本文要點(diǎn)：短波紅外（SWIR）成像技術(shù)在民用領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。過(guò)去二十年間，科研界致力于開(kāi)發(fā)覆蓋0.9至3 μm光譜范圍的高分辨率、高靈敏度、低成本SWIR傳感器。本綜述首先闡述單片式與混合式SWIR圖像傳感器架構(gòu)，指出倒裝焊技術(shù)憑借其性能、與創(chuàng)新外延SWIR材料的兼容性以及長(zhǎng)期穩(wěn)定性，仍是混合式傳感器的核心集成方案。隨后系統(tǒng)總結(jié)外延薄膜SWIR傳感器的最新進(jìn)展，涵蓋外延InGaAs與Ge（Sn）薄膜傳感器的焦平面陣列(FPA)及倒裝焊集成工藝。最后對(duì)InGaAs與Ge（Sn）SWIR傳感器的未來(lái)發(fā)展進(jìn)行總結(jié)與展望：基于倒裝焊技術(shù)的外延薄膜傳感器持續(xù)革新，正孕育學(xué)術(shù)界與工業(yè)界的新應(yīng)用場(chǎng)景。

1. 前言

本文回顧了外延薄膜 SWIR 傳感器在過(guò)去二十年中的進(jìn)展，重點(diǎn)介紹了外延 InGaAs 和 Ge （Sn） 薄膜 SWIR 傳感器的FPA和倒裝芯片凸點(diǎn)鍵合技術(shù)。在第2節(jié)中，研究者討論了外延 InGaAs和Ge（Sn）薄膜FPA的現(xiàn)狀。第3節(jié)介紹并討論了用于集成SWIR FPA的主流倒裝芯片凸點(diǎn)鍵合技術(shù)的最新進(jìn)展。最后對(duì)InGaAs和Ge（Sn）SWIR 傳感器的發(fā)展進(jìn)行了總結(jié)和展望。

2. 外延InGaAs和Ge（Sn）薄膜短波紅外 FPAS

銦鎵砷與鍺錫薄膜的外延生長(zhǎng)及晶體質(zhì)量?jī)?yōu)化對(duì)短波紅外焦平面陣列至關(guān)重要。研究人員嘗試通過(guò)精確控制外延生長(zhǎng)條件（包括生長(zhǎng)溫度、氣體流速和沉積壓力）來(lái)優(yōu)化銦鎵砷與鍺錫薄膜的晶體質(zhì)量、摻雜濃度和表面形貌。本節(jié)將簡(jiǎn)要介紹外延銦鎵砷與鍺錫短波紅外焦平面陣列的最新進(jìn)展。

2.1 外延的InGaAs SWIR FPAs

表1. 報(bào)道了譜響應(yīng)范圍為0.9~3.0μm的外延InGaAs SWIR FPA，包括有源區(qū)組成、生長(zhǎng)工具、分辨率、間距、像素尺寸、晶片尺寸以及測(cè)量的暗電流和量子效率

2.2 外延Ge(Sn)短波紅外焦平面陣列

在第四族材料中，Ge展現(xiàn)出與CMOS工藝技術(shù)的高度兼容性，其在大尺寸硅晶圓上具備成本效益，且在短波紅外波段具有優(yōu)異的光響應(yīng)性能和可調(diào)帶隙（通過(guò)應(yīng)變工程、合金工程及摻雜工程實(shí)現(xiàn)）。這些材料特性使鍺成為新一代短波紅外傳感器技術(shù)的重要候選材料。為提升鍺材料的晶體質(zhì)量，研究者提出了多種生長(zhǎng)策略，例如：包含低溫與高溫的雙沉積溫度技術(shù)、砷摻雜鍺緩沖層、超薄硅鍺/硅超晶格緩沖層、反向梯度硅鍺緩沖層、高溫氫氣退火、循環(huán)熱退火以及選擇性外延生長(zhǎng)（SEG）。得益于該領(lǐng)域眾多研究者的努力，鍺外延層中的穿透位錯(cuò)密度（TDDs）已顯著降低至106cm?2量級(jí)。然而，鍺外延層與硅晶圓界面處仍存在大量失配缺陷，導(dǎo)致采用此結(jié)構(gòu)的像素在1310 nm和1550 nm波段呈現(xiàn)高暗電流與低峰值響應(yīng)率。因此，光譜響應(yīng)范圍為0.9–1.7 μm的混合型鍺/硅短波紅外圖像傳感器，尚無(wú)法與商用混合型銦鎵砷短波紅外圖像傳感器競(jìng)爭(zhēng)。

為與銦鎵砷短波紅外圖像傳感器競(jìng)爭(zhēng)，絕緣體上鍺（Germanium-on-Insulator, GOI）結(jié)構(gòu)已成為一種及時(shí)的解決方案。多種方法如智能切割技術(shù)、介質(zhì)晶圓鍵合技術(shù)和非晶層鍵合技術(shù)已被用于制備具有高質(zhì)量頂部鍺層的優(yōu)異GOI晶圓。因此，高缺陷的鍺/硅界面被移除，僅保留低位錯(cuò)密度的鍺層，這有利于降低GOI像素的暗電流。由于氧化物誘導(dǎo)的共振腔效應(yīng)（RCEs），峰值響應(yīng)率、峰值量子效率和帶寬也得到顯著提升，使得GOI短波紅外圖像傳感器在1310 nm波段的性能可與銦鎵砷短波紅外圖像傳感器產(chǎn)品相媲美甚至更優(yōu)。為克服鍺在1550 nm的本征吸收系數(shù)限制，多項(xiàng)研究表明分布式布拉格反射鏡（DBR）可提升探測(cè)性能，且該工藝兼容GOI工藝流程。最終使光譜響應(yīng)范圍0.9-1.7微米的GOI短波紅外圖像傳感器性能達(dá)到銦鎵砷產(chǎn)品水平。因此，具備DBR結(jié)構(gòu)的GOI短波紅外圖像傳感器憑借其CMOS兼容性、成本效益及更廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景（尤其在消費(fèi)電子和醫(yī)療領(lǐng)域），最有望取代銦鎵砷市場(chǎng)。

