碲鎘汞集成偏振探測器應力分析

林國畫,徐長彬,吳 卿,李雪梨

(華北光電技術研究所,北京 100015)

1 引 言

碲鎘汞紅外焦平面探測器結構包括碲鎘汞芯片、讀出電路、銦柱[1]及碲鋅鎘襯底,碲鎘汞探測器在低溫下工作時,由于不同材料的膨脹系數不同,在芯片與銦柱、芯片與碲鋅鎘襯底之間產生應力,應力的作用會導致芯片裂片等現象,這種現象會造成探測器盲元增加、性能下降、甚至不可用,通過多年的改進,碲鎘汞探測器內部應力對性能的影響已經可以控制的很好。

紅外碲鎘汞集成偏振探測器是在碲鎘汞探測器的結構基礎上,在碲鋅鎘襯底上集成偏振結構,偏振結構采用金屬線光柵,相當于在原有碲鎘汞探測器上增加了金屬層結構。當集成偏振探測器在低溫下工作時,偏振結構的金屬層與碲鋅鎘襯底之間產生應力,這個應力也使得原來碲鎘汞探測器內部應力發生了變化,試驗中出現裂片現象。針對裂片現象,采取仿真分析的方法,找到應力變化對芯片的影響,通過試驗驗證,找到了好的解決方法,提高了集成偏振探測器的可靠性。

2 碲鎘汞集成偏振探測器裂片現象及原因分析

碲鎘汞集成偏振探測器存在裂片現象,如圖1所示,這使得探測器無法正常工作,要解決裂片現象,就需要分析產生裂片的原因。裂片與集成偏振探測器的結構相關,而結構設計又與它的工作原理有關,因此,首先需要了解集成偏振探測器的工作原理,然后從結構設計等分析裂片的原因。

2.1 碲鎘汞集成偏振探測器工作原理簡要說明

碲鎘汞集成偏振探測器的組成如圖2所示,紅外輻射照射到偏振結構上,不同偏振態的信號由碲鎘汞像元接收,接收后光信號轉換為電流,電流經過積分電路后積分放大,實現電荷到電壓的轉換,最終表現出不同偏振態的圖像,經過融合后,得到融合的偏振圖像。

圖2 碲鎘汞集成偏振探測器結構示意圖

2.2 碲鎘汞集成偏振探測器結構設計簡要說明

為了實現偏振芯片的工作方式,將偏振結構制備在碲鎘汞芯片背面的碲鋅鎘襯底上,通過碲鋅鎘襯底實現偏振結構與碲鎘汞芯片的光學連通；為了使碲鎘汞探測器進行光電轉換之后的電學輸出與讀出電路的電學輸入連通,碲鎘汞芯片與讀出電路采用銦柱進行倒裝互聯。由此形成了這種多層堆疊的碲鎘汞集成偏振探測器結構。

2.3 碲鎘汞集成偏振探測器裂片現象分析

碲鎘汞集成偏振探測器在室溫環境下存貯,在低溫(-196 ℃)下工作,每一次工作集成偏振探測器都要經受一次從環境溫度到深低溫的劇烈沖擊,在劇烈的溫度沖擊下,由于材料熱膨脹系數的差異會帶來芯片之間的熱失配,從而產生熱應力和熱變形,探測器的反復開關就是熱應力的循環作用。

在碲鎘汞集成偏振探測器的結構中,碲鎘汞芯片被夾在碲鋅鎘襯底與銦柱陣列中間,碲鎘汞芯片的厚度≤10 μm,碲鋅鎘襯底的厚度約400 μm,銦柱高度≤12 μm,集成偏振探測器在工作狀態與存貯狀態的轉換過程中,較厚的碲鋅鎘襯底層產生的應力變形對很薄的碲鎘汞芯片會產生橫向剪切作用,而銦柱陣列這一端的變形應力也會作用到碲鎘汞芯片上,不同的碲鋅鎘厚度、不同的銦柱高度,作用在碲鎘汞芯片上的應力不同,在兩個方向應力的作用下,會導致碲鎘汞芯片發生裂片。

集成偏振探測器的設計、制備是建立在碲鎘汞長波320×256探測器的基礎上,碲鎘汞長波320×256探測器在未集成偏振結構時,相同的工作條件,多次開關機并未產生裂片現象,而集成偏振結構后出現裂片現象,說明芯片裂片與在碲鋅鎘襯底層上增加了偏振結構有關,增加偏振結構后,導致碲鎘汞芯片承受的應力發生改變,由此產生裂片。

基于上述分析,碲鎘汞芯片上的應力發生變化是導致裂片的關鍵,要解決集成偏振探測器的裂片問題,需要對偏振結構、碲鋅鎘襯底、銦柱等作用在碲鎘汞芯片上的相關應力進行分析,找到應力變化的趨勢,從而發現解決問題的方法。

3 碲鎘汞集成偏振探測器應力仿真分析

利用軟件進行應力仿真分析是一種既快捷、又有效的解決問題的方法,針對碲鎘汞集成偏振探測器出現裂片的應力仿真分析從三個方面著手進行：一是仿真模型的建立[2]；二是集成偏振探測器應力較碲鎘汞探測器芯片應力變化分析；三是對影響芯片應力的銦柱高度、碲鋅鎘襯底厚度、偏振結構使用的不同金屬材料進行分析。通過分析找到有效的減小應力[3]的方法,來解決集成偏振探測器芯片裂片問題。

