СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИНДИЕВЫХ МИКРОКОНТАКТОВ ИОННЫМ ТРАВЛЕНИЕМ
METHOD OF MAKING INDIUM MICROCONTACTS BY ION ETCHING

Изобретение относится к технологии получения индиевых микроконтактов для соединения больших интегральных схем (БИС) и фотодиодных матриц.
Одной из проблем в технологии фотоприемных модулей является получение системы индиевых столбчатых микроконтактов как на матрице фотодиодов, так и на матрице кремниевой СБИС, соединяемых методом перевернутого кристалла.
Известно, формирование микроконтактов осуществляется следующими способами:
1. Напыление слоя индия толщиной 10-15 мкм и химическое травление через маску фоторезиста [К.О. Болтарь, И.Д. Бурлаков, М.В. Седнев Способ сборки фотоприемного устройства. Патент РФ. №2308788 от 20.01.06].
2. Напыление слоя индия через свободную маску [Клименко А.Г. и др. Особо пластичные индиевые микростолбы для матричных ФПУ на CdHgTe //Автометрия п.4. - 1998. - C.105].
3. Напыление слоя индия 10-15 мкм через маску фоторезиста толщиной большей, чем толщина индия, и отрицательным профилем с последующим «взрывом» [Jutao Jiang, Stanley Tsao et.al.. Fabrication of indium bumps for hybrid FPA applications. Infrared Physics and Technology. 45 (2004) 143-151].
4. Электрохимическое осаждение индия в отверстия фоторезиста [3, Jutao Jiang, Stanley Tsao et.al.. Fabrication of indium bumps for hybrid FPA applications. Infrared Physics and Technology. 45(2004) 143-151].
5. Напыление слоя индия толщиной 5 мкм через маску фоторезиста толщиной более 15 мкм с последующим «взрывом» и оплавлением в полусферы [Young-Ho Kirn, Jong-Hwa Choi, Kang-Sik Choi, Нее Chul Lee, and Choonh-Ki Kim, New Reflow Process for Indium Bump // Proc. of SPIE. 1996 - Vol.3061. - PP.60-67,,. Johann Ziegler, Markus Finck, Rolf Kruger Thomas Simon, Joachim Wendler, "Long Linear HqCdTe arrays with superior temperature-cycling-reliabyti", Proceedings of SPIE Vci. 4028, 2001, Tissot I.L. etc. Collective flip - chip technology for CdHgTe I.R.F.R.A. // Proc. SPIE, 1996. - Vol.2894. - P.115].
Эти способы имеют определенные ограничения в применении к технологии формирования микроконтактов при промышленном выпуске фотоприемных матриц с шагом между элементами 15÷30 мкм.
2
В случае прямого травления напыленного слоя индия через маску фоторезиста процесс растворения индия идет изотропно. Поэтому минимальное расстояние между микроконтактами не может быть меньше толщины слоя индия. Таким образом, при необходимой высоте микроконтактов 10÷12 мкм и минимальной ширине разделяющей контакты канавки 5 мкм, фоторезистивная маска будет подтравлена раньше, чем закончится травление слоя. Кроме этого, из-за неоднородного травления по площади трудно изготовить микроконтакты с одинаковыми размерами вершины на пластинах более 4÷5 см.
При формировании микроконтактов напылением через свободную маску практически невозможно избежать гальванической связи между элементами матрицы из-за коробления маски большой площади и связанного с этим подпылением.
Напыление толстых слоев индия через маску фоторезиста сопровождается зарастанием краев маски и уменьшением проходного отверстия. Поэтому, применение этого способа при шаге матрицы 15÷17 мкм и высоте микроконтактов 10÷12 мкм весьма проблематично.
Напыление слоя индия толщиной 5 мкм через толстую (15 мкм) маску фоторезиста с последующим 'взрывом' и оплавлением в полусферы не обеспечивает требуемой высоты микроконтактов 10÷12 мкм из-за недостаточного объема индия в напыленном слое при малом шаге в матрице. Кроме этого, переплавление осуществляется при температуре 170°С. Нагревание фотодиодной матрицы до такой температуры недопустимо из-за возможной деградации p-n переходов в некоторых случаях.
Для формирования микроконтактов методом электрохимического осаждения, широко и успешно используемого при изготовлении печатных плат, необходимо создание сплошного электропроводящего слоя и последующего его травления с целью гальванического разделения микроконтактов. Определенные трудности в реализации формирования микроконтактов электрохимическим осаждением создает неоднородность толщины растущего слоя и необходимость удаления остатков растворов солей [3, Jutao Jiang, Stanley Tsao et.al.. Fabrication of indium bumps for hybrid FPA applications. Infrared Physics and Technology. 45 (2004) 143-151].