表2. 報(bào)道了譜響應(yīng)范圍為0.9～1.7μm的外延Ge（Sn）SWIR FPA，包括有源區(qū)、生長(zhǎng)工具、分辨率、間距、像素尺寸、晶片尺寸以及測(cè)量的暗電流和量子效率

3. 倒裝芯片凸點(diǎn)鍵合技術(shù)

圖1. 外延SWIR傳感器和CMOS ROIC之間電互連的三種主要方法的示意圖

焊料凸點(diǎn)需要足夠體積以確保鍵合可靠性，因此在實(shí)現(xiàn)小于5微米的混合像素間距和高深寬比結(jié)構(gòu)方面存在挑戰(zhàn)。采用膠體量子點(diǎn)（CQD）層作為吸收體時(shí)，量子點(diǎn)光電器件可直接在讀出電路上制備，此時(shí)像素間距取決于底部接觸焊盤尺寸（圖1d）。索尼開(kāi)發(fā)的銅-銅互連技術(shù)旨在提升背照式銦鎵砷圖像傳感器的生產(chǎn)率并縮小像素間距，據(jù)報(bào)道該工藝架構(gòu)的暗電流密度與標(biāo)準(zhǔn)混合架構(gòu)持平。作為銦凸點(diǎn)倒裝焊技術(shù)的強(qiáng)勁替代方案，銅-銅互連為高清外延短波紅外圖像傳感器開(kāi)辟了新路徑。該技術(shù)具有革新潛力，可通過(guò)提升成像性能拓展應(yīng)用空間。然而，仍需進(jìn)一步研究該工藝架構(gòu)對(duì)其他材料短波紅外傳感器的兼容性與可靠性。

自2016年銅銅鍵合技術(shù)應(yīng)用于硅基堆疊式CMOS圖像傳感器（CIS）量產(chǎn)以來(lái)，該技術(shù)不僅保障了高良率，更有望將像素間距縮減至1微米，為銦鎵砷圖像傳感器的像素微縮奠定基礎(chǔ)。采用芯片對(duì)晶圓（C2W）工藝可在大型CIS晶圓產(chǎn)線中高效低損地制造小型三五族光電二極管陣列，結(jié)合銅銅鍵合技術(shù)可構(gòu)建兼具高生產(chǎn)效率和精細(xì)像素間距的工藝架構(gòu)。然而銅銅鍵合仍面臨濕氣滲透、電遷移及銅擴(kuò)散等可靠性風(fēng)險(xiǎn)。C2W工藝的后續(xù)挑戰(zhàn)在于提升三五族芯片的晶圓貼裝效率，隨著像素間距縮小，熱膨脹系數(shù)差異（如三五族/硅異質(zhì)晶圓平整度及鍵合工藝條件）的影響將日益凸顯。

3.1 倒裝芯片技術(shù)通用工藝流程（第一部分）

圖2. 外延SWIR圖像傳感器的兩種常規(guī)倒裝工藝流程

3.1.1 雙面碰撞

雙面植球工藝主要包含以下步驟：（Ⅰ）對(duì)CMOS讀出電路晶圓和短波紅外傳感器晶圓進(jìn)行表面鈍化處理；（Ⅱ）暴露短波紅外像素的頂部電極及信號(hào)接收單元（圖2a,h）；（Ⅲ）實(shí)施凸點(diǎn)下金屬化（UBM）工藝^[163-165]^并沉積銦材料（圖2c,f,j,m）；（Ⅳ）進(jìn)行兩次剝離工藝清除多余UBM及銦凸點(diǎn)（圖2g,n）；（Ⅴ）通過(guò)回流工藝使銦形成球形凸點(diǎn)（圖2p,q），或保持未處理狀態(tài)（圖2g,n）；（Ⅵ）執(zhí)行帶/不帶銦凸點(diǎn)回流的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)倒裝焊（圖2r,o）。

工藝流程中需重點(diǎn)關(guān)注三大要點(diǎn)：其一，曝光過(guò)程中負(fù)性光刻膠暗區(qū)底部可能因雜散光形成硬化薄層，該層顯影后無(wú)法去除，將導(dǎo)致金屬與電極間產(chǎn)生不可接受的隔離——可采用剝離抗蝕劑（LOR）進(jìn)行規(guī)避，這種非感光材料置于負(fù)性光刻膠與基板間既可阻止硬化層形成，又能促成理想"底切"結(jié)構(gòu)（圖2b,i）；當(dāng)銦層較厚（≥5μm）時(shí)，旋涂負(fù)膠難以滿足厚度需求，此時(shí)在負(fù)膠下方添加LOR可增加整體光阻厚度（圖2f），但需注意LOR需特定溶劑清除。其二，若無(wú)法使用厚光阻層，可適當(dāng)放大銦凸點(diǎn)圖形尺寸形成"銦盤"以確保材料體積；回流銦凸點(diǎn)高度主要取決于沉積銦量，不采用回流工藝則需厚光阻層與高質(zhì)量銦沉積，剝離后凸點(diǎn)高度即目標(biāo)高度（圖2g,n）——若剝離后形貌不佳需通過(guò)回流改善（圖2p,q）。其三，雙面植球尤其適用于≤10微米精度的冷壓鍵合，該工藝可在室溫或低于銦熔點(diǎn)條件下進(jìn)行，能適應(yīng)大規(guī)模（400萬(wàn)像素）短波紅外焦平面陣列的翹曲及平整度差異；需特別注意倒裝焊完成后不可再對(duì)雙面植球結(jié)構(gòu)實(shí)施回流工藝。

