本文要點：短波紅外（SWIR）成像技術在民用領域具有廣泛應用。過去二十年間，科研界致力于開發(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)，指出倒裝焊技術憑借其性能、與創(chuàng)新外延SWIR材料的兼容性以及長期穩(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InGaAs與Ge（Sn）SWIR傳感器的未來發(fā)展進行總結(jié)與展望：基于倒裝焊技術的外延薄膜傳感器持續(xù)革新，正孕育學術界與工業(yè)界的新應用場景。

1. 前言

本文回顧了外延薄膜 SWIR 傳感器在過去二十年中的進展，重點介紹了外延 InGaAs 和 Ge （Sn） 薄膜 SWIR 傳感器的FPA和倒裝芯片凸點鍵合技術。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鍵合技術的最新進展。最后對InGaAs和Ge（Sn）SWIR 傳感器的發(fā)展進行了總結(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及晶體質(zhì)量優(yōu)化對短波紅外焦平面陣列至關重要。研究人員嘗試通過精確控制外延生長條件（包括生長溫度、氣體流速和沉積壓力）來優(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)將簡要介紹外延銦鎵砷與鍺錫短波紅外焦平面陣列的最新進展。

2.1 外延的InGaAs SWIR FPAs

表1. 報道了譜響應范圍為0.9~3.0μm的外延InGaAs SWIR FPA，包括有源區(qū)組成、生長工具、分辨率、間距、像素尺寸、晶片尺寸以及測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)異的光響應性能和可調(diào)帶隙（通過應變工程、合金工程及摻雜工程實現(xiàn)）。這些材料特性使鍺成為新一代短波紅外傳感器技術的重要候選材料。為提升鍺材料的晶體質(zhì)量，研究者提出了多種生長策略，例如：包含低溫與高溫的雙沉積溫度技術、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（SEG）。得益于該領域眾多研究者的努力，鍺外延層中的穿透位錯密度（TDDs）已顯著降低至106cm?2量級。然而，鍺外延層與硅晶圓界面處仍存在大量失配缺陷，導致采用此結(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率。因此，光譜響應范圍為0.9–1.7 μm的混合型鍺/硅短波紅外圖像傳感器，尚無法與商用混合型銦鎵砷短波紅外圖像傳感器競爭。

為與銦鎵砷短波紅外圖像傳感器競爭，絕緣體上鍺（Germanium-on-Insulator, GOI）結(jié)構(gòu)已成為一種及時的解決方案。多種方法如智能切割技術、介質(zhì)晶圓鍵合技術和非晶層鍵合技術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。由于氧化物誘導的共振腔效應（RCEs），峰值響應率、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，多項研究表明分布式布拉格反射鏡（DBR）可提升探測性能，且該工藝兼容GOI工藝流程。最終使光譜響應范圍0.9-1.7微米的GOI短波紅外圖像傳感器性能達到銦鎵砷產(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用場景（尤其在消費電子和醫(yī)療領域），最有望取代銦鎵砷市場。

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

3. 倒裝芯片凸點鍵合技術

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

焊料凸點需要足夠體積以確保鍵合可靠性，因此在實現(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（CQD）層作為吸收體時，量子點光電器件可直接在讀出電路上制備，此時像素間距取決于底部接觸焊盤尺寸（圖1d）。索尼開發(fā)的銅-銅互連技術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)報道該工藝架構(gòu)的暗電流密度與標準混合架構(gòu)持平。作為銦凸點倒裝焊技術的強勁替代方案，銅-銅互連為高清外延短波紅外圖像傳感器開辟了新路徑。該技術具有革新潛力，可通過提升成像性能拓展應用空間。然而，仍需進一步研究該工藝架構(gòu)對其他材料短波紅外傳感器的兼容性與可靠性。

