Исследование возможности создания мозаичных фотоприемников без потерь информации в изображении

Актуальность темы

.

Применение тепловизионных приборов для контроля тепловых полей в инфракрасном (ИК) спектральном диапазоне достаточно широкое — это астрономия, медицина, научные исследования, а также слежение за наземными и воздушными целями. Одним из основных узлов современного тепловизионного прибора является фотоприёмное устройство (ФПУ), которое осуществляет преобразование оптического изображения в электрические сигналы. ФПУ может быть выполнено как в монолитном исполнении, при котором фоточувствительные элементы (ФЧЭ) и электронная схема обработки фотосигналов сформированы на кремниевой пластине, так и в «гибридном» исполнении. В последнем случае к электронной схеме обработки и управления фотосигналами с ФЧЭ — кремниевому мультиплексору (КМ) — присоединяется фотоприёмник (ФП), представляющий собой массив ФЧЭ (например, р-п переходов), который может быть сформирован на других полупроводниковых подложках. При большом количестве ФЧЭ в ФП единственным способом соединения в единый узел КМ и ФП, является метод перевёрнутого кристалла (технология «флип-чип»). Электрическая связь между ФП и КМ осуществляется через индиевые столбы, они же обеспечивают механическую прочность ФПУ [1]. В ряде других литературных источников, например, в [2], в состав ФПУ дополнительно включают холодильную машину и криостат. В диссертации использованы обозначения принятые в работе [1].

Для каждого окна прозрачности земной атмосферы в ИК диапазоне (1.2,5), (3.5) и (8. 12) мкм существуют свои полупроводниковые материалы, на основе которых изготавливаются ФП. В диссертации основное внимание уделено спектральному диапазону 8.12 мкм, для которого массив ФЧЭ формируют в плёнках твёрдых растворов кадмий-ртуть-теллур р-типа (КРТ), выращиваемых методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) на GaAs подложке [3] (современное название — гетероэпитаксиальные слои КРТГЭС КРТ).

Пространственное разрешение тепловизионных приборов зависит от числа ФЧЭ в ФПУ, и в настоящее время интенсивно ведутся разработки по увеличению числа ФЧЭ. Например, для диапазона 3.5 мкм выпускаются ФПУ, форматом 2048 на 2048 ФЧЭ [1] и для диапазона 8. 12 мкм выпускаются ФПУ форматом 640 на 512 ФЧЭ (фирма «Sofradir», Франция). Дальнейшее увеличение числа ФЧЭ в ФПУ, применяемых в этом спектральном диапазоне, увеличением площади КМ и ФП, ограничивается рядом факторов. Важнейшими из них являются: а) Уменьшение процента выхода годных КМ и ФП на пластинах при значительном увеличении их геометрических размеровб) Увеличение числа разрывов индиевых столбов в ФПУ из-за разных температурных коэффициентов линейного расширения материалов (КТР) КМ и ФП при их охлаждении до температур жидкого азота (77 К) во время работы и нагреве до 300 К после выключения устройства.

Причиной первого фактора могут быть, например, локальные дефекты (дислокации в материале, поры в диэлектрике), приводящие к потере работоспособности либо всего чипа, либо его части [4]. Причиной второго является использование в ФПУ полупроводниковых материалов с разными КТР. При изменении температуры с 300 до 80 К разница в размерах пластин GaAs (подложка ФП) и Si (КМ), имевших равные размеры (10 на 10) на 103 мкм при 300 К) составит около 11 мкм [5]. В этих условиях краевые индиевые столбы в ФПУ должны выдерживать многократные смещения массива ФЧЭ относительно КМ более 5 мкм (изменение размеров происходит относительно совмещённых центров обеих пластин). При диаметрах индиевых столбов, равных 10.15 мкм, весьма вероятно разрушение последних. С увеличением размеров пластин разрушение индиевых столбов происходит быстрее. При замене подложек в ФП с ваАэ на 81 ФПУ выдерживают более 4000 охлаждений [6].

Одним из перспективных путей увеличение формата ФПУ является использование нескольких КМ и ФП меньшей площади, установленных стык в стык друг к другу на общем основании. Данный приём известен как мозаичный принцип построения ФПУ, а сами приборы известны как мозаичные ФПУ (МФПУ). Сдерживающим фактором применения МФПУ является наличие «слепых зон», обусловленных повреждением элементов на краях КМ и ФП, возникающих при разделении пластин на чипы методом скрайбирования или разрезания. Это так называемые зоны повреждения, ширина, которых в КМ составляет 30 и более микрометров. При этом часть оптического изображения теряется и, тем самым, снижается эффективность преобразования изображений в МФПУ. Под эффективность преобразования изображений, здесь и далее понимается отношение числа работающих ФЧЭ в МФПУ к сумме ФЧЭ, потерянных в «слепых зонах» и работающих ФЧЭ в МФПУ. Например, эффективность МФПУ типа «СШКЕЗ 1024×4096» (Германия), состоящего из четырёх ФПУ форматом 1024 на 1024 ФЧЭ с периодом следования ФЧЭ, равным 27 мкмсоставляет около 83%. Создание МФПУ без потери информации в изображении, то есть с нулевым числом потерянных ФЧЭ в «слепых зонах», является актуальной проблемой технологии МФПУ.