3.1.2 單側(cè)碰撞

單面植球工藝僅在傳感器晶圓上制作凸點(diǎn)（圖2h–n），而在CMOS讀出電路晶圓上沉積凸點(diǎn)下金屬層（UBM）（圖2s–u）。為增強(qiáng)結(jié)合力與鍵合強(qiáng)度，CMOS讀出電路晶圓在UBM沉積前需預(yù)鍍薄銦層（圖2v），隨后同步剝離UBM與銦層（圖2w），從而省去一道光刻工序；圖2t所示光阻厚度須大于圖2b,i中的厚度，以避免銦沉積時(shí)產(chǎn)生粘連現(xiàn)象（圖2v）。圖2x展示了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)倒裝焊過(guò)程，回流工藝可實(shí)現(xiàn)自對(duì)準(zhǔn)（圖2q）并提升機(jī)械強(qiáng)度；執(zhí)行回流時(shí)，帶銦凸點(diǎn)的芯片應(yīng)置于下方。對(duì)于像素規(guī)模較小、間距較大且鍵合精度要求較低的短波紅外焦平面陣列，單面植球具備成本優(yōu)勢(shì)。

3.2 倒裝芯片技術(shù)通用工藝流程（第二部分）

圖3. 第二部分為常規(guī)倒裝芯片工藝

外延型短波紅外圖像傳感器需進(jìn)行背s部減薄拋光處理（圖3c,f）。在無(wú)銦凸點(diǎn)區(qū)域，底部填充材料能發(fā)揮關(guān)鍵支撐作用，減輕背部減薄導(dǎo)致的局部塌陷（圖3b,e）。減薄表面施加增透膜可顯著降低入射輻射損耗（圖3未示意）。封裝形式隨應(yīng)用需求變化，圖3g簡(jiǎn)要展示了常溫金屬殼體封裝流程：該殼體通過(guò)內(nèi)外鍍金層有效屏蔽外部電磁干擾，封裝上蓋設(shè)有藍(lán)寶石/石英入射窗口（圖3g）；殼體內(nèi)部一端的金箔鍵合焊盤通過(guò)引線與讀出電路連接，外部另一端設(shè)置連接信號(hào)處理系統(tǒng)的電接口（圖3g,h）。

該封裝常搭配微型熱電制冷器（TEC）使用（圖3i）。短波紅外焦平面陣列背部需與入射窗口精確對(duì)準(zhǔn)，確保整個(gè)感光面接收紅外輻射（圖3j）。封裝上蓋與基座在干燥惰性氣體環(huán)境（或真空）中進(jìn)行密封焊接，其中金鍍層可增強(qiáng)焊縫強(qiáng)度并保障密封有效性（圖3k）。金屬殼體封裝為焦平面陣列營(yíng)造了保護(hù)環(huán)境，使其免受物理?yè)p傷與外部污染，同時(shí)提供光學(xué)、電氣及機(jī)械接口，全面提升系統(tǒng)的可靠性與環(huán)境適應(yīng)性。

3.3 銦凸點(diǎn)形成

圖4. 倒裝芯片混合SWIR FPA結(jié)構(gòu)示意圖

圖5. 外延圖像傳感器制造中使用的各種凸點(diǎn)技術(shù)

銦憑借物理化學(xué)特性在短波紅外成像領(lǐng)域備受青睞。其優(yōu)異的低溫工作性能（如77K液氮甚至4.15K液氦環(huán)境）使銦凸點(diǎn)成為優(yōu)選方案，尤其在軍事應(yīng)用中。純銦具有多重優(yōu)勢(shì)：熔點(diǎn)低（156.6℃）、屈服應(yīng)力小、導(dǎo)熱率高、潤(rùn)濕性優(yōu)異。銦在寬溫域內(nèi)展現(xiàn)延展性與可塑性，特別適用于熱敏感或機(jī)械脆弱器件的裝配連接，并能有效緩解熱失配應(yīng)力，始終是熱循環(huán)應(yīng)用場(chǎng)景的理想材料。

銦的低熔點(diǎn)特性支持室溫鍵合，避免連接部位承受過(guò)度應(yīng)力并降低工藝熱預(yù)算。其高塑性確保焦平面陣列與CMOS讀出電路在組裝時(shí)不易受機(jī)械損傷，倒裝焊過(guò)程中的形變可釋放組件間應(yīng)力并適應(yīng)翹曲變形。短波紅外成像所需的微米級(jí)焊料凸點(diǎn)要求可由銦滿足：典型銦凸點(diǎn)直徑5~30μm，兼具良好電阻率與低電感特性，為高頻工作提供關(guān)鍵保障。密集排布的銦凸點(diǎn)能顯著提升器件信噪比。無(wú)論制冷型或非制冷型短波紅外傳感器，銦作為電互連材料均展現(xiàn)高度兼容性。銦凸點(diǎn)制備主要包含兩大步驟：(I)凸點(diǎn)下金屬化；(II)銦凸點(diǎn)成形。

3.3.1 凸點(diǎn)下金屬化

表3. 銦凸點(diǎn)系統(tǒng)的UBM選項(xiàng)，包括年份、機(jī)構(gòu)、UBM堆疊層（厚度）和沉積方法

凸點(diǎn)下金屬化(UBM)的作用隨銦凸點(diǎn)制造工藝而異（圖6詳述蒸發(fā)法與電鍍法工藝）。圖6a展示采用正性光刻膠的光刻膠翻轉(zhuǎn)工藝，通過(guò)單步濕法剝離同步實(shí)現(xiàn)UBM與銦凸點(diǎn)制備；而圖6b工藝則需在UBM沉積前增加鈍化層保護(hù)，通過(guò)電鍍形成凸點(diǎn)后去除光刻膠，再經(jīng)干法蝕刻移除大部分UBM層——此時(shí)UBM除基礎(chǔ)功能外還充當(dāng)電鍍種子層。需注意：干法蝕刻不可避免造成部分銦凸點(diǎn)損耗，鈍化層僅保護(hù)底層結(jié)構(gòu)免受損傷。替代方案中，可通過(guò)濕法剝離（非蝕刻）獲得圖案化UBM（種子層）。兩種方法均涉及銦凸點(diǎn)回流焊，熔融銦在表面張力作用下形成截頂球形。圓形UBM設(shè)計(jì)普遍用于促進(jìn)銦凸點(diǎn)球化。回流過(guò)程中，銦凸點(diǎn)自動(dòng)與UBM對(duì)準(zhǔn)并嚴(yán)格限定在UBM區(qū)域內(nèi)，故UBM亦稱球限金屬(BLM)。