自2016年銅銅鍵合技術應用于硅基堆疊式CMOS圖像傳感器（CIS）量產(chǎn)以來，該技術不僅保障了高良率，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。采用芯片對晶圓（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)合銅銅鍵合技術可構(gòu)建兼具高生產(chǎn)效率和精細像素間距的工藝架構(gòu)。然而銅銅鍵合仍面臨濕氣滲透、電遷移及銅擴散等可靠性風險。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CMOS讀出電路晶圓和短波紅外傳感器晶圓進行表面鈍化處理；（Ⅱ）暴露短波紅外像素的頂部電極及信號接收單元（圖2a,h）；（Ⅲ）實施凸點下金屬化（UBM）工藝^[163-165]^并沉積銦材料（圖2c,f,j,m）；（Ⅳ）進行兩次剝離工藝清除多余UBM及銦凸點（圖2g,n）；（Ⅴ）通過回流工藝使銦形成球形凸點（圖2p,q），或保持未處理狀態(tài)（圖2g,n）；（Ⅵ）執(zhí)行帶/不帶銦凸點回流的點對點倒裝焊（圖2r,o）。

工藝流程中需重點關注三大要點：其一，曝光過程中負性光刻膠暗區(qū)底部可能因雜散光形成硬化薄層，該層顯影后無法去除，將導致金屬與電極間產(chǎn)生不可接受的隔離——可采用剝離抗蝕劑（LOR）進行規(guī)避，這種非感光材料置于負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）；當銦層較厚（≥5μm）時，旋涂負膠難以滿足厚度需求，此時在負膠下方添加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，若無法使用厚光阻層，可適當放大銦凸點圖形尺寸形成"銦盤"以確保材料體積；回流銦凸點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，剝離后凸點高度即目標高度（圖2g,n）——若剝離后形貌不佳需通過回流改善（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條件下進行，能適應大規(guī)模（400萬像素）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雙面植球結(jié)構(gòu)實施回流工藝。

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（圖2h–n），而在CMOS讀出電路晶圓上沉積凸點下金屬層（UBM）（圖2s–u）。為增強結(jié)合力與鍵合強度，CMOS讀出電路晶圓在UBM沉積前需預鍍薄銦層（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，以避免銦沉積時產(chǎn)生粘連現(xiàn)象（圖2v）。圖2x展示了點對點倒裝焊過程，回流工藝可實現(xiàn)自對準（圖2q）并提升機械強度；執(zhí)行回流時，帶銦凸點的芯片應置于下方。對于像素規(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。

3.2 倒裝芯片技術通用工藝流程（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行背s部減薄拋光處理（圖3c,f）。在無銦凸點區(qū)域，底部填充材料能發(fā)揮關鍵支撐作用，減輕背部減薄導致的局部塌陷（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）。封裝形式隨應用需求變化，圖3g簡要展示了常溫金屬殼體封裝流程：該殼體通過內(nèi)外鍍金層有效屏蔽外部電磁干擾，封裝上蓋設有藍寶石/石英入射窗口（圖3g）；殼體內(nèi)部一端的金箔鍵合焊盤通過引線與讀出電路連接，外部另一端設置連接信號處理系統(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準，確保整個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）中進行密封焊接，其中金鍍層可增強焊縫強度并保障密封有效性（圖3k）。金屬殼體封裝為焦平面陣列營造了保護環(huán)境，使其免受物理損傷與外部污染，同時提供光學、電氣及機械接口，全面提升系統(tǒng)的可靠性與環(huán)境適應性。

3.3 銦凸點形成

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技術

銦憑借物理化學特性在短波紅外成像領域備受青睞。其優(yōu)異的低溫工作性能（如77K液氮甚至4.15K液氦環(huán)境）使銦凸點成為優(yōu)選方案，尤其在軍事應用中。純銦具有多重優(yōu)勢：熔點低（156.6℃）、屈服應力小、導熱率高、潤濕性優(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械脆弱器件的裝配連接，并能有效緩解熱失配應力，始終是熱循環(huán)應用場景的理想材料。

銦的低熔點特性支持室溫鍵合，避免連接部位承受過度應力并降低工藝熱預算。其高塑性確保焦平面陣列與CMOS讀出電路在組裝時不易受機械損傷，倒裝焊過程中的形變可釋放組件間應力并適應翹曲變形。短波紅外成像所需的微米級焊料凸點要求可由銦滿足：典型銦凸點直徑5~30μm，兼具良好電阻率與低電感特性，為高頻工作提供關鍵保障。密集排布的銦凸點能顯著提升器件信噪比。無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。銦凸點制備主要包含兩大步驟：(I)凸點下金屬化；(II)銦凸點成形。

