背减薄过程中面阵探测器形变研究
孟超 司乐飞 张晓玲 孟庆端
摘要：为提高InSb面阵探测器的探测率，需要借助背减薄工序把InSb光敏元芯片從300μm减薄到10μm，这一过程通常决定了面阵探测器的成品率。为了解面阵探测器在背减薄工序中的形变规律，针对典型器件结构，借助ANSYS软件，基于等效建模思路，建立了适用于InSb面阵探测器的三维结构模型，调整InSb光敏元芯片厚度，模拟探测器形变特征及分布随背减薄工艺实施过程的变化规律。模拟结果表明：当InSb光敏元芯片较厚时，面阵探测器的整体形变以弯曲变形为主，其中心区域上凸明显；随着InSb光敏元芯片逐步减薄，其中心区域的上凸变形逐步弱化，当InSb光敏元芯片厚度减薄到12μm时，探测器上表面屈曲变形占优，且随着InSb光敏元芯片厚度的减小而愈加清晰可见，此时探测器整体弯曲变形很弱。
关键词：面阵探测器；InSb；光敏元芯片；芯片厚度；形变；ANSYS
中图分类号：TJ760；TN215 文献标识码：A 文章编号：1673-5048（2017）02-0055-05
0引言
InSb焦平面探测器是红外成像系统的核心部件，由于其灵敏度高、抗干扰能力强、环境适应性好，且在批量生产中工艺成熟度高、晶片内均匀性好，晶片间一致性高，具有明显的成本优势等优点，已在航空航天红外遥感、红外制导、跟踪、凝视成像武器装备领域得到广泛应用。
InSb焦平面探测器通常由三层结构组成：InSb光敏元芯片、硅读出电路（Silicon ROIC）和位于二者之间的铟柱阵列和底充胶，底充胶和铟柱阵列相间排布，底充胶呈网状分布。制备器件时，先研制出InSb光敏元芯片和硅读出电路，之后采用热蒸发的方式在光敏元芯片和读出电路上同时蒸镀铟薄膜，浮胶形成铟柱阵列，随后通过倒装焊技术借助铟柱阵列将InSb光敏元芯片和硅读出电路互连混成，之后在光敏元芯片和硅读出电路的间隙中填入底充胶，升温固化以提高铟柱焊点的可靠性。最后借助化学机械抛光技术对InSb光敏元芯片进行背减薄，以提高量子效率。
背减薄工艺的实施程度受限于减薄后芯片的均匀性、平整度等因素。在众多文献中有关背减薄工艺对InSb面阵探测器形变的影响少有提及。为此，本文借助先前提出的等效建模思想，建立了适用于InSb面阵探测器形变分析的三维等效结构模型，人为调整InSb光敏元芯片厚度，理清面阵探测器在背减薄工序中的形变规律，为优化背减薄工艺提供理论支撑。
1模型建立和参数选择
2004年，美国西北大学的Chang R W发表了热冲击下单个铟柱承受的热失配位移公式：
△y=L（α1-α2）△T （1）式中：△y为热失配位移；L为面阵探测器中铟柱焊点到对称中心轴的距离；α1和α2分别为面阵探测器中光敏元和硅读出电路的线膨胀系数；△T为降温范围。
在热冲击降温范围确定的前提下，热失配位移与相邻材料线膨胀系数之差和焊点到面阵中心轴距离的乘积成正比。对于大面阵探测器，光敏元数目增加，焊点数目亦随之增加，由于光敏元（或焊点）呈现出周期性二维排布，整个器件的热失配即为所有焊点热失配的叠加。为了取得同样的效果，可采用增加相邻材料线膨胀系数之差的办法，即用一个铟柱等效几个铟柱的方式，实现小面阵等效大面阵，建立起大面阵探测器结构有限元分析模型，总体上使整个器件的热失配保持不变。为研究128×128 InSb探测器在热冲击下的应变值及分布，人为调整相邻材料间热失配的方式，利用32×32小面阵等效128×128大面阵进行结构应力分析，这种建模有助于解决大面阵探测器结构分析中单元数过多带来的计算难题。三维模型如图1所示。
材料的线膨胀系数通常随温度降低而减小。为准确反映InSb面阵探测器热冲击时不同材料中累积的热应力应变，探测器三维结构模型材料的线膨胀系数均采用温度相关模型，其中，N电极材料和硅读出电路视为各向同性线弹性材料，InSb芯片视为各向异性线弹性材料，铟柱为粘塑性材料，其杨氏模量随温度降低而增加，底充胶材料在玻璃化转变区域视为粘弹性材料，固化后呈现出明显的线弹性，具体数值如图2和表1所示。
InSb晶格是典型的闪锌矿结构，其特点为在110面方向弹性模量大，其他方向弹性模量小。由于InSb芯片在加工过程中可能受工艺结构缺陷、背面减薄工艺损伤的影响，预期其面外（Z方向）杨氏模量应远小于面内（X-Y平面）的杨氏模量。当InSb芯片法线方向的杨氏模量为体材料杨氏模量的30%时，热冲击下的模拟结果在裂纹起源地、裂纹分布及棋盘格屈曲模式方面均能与典型碎裂照片吻合。
载荷施加包括温度激励载荷及约束载荷的施加。温度激励载荷的初始点为370 K，即倒装焊时的温度，对应于零应力状态。之后自然冷却到室温，填入底充胶，升温固化后降至室温。约束载荷：对称面处施加对称约束，对称轴的最下端施加零位移约束。