圖6. 銦凸點(diǎn)工藝流程

3.3.2 銦凸點(diǎn)形成

銦在倒裝焊接中的核心價(jià)值源于其能建立可靠的電熱連接，同時(shí)滿足現(xiàn)代半導(dǎo)體器件的機(jī)械公差與熱管理要求。其柔軟的質(zhì)地、低熔點(diǎn)特性、導(dǎo)電性能及兼容性，對(duì)提升圖像傳感器制造中倒裝組件的效率、性能及耐久性具有決定性作用。典型銦凸點(diǎn)成形工藝涵蓋凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、銦材料沉積及特性優(yōu)化三大關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

銦凸點(diǎn)設(shè)計(jì)

銦凸點(diǎn)的間距與數(shù)量由短波紅外焦平面陣列（SWIR FPAs）的像素設(shè)計(jì)決定，典型像素間距為10微米或更大（也存在7-5微米間距特例）。銦凸點(diǎn)作為每個(gè)像素與信號(hào)處理單元間的機(jī)電連接中介實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接觸。SWIR FPAs成像采用的CMOS讀出集成電路（ROICs）通常具備標(biāo)準(zhǔn)化、成熟化和系統(tǒng)化特征，因此SWIR FPAs的設(shè)計(jì)需適配CMOS ROICs以降低設(shè)計(jì)成本并簡(jiǎn)化后續(xù)工藝。銦柱橫截面形狀與尺寸需綜合考量多因素：倒裝鍵合強(qiáng)度取決于銦凸點(diǎn)接觸面積——更大接觸面積可承受更高鍵合壓力從而增強(qiáng)整體結(jié)合強(qiáng)度；更大橫截面積意味著更低銦凸點(diǎn)電阻；銦凸點(diǎn)直徑或?qū)挾刃杈o密匹配像素尺寸并充分覆蓋凸點(diǎn)下金屬（UBM）。光刻膠開(kāi)口效應(yīng)使銦凸點(diǎn)通常呈圓柱狀——圖4b(①)展示理想縱向截面形態(tài)，而實(shí)際制造常見(jiàn)圖4b(②)形態(tài)。隨著像素增加與間距縮小，采用銦凸點(diǎn)回流整形工藝可提升混合鍵合成功率（圖4b(⑥)）。倒裝鍵合過(guò)程中的壓力傳導(dǎo)至銦凸點(diǎn)引發(fā)接觸點(diǎn)可控塌陷，銦凸點(diǎn)堆積與橫向擴(kuò)展導(dǎo)致水平截面直徑超出設(shè)計(jì)值，因此在設(shè)計(jì)中需考量像素尺寸與間距（尤其細(xì)微間距場(chǎng)景見(jiàn)圖4b(④,⑤)）以防止短路，在滿足鍵合強(qiáng)度前提下通過(guò)精準(zhǔn)控制焊接壓力可抑制此類形變。

銦凸點(diǎn)的高度設(shè)計(jì)在一定范圍內(nèi)具有靈活性，以確保凸點(diǎn)間高度差處于可接受范圍。相同高度范圍內(nèi)，過(guò)矮的銦凸點(diǎn)可能導(dǎo)致倒裝鍵合后焊點(diǎn)強(qiáng)度不足，而過(guò)高的凸點(diǎn)則易引發(fā)相鄰?fù)裹c(diǎn)粘連（圖4b(③,④)），因此確保同批次凸點(diǎn)高度均勻性至關(guān)重要。銦凸點(diǎn)整體高度不宜過(guò)低，增加高度具有多重優(yōu)勢(shì)：增強(qiáng)短波紅外焦平面陣列（SWIR FPAs）與CMOS讀出電路翹曲容忍度；更高的凸點(diǎn)可通過(guò)更大塑性形變吸收機(jī)械應(yīng)力；增加的鍵合間隙有助于環(huán)氧樹(shù)脂毛細(xì)流動(dòng)實(shí)現(xiàn)填充，從而提升結(jié)合強(qiáng)度。銦凸點(diǎn)參考縱橫比通常限制為不低于1:1，此舉有助于降低像素間耦合噪聲。

由于SWIR FPAs與CMOS讀出電路表面并非理想平面，決定銦沉積余量時(shí)須考量表面形貌。平面型SWIR FPAs與CMOS讀出電路表面結(jié)構(gòu)相似，均在像素電極或信號(hào)處理單元上方設(shè)有含接觸窗口的鈍化層，當(dāng)接近像素間距尺寸時(shí)，鈍化窗口會(huì)消耗部分銦體積。臺(tái)面型SWIR FPAs則通過(guò)像素間刻蝕隔離溝槽降低電串?dāng)_，其表面結(jié)構(gòu)與溝槽平整度與平面型截然不同。隔離溝槽雖增加光刻圖形化難度，卻有利于底部填充的速度與成功率。盡管凸點(diǎn)下金屬層（UBM）可局部改善表面平整度，但典型金屬厚度低于500納米，難以實(shí)現(xiàn)平坦。

圖7. （a）不足和（b）在ROIC上充分沉積銦凸點(diǎn)（提升后）；（c）銦凸點(diǎn)上表面出現(xiàn)凹坑狀塌陷

不同倒裝鍵合方法需要差異化的銦凸點(diǎn)制造工藝。單面凸點(diǎn)工藝中，單側(cè)銦凸點(diǎn)質(zhì)量直接決定互連良率，此時(shí)銦凸點(diǎn)回流整形對(duì)實(shí)現(xiàn)高度均勻性；而雙面凸點(diǎn)工藝則具有更高容差。冷壓倒裝鍵合無(wú)需銦凸點(diǎn)回流即可實(shí)現(xiàn)高像素良率，這主要?dú)w因于室溫冷壓鍵合后雙面銦凸點(diǎn)的高縱橫比（圖4b(①)），能有效降低短波紅外焦平面陣列（SWIR FPAs）與CMOS讀出電路間的熱失配應(yīng)力，同時(shí)補(bǔ)償芯片翹曲導(dǎo)致的橫向偏移，因此雙面凸點(diǎn)工藝在超大型SWIR FPAs中優(yōu)勢(shì)顯著。當(dāng)需要回流工藝時(shí)（銦盤轉(zhuǎn)化為銦凸點(diǎn)），需特別關(guān)注凸點(diǎn)下金屬層（UBM）尺寸、銦光刻圖形及銦層厚度——理想條件下回流后的銦凸點(diǎn)高度可根據(jù)截頂球體體積公式計(jì)算：

