
Нанесение защитного и просветляющего покрытия возможно и после операции отклеивания заготовки ФП. Разработаны экологически чистые травители, совместимые с операциями нанесения анодного окисла с положительным встроенным зарядом на обработанную поверхность. Неплоскостность поверхности при размере ФП порядка 10 мм оказалась не хуже ±2 мкм.
Предлагаемый способ был опробован на предприятии-заявителе при создании экспериментальных и опытных образцов матричных фотоприемников на основе антимонида индия (InSb). Однако предлагаемый способ применим и к другим полупроводниковым материалам.
На фиг.9 и фиг.10 показан результат утоньшения по описанному способу матричного фоточувствительного элемента InSb с габаритами 10,505×8,605 мм, гибридизированного с БИС мультиплексора, от толщины 400 мкм до толщины 10-12 мкм. При этом габариты утоньшаемого фоточувствительного элемента InSb уменьшились не более чем на 200 мкм с каждой из четырех сторон.
На фиг.11-14 приведены четыре профилограммы в различных областях утоньшенной плоскости. Учитывая, что суммарная величина индиевых микростолбиков после гибридизации составляет величину ~15 мкм, то толщина фоточувствительного слоя антимонида индия составляет величину ~10 мкм в центральной области и ~12 мкм в краевых областях, что обеспечивает возможность создания МФПУ с 15 мкм шагом и небольшой величиной взаимосвязи.
Для просветления использовалось двухслойное покрытие с максимумом на длине волны ~4 мкм. На фиг.15 показаны спектры отражения при комнатной температуре непросветленной поверхности (отражение составляет 35÷40%) и поверхности с двухслойным просветлением (отражение в минимуме составляет ~3%). Структура просветляющих слоев состоит из пленок анодного окисла толщиной 1000 Å и SiO толщиной 5000 Å.