非制冷红外焦平面阵列制造中黏性键合及胶基微工艺方法研究

In this project, we are planning to develop low temperature adhesive transferring techniques for fabrication of uncooled focal plane arrays (Si/SiGe multi-quantum well) as well as demonstrate the integration of microbolometer components. The parameters of low temperature adhesive transferring are critical for a high yield of microbolometer process, such as curing and bonding temperature, force, vacuum level etc. A optimized process will be achieved for wafer level integration of the components according to the theoretical modeling. Micro-fabrication on resist PDAP including film deposition and dry etching would be conducted for the relationship among process parameters, resist thermo-mechanical properties and process stresses. This MEMS engineering development will create a low temperature CMOS process route with relatively low cost for microbolometer fabrication.

硅锗/硅多量子阱材料是一种具有较高电阻温度系数、较低噪声且与MEMS工艺兼容的新型热敏材料。本项目将开展基于该种材料的非制冷红外焦平面阵列制造方法研究。黏性键合、胶基表面微加工是其中的关键工艺。项目将以此为背景，开展无缺陷黏性键合研究，探索热压过程中胶体固化机理、缺陷形成机理，建立无缺陷黏性键合工艺模型；开展PDAP胶为基底的表面微加工工艺研究，分析胶基薄膜沉积、干法刻蚀工艺过程中工艺参数-胶体热力学特性-工艺应力之间的关系；在单步工艺实验的基础上，优化工艺参数，并结合工艺仿真软件对整体工艺进行仿真，形成基于黏性键合工艺表面微加工工艺流程的设计准则。通过该方面的研究，项目拟解决高质量薄膜向CMOS电路晶圆转移以及后续制造中的关键问题，从而形成规模较大、成品率较高的非制冷红外焦平面阵列。

本项目经过四年的研究，采用了理论、数值模拟、试验探索三种手段，对黏性键合以及胶基微加工工艺展开了研究，以解决硅锗/硅多量子阱材料的非制冷红外焦平面阵列制造的瓶颈问题。.通过试验手段研究了PDAP基键合胶的热力学特性，分析了环境及工艺参数对键合结果的影响，对PDAP基黏性键合缺陷形成机理开展了研究，建立了具有较高可靠性和重复性的无缺陷键合方法。在无缺陷键合方法的基础上，针对PDAP基键合胶的热力学特性，开展了晶圆快速减薄工艺的研究，解决了工艺过程中的应力失配问题，获得了相关的工艺参数。基于Stoney方程，建立了胶基氮化硅薄膜的应力模型，对氮化硅悬臂梁应力状态开展了试验研究，获得了氮化硅薄膜沉积的关键工艺参数。整合其他单步工艺，形成了阵列制造工艺模型，并通过试验对工艺模型进行了修正，形成了基于黏性键合的非制冷红外焦平面阵列制造方法，完成了较高成品率的640×480、像元尺寸35微米、最小线宽1.5微米的焦平面阵列样品。.研究结果可为基于硅锗/硅多量子阱材料的非制冷红外焦平面阵列提供制造方法，也可为应用其他新材料薄膜的MEMS器件工艺研究提供借鉴。