銦凸點(diǎn)高度、截頂球體半徑分別對(duì)應(yīng)公式中的h與r，其中截頂球體體積V等于沉積銦的體積（假設(shè)回流前后銦總體積不變），可通過(guò)銦光刻圖形面積乘以沉積銦厚度獲得。實(shí)際回流過(guò)程中，銦凸點(diǎn)最終形態(tài)受氣氛環(huán)境、溫濕度等因素影響，未必嚴(yán)格符合截頂球體模型，實(shí)際半徑通常略小于r，這與回流前后銦材料密度變化相關(guān)。當(dāng)銦凸點(diǎn)圖形直徑小于10微米時(shí)，光刻膠開(kāi)口直徑通常較小。若固定沉積銦厚度：當(dāng)銦光刻圖形水平尺寸顯著大于UBM直徑時(shí)，過(guò)量銦體積無(wú)法被UBM收集而形成外圍殘留銦；反之圖形尺寸過(guò)小則導(dǎo)致成形銦量不足。Lee等學(xué)者通過(guò)控制沉積銦厚度并測(cè)試UBM與銦凸點(diǎn)圖形尺寸組合發(fā)現(xiàn)：當(dāng)二者水平尺寸比為1:2.5時(shí)，UBM潤(rùn)濕效應(yīng)，可有效減少外圍殘留銦。

銦凸點(diǎn)沉積

電鍍（又稱紫外光刻電鍍）與熱蒸發(fā)是兩種廣泛采用的銦沉積方法，因其生產(chǎn)成本低、操作簡(jiǎn)便而被普遍使用。電鍍工藝能精確控制沉積速率，但制備的銦膜質(zhì)量通常較低，適用于制造大間距大直徑的銦凸點(diǎn)陣列；相比之下，熱蒸發(fā)在控制薄膜均勻性方面更具優(yōu)勢(shì)，尤其在大尺寸晶圓（≥8英寸）上表現(xiàn)優(yōu)于電鍍工藝。然而當(dāng)處理精細(xì)間距（≤10μm）時(shí)，由于需兼顧高深寬比與大尺寸制造，該工藝在實(shí)現(xiàn)高均勻性、低缺陷密度的銦凸點(diǎn)方面也會(huì)帶來(lái)挑戰(zhàn)。

電沉積銦

圖8. 電鍍銦凸點(diǎn)工藝流程示意圖

Son等研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)電鍍工藝在8英寸硅片上成功制備出均勻的高深寬比（≥2:1）銦凸點(diǎn)陣列。該團(tuán)隊(duì)采用銦凸點(diǎn)切割工藝，最終實(shí)現(xiàn)最小5微米的節(jié)距。圖9展示了采用Ti/Au種子層的電鍍流程：電鍍前使用氨基磺酸鹽溶液作為電鍍液，通過(guò)攪拌法對(duì)晶圓進(jìn)行預(yù)浸潤(rùn)以消除精細(xì)間距圖形間的氣泡；電鍍后無(wú)需去除光刻膠，直接對(duì)銦凸點(diǎn)進(jìn)行切割處理并實(shí)現(xiàn)與晶圓表面平行的整平操作。該方法成為實(shí)現(xiàn)大尺寸高分辨率短波紅外焦平面陣列超精細(xì)節(jié)距的基準(zhǔn)工藝，但切割整平過(guò)程需依賴特定類型的光刻膠配合精密切割設(shè)備完成。

圖9. 銦切割電鍍碰撞工藝示意圖

銦蒸發(fā)

熱蒸發(fā)法能以低成本實(shí)現(xiàn)快速成膜，特別適用于微米級(jí)銦膜沉積。將銦源材料置于坩堝中加熱至熔融態(tài)，進(jìn)一步升溫形成向上輻射的蒸氣流，使其接觸帶圖形的基板并在表面冷凝成膜。由于蒸發(fā)的方向性限制，該方法沉積的銦膜臺(tái)階覆蓋能力有限，反而有利于剝離工藝。蒸發(fā)過(guò)程中銦凸點(diǎn)形貌受基板狀態(tài)、光刻膠圖形化、真空度及沉積速率等多因素影響。目標(biāo)基板固定在水冷基座上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)熱交換，快速高效的熱交換確保基板恒低溫狀態(tài)，有利于形成小晶粒銦膜——低溫環(huán)境降低銦原子擴(kuò)散遷移率，減緩薄膜橫向生長(zhǎng)，促進(jìn)銦凸點(diǎn)頂部平坦化；同時(shí)抑制光刻膠殘留溶劑揮發(fā)（維持腔體真空度）并降低光刻膠熱預(yù)算，避免過(guò)熱導(dǎo)致剝離難度增加。該工藝中薄膜表面因島狀生長(zhǎng)產(chǎn)生的粗糙度隨基板溫度升高而降低。

圖10. （a） 光刻膠開(kāi)裂；（b）提升前的矩形光刻開(kāi)口；（c）提升前的圓形光刻開(kāi)口；（d）“銦吐”