3.3.1 凸點下金屬化

表3. 銦凸點系統(tǒng)的UBM選項，包括年份、機構(gòu)、UBM堆疊層（厚度）和沉積方法

凸點下金屬化(UBM)的作用隨銦凸點制造工藝而異（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，通過單步濕法剝離同步實現(xiàn)UBM與銦凸點制備；而圖6b工藝則需在UBM沉積前增加鈍化層保護，通過電鍍形成凸點后去除光刻膠，再經(jīng)干法蝕刻移除大部分UBM層——此時UBM除基礎功能外還充當電鍍種子層。需注意：干法蝕刻不可避免造成部分銦凸點損耗，鈍化層僅保護底層結(jié)構(gòu)免受損傷。替代方案中，可通過濕法剝離（非蝕刻）獲得圖案化UBM（種子層）。兩種方法均涉及銦凸點回流焊，熔融銦在表面張力作用下形成截頂球形。圓形UBM設計普遍用于促進銦凸點球化?；亓鬟^程中，銦凸點自動與UBM對準并嚴格限定在UBM區(qū)域內(nèi)，故UBM亦稱球限金屬(BLM)。

圖6. 銦凸點工藝流程

3.3.2 銦凸點形成

銦在倒裝焊接中的核心價值源于其能建立可靠的電熱連接，同時滿足現(xiàn)代半導體器件的機械公差與熱管理要求。其柔軟的質(zhì)地、低熔點特性、導電性能及兼容性，對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。典型銦凸點成形工藝涵蓋凸點結(jié)構(gòu)設計、銦材料沉積及特性優(yōu)化三大關鍵環(huán)節(jié)。

銦凸點設計

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

銦凸點的高度設計在一定范圍內(nèi)具有靈活性，以確保凸點間高度差處于可接受范圍。相同高度范圍內(nèi)，過矮的銦凸點可能導致倒裝鍵合后焊點強度不足，而過高的凸點則易引發(fā)相鄰凸點粘連（圖4b(③,④)），因此確保同批次凸點高度均勻性至關重要。銦凸點整體高度不宜過低，增加高度具有多重優(yōu)勢：增強短波紅外焦平面陣列（SWIR FPAs）與CMOS讀出電路翹曲容忍度；更高的凸點可通過更大塑性形變吸收機械應力；增加的鍵合間隙有助于環(huán)氧樹脂毛細流動實現(xiàn)填充，從而提升結(jié)合強度。銦凸點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處理單元上方設有含接觸窗口的鈍化層，當接近像素間距尺寸時，鈍化窗口會消耗部分銦體積。臺面型SWIR FPAs則通過像素間刻蝕隔離溝槽降低電串擾，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，難以實現(xiàn)平坦。

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

不同倒裝鍵合方法需要差異化的銦凸點制造工藝。單面凸點工藝中，單側(cè)銦凸點質(zhì)量直接決定互連良率，此時銦凸點回流整形對實現(xiàn)高度均勻性；而雙面凸點工藝則具有更高容差。冷壓倒裝鍵合無需銦凸點回流即可實現(xiàn)高像素良率，這主要歸因于室溫冷壓鍵合后雙面銦凸點的高縱橫比（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力，同時補償芯片翹曲導致的橫向偏移，因此雙面凸點工藝在超大型SWIR FPAs中優(yōu)勢顯著。當需要回流工藝時（銦盤轉(zhuǎn)化為銦凸點），需特別關注凸點下金屬層（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高度可根據(jù)截頂球體體積公式計算：

銦凸點高度、截頂球體半徑分別對應公式中的h與r，其中截頂球體體積V等于沉積銦的體積（假設回流前后銦總體積不變），可通過銦光刻圖形面積乘以沉積銦厚度獲得。實際回流過程中，銦凸點最終形態(tài)受氣氛環(huán)境、溫濕度等因素影響，未必嚴格符合截頂球體模型，實際半徑通常略小于r，這與回流前后銦材料密度變化相關。當銦凸點圖形直徑小于10微米時，光刻膠開口直徑通常較小。若固定沉積銦厚度：當銦光刻圖形水平尺寸顯著大于UBM直徑時，過量銦體積無法被UBM收集而形成外圍殘留銦；反之圖形尺寸過小則導致成形銦量不足。Lee等學者通過控制沉積銦厚度并測試UBM與銦凸點圖形尺寸組合發(fā)現(xiàn)：當二者水平尺寸比為1:2.5時，UBM潤濕效應，可有效減少外圍殘留銦。

