摘要：經(jīng)過(guò)多年的研發(fā)工作，制冷型碲鎘汞（Mercury Cadmium Telluride，MCT）中波紅外探測(cè)器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了批量化生產(chǎn)能力，其陣列規(guī)格也從最初的320 × 256發(fā)展到現(xiàn)在的1280 × 1024（百萬(wàn)像元級(jí)）。目前，隨著武漢高德紅外股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱“高德紅外公司”）探測(cè)器產(chǎn)品水平的不斷提高，基于紅外探測(cè)器的熱成像系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于機(jī)載、艦載、陸戰(zhàn)以及手持觀測(cè)等軍用裝備。以640 × 512/15 μm碲鎘汞中波紅外探測(cè)器為例，介紹了高德紅外公司探測(cè)器產(chǎn)品的工程化應(yīng)用情況，并分析了探測(cè)器研制過(guò)程中需要解決的問(wèn)題，最后指出了未來(lái)探測(cè)器發(fā)展及應(yīng)用的方向。

0引言

高性能中波紅外探測(cè)器一直是紅外技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。碲鎘汞是目前高性能紅外探測(cè)器制作中最重要的半導(dǎo)體材料，其器件具有量子效率高、響應(yīng)速度快、功耗小以及便于大規(guī)模集成等優(yōu)點(diǎn)。如今，歐美的紅外探測(cè)器廠商采用碲鎘汞作為敏感材料而研制的中波紅外探測(cè)器已達(dá)到百萬(wàn)像元規(guī)模。其中，美國(guó)雷神視覺(jué)系統(tǒng)（RVS）公司已推出了面陣規(guī)模為4K × 4K的千萬(wàn)像元紅外探測(cè)器。與百萬(wàn)像元探測(cè)器相比，該產(chǎn)品在成像質(zhì)量和探測(cè)距離等性能上均有顯著提升。

圖1 碲鎘汞紅外探測(cè)器的工藝路線

高德紅外公司的探測(cè)器中心成立于2013年，具備完善的紅外探測(cè)器制造設(shè)備及批量化生產(chǎn)線，并擁有一個(gè)由涵蓋碲鎘汞材料生長(zhǎng)、芯片制備、讀出電路設(shè)計(jì)、微杜瓦封裝、低溫制冷機(jī)制造以及組件測(cè)試等領(lǐng)域的研發(fā)、工藝與生產(chǎn)人員（超過(guò)500人）構(gòu)成的制冷紅外探測(cè)器團(tuán)隊(duì)。

1碲鎘汞器件生產(chǎn)中遇到的問(wèn)題

1.1碲鎘汞紅外探測(cè)器的工藝特點(diǎn)

碲鎘汞紅外探測(cè)器是探測(cè)器芯片經(jīng)過(guò)組件化封裝，并搭載微型制冷機(jī)而形成的器件。根據(jù)pn結(jié)極性的不同，國(guó)內(nèi)外的碲鎘汞紅外探測(cè)器芯片一般分為n-on-p和p-on-n兩種。兩種pn結(jié)的成結(jié)工藝一般均用離子注入來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖1所示為碲鎘汞紅外探測(cè)器的工藝路線。

如圖1所示，碲鎘汞紅外探測(cè)器的制備工藝可分為襯底加工、外延加工、探測(cè)器芯片加工、杜瓦零部件加工、杜瓦組件制備和探測(cè)器耦合等六部分。

1.2工藝技術(shù)優(yōu)化

高德紅外公司自主研制的640 × 512/15 μm碲鎘汞中波紅外探測(cè)器是典型的第二代紅外焦平面探測(cè)器。通過(guò)對(duì)標(biāo)法國(guó)的同規(guī)格探測(cè)器可以看出，兩者的外觀和接口保持一致，前者的主要光電性能達(dá)到或優(yōu)于后者水平。由于像元尺寸、陣列規(guī)格等方面的要求比320 × 256/30 μm探測(cè)器更高，640 × 512/15 μm碲鎘汞中波紅外探測(cè)器在制備過(guò)程中需要得到以下幾項(xiàng)優(yōu)化。

圖2 退火工藝流程

圖3 襯底退火前后對(duì)比

1.2.1減小材料缺陷尺寸，提高材料質(zhì)量

像元尺寸縮小對(duì)材料表面質(zhì)量提出了更高的要求。為控制探測(cè)器成像時(shí)的盲元尺寸，必須盡量減小材料缺陷尺寸。相關(guān)試驗(yàn)證明，在富碲氣氛下對(duì)襯底晶片進(jìn)行退火熱處理，可有效減小夾雜物缺陷尺寸。圖2所示為退火工藝流程。圖3所示為某片襯底退火前后夾雜物尺寸的紅外顯微鏡對(duì)比效果?？梢钥闯觯嘶鸷蟮囊r底夾雜物尺寸由原先的45 μm降到10 μm以下。理論上，盲元尺寸由3 × 3的團(tuán)簇降至單個(gè)點(diǎn)簇。圖4所示為批量襯底退火前后的夾雜物尺寸變化情況。退火后，70%襯底夾雜物的尺寸可保證在10 μm以下。此時(shí)在襯底材料上進(jìn)行碲鎘汞外延生長(zhǎng)，所得外延材料的表面缺陷密度明顯降低，一般可控制在105 cm-2以下。經(jīng)焦平面芯片流片驗(yàn)證，芯片團(tuán)簇比例明顯下降。

