基于三维集成技术的红外探测器

基于三维集成技术的红外探测器

传统的红外探测器结构示意图

三维垂直集成示意图

这项研究对微电子器件三维集成技术进行了总结介绍，列举了国外相关研究机构利用三维集成技术研制红外探测器的进展，探讨了三维集成技术在红外探测器研制中面临的挑战。

In柱互连和通孔互连结构的红外探测器示意图

随着光电系统应用需求的牵引，红外探测器正在向着缩小体积、重量和功耗，同时提高功能集成度的方向发展。采用三维集成技术实现多电路集成，可突破传统单片读出电路对红外系统性能和功能的限制，提高系统极限性能、扩展系统功能并且提高其集成度，满足对远距离弱小目标探测、高精度激光雷达成像等需求。

国外研究机构开发了各自适用的三维集成工艺，已经完成了主被动成像探测、高性能红外探测器、片上相机等原理样品的研制，相关测试结果表明，三维集成技术在提高红外探测器极限性能、提升功能集成度方面可发挥重要作用，突破该技术将有助于缩小红外探测器系统体积重量和功耗，提升红外探测器系统灵敏度、动态范围等指标，提升红外探测器片上处理能力，是未来红外探测器技术发展的重要方向之一。

目前，三维集成技术在制冷型红外探测器中已经获得了初步验证，不少研究机构均完成了各自的集成工艺开发，集成过程的主要难点包括：

（1）集成方式：减薄、表面金属沉积、对准标记等工艺可以晶圆级操作，提高效率；多层电路集成时，采用芯片级集成，可以提前选定合格芯片，避免晶圆集成时带来的良品率降低问题。但是，对于芯片级集成，引入了更多的手工操作，因此颗粒污染等控制难度增加。

（2）电路减薄：晶圆级减薄，要对晶圆边缘进行研磨，避免减薄过程中裂片；对减薄过程以及减薄后硅的厚度进行测试，保证晶圆级厚度可控；减薄后芯片厚度很小，易出现弯曲和变形。综上，在减薄电路芯片操控上需开发对应的工艺。

（3）电路键合：考虑到键合精度影响TSV的对准，因此要求键合精度微米量级，像元越小，要求越高，对于30μm间距的器件，对准精度要保持在3μｍ以内。对于工作在低温环境的红外探测器，还要求键合具备良好的可靠性，因此，需考虑电路之间的键合强度、键合应力，这对键合材质提出了较高要求。

（4）TSV制备：硅基电路上的TSV工艺相对成熟，但是对于工作在低温环境的红外探测器，在TSV制备中，应当考虑大量TSV中金属引入的应力。集成密度增加意味着像元间距缩小，最小像元间距受到TSV对准精度和全局金属焊盘宽度的综合影响。

审核编辑 ：李倩