ГИБРИДНАЯ СТРУКТУРА ДЛЯ ДЕТЕКТОРА ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
HYBRID STRUCTURE FOR INFRARED DETECTOR

Изобретение относится к области интегральной микроэлектроники и может быть использовано при разработке и изготовлении гибридных интегральных детекторов инфракрасного излучения, стойких к многократным циклам охлаждения-нагревания.
Известны многоэлементные гибридные микроэлектронные устройства, работающие при пониженных (криогенных) температурах, предназначенные для детектирования инфракрасного излучения, состоящие из двух основных частей - интегральной схемы детектирования инфракрасного излучения и, как правило, кремниевой интегральной схемы преобразования принятого инфракрасного сигнала. Множество элементов первой и второй интегральных схем соединены между собой индиевыми микроконтактами.
В многоэлементной гибридной схеме детектирования инфракрасного излучения, описанной в патенте США (High Density Infrared Detector Array, R.D.Thom, US patent 4039833, Aug.2, 1977) детектор инфракрасного излучения с высокой плотностью элементов соединен с кремниевой микросхемой множеством спаянных микроконтактов. Для работы этого устройства необходимо его охлаждение до низкой температуры (температуры жидкого азота), в нерабочем состоянии прибор находится обычно при комнатной температуре. Таким образом, при длительной его эксплуатации устройство подвергается многократным циклам охлаждения-нагревания.
Недостатком технического решения, используемого в приборах такого упрощенного типа, является то, что при многократных циклах их охлаждения вследствие разных коэффициентов термического расширения детектора инфракрасного излучения и кремниевой микросхемы по периферии гибридной структуры возникают значительные механический напряжения. Кроме того, такая структура дополнительно изгибается при охлаждении. Оба эти вышеуказанных фактора приводят к постепенному разрушению спаянных микроконтактов, и прибор выходит из строя.
Частично этот недостаток был устранен в интегральных детекторах инфракрасного излучения, в которых для улучшения крепости спаянных микроконтактов применяется дополнительное обклеивание всей области микросоединений или ее части. Так, в гибридной схеме детектирования инфракрасного излучения, описанной в патенте США (Solder interconnection structure for joining semiconductor devices to substrates that have improved fatigue life, and process for making, K.F.Beckham et. all, US patent 4604644, Aug.5, 1986), массив микросоединений, соединяющих две части гибридной интегральной микросхемы, дополнительно укреплен диэлектрическим органическим материалом по периферии массива микросоединений. Укрепление периферийной области массива микроконтактов склеиванием частично устраняет недостаток, связанный с механическими напряжениями, обусловленными разностью коэффициентов термического расширения детектора инфракрасного излучения и кремниевой микросхемы, но не позволяет устранить повреждения, возникающие в микроконтактах из-за прогиба гибридной микросхемы.
Известен другой класс устройств, в которых уменьшение механических напряжений, обусловленных разностью коэффициентов термического расширения двух частей гибридного детектора инфракрасного излучения, а также устранение его прогиба при охлаждении достигается введением в конструкцию дополнительной подложки.
Известен патент США (B.Jeffray, Thermal mismatch accommodated infrared detector hybrid array, US patent 5308980, 1994), в котором описан гибридный инфракрасный детектор с согласованным термическим смещением его различных частей, состоящий из слоя детектирования с прозрачной подложкой, аналогичного слою регистрации инфракрасного излучения предлагаемого изобретения, присоединенного к тонкой полупроводниковой интегральной схеме считывания, аналогичной слою преобразования сигнала в электрические импульсы предлагаемого изобретения и более толстой подложки схемы считывания. Тонкая полупроводниковая интегральная схема считывания прочно соединена с более толстой подложкой схемы считывания так, чтобы сформировать сложную структуру, имеющую коэффициент термического расширения (КТР), совпадающий с КТР слоя детектирования с прозрачной подложкой. Гибридный инфракрасный детектор может быть охлажден от комнатной температуры до рабочей криогенной температуры без возникновения проблем, возникающих из-за температурных разбалансировок. Данное устройство является наиболее близким к заявляемой гибридной структуре для детектора инфракрасного излучения и взято за прототип.