1.2.2高精度互連

紅外敏感芯片與讀出電路之間通過(guò)倒裝互連的方式連接在一起，其中凸點(diǎn)材料選擇銦。該材料電導(dǎo)率較高、易變形，且在低溫下能保持良好的延展性，因此是紅外探測(cè)器芯片互連的理想材料。為保證小尺寸像元互連的成功率，需要對(duì)材料平整度、銦柱均勻性以及倒裝焊接互連等方面進(jìn)行優(yōu)化。

1.2.2.1材料平整度

通過(guò)優(yōu)化襯底磨拋工藝，碲鋅鎘襯底的平整度明顯降低。對(duì)于30 mm×40 mm規(guī)格的碲鋅鎘晶片，平整度可做到小于1 μm，且表面粗糙度僅為1~2 nm（見(jiàn)圖5）。

圖4 批量襯底退火前后的夾雜物變化情況

圖5 碲鋅鎘襯底的平整度

1.2.2.2銦柱均勻性

通過(guò)優(yōu)化光刻——鍍膜工藝，得到高均勻性銦柱凸點(diǎn)。首先，通過(guò)調(diào)研和驗(yàn)證來(lái)確定分辨率及均勻性均滿足要求的光刻膠；其次，在優(yōu)化工藝的基礎(chǔ)上，利用高精度勻膠、曝光及顯影設(shè)備制備出了滿足要求的光刻圖形；另外，通過(guò)采用高真空蒸鍍系統(tǒng)并對(duì)襯板清潔等工藝進(jìn)行改進(jìn)，得到了高均勻性銦膜；最終通過(guò)剝離實(shí)現(xiàn)了銦柱陣列。優(yōu)化后的銦柱形貌均勻性達(dá)到±1 μm，滿足倒裝互連要求。

1.2.2.3倒裝焊接互連

倒裝焊接互連時(shí)，采用高準(zhǔn)直的激光找平技術(shù)將互連面的平行度調(diào)整至±0.2μm以內(nèi)，保障互連凸點(diǎn)所受壓力及產(chǎn)生的形變一致。通過(guò)高清雙向顯微鏡和高分辨率電荷耦合器件（Charge-Coupled Device，CCD）對(duì)互連面上的凸點(diǎn)進(jìn)行對(duì)位，并利用四邊的對(duì)準(zhǔn)游標(biāo)進(jìn)行校準(zhǔn)。在雙重對(duì)位系統(tǒng)的保障下，對(duì)位精度可達(dá)±0.3 μm。此精度下的倒焊互連成功率可穩(wěn)定在99.9%以上。圖6所示為2019年高德紅外公司自研640 × 512/15 μm碲鎘汞中波紅外探測(cè)器的盲元數(shù)據(jù)?？梢钥闯觯壳暗挠行裨士煞€(wěn)定在99.9%左右。

圖6 探測(cè)器盲元分布

1.2.3長(zhǎng)真空壽命杜瓦封裝

為保證探測(cè)器杜瓦組件的長(zhǎng)真空壽命，不僅需控制杜瓦漏率及內(nèi)部放氣，而且還要在腔室內(nèi)放置吸氣劑。根據(jù)法國(guó)Lynred公司的杜瓦壽命測(cè)試方法，采用老化試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試評(píng)估。20℃時(shí)，杜瓦的貯存壽命可達(dá)20年。圖7所示為高德紅外公司生產(chǎn)的兩種640× 512/15 μm規(guī)格紅外探測(cè)器的貯存結(jié)果。

圖7 紅外探測(cè)器的常溫貯存壽命

表1 探測(cè)器組件的機(jī)械應(yīng)力試驗(yàn)條件及結(jié)果

1.2.4組件可靠性的提升

在開(kāi)機(jī)——工作——關(guān)機(jī)過(guò)程中，探測(cè)器芯片會(huì)經(jīng)歷常溫——低溫——常溫的溫度變化。由于芯片自身屬于多膜系結(jié)構(gòu)，膜系間會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力作用，芯片由此也容易產(chǎn)生互連失效及斷裂風(fēng)險(xiǎn)。另外，隨著應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，外界環(huán)境對(duì)探測(cè)器的適應(yīng)性要求也越來(lái)越高。比如，機(jī)載環(huán)境會(huì)對(duì)探測(cè)器的耐振動(dòng)可靠性有更為嚴(yán)苛的要求。通過(guò)優(yōu)化芯片及杜瓦結(jié)構(gòu)并對(duì)冷頭進(jìn)行加固設(shè)計(jì)，可以明顯提升探測(cè)器芯片及冷端的可靠性。