Наиболее оптимальным методом для формирования микроконтактов на матрице ФЧЭ и кремниевых БИС с шагом 15÷30 мкм является реактивное ионное травление. Ионизированные в ВЧ газовом разряде химически активные ионы, ускоренные полем автополяризации, бомбардируя открытые участки индия превращает его в газообразные продукты, откачиваемые вакуумным насосом. К сожалению соединения индия обладают высокой температурой плавления и кипения. Наименьшая температура плавления 207°С у соединения InJ [Н.С. Ахметов, Общая и неорганическая химия. М. Высшая школа, 1981 г., 679 с.]. Поэтому получить значительного увеличения скорости травления индия методом реактивного плазмохимического травления при температуре, не превышающей 100°С, не удается.
Известен способ изготовления индиевых микроконтактов ионным травлением [Болтарь К.О., Корнеева М.Д., Мезин Ю.С., Седнев М.В., Прикладная физика. №1, 2011 г.], принятый в качестве наиболее близкого аналога. Метод травления ионами инертного газа позволяет воспроизводить с прецизионной точностью размеры маски, нанесенной на поверхность любого материала. При этом процесс травления идет анизотропно в направлении падения ионов рабочего газа. Скорость ионного травления индия втрое больше чем скорость травления фоторезиста и при толщине фоторезиста 3-4 мкм глубина травления индия составит 9÷12 мкм. Скорость травления молибдена значительно меньше и равна 0,2 мкм/час, поэтому для травления индия толщиной 10 мкм достаточна маска из Мо толщиной 0,6 мкм.
Недостатком известного способа является невозможность селективного распыления слоя индия. Это принципиальное ограничение метода, так как, все материалы распыляются, но с разными скоростями. Поэтому, как только слой индия протравлен, начинается распыление основания (элементов фоточувствительной матрицы или БИС считывания)
2
Задачей изобретения является создание технологии формирования системы индиевых столбчатых микроконтактов высотой 4-12 мкм с шагом менее 30 мкм и шириной разделяющей их области 3-5 мкм как на матрице фотодиодов, так и на матрице кремниевой БИС, соединяемых методом перевернутого кристалла. Техническим результатом изобретения является промышленная технология формирования микроконтактов с шагом до 15 мкм., высотой 4÷12 мкм с разделяющим промежутком у основания 3÷5 мкм на пластинах площадью от единиц до десятков см.
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе изготовления индиевых микроконтактов пластину с матрицами БИС или фотодиодными матрицами защищают перфорированной в местах контактов пленкой фоторезиста, напыляют на нее слой индия, толщина которого равна высоте микроконтактов, методами фотолитографии наносят маску фоторезиста и формируют микроконтакты травлением ионами инертного газа до полного распыления индия в промежутках между контактами и удалением остатков фоторезистивной маски на вершинах микроконтактов и нижней защитной пленки в органических растворителях или травлением в кислородной плазме.
Последовательность технологических операций предлагаемого способа иллюстрируется на фиг.1-6.
На фиг.1 показана поверхность пластины с кристаллами БИС считывания или ИК фотодиодных матриц с металлическими контактами.
На фиг.2 показано нанесение защитного слоя фоторезиста и вскрытие окон к металлическим контактам матриц.
На фиг.3 показано напыление слоя индия.
На фиг.4 показано изготовление маски из фоторезиста на поверхности индия для травления микроконтактов.
На фиг.5 показано ионное травление индия в промежутках между микроконтактами.
На фиг.6 показано удаление остатков фоторезистивной маски на вершинах микроконтактов и нижней защитной пленки в органических растворителях или травлением в кислородной плазме.
На фигурах представлены следующие элементы:
1 - пластина с кристаллами ИК фотодиодной матрицы или кремниевых БИС считывания;
2 - металлические контакты (например, из ванадия или никеля);
3 - защитный слой фоторезиста;
4 - слой индия;
5 - фоторезистивная маска;
6 - микроконтакт из индия.
Пример: изготовление матрицы индиевых микроконтактов осуществляют в следующей последовательности:
- на Si пластину с матрицами БИС считывания или матрицами фотодиодов с металлическими контактами (фиг.1) наносят защитный слой позитивного фоторезиста толщиной 1-2 мкм (фиг.2);
- защитный слой фоторезиста сушат на плитке при температуре 100-110°С в течение 5 мин и проводят стандартную фотолитографию для вскрытия «окон» к металлическим контактам (фиг.2);
- на защитный слой фоторезиста напыляют спой индия, толщина которого соответствует высоте микроконтактов (фиг.3);
- наносят второй слой позитивного фоторезиста ФП274Г-4 толщиной 3-4 мкм и проводят стандартную фотолитографию для изготовления маски (фиг.4);
- травлением ионами аргона с энергией 500-1000 эВ до полного распыления индия в местах свободных от фоторезиста формируют микроконтакты (фиг.5);
- удаляют остатки фоторезистивной маски на вершинах микроконтактов и нижней защитной пленки в органических растворителях или травлением в кислородной плазме (фиг.6);
Далее следует резка пластины на матрицы БИС считывания или матрицы фотодиодов.