Перспективность работ подтверждается, например, намерениями фирмы «Teledyne Imaging Sensors» (США) создать МФПУ ИК диапазона форматом 10 240 на 14 336 ФЧЭ, состоящего из 35 ФПУ форматом 2048 на 2048 ФЧЭ [7].

Решение задачи изготовления МФПУ без потери информации в изображении сводится к уменьшению ширины зоны повреждения до значений, составляющих менее 50% периода следования ФЧЭ в ФП. Целью диссертационной работы является экспериментальное подтверждение возможности создания мозаичных фотоприёмников без потерь информации в изображении при использовании технологии разделения пластин с применением лазерного излучения (лазерного скрайбирования). Для этого необходимо было решить следующие основные задачи:

1) Провести анализ изменений электрофизических свойств о полупроводниковых материалов в пятне взаимодействия лазерного излучения с полупроводниковыми^ материалами при различных плотностях энергии излучения и длинах волн. Выбрать источник излучения, наиболее подходящий для выполнения операции разделения пластин на чипы;

2) Исследовать влияние неоднородности распределения плотности энергии в пятне излучения на формирование зоны повреждения в полупроводниковых материалах. На основе экспериментальных данных и анализа данных, полученных другими авторами, создать модель взаимодействия лазерного излучения с полупроводниковыми материалами, учитывающую эту неоднородность и правильно описывающую происходящие изменения в полупроводниковых материалах в ближней и дальней зонах взаимодействия;

3) Исследовать связь между режимами лазерного скрайбирования пластин с КМ и ФП на основе гетероэпитаксиальных слоев р-типа.

Н§ 0)22Сс1о, 78Те и шириной зон повреждения в них. Определить режимы лазерного скрайбирования, при которых ширина зон повреждения минимальна. Сформулировать требования к элементам технологических установок лазерного скрайбирования и проверить их в реальных экспериментах;

4) Исследовать стабильность во времени электрических параметров ФЧЭ, попавших в зоны повреждения;

5) Разработать методики скрайбирования пластин с КМ и ФП, обеспечивающие создание МФПУ без потерь информации в изображении, работающих в спектральном диапазоне 8. 12 мкм.

Объекты и методы исследования.

Основным объектом исследования является ширина зоны повреждения в пластинах с КМ и ФП при лазерном скрайбировании.

Основными методами исследования являются анализ процессов, происходящих в полупроводниковых материалах при воздействии мощного лазерного излучения, и экспериментальная регистрация изменений электрофизических параметров р-п переходов в пластинах с КМ и ФЧЭ в ФП на различных расстояниях от места воздействия лазерного излучения. Основные результаты, выносимые на защиту.

1) Модель взаимодействия лазерного излучения с полупроводниковыми материалами, учитывающая неравномерность пространственного распределения плотности энергии в пятне излучения на поверхности и многостадийность воздействия излучения на полупроводниковые материалы за время действия каждого импульса излучения;

2) Требования к установкам лазерного скрайбирования, выработанные на основе данной модели: длина волны излучения — 0,337 мкм (лазер на молекулах азота) — наличие расплава материала на краях пятна воздействия и экранирование поверхности от излучения с плотностью энергии, недостаточной для расплава материаламногопроходный режим формирования (со скоростью, равной 120 мкм/сек., обеспечивающей при частоте повторения 100 Гц 50% перекрытие пятен) и применение линз, имеющих удлинённую каустику;

3) Оптимальные режимы лазерного скрайбирования, обеспечивающие минимальную ширину зон повреждения: а) не более 8 мкм в пластинах с ФП в многопроходном режиме лазерного скрайбирования с плотностью энергии около 2,60 Дж/см — б) не более 6 мкм в пластинах с КМ при скрайбировании диафрагмированным излучением с плотностью энергии около 2,90 Дж/см2 за один проход;

4) Методика скрайбирования ФП линейчатого типа форматом 4 на 288 ФЧЭ с периодом следования, равным 56 мкм, обеспечивающая создание двухуровневой (по глубине) скрайбовой канавки в многопроходном режиме скрайбирования, для изготовления МФПУ линейчатого типа без потерь информации в изображении.