在對(duì)芯片進(jìn)行2000次液氮沖擊和1500次開(kāi)關(guān)機(jī)制冷試驗(yàn)后，其盲元數(shù)及分布狀況沒(méi)有發(fā)生明顯變化。經(jīng)過(guò)大量級(jí)振動(dòng)后，探測(cè)器性能正常。表１列出了探測(cè)器在超過(guò)常規(guī)量級(jí)的振動(dòng)試驗(yàn)后的測(cè)試結(jié)果。

針對(duì)影響探測(cè)器組件長(zhǎng)期運(yùn)行可靠性的失效模式，制定了可靠性保障及驗(yàn)證方案。經(jīng)過(guò)充分的試驗(yàn)驗(yàn)證后，探測(cè)器的可靠性得到了顯著提升。圖８所示為制冷機(jī)跑機(jī)過(guò)程中的電流曲線。

2典型產(chǎn)品

圖9所示為高德紅外公司目前研制的三種640 × 512/15 μm碲鎘汞中波紅外探測(cè)器。其中，前兩種分別是Lynred公司的ScORPIOMW K508和LEO MW RM2探測(cè)器的對(duì)標(biāo)產(chǎn)品；第三種為自研的輕便型探測(cè)器，搭載旋轉(zhuǎn)分置式斯特林制冷機(jī)后，可明顯減小整機(jī)系統(tǒng)的體積。三者的主要性能指標(biāo)如下：（1）光譜范圍為3.7 μm ±0.2 μm～4.8 μm ± 0.2μm。（2）工作模式：snap shot；IWR/ITR；支持開(kāi)窗功能。（3）動(dòng)態(tài)范圍≥75 dB。（4）輸出通道有4個(gè)，單通道最大輸出速率≥10 MHz。（5）噪聲等效溫差（NoiseEquivalent Temperature Difference，NETD）：≤18 mK（F2）；≤22 mK（F4）；≤25 mK（F5.5）。（6）有效像元率≥99.6%。（7）環(huán)境適應(yīng)性詳見(jiàn)表2。

圖8 樣機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中的電流曲線

圖9 高德紅外640 × 512/15 μm碲鎘汞中波紅外探測(cè)器

表2 探測(cè)器的環(huán)境適應(yīng)性

3具體應(yīng)用

640 × 512/15 μm探測(cè)器與320 × 256/30 μm探測(cè)器在紅外芯片尺寸上基本相同，因此兩種探測(cè)器的外觀及尺寸可保持一致。這就為原先采用320 × 256/30 μm探測(cè)器的紅外整機(jī)等光電系統(tǒng)的更新迭代提供了便利，即可在不改變整體結(jié)構(gòu)尺寸及框架設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)無(wú)縫替換，從而完成相關(guān)裝備的性能升級(jí)。

如表3所示，640× 512/15 μm探測(cè)器可廣泛應(yīng)用于機(jī)載、艦載、陸軍車載、手持等紅外整機(jī)中。

表3 紅外探測(cè)器的應(yīng)用領(lǐng)域

4結(jié)論

碲鎘汞探測(cè)器的規(guī)模化生產(chǎn)和批量應(yīng)用會(huì)隨工藝的不斷優(yōu)化而加以實(shí)現(xiàn)。高德紅外公司在640 × 512/15 μm探測(cè)器的研制過(guò)程中解決了一系列工藝難題。首先，通過(guò)減小材料表面缺陷尺寸和提高倒裝焊接精度，使探測(cè)器芯片的盲元數(shù)量及團(tuán)簇規(guī)模明顯減小；其次，通過(guò)優(yōu)化封裝工藝，使杜瓦的真空壽命延長(zhǎng)至20年；最后，通過(guò)提升組件可靠性，使探測(cè)器的使用壽命顯著增加，且探測(cè)器性能得到優(yōu)化。目前，這款640 × 512/15 μm探測(cè)器可實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)2000支的生產(chǎn)能力。

5展望

以640 × 512/15 μm規(guī)格為代表的第二代碲鎘汞焦平面探測(cè)器的工藝日益成熟，性能也趨于理論極限。因此，新一代紅外探測(cè)器聚焦于集小尺寸、輕重量、高性能、低功耗和低成本為一體的技術(shù)特點(diǎn)，而且近十年來(lái)小像素、多光譜、數(shù)字化和雪崩探測(cè)器技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步為新一代碲鎘汞紅外探測(cè)器的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。高德紅外公司研制的1280 ×1024/12 μm碲鎘汞中波紅外探測(cè)器就是典型的第三代紅外探測(cè)器?？深A(yù)見(jiàn)的是，隨著高端裝備對(duì)高性能器件的需求愈來(lái)愈大，新一代探測(cè)器將會(huì)在未來(lái)的應(yīng)用中扮演更多、更重要的角色。

責(zé)任編輯：lq