銦凸點沉積

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，尤其在大尺寸晶圓（≥8英寸）上表現(xiàn)優(yōu)于電鍍工藝。然而當處理精細間距（≤10μm）時，由于需兼顧高深寬比與大尺寸制造，該工藝在實現(xiàn)高均勻性、低缺陷密度的銦凸點方面也會帶來挑戰(zhàn)。

電沉積銦

圖8. 電鍍銦凸點工藝流程示意圖

Son等研究團隊通過電鍍工藝在8英寸硅片上成功制備出均勻的高深寬比（≥2:1）銦凸點陣列。該團隊采用銦凸點切割工藝，最終實現(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，通過攪拌法對晶圓進行預浸潤以消除精細間距圖形間的氣泡；電鍍后無需去除光刻膠，直接對銦凸點進行切割處理并實現(xiàn)與晶圓表面平行的整平操作。該方法成為實現(xiàn)大尺寸高分辨率短波紅外焦平面陣列超精細節(jié)距的基準工藝，但切割整平過程需依賴特定類型的光刻膠配合精密切割設備完成。

圖9. 銦切割電鍍碰撞工藝示意圖

銦蒸發(fā)

熱蒸發(fā)法能以低成本實現(xiàn)快速成膜，特別適用于微米級銦膜沉積。將銦源材料置于坩堝中加熱至熔融態(tài)，進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階覆蓋能力有限，反而有利于剝離工藝。蒸發(fā)過程中銦凸點形貌受基板狀態(tài)、光刻膠圖形化、真空度及沉積速率等多因素影響。目標基板固定在水冷基座上實現(xiàn)系統(tǒng)熱交換，快速高效的熱交換確?；搴愕蜏貭顟B(tài)，有利于形成小晶粒銦膜——低溫環(huán)境降低銦原子擴散遷移率，減緩薄膜橫向生長，促進銦凸點頂部平坦化；同時抑制光刻膠殘留溶劑揮發(fā)（維持腔體真空度）并降低光刻膠熱預算，避免過熱導致剝離難度增加。該工藝中薄膜表面因島狀生長產(chǎn)生的粗糙度隨基板溫度升高而降低。

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

熱蒸發(fā)工藝在高真空環(huán)境下進行，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)境延長了銦原子平均自由程，有利于優(yōu)化銦凸點形貌。沉積速率過高會提升腔體內(nèi)銦原子分壓，促進氣相成核與團簇形成，逸出的大尺寸銦顆粒造成"銦飛濺"現(xiàn)象（圖10d），導致薄膜不均勻。銦蒸發(fā)參數(shù)需根據(jù)應用需求針對性調(diào)整：精確控制沉積速率與腔體真空度是制備高質(zhì)量銦凸點的關鍵。針對低深寬比（≤1:1）凸點，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現(xiàn)高深寬比（≈2:1）結(jié)構(gòu)。但必須綜合考慮光刻膠開口閉合速率與蒸發(fā)速率的非線性關系，同時權(quán)衡銦原子表面遷移效應與蒸發(fā)速率的競爭影響。