3.1 碲鎘汞集成偏振探測器應力仿真模型的建立

在ANSYS軟件中建立碲鎘汞集成偏振探測器應力仿真模型,模型包括碲鎘汞長波320×256(中心間距30 μm)芯片、硅讀出電路、銦柱、碲鋅鎘襯底、偏振光柵金屬層,如圖3所示。仿真模型中,銦柱高度≤12 μm,碲鋅鎘厚度≤400 μm；偏振光柵金屬層分別為鉻-金材料、鋁材料,金屬層的厚度≤1 μm,金屬層材料參數如表1。仿真模型的工作溫度為80 K。

圖3 仿真三維模型局部放大圖

表1 金屬層材料參數

3.2 有偏振光柵金屬層與無偏振光柵金屬層的應力仿真分析

在進行仿真時,將仿真模型分別設置為碲鎘汞紅外焦平面探測器狀態(無偏振光柵金屬層)、碲鎘汞集成偏振探測器的狀態(覆蓋偏振光柵金屬層),對兩種狀態的模型進行熱力學仿真,仿真后,碲鎘汞芯片表面應力狀態如圖4、圖5所示,應力數值如表2所示,從數值對比可以看出,碲鎘汞集成偏振探測器芯片應力比碲鎘汞探測器芯片應力增大了約10 %。

表2 有金屬層與無金屬層芯片應力值

圖5 無金屬層芯片應力分布及有金屬層芯片應力分布

圖4 無金屬層芯片應力分布

針對探測器芯片增加的10 %應力,需要對銦柱的高度、碲鋅鎘襯底的厚度對芯片應力影響的趨勢進行分析,以降低增加的應力。

3.3 影響碲鎘汞集成偏振探測器應力的仿真分析

3.3.1 碲鎘汞集成偏振探測器在不同銦柱高度下的應力仿真分析

銦柱連接在碲鎘汞集成偏振探測器的讀出電路與碲鎘汞芯片之間,銦柱的高度不同,碲鎘汞芯片上的應力也有所不同,為了得到銦柱高度與碲鎘汞芯片上的應力關系,進行了不同銦柱高度集成偏振探測器的應力仿真。在進行仿真時,銦柱高度設置在7～12 μm之間。

熱力學仿真結果表明,隨著銦柱高度的增加,作用在碲鎘汞芯片上的應力也相應增加,最大可以增加到約20 %以上,因此,若要減小碲鎘汞芯片的應力,可降低銦柱高度。

3.3.2 碲鋅鎘襯底減薄的應力仿真分析

碲鋅鎘襯底作為集成偏振探測器中偏振結構與碲鎘汞芯片的中間介質,其厚度不同,碲鎘汞芯片上的應力也不同,為了得到碲鋅鎘襯底厚度與碲鎘汞芯片上的應力關系,進行了不同碲鋅鎘襯底厚度的集成偏振探測器應力仿真。在進行仿真時,碲鋅鎘襯底厚度在400～100 μm之間。

熱力學仿真結果表明,隨著碲鋅鎘襯底厚度的減小,芯片應力會降低10 %以上,具有減小碲鎘汞芯片應力的效果,如圖6、圖7所示,因此,碲鋅鎘襯底減薄可以降低碲鎘汞芯片裂片的幾率。

圖6 碲鋅鎘襯底減薄前芯片應力分布

圖7 碲鋅鎘襯底減薄后芯片應力分布

3.3.3 偏振光柵不同金屬層材料的應力仿真分析

碲鎘汞集成偏振探測器中的偏振光柵金屬層可以選用不同的材料,不同的材料有不同的熱學特性,界面應力也不同,對碲鎘汞芯片的應力影響也不同。設置碲鎘汞集成偏振探測器模型中偏振光柵金屬層分別為鉻-金材料、鋁材料,金屬層厚度相同。

熱力學仿真結果表明,這兩種材料作為光柵介質層時,芯片應力基本相同。

從上述對碲鎘汞集成偏振探測器應力仿真分析的結果可以看出,碲鎘汞集成偏振探測器芯片應力比單獨的碲鎘汞探測器芯片應力增大了將近10 %,而降低銦柱高度可以將芯片應力減小約20 %、減薄碲鋅鎘襯底可以將芯片應力降低10 %以上,因此,要解決碲鎘汞集成偏振探測器裂片問題,可以采取降低銦柱高度、減薄碲鋅鎘襯底厚度,以降低芯片應力的方法[4]。

4 針對碲鎘汞集成偏振探測器應力分析的試驗

根據仿真分析得出的結論,制備了碲鎘汞長波320×256集成偏振探測器組件,制備過程中對探測器的兩個方面進行了改變：一是銦柱高度較之前裂片探測器的銦柱高度有所降低,高度<10 μm；二碲鋅鎘襯底厚度較之前裂片探測器的厚度進行了較大幅度的減薄,襯底厚度<100 μm。

采取這兩項措施后,制備的集成偏振探測器組件進行了開關機試驗[5],在經過了200次以上的從室溫到77 K低溫工作狀態的開關機試驗后,未出現裂片現象,從而證明了仿真分析結果對試驗的指導意義。

5 結 語

通過對碲鎘汞長波320×256集成偏振探測器的應力仿真分析,量化了在碲鎘汞混成芯片上增加偏振結構后,所帶來的芯片應力的變化,認識到了芯片裂片的原因,同時,通過應力仿真分析也量化了降低銦柱高度、減薄碲鋅鎘襯底厚度對減小碲鎘汞芯片應力所帶來的好處。通過試驗,驗證了分析結果的有效性,解決了集成偏振探測器的裂片現象。

碲鎘汞集成偏振探測器的應力仿真分析為試驗提供了有利的支撐,縮短了試驗周期,不僅使后續工藝得以順利開展,而且為類似產品的設計積累了豐富的數據。