熱蒸發(fā)工藝在高真空環(huán)境下進(jìn)行，以最大限度減少氣態(tài)銦原子與其他氣體分子的相互作用，從而降低氣相成核污染。低壓環(huán)境延長(zhǎng)了銦原子平均自由程，有利于優(yōu)化銦凸點(diǎn)形貌。沉積速率過(guò)高會(huì)提升腔體內(nèi)銦原子分壓，促進(jìn)氣相成核與團(tuán)簇形成，逸出的大尺寸銦顆粒造成"銦飛濺"現(xiàn)象（圖10d），導(dǎo)致薄膜不均勻。銦蒸發(fā)參數(shù)需根據(jù)應(yīng)用需求針對(duì)性調(diào)整：精確控制沉積速率與腔體真空度是制備高質(zhì)量銦凸點(diǎn)的關(guān)鍵。針對(duì)低深寬比（≤1:1）凸點(diǎn)，建議采用適中蒸發(fā)速率并優(yōu)化基板溫度；深冷基板溫度則有助于實(shí)現(xiàn)高深寬比（≈2:1）結(jié)構(gòu)。但必須綜合考慮光刻膠開(kāi)口閉合速率與蒸發(fā)速率的非線性關(guān)系，同時(shí)權(quán)衡銦原子表面遷移效應(yīng)與蒸發(fā)速率的競(jìng)爭(zhēng)影響。

剝離工藝與離子刻蝕

銦凸點(diǎn)陣列外部的殘余銦通過(guò)剝離工藝去除（圖11a所示）。首先通過(guò)光刻將銦凸點(diǎn)圖形轉(zhuǎn)移到負(fù)性光刻膠上，形成窗口結(jié)構(gòu)；隨后進(jìn)行全局銦沉積，此時(shí)負(fù)性光刻膠作為掩膜阻擋非目標(biāo)區(qū)域的銦沉積。剝離液通過(guò)光刻膠裂縫溶解膠體，同步去除光刻膠表面的銦層，從而實(shí)現(xiàn)銦的圖形化成型。

圖11. （a）銦碰撞剝離工藝。插圖（a）顯示圖案化負(fù)性光刻膠的橫截面SEM圖像；（b）金屬剝離工藝（以深紅色箭頭指示）和金屬蝕刻工藝（以紫色箭頭指示）的比較；（c）在UV光刻中對(duì)應(yīng)于正和負(fù)光致抗蝕劑的光致抗蝕劑形態(tài)；（d）離子刻蝕后銦凸起陣列的SEM照片，和（e，f）回流焊后銦凸點(diǎn)的SEM俯視圖

剝離工藝與金屬蝕刻（濕法/干法蝕刻）是金屬圖形化的常用技術(shù)（圖11b）。剝離工藝在金屬化同時(shí)完成自圖形化，省去了后續(xù)蝕刻步驟。銦凸點(diǎn)高度遠(yuǎn)超常規(guī)金屬電極和互連線，蝕刻選擇性低且易損傷基板。對(duì)于節(jié)距超過(guò)10μm的銦凸點(diǎn)陣列，剝離工藝更具實(shí)操性。正膠與負(fù)膠光刻后分別形成"頂切"和"底切"結(jié)構(gòu)（圖11c）：底切利于銦層在臺(tái)階邊緣與光刻膠分離，頂切則導(dǎo)致銦膜包覆臺(tái)階邊緣形成連續(xù)結(jié)構(gòu)，阻礙剝離液滲入。除采用負(fù)膠實(shí)現(xiàn)底切側(cè)壁外，亦可使用圖像反轉(zhuǎn)或雙層光刻膠工藝。剝離工藝被為不均勻性主因，凸點(diǎn)高度不足、結(jié)合力差等問(wèn)題也更為突出。Zhang團(tuán)隊(duì)采用離子蝕刻替代剝離工藝，精確蝕刻銦凸點(diǎn)及UBM層，獲得10μm節(jié)距、9.3μm高度（均勻性2%）的凸點(diǎn)陣列，表明凸點(diǎn)間銦含量差異極小。但此時(shí)銦凸點(diǎn)呈圓錐形（圖11d），未滿足大接觸面積平頂要求。經(jīng)回流調(diào)整后平均高度降至7.42μm（圖11e）和7.34μm（圖11f），但此法仍需攻克三大難題：光刻膠對(duì)基板的保護(hù)效能、必要蝕刻比的控制、蝕刻副產(chǎn)物對(duì)回流的影響（圖11f）。蝕刻與回流工藝結(jié)合可制備高度均勻的超細(xì)節(jié)距銦凸點(diǎn)陣列，為超細(xì)節(jié)距混合應(yīng)用提供技術(shù)路徑。

為降低剝離工藝負(fù)面影響并提升良率，需遵循三原則：①光刻膠厚度需平衡臺(tái)階邊緣開(kāi)裂誘導(dǎo)與圖形分辨率（同種材料噴膠厚于旋涂，多次旋涂可增厚）；②全程溫控涵蓋光刻至剝離階段（前烘及沉積溫度嚴(yán)禁超限）；③可采用超聲或加熱加速剝離，但須預(yù)先清除游離銦膜，避免刮蹭損傷凸點(diǎn)陣列。

銦凸點(diǎn)優(yōu)化

圖12. 銦凸點(diǎn)的常用優(yōu)化方法

Greer團(tuán)隊(duì)對(duì)比了等離子體與濕化學(xué)法去除氧化銦的效果，提出Ar/CH4/H2和Ar/H2兩步等離子體處理法，既能有效清除氧化層，又避免了HCl濕法刻蝕導(dǎo)致的各向同性腐蝕問(wèn)題。Huang等采用Ar/CH4/H2/SF6混合氣體等離子體刻蝕，XPS分析顯示SF6的引入使In-O鍵強(qiáng)度占比從44.5%驟降至10.8%，其生成的氧氟化物可阻隔氧內(nèi)擴(kuò)散。Cui團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，氮?dú)猸h(huán)境中回流可使銦凸點(diǎn)趨于球形（圖13b），但UBM缺陷會(huì)導(dǎo)致熔融銦外溢形成餅狀粗糙表面（圖13d），凸顯無(wú)缺陷UBM對(duì)獲得光滑球形凸點(diǎn)的關(guān)鍵作用。