剝離工藝與離子刻蝕

銦凸點陣列外部的殘余銦通過剝離工藝去除（圖11a所示）。首先通過光刻將銦凸點圖形轉(zhuǎn)移到負性光刻膠上，形成窗口結(jié)構(gòu)；隨后進行全局銦沉積，此時負性光刻膠作為掩膜阻擋非目標區(qū)域的銦沉積。剝離液通過光刻膠裂縫溶解膠體，同步去除光刻膠表面的銦層，從而實現(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光刻中對應于正和負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（圖11b）。剝離工藝在金屬化同時完成自圖形化，省去了后續(xù)蝕刻步驟。銦凸點高度遠超常規(guī)金屬電極和互連線，蝕刻選擇性低且易損傷基板。對于節(jié)距超過10μm的銦凸點陣列，剝離工藝更具實操性。正膠與負膠光刻后分別形成"頂切"和"底切"結(jié)構(gòu)（圖11c）：底切利于銦層在臺階邊緣與光刻膠分離，頂切則導致銦膜包覆臺階邊緣形成連續(xù)結(jié)構(gòu)，阻礙剝離液滲入。除采用負膠實現(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，凸點高度不足、結(jié)合力差等問題也更為突出。Zhang團隊采用離子蝕刻替代剝離工藝，精確蝕刻銦凸點及UBM層，獲得10μm節(jié)距、9.3μm高度（均勻性2%）的凸點陣列，表明凸點間銦含量差異極小。但此時銦凸點呈圓錐形（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：光刻膠對基板的保護效能、必要蝕刻比的控制、蝕刻副產(chǎn)物對回流的影響（圖11f）。蝕刻與回流工藝結(jié)合可制備高度均勻的超細節(jié)距銦凸點陣列，為超細節(jié)距混合應用提供技術路徑。

為降低剝離工藝負面影響并提升良率，需遵循三原則：①光刻膠厚度需平衡臺階邊緣開裂誘導與圖形分辨率（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（前烘及沉積溫度嚴禁超限）；③可采用超聲或加熱加速剝離，但須預先清除游離銦膜，避免刮蹭損傷凸點陣列。

銦凸點優(yōu)化

圖12. 銦凸點的常用優(yōu)化方法

Greer團隊對比了等離子體與濕化學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濕法刻蝕導致的各向同性腐蝕問題。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)擴散。Cui團隊研究發(fā)現(xiàn)，氮氣環(huán)境中回流可使銦凸點趨于球形（圖13b），但UBM缺陷會導致熔融銦外溢形成餅狀粗糙表面（圖13d），凸顯無缺陷UBM對獲得光滑球形凸點的關鍵作用。

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開口孔上

Jordan團隊揭示回流后銦凸點高度主要取決于沉積銦量，而Ti/Ni基UBM直徑影響甚微。通過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（圖13e），且UBM直徑越小凸點越高（圖13f）。Zhu等提出助焊劑輔助濕法回流工藝，證實低粘度液態(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），同時實現(xiàn)自對準鍵合與氧化銦同步清除。Koz?owski開發(fā)甲酸蒸氣退火結(jié)合濕法刻蝕的預處理技術，優(yōu)化銦蒸發(fā)工藝以提高原子密度，并通過預退火解決10%鹽酸浴處理導致的凸點脫附問題，剪切測試表明UBM結(jié)合力顯著增強。Ma團隊在Cr/Ni/Au基UBM上引入氮化硅層（圖13j），成功制備10μm節(jié)距球形銦凸點陣列，該結(jié)構(gòu)有效抑制非均勻回流現(xiàn)象，為≤10μm超細節(jié)距應用開辟新途徑。

3.4 底部填充物

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

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）技術密切相關。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（CTE 22-25 ppm K?1）在有機基板（如FR-4的CTE 18-24 ppm K?1）上的熱循環(huán)劣化問題。固化后的底部填充材料為焊球提供機械保護（抗振動、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，增強芯片與基板粘接強度，使焊點應變降低10-25%并延長疲勞壽命，成為提升倒裝芯片固有可靠性的關鍵保障措施。

底部填充材料通常為具備電、熱、機械多功能特性的復合材料，由懸浮液和填料組成。環(huán)氧樹脂因其耐化學性、強粘附性、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、導熱性、導電性和粘度等性能。為實現(xiàn)最佳流動均勻性，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平衡流動性與功能性至關重要。

底部填充的固化過程通過將環(huán)氧樹脂轉(zhuǎn)化為固態(tài)交聯(lián)結(jié)構(gòu)，顯著提升機械強度、熱穩(wěn)定性和粘附性，但填料引入也帶來新挑戰(zhàn)：環(huán)氧樹脂交聯(lián)網(wǎng)絡的無序非晶鏈結(jié)構(gòu)導致顯著的聲子散射，使傳統(tǒng)環(huán)氧樹脂熱導率低于0.2 W·m?1·K?1。為此需添加納米金屬、碳管、石墨烯等高導熱填料，但需謹慎平衡其對導電性的影響。此外，固化過程中填料在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，維持填料均勻懸浮仍是技術難點。