Данное техническое решение имеет тот недостаток, что очень сложна его техническая реализация. Во-первых, для подбора материала более толстой подложки схемы считывания и ее параметров (толщины, размеров, состава материала) необходимо проведение очень сложных экспериментальных работ. Во-вторых, при модификации гибридной микросхемы, например при изменении размеров слоя детектирования с прозрачной подложкой или размеров тонкой полупроводниковой интегральной схемы считывания, такие работы нужно проводить снова. Недостатком технического решения является и то, что практически нельзя применить упрощенные методы расчета изгиба гибридного детектора, для проведения таких расчетов необходимо проводить трехмерное моделирование и знание многих неизвестных параметров.
Техническим результатом изобретения является существенное упрощение выбора параметров подложки за счет симметризации конструкции гибридной структуры для детектора инфракрасного излучения и устранение необходимости проведения трехмерного моделирования при модификации структуры при одновременном устранении прогиба гибридной структуры для детектора инфракрасного излучения в процессе его охлаждения и увеличении в полтора раза стойкости структуры к многократным циклам охлаждения-нагревания.
Технический результат достигается тем, что в гибридной структуре для детектора инфракрасного излучения, состоящего из слоя регистрации инфракрасного излучения, соединенного со слоем преобразования сигнала в электрические импульсы множеством микроконтактов, расположенных на одной поверхности слоя преобразования сигнала в электрические импульсы, а ко второй поверхности слоя преобразования сигнала в электрические импульсы присоединена подложка, при этом подложка изготовлена полностью по технологии изготовления слоя регистрации инфракрасного излучения и присоединена к слою преобразования сигнала в электрические импульсы множеством микросоединений, выполненных на подложке идентично микроконтактам таким образом, что получена конструкция, симметричная относительно слоя преобразования сигнала в электрические импульсы.
Для реализации данного технического решения предлагается известным методом «перевернутого кристалла» (FlipChip-гибридизация) произвести соединение слоя регистрации инфракрасного излучения со слоем преобразования сигнала в электрические импульсы с помощью множества микроконтактов, а затем дополнить полученную промежуточную конструкцию подложкой, присоединив ее к нижней поверхности слоя преобразования сигнала в электрические импульсы с помощью множества микросоединений.
Полученная таким образом структура для детектора инфракрасного излучения схематически представлена на чертеже, где 1 - слой регистрации инфракрасного излучения, 2 - слой преобразования сигнала в электрические импульсы, 3 - множество микроконтактов, соединяющих элементы интегральной микросхемы слоя преобразования сигнала в электрические импульсы с элементами слоя регистрации инфракрасного излучения, 4 - подложка, изготовленная по технологии изготовления слоя регистрации инфракрасного излучения, 5 - множество микросоединений, выполненных на подложке идентично микроконтактам.
Чертеж иллюстрирует, что изготовленная в соответствии с такой конструкцией гибридная структура для детектора инфракрасного излучения является симметричной по отношению к слою преобразования сигнала в электрические импульсы, и, таким образом, при ее охлаждении гибридная структура для детектора инфракрасного излучения не будет выгибаться ни в верхнюю, ни в нижнюю сторону, независимо от того, из каких материалов будут выполнены два первых слоя 1 и 2 и подложка 4. При этом ввиду полной симметрии конструкции при изменении ее параметров (толщин, размеров, состава материалов элементов конструкции) и при соблюдении условия идентичности технологии изготовления слоя регистрации инфракрасного излучения и подложки, а также при условии того, что микросоединения выполнены на подложке идентично микроконтактам, выполненным на слое преобразования сигнала в электрические импульсы, нет необходимости в подборе материала подложки и ее параметров и проведении экспериментальных работ по уточнению вышеуказанных параметров. По той же причине симметричности гибридной структуры для детектора инфракрасного излучения, при ее модификации, нет необходимости проводить расчеты прогиба гибридной структуры для детектора инфракрасного излучения и проводить трехмерное математическое моделирование для уточнения параметров элементов конструкции.