圖13.（a）回流焊前形狀不規(guī)則的銦凸起；（b）在N2中回流后的銦凸起；（c）在富含甲酸的N2中回流后的正常重整銦凸起；（d）缺陷UBM上的銦“煎餅”；（e）兩步回流示意圖；（f）相對(duì)于相同體積的球體或半球，銦凸起高度的變化；（g）受固體影響的熔融銦表面張力示意圖；（h）軟通量。銦凸點(diǎn)的兩種制備工藝流程圖：（i）直接沉積在UBM接觸墊上的銦；（j）銦沉積在UBM接觸墊頂部的SiNx開(kāi)口孔上

Jordan團(tuán)隊(duì)揭示回流后銦凸點(diǎn)高度主要取決于沉積銦量，而Ti/Ni基UBM直徑影響甚微。通過(guò)甲酸氣氛低溫除氧結(jié)合真空高溫回流的兩步法，可獲得均勻光滑凸點(diǎn)（圖13e），且UBM直徑越小凸點(diǎn)越高（圖13f）。Zhu等提出助焊劑輔助濕法回流工藝，證實(shí)低粘度液態(tài)助焊劑能最小化熔融銦表面張力干擾，相較固態(tài)助焊劑顯著提升球形度（圖13g,h），同時(shí)實(shí)現(xiàn)自對(duì)準(zhǔn)鍵合與氧化銦同步清除。Koz?owski開(kāi)發(fā)甲酸蒸氣退火結(jié)合濕法刻蝕的預(yù)處理技術(shù)，優(yōu)化銦蒸發(fā)工藝以提高原子密度，并通過(guò)預(yù)退火解決10%鹽酸浴處理導(dǎo)致的凸點(diǎn)脫附問(wèn)題，剪切測(cè)試表明UBM結(jié)合力顯著增強(qiáng)。Ma團(tuán)隊(duì)在Cr/Ni/Au基UBM上引入氮化硅層（圖13j），成功制備10μm節(jié)距球形銦凸點(diǎn)陣列，該結(jié)構(gòu)有效抑制非均勻回流現(xiàn)象，為≤10μm超細(xì)節(jié)距應(yīng)用開(kāi)辟新途徑。

3.4 底部填充物

底充膠在倒裝焊技術(shù)中起著關(guān)鍵作用，它可以提高機(jī)械強(qiáng)度、減輕熱循環(huán)產(chǎn)生的應(yīng)力、改善熱管理、提供環(huán)境保護(hù)、確保電氣隔離以及促進(jìn)工藝兼容性?？傊?，這些屬性對(duì)外延SWIR圖像傳感器的總體可靠性、性能和壽命有顯著貢獻(xiàn)。

3.4.1 底填材料概述

底部填充材料與IBM的倒裝芯片及可控塌陷芯片連接（C4）技術(shù)密切相關(guān)。倒裝芯片發(fā)展初期，高成本陶瓷基板因更優(yōu)的熱膨脹系數(shù)（CTE）匹配性（氧化鋁陶瓷CTE為6.9 ppm K?1，硅基芯片為2.5 ppm K?1）被優(yōu)先選用，可顯著緩解C4凸點(diǎn)（CTE 22-25 ppm K?1）在有機(jī)基板（如FR-4的CTE 18-24 ppm K?1）上的熱循環(huán)劣化問(wèn)題。固化后的底部填充材料為焊球提供機(jī)械保護(hù)（抗振動(dòng)、跌落及沖擊損傷），在互連區(qū)與環(huán)境間形成防潮防氧化屏障，增強(qiáng)芯片與基板粘接強(qiáng)度，使焊點(diǎn)應(yīng)變降低10-25%并延長(zhǎng)疲勞壽命，成為提升倒裝芯片固有可靠性的關(guān)鍵保障措施。

底部填充材料通常為具備電、熱、機(jī)械多功能特性的復(fù)合材料，由懸浮液和填料組成。環(huán)氧樹(shù)脂因其耐化學(xué)性、強(qiáng)粘附性、低成本及優(yōu)異電物理性能成為常用懸浮基質(zhì)。填料的類型、形狀、尺寸及表面形態(tài)顯著影響材料CTE、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性和粘度等性能。為實(shí)現(xiàn)最佳流動(dòng)均勻性，填料尺寸需小于填充間隙的三分之一，且懸浮液與填料的比例對(duì)平衡流動(dòng)性與功能性至關(guān)重要。

底部填充的固化過(guò)程通過(guò)將環(huán)氧樹(shù)脂轉(zhuǎn)化為固態(tài)交聯(lián)結(jié)構(gòu)，顯著提升機(jī)械強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性和粘附性，但填料引入也帶來(lái)新挑戰(zhàn)：環(huán)氧樹(shù)脂交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的無(wú)序非晶鏈結(jié)構(gòu)導(dǎo)致顯著的聲子散射，使傳統(tǒng)環(huán)氧樹(shù)脂熱導(dǎo)率低于0.2 W·m?1·K?1。為此需添加納米金屬、碳管、石墨烯等高導(dǎo)熱填料，但需謹(jǐn)慎平衡其對(duì)導(dǎo)電性的影響。此外，固化過(guò)程中填料在Z軸方向分布不均易引發(fā)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）、CTE、韌性和粘附性等性能波動(dòng)，維持填料均勻懸浮仍是技術(shù)難點(diǎn)。

針對(duì)這些挑戰(zhàn)，Wen團(tuán)隊(duì)提出了理想底部填充材料的選擇標(biāo)準(zhǔn)，包括低粘度（298K時(shí)<20 Pa·s）、高導(dǎo)熱性（>1.0 W·m?1·K?1）、適宜CTE（25-30 ppm K?1）、高電阻率（>1012 Ω·cm）、低介電常數(shù)（298K/1kHz下<4.0）及低介電損耗因子（<0.005）。然而同時(shí)滿足所有標(biāo)準(zhǔn)仍具挑戰(zhàn)性，性能提升往往需在其他方面作出妥協(xié)。除優(yōu)化填料外，通過(guò)特定官能團(tuán)對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行精準(zhǔn)分子設(shè)計(jì)或改性，也是開(kāi)發(fā)多功能復(fù)合底部填充材料的重要途徑。