針對這些挑戰(zhàn)，Wen團隊提出了理想底部填充材料的選擇標準，包括低粘度（298K時<20 Pa·s）、高導熱性（>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）。然而同時滿足所有標準仍具挑戰(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，通過特定官能團對環(huán)氧樹脂進行精準分子設計或改性，也是開發(fā)多功能復合底部填充材料的重要途徑。

3.4.2 SWIR FPA底部填充

針對短波紅外焦平面陣列（SWIR FPA）用底部填充材料需滿足六項核心要求：優(yōu)異電絕緣性與高電阻率（防止銦凸點間短路）；低介電常數(shù)（減少銦凸點與鍵合界面寄生電容）；高導熱性（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，并同步協(xié)調(diào)SWIR FPA與讀出電路（ROIC）間的TEC差異；合理固化時間（避免影響填充效率）；適當粘度（確保毛細作用充分生效）。

毛細管底充

圖14. （a）SWIR FPA裸模塊分配圖；（b）毛細作用下的底充材料流動；（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）底填材料的濕潤情況；（i）IRFPA裸模塊的超聲掃描顯微鏡圖像

針對SWIR焦平面陣列的底部填充工藝，主要采用三種點膠路徑（圖14d-f）：沿長邊或無焊盤側(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。點膠后需預留充分流動時間，避免四面封閉填充導致氣體滯留。填充時長受材料粘度、銦凸點密度/高度及芯片尺寸共同影響，助焊劑殘留問題亦需重視（圖14g-i展示L形點膠后固化效果及超聲檢測結(jié)果）。

面對像素間距持續(xù)微縮（達30μm）、銦凸點高度降低導致的毛細填充極限，亟需技術創(chuàng)新：1) 真空增強點膠環(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)動熱毛細效應加速流動；3) 針對大尺寸芯片（≥40mm×40mm）采用垂直填充技術，解決橫向填充時邊緣溢流導致的填充缺陷。

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）對短波紅外存在不同程度的吸收，需通過減薄或去除襯底來減少輻射損失。保留ROIC上的薄層FPA可提升量子效率與響應度，選擇性襯底去除還能降低像素間串擾。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的熱應力問題。

?背面減薄工藝包括機械研磨（快速減?。?、化學機械拋光（CMP）和濕法化學刻蝕（慢速減?。Ｑ心ギa(chǎn)生的劃痕與裂紋需通過CMP消除，CMP通過物理化學協(xié)同作用進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銦凸點區(qū)域提供支撐，濕法刻蝕則能實現(xiàn)亞微米級減薄且無物理損傷。

?通過減薄及去除InP襯底，背照式InGaAs/InP PIN型SWIR FPA的響應光譜可擴展至近紅外甚至可見光范圍（圖15a,b）。典型臺面型結(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）、底部填充的銦凸點層和ROIC。InP襯底（帶隙1.35eV）對可見光吸收率高，僅短波紅外能穿透至InGaAs層（帶隙0.75eV），但入射過程中的反射與吸收仍無法避免。

圖15. 背面照明InGaAs/InP SWIR-FPA可見擴展原理圖

Rouvié團隊通過去除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40%，800nm處達75%，900-1600nm超80%。He團隊創(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），實現(xiàn)500-1700nm波段QE超60%的可見光擴展探測器，等離子刻蝕后表面反射率降至17%。Zhang團隊通過局部保留像素陣列周圍的N型InP接觸層（圖15c），將光譜響應范圍延伸至200-1700nm，在300-1650nm波段內(nèi)量子效率突破45%（圖15h），創(chuàng)下可見光-短波紅外寬譜探測新紀錄。

參考文獻

Du J, Zhao X, Su J, et al. Review of Short-Wavelength Infrared Flip-Chip Bump Bonding Process Technology[J]. Sensors (Basel, Switzerland), 2025, 25(1): 263.

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