-6
-6
-6
Предлагаемое техническое решение работает следующим образом. При охлаждении гибридной структуры для детектора инфракрасного излучения вследствие разных коэффициентов термического расширения слоя регистрации инфракрасного излучения (1) и кремниевой микросхемы слоя преобразования сигнала в электрические импульсы (2) возникают механические напряжения, которые приводят к значительному прогибу гибридной структуры. Например, если слой регистрации инфракрасного излучения выполнен из арсенида индия, имеющего коэффициент термического расширения 4,5×10, а слой преобразования сигнала в электрические импульсы (2) выполнен из кремния, имеющего коэффициент термического расширения 2,5×10, то величина прогиба гибридной структуры для детектора инфракрасного излучения, по известным экспериментальным данным, составит несколько микрон. При этом гибридная структура для детектора инфракрасного излучения должна прогнуться в сторону слоя преобразования сигнала в электрические импульсы (2) и максимальная величина прогиба составит около 3 микрон. Это значение сравнимо с высотой индиевых микроконтактов (3), что должно привести к их разрушению. Подложка (4), изготовленная полностью по технологии изготовления слоя регистрации инфракрасного излучения (1) и присоединенная к слою преобразования сигнала в электрические импульсы (2) множеством микросоединений (5), выполненных на подложке (4) идентично микроконтактам (3), также имеет коэффициент термического расширения, равный 4,5×10, и имеет те же размеры и изготовлена из того же материала, поэтому при ее охлаждении она создаст равные, но противоположно направленные механические напряжения между слоем преобразования сигнала в электрические импульсы (2) и подложкой (4), по сравнению с механическими напряжениями, возникшими в первом случае. Таким образом, произойдет точная взаимная компенсация механических напряжений между слоями, вызывающими прогиб, но в разнонаправленных направлениях, в результате чего прогиб будет отсутствовать.
Был изготовлен опытный образец предлагаемой структуры. Из пластины арсенида индия толщиной 800 мкм был изготовлен слой регистрации инфракрасного излучения (1) размером 8×8 мм, на котором вакуумным напылением и последующей фотолитографией и травлением были выполнены 16000 микроконтактов (3). Микроконтакты были выполнены из индия. Размер микроконтактов составлял 20×20 мкм и высотой 6 мкм. Слой преобразования сигнала в электрические импульсы (2) был изготовлен из кремния толщиной 450 мкм и размером 10×10 мм. Известным методом «перевернутого кристалла» (FlipChip) слой регистрации инфракрасного излучения (1) был соединен со слоем преобразования сигнала в электрические импульсы (2) микроконтактами (3). Соединение слоя регистрации инфракрасного излучения со слоем преобразования сигнала в электрические импульсы осуществлялось при усилии сдавливания 160 Н. Из той же пластины, из которой был изготовлен слой регистрации инфракрасного излучения, была изготовлена подложка (4), размером 8×8 мм и на ней были выполнены 16000 индиевых микросоединений (5) по технологии изготовления индиевых микроконтактов. Микросоединения (5) были выполнены размером 20×20 мкм и высотой 6 мкм. Затем подложка (4) была присоединена к нижней поверхности слоя преобразования сигнала в электрические импульсы (2) индиевыми микросоединениями (5) усилием сдавливания 160 Н с последующим одновременным оплавлением микроконтактов (3) и микросоединений (5) при температуре 160°С.
Последующие измерения показали, что в полученной гибридной структуре для детектора инфракрасного излучения, при охлаждении, не возникает прогибов, а разрушение периферийных микроконтактов начинается при числе термоциклов охлаждения-нагревания, в полтора раза большем по сравнению с контрольной гибридной структурой для детектора инфракрасного излучения, в которой подложка отсутствовала. При этом для подбора материала подложки и ее параметров (толщины, размеров, состава материала) не было необходимости проводить какие-либо экспериментальные работы и проводить расчеты и трехмерное математическое моделирование.