3.4.2 SWIR FPA底部填充

針對(duì)短波紅外焦平面陣列（SWIR FPA）用底部填充材料需滿足六項(xiàng)核心要求：優(yōu)異電絕緣性與高電阻率（防止銦凸點(diǎn)間短路）；低介電常數(shù)（減少銦凸點(diǎn)與鍵合界面寄生電容）；高導(dǎo)熱性（保障焦平面陣列工作溫度穩(wěn)定）；熱膨脹系數(shù)（TEC）需在垂直軸向匹配銦凸點(diǎn)，并同步協(xié)調(diào)SWIR FPA與讀出電路（ROIC）間的TEC差異；合理固化時(shí)間（避免影響填充效率）；適當(dāng)粘度（確保毛細(xì)作用充分生效）。

毛細(xì)管底充

圖14. （a）SWIR FPA裸模塊分配圖；（b）毛細(xì)作用下的底充材料流動(dòng)；（c）分配后的加熱固化；（d）直線配藥；（e）以“L”形分配；（f）以“U”形分配；（g）分配后的SWIR FPA裸模塊；（h）底填材料的濕潤(rùn)情況；（i）IRFPA裸模塊的超聲掃描顯微鏡圖像

針對(duì)SWIR焦平面陣列的底部填充工藝，主要采用三種點(diǎn)膠路徑（圖14d-f）：沿長(zhǎng)邊或無(wú)焊盤側(cè)直線填充（I型）、沿相鄰兩邊L形填充（II型）、沿三邊U形填充（III型），均需避讓ROIC焊盤以確保后續(xù)鍵合。點(diǎn)膠后需預(yù)留充分流動(dòng)時(shí)間，避免四面封閉填充導(dǎo)致氣體滯留。填充時(shí)長(zhǎng)受材料粘度、銦凸點(diǎn)密度/高度及芯片尺寸共同影響，助焊劑殘留問(wèn)題亦需重視（圖14g-i展示L形點(diǎn)膠后固化效果及超聲檢測(cè)結(jié)果）。

面對(duì)像素間距持續(xù)微縮（達(dá)30μm）、銦凸點(diǎn)高度降低導(dǎo)致的毛細(xì)填充極限，亟需技術(shù)創(chuàng)新：1) 真空增強(qiáng)點(diǎn)膠環(huán)境配合材料改性，提升窄間隙滲透性；2) 利用溫度梯度驅(qū)動(dòng)熱毛細(xì)效應(yīng)加速流動(dòng)；3) 針對(duì)大尺寸芯片（≥40mm×40mm）采用垂直填充技術(shù)，解決橫向填充時(shí)邊緣溢流導(dǎo)致的填充缺陷。

3.5 背部減薄

倒裝焊結(jié)構(gòu)的短波紅外焦平面陣列（SWIR FPA）采用背入射方式吸收紅外輻射，但襯底材料（如CdZnTe、GaAs、InP等）對(duì)短波紅外存在不同程度的吸收，需通過(guò)減薄或去除襯底來(lái)減少輻射損失。保留ROIC上的薄層FPA可提升量子效率與響應(yīng)度，選擇性襯底去除還能降低像素間串?dāng)_。入射界面常采用拋光或增透膜處理以減少反射，大尺寸SWIR FPA的背面減薄還可緩解快速冷卻時(shí)的熱應(yīng)力問(wèn)題。

?背面減薄工藝包括機(jī)械研磨（快速減薄）、化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）和濕法化學(xué)刻蝕（慢速減薄）。研磨產(chǎn)生的劃痕與裂紋需通過(guò)CMP消除，CMP通過(guò)物理化學(xué)協(xié)同作用進(jìn)一步減薄并降低表面粗糙度，但需控制減薄厚度以保證結(jié)構(gòu)可靠性。FPA-ROIC間隙中的網(wǎng)狀底部填充材料可為無(wú)銦凸點(diǎn)區(qū)域提供支撐，濕法刻蝕則能實(shí)現(xiàn)亞微米級(jí)減薄且無(wú)物理?yè)p傷。

?通過(guò)減薄及去除InP襯底，背照式InGaAs/InP PIN型SWIR FPA的響應(yīng)光譜可擴(kuò)展至近紅外甚至可見(jiàn)光范圍（圖15a,b）。典型臺(tái)面型結(jié)構(gòu)自上而下分為傳感器外延層（含N型InP接觸層、InGaAs吸收層和InP覆蓋層）、底部填充的銦凸點(diǎn)層和ROIC。InP襯底（帶隙1.35eV）對(duì)可見(jiàn)光吸收率高，僅短波紅外能穿透至InGaAs層（帶隙0.75eV），但入射過(guò)程中的反射與吸收仍無(wú)法避免。

圖15. 背面照明InGaAs/InP SWIR-FPA可見(jiàn)擴(kuò)展原理圖

Rouvié團(tuán)隊(duì)通過(guò)去除InP襯底并在N型InP接觸層表面制備SiO2/TiO2寬譜增透膜（400-1700nm反射率<6%），使平面型InGaAs/InP SWIR FPA在500nm處量子效率達(dá)40%，800nm處達(dá)75%，900-1600nm超80%。He團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新采用含InGaAs刻蝕停止層的外延結(jié)構(gòu)（圖15d），結(jié)合機(jī)械拋光減薄至100μm與磷酸/鹽酸混合液刻蝕兩階段工藝（圖15e），利用酒石酸對(duì)InGaAs/N型InP的選擇性刻蝕特性去除刻蝕停止層（圖15f），再經(jīng)ICP等離子刻蝕將N型InP接觸層減薄至10nm（圖15i），實(shí)現(xiàn)500-1700nm波段QE超60%的可見(jiàn)光擴(kuò)展探測(cè)器，等離子刻蝕后表面反射率降至17%。Zhang團(tuán)隊(duì)通過(guò)局部保留像素陣列周圍的N型InP接觸層（圖15c），將光譜響應(yīng)范圍延伸至200-1700nm，在300-1650nm波段內(nèi)量子效率突破45%（圖15h），創(chuàng)下可見(jiàn)光-短波紅外寬譜探測(cè)新紀(jì)錄。

參考文獻(xiàn)

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