Научная новизна результатов исследования.

1) Показано, что зонный характер воздействия лазерного излучения с полупроводниковыми материалами позволяет минимизировать ширину зон повреждения в пластинах с КМ и ФП;

2) Показано, что наличие расплава материала на стенках скрайбовых канавок приводит к уменьшению ширины зоны повреждения в пластинах с ФП на основе ГЭС КРТ до 8 мкм, в то время как при меньших плотностях энергии излучения в пятне, когда расплав не образуется, ширина зоны повреждения материала увеличивается до 13 и более микрометров;

3) Определены параметры оптимальных режимов лазерного скрайбирования КМ (однопроходный, диафрагмированным излучением с плотностью энергии около 2,90 Дж/см) и ФП (многопроходный с плотностью л энергии около 2,60 Дж/см), при применении которых ширина зоны повреждения в пластинах с ФП около 8 мкм, а для пластин с КМ не превышает 6 мкм, в то время как использование режимов, рекомендованных производителями технологического оборудования, приводит к появлению в пластинах с КМ зон повреждения, шириной 30 и более микрометров;

4) Показано, что после лазерного скрайбирования с оптимальными параметрами вольт-амперные характеристики ФЧЭ в зоне повреждения остаются стабильными на протяжении более 80 часов выдержки при температуре 340 К, как и все остальные ФЧЭ в ФП.

Практическая значимость и реализация результатов.

1) Изготовлен опытный образец установки лазерного скрайбирования пластин с КМ и ФП, обеспечивающий два режима работы: однопроходный и многопроходный. Её отличие от известных установок лазерного скрайбирования заключается в том, что в оптическом тракте установки применена линза с глубиной фокуса более 200 мкм при рассчитанном диаметре пятна более 44 мкм. Применение линзы обеспечивает возможность формирования скрайбовой канавки глубиной более 130 мкм при плотности энергии около 3,60 Дж/см. В установке реализована возможность создания двухуровневых (по глубине) канавок;

2) Результаты исследований использованы при выполнении договора ИФП СО РАН № 3594 от 19.04.95 («Разработка технологии получения методом МЛЭ фоточувствительных слоёв.

АПВ1У многоэлементных охлаждаемых линейчатых и матричных фотоприёмников");

3) Рекомендованные в диссертации режимы лазерного скрайбирования использованы при выполнении: Гранта РФФИ («Создание технологии и исследование свойств плёнок с предъявлением по окончании работы макета линеек фотоприёмников на их основе») — Договора ИФП СО РАН («Разработка конструкции и изготовление кремниевого мультиплексора формата 160×120 элементов с коррекцией входных сигналов») и Государственного контракта по Центру Коллективного Пользования ИФП СО РАН (2005;2006 г. г.) для осуществления контроля качества кремниевых кантилеверов в атомно-силовом микроскопе;

4) Применение режима лазерного скрайбирования в водной среде позволило приблизить край КМ к индиевым столбам, что обеспечило возможность исследования процессов сварки индиевых столбов при «гибридизации» ФПУ на основе ГЭС КРТ в растровом электронном микроскопе и обосновать способ формирования контактного столба многоконтактного гибридного соединения (патент РФ на изобретение № 2 392 690);

5) Применение предлагаемых режимов лазерного скрайбирования позволяет: а) изготавливать МФПУ без потери информации в изображении: для МФПУ, состоящего из одного ФП и нескольких КМ, с периодом следования ФЧЭ, более 40 мкм и более 44 мкм для МФПУ, состоящего из нескольких ФПУ или одного КМ и нескольких ФП;

6) увеличить эффективность преобразования изображений в МФПУ в 8 и более раз по сравнению с существующими МФПУ при периоде следования ФЧЭ в ФП менее 40 мкм уменьшением зазоров между ФПУ и ширины зоны повреждения.

Соответствие диссертации паспорту специальности.

Диссертация соответствует специальности 05.27.01 (Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микрои наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах). Области исследований, представленные в диссертации, соответствуют пунктам 3, 4 и 5 формулы специальности 05.27.01. ЛИЧНЫЙ вклад соискателя в диссертационную работу заключается в постановке и решении научно-технических задач, проведении экспериментов, обработке, анализе и интерпретации экспериментальных результатов, разработке модели взаимодействия излучения с полупроводниковыми материалами, оформлении публикаций. Апробация работы.

