基于三维集成技术的红外探测器

红外探测器被广泛应用于红外侦查、预警、制导、遥感等领域。近些年来，随着应用需求的不断牵引，红外探测器在保持高空间分辨率、高温度灵敏度的同时，还需兼顾向小型化、集成化的发展。传统的单片式信号处理威廉希尔官方网站 在极限性能、功能集成度方面已难以满足未来红外系统的发展需求，基于三维集成技术的红外探测器逐步成为解决方案之一。

传统的红外探测器结构示意图

三维集成技术可分为三维晶圆级封装、基于三维中介层（interposer）的集成、三维堆叠式集成威廉希尔官方网站 （3D staked IC，3D-SIC）、单片三维集成威廉希尔官方网站 、三维异构集成等。传统的二维威廉希尔官方网站 结构限制了像元级威廉希尔官方网站 功能，三维威廉希尔官方网站 集成显示出了其不受像元尺寸限制的优越性。三维集成威廉希尔官方网站 将允许在相互独立的层内布局模拟威廉希尔官方网站 和数字威廉希尔官方网站 ，这就可以充分利用模拟和数字威廉希尔官方网站 各自的最佳设计规则和工艺技术，从而降低噪声、功耗并且提高产出率。

三维垂直集成示意图

据麦姆斯咨询报道，近期，华北光电技术研究所喻松林研究员课题组在《激光与红外》期刊上发表了以“三维集成技术在红外探测器中的应用”为主题的文章。喻松林长期从事航天工程用红外技术创新探索、技术攻关、工程研制和自主可控技术平台建设。

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。

红外焦平面探测器芯片由光电二极管阵列和读出威廉希尔官方网站 芯片互连形成。根据互连形式可以分为两种，其一是采用In柱的互连结构，该结构是国内外绝大多数研究机构的技术方案；其二是采用通孔的互连结构。红外探测器中的三维集成可以分为读出威廉希尔官方网站 的三维集成以及探测器的三维集成，由于摒弃了In柱互连，后者集成度更高。但是无论哪一种集成结构，采用通孔互连都是必备的技术途径。

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威廉希尔官方网站 集成，可突破传统单片读出威廉希尔官方网站 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；多层威廉希尔官方网站 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）威廉希尔官方网站 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，在减薄威廉希尔官方网站 芯片操控上需开发对应的工艺。

（3）威廉希尔官方网站 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，需考虑威廉希尔官方网站 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：硅基威廉希尔官方网站 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。

该研究第一作者为华北光电技术研究所高级工程师谭振，主要从事红外探测器芯片制备方面的研究工作。

审核编辑 ：李倩