2实验及模拟结果分析
InSb面阵探测器典型表面形貌照片见图3。根据设计版图，可得出如下形变特征：（1）N电极所在区域，InSb芯片往下呈条状凹陷；（2）与铟柱阵列接触区域InSb芯片往上凸出，而与底充胶接触区域则往下凹陷，二者相间排布，凸起区域的面积与凹陷区域的面积相当；（3）探测器的周边区域较为平坦。
利用所建模型，结合温度加载历程，得到室温下InSb面阵探测器上表面形变模拟结果，具体见图4。在光敏元阵列中心区域、N电极区域和探测器边缘处，模拟得到的法线方向形变分布与实测结果几乎完全一样。这说明所建模型中采用的建模方法、参数选取与实际工艺流程高度吻合，可以用来分析整个探测器形变随InSb光敏层厚度的演化规律。
背减薄工艺自身不产生应力应变，但背减薄工艺实施前已在器件中生成的热应力应变，将会随着InSb光敏元芯片厚度的改变而呈现出不同的形变特征。为研究这一变化趋势，人为改变InSb光敏元芯片的厚度，判断热应力应变随InSb光敏元芯片厚度的演化规律。这里仅仅给出几例典型的形变分布，InSb光敏元芯片的厚度分别取6μm，20μm和200μm，模拟结果分别如图5～7所示。
当InSb光敏元芯片厚度从10μm减薄到6μm时，凡是与铟柱阵列相接触的InSb光敏元芯片上凸变形愈加明显，凡是与底充胶相接触的InSb光敏元芯片下凹变形也愈加明显。这一形变特征属于典型的棋盘格屈曲变形模式，且随着InSb光敏元芯片厚度的持续减薄，棋盘格屈曲变形更为清晰，上凸与下凹的对比度更强。与此同时，整个探测器的上凸变形幅度略有下降，探测器底边两端点之间的弯曲程度变小。至此，当InSb光敏元芯片从10μm逐步减薄的过程中，整个器件中心区域的上凸变形逐步弱化，而InSb光敏元芯片的屈曲变形将占据主导地位，且愈来愈清晰，上凸与下凹的对比度愈来愈强。
当InSb光敏元芯片厚度从10μm增加到20μm时，由图6所知，在整个探测器的上表面，原本出现的典型棋盘格屈曲变形消失殆尽，仅在N电极区域留下清晰可见的下凹环带，仔细观察还能依稀看到铟柱阵列所在区域略微上鼓。同时，整个探测器的上凸变形幅度增加，探测器底边两端点之间的弯曲程度明显变大。因此认为，随着InSb光敏元芯片厚度逐渐增加，InSb光敏元芯片的屈曲变形模式逐步衰减、消亡，与此同时，整个器件中心区域的上凸变形逐步强化。
当InSb光敏元芯片厚度从20μm增加到200μm时，在整个探测器上表面，看不到屈曲变形的任何痕迹，甚至N电极区域下面的下凹环带也不再出现。与此同时，整个探測器的上凸变形幅度尤为明显，探测器底边两端点之间的弯曲程度也急剧增加。
为了印证上述模拟结果，随机选取任一探测器，对其实施背减薄工艺，具体如图8所示。
图8（a）为探测器历经化学机械抛光工艺减薄后，在室温下拍摄的表面形变分布图。显然，此时InSb芯片相对较厚，上表面没有屈曲变形。从图6（InSb芯片厚度20μm）的形变分布可推断出，此时InSb芯片略厚于20μm。随后对探测器进行化学湿法腐蚀减薄，历经一段时间减薄后的表面形变照片如图8（b）所示。此时，在整个探测器上表面，能够看到一些棋盘格屈曲变形模式，同时，N电极区域的条形凹陷也清晰可见。随着化学腐蚀减薄工序的进一步实施，如图8（c）所示，此时能够清晰地看到典型棋盘格屈曲变形模式，并且N电极区域的条形凹陷清晰可见，此外在探测器四周区域，也能够清晰地看到环状凹陷。这一形变分布照片与图5（InSb芯片厚度6μm）中所示的形变分布完全吻合。图8的形变分布证实了本文模拟结果的正确性。
需要指出的是，在上述器件形变模拟过程中，仅仅改变了InSb光敏元芯片的厚度，其他结构参数和温度加载历程均保持不变。根据InSb光敏元芯片厚度取值不同的形变演变过程，可得出结论：当器件加工中存在某一定量的热应力应变后，这一热应力应变会随着InSb光敏元芯片厚度的不同，将以不同的形变分布特征呈现在整个探测器上表面。当InSb光敏元芯片较厚时，探测器变形以中心区域上凸变形为主，在背减薄工艺实施中，这一中心区域的上凸变形逐步弱化，当InSb光敏元芯片厚度减薄到20μm时，在N电极区域出现环带凹陷，随着背减薄工艺的继续实施，典型棋盘格屈曲变形模式逐步出现，在InSb光敏元芯片厚度取12μm时，清晰可见。与此同时，整个器件中心区域的上凸变形逐步弱化。
3结论
借助有限元分析软件研究了器件加工中生成的热应力应变随光敏元厚度的演变规律，认为当InSb光敏元芯片较厚时，整个面阵探测器以中心区域上凸弯曲变形为主，随着背减薄工艺的实施，中心区域上凸弯曲变形逐步减弱，当InSb光敏元芯片减薄到12μm时，整个探测器的形变由中心区域上凸弯曲变形为主过渡到以典型棋盘格屈曲变形模式为主，并随着背减薄工艺的继续实施，屈曲模式中的上凸和下凹形变对比度更强。