Основные научные результаты диссертационной работы докладывались на 3-х Российских конференциях: 3-я Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (Россия, Дивногорское, 1996 г.) — XIX Международная научно-техническая конференция по фотоэлектронике и приборам ночного видения (Россия, Москва, 2006) — XXI Международная научно-техническая конференция по фотоэлектронике и приборам ночного видения (Россия, Москва, 2010). На 5-ти зарубежных конференциях: Microelectronic Manyfacturing 1999 (SPIE, Santa Clara, CA, 1999) — Analytical and Diagnostic Techniques for Semiconductor Materials, Devices and Processes (Honolulu, Hawaii, 1999) — Photonics West (SPIE, San Jose, CA, 2000) — International Conference on Information Systems, Analysis and Synthesis (Jrlando, Florida, 2001) — Second International Symposium on Laser Precision Microfabrication (Singapure, 2001).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 15 работ, в том числе: 7 — в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ, 1 — в сборнике всероссийской конференции, 6 — в трудах международных конференций, 1 — патент РФ. Структура и объём работы.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 74 наименования, и двух приложений. Основной текст изложен на 150 страницах, содержит 70 рисунков и четыре таблицы. Общее количество страниц в диссертации 171, список литературы включает 89 наименований, рисунков 73 и 4 таблицы.

Выводы к главе.

1) Разработаны и апробированы при выполнении договоров и исследований в институте режимы и методики лазерного скрайбирования пластин с КМ и ФП: а) Для пластин с КМоднопроходный с диафрагмированным излучением с плотностями энергии около: 1,10- 2,93 и 5,50 Дж/см2 и многопроходный режим лазерного скрайбирования с плотностью энергии около 3,60 Дж/см — б) Для ФП на основе ГЭС КРТ — многопроходный режим лазерного скрайбирования с формированием двух уровневой канавки излучениями я плотностью энергии около 2,60 и 3.60 Дж/см ;

2) Создана методика, позволяющая изготавливать МФПУ линейчатого типа из ФП форматом 4 на 288 ФЧЭ с ПС равным 56 мкм, основанная на формировании двухуровневой канавки в многопроходном режиме;

3) Рассмотрены технологические приёмы повышения усилий на разрыв индиевых столбов в ФПУ: оплавлением индиевых столбов на КМ перед гибридизацией с ФП, в вакууме в потоке водорода при температуре 440 К, и отжигом ФПУ при температуре 403 К в течении 820 сек.

Заключение

.

1) В соответствии с поставленной целью показано возможность создания МФПУ без потери информации в изображении с периодом следования ФЧЭ 40. .44 мкм и более;

2) Для перспективных моделей МФПУ, у которых используются ФП с периодом следования ФЧЭ менее 44 мкм, увеличится эффективность преобразования изображений в МФПУ уменьшением зазоров между ФПУ более чем в 8 раз по сравнению с приборами, созданными по стандартным технологиям. Показано, что возможно изготовление МФПУ матричного типа с периодом следования ФЧЭ менее 28 мкм;

3) В ходе исследований разработаны новые методики лазерного скрайбирования полупроводниковых материалов в оптимальных режимах, обеспечивающие ширину зоны повреждения до 6 мкм — в Si (вместо 30 мкм при использовании стандартных методик) и до 8 мкм в ГЭС КРТ на пластинах из GaAs;

4) Впервые показано, что наличие расплава на краях канавок и экранирование периферийной части пятна излучения, в которой плотность энергии недостаточна для расплава материала ФП, позволяет уменьшить зону повреждения до 8 мкм в многопроходном режиме лазерного скрайбирования;

5) В основу разработанных методик лазерного скрайбирования положена модель взаимодействия неоднородного (в поперечном сечении) по плотности энергии лазерного излучения, предполагающая зонный характер взаимодействия. Практическое применение предложенной модели позволило обосновать выбор режимов лазерного скрайбирования пластин с КМ и ФП, при которых зоны повреждения не превышают 6 и 8 мкм, соответственно, при диаметре пятна излучения на поверхности пластин более 44 мкм;

6) Выработаны требования к установкам лазерного скрайбирования: длина волны 0,337 мкм (лазер на молекулах азота), частота повторения 100 Гц, скорость перемещения пластин с ФП под излучением, обеспечивающая 50% перекрытие пятен, около 120 мкм/сек. в многопроходном режиме скрайбирования. При применении линз с глубиной фокуса более 200 мкм и плотности энергии около 3,60 Дж/см за 50 проходов в КМ формируется канавка глубиной около 130 мкм и 170 мкм в ФП, где в качестве подложек использованы ваАБ пластины. При скрайбировании вблизи ФЧЭ в ФП о достаточно плотности энергии около 2,6 Дж/см для формирования канавки глубиной более 26 мкм. Ширина зоны повреждения при этом составляет около 8 мкм. Создан опытный образец установки скрайбирования пластин с КМ и ФП, обеспечивающей реализацию одно- (для КМ) и многопроходных (для ФП) методик лазерного скрайбирования и формирование однои двухуровневых (по глубине) скрайбовых канавок.