紅外探測(cè)器被廣泛應(yīng)用于紅外偵查、預(yù)警、制導(dǎo)、遙感等領(lǐng)域。近些年來，隨著應(yīng)用需求的不斷牽引，紅外探測(cè)器在保持高空間分辨率、高溫度靈敏度的同時(shí)，還需兼顧向小型化、集成化的發(fā)展。傳統(tǒng)的單片式信號(hào)處理電路在極限性能、功能集成度方面已難以滿足未來紅外系統(tǒng)的發(fā)展需求，基于三維集成技術(shù)的紅外探測(cè)器逐步成為解決方案之一。

傳統(tǒng)的紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖

三維集成技術(shù)可分為三維晶圓級(jí)封裝、基于三維中介層（interposer）的集成、三維堆疊式集成電路（3D staked IC，3D-SIC）、單片三維集成電路、三維異構(gòu)集成等。傳統(tǒng)的二維電路結(jié)構(gòu)限制了像元級(jí)電路功能，三維電路集成顯示出了其不受像元尺寸限制的優(yōu)越性。三維集成電路將允許在相互獨(dú)立的層內(nèi)布局模擬電路和數(shù)字電路，這就可以充分利用模擬和數(shù)字電路各自的最佳設(shè)計(jì)規(guī)則和工藝技術(shù)，從而降低噪聲、功耗并且提高產(chǎn)出率。

三維垂直集成示意圖

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，華北光電技術(shù)研究所喻松林研究員課題組在《激光與紅外》期刊上發(fā)表了以“三維集成技術(shù)在紅外探測(cè)器中的應(yīng)用”為主題的文章。喻松林長(zhǎng)期從事航天工程用紅外技術(shù)創(chuàng)新探索、技術(shù)攻關(guān)、工程研制和自主可控技術(shù)平臺(tái)建設(shè)。

這項(xiàng)研究對(duì)微電子器件三維集成技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)介紹，列舉了國(guó)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)利用三維集成技術(shù)研制紅外探測(cè)器的進(jìn)展，探討了三維集成技術(shù)在紅外探測(cè)器研制中面臨的挑戰(zhàn)。

紅外焦平面探測(cè)器芯片由光電二極管陣列和讀出電路芯片互連形成。根據(jù)互連形式可以分為兩種，其一是采用In柱的互連結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是國(guó)內(nèi)外絕大多數(shù)研究機(jī)構(gòu)的技術(shù)方案；其二是采用通孔的互連結(jié)構(gòu)。紅外探測(cè)器中的三維集成可以分為讀出電路的三維集成以及探測(cè)器的三維集成，由于摒棄了In柱互連，后者集成度更高。但是無論哪一種集成結(jié)構(gòu)，采用通孔互連都是必備的技術(shù)途徑。

In柱互連和通孔互連結(jié)構(gòu)的紅外探測(cè)器示意圖

隨著光電系統(tǒng)應(yīng)用需求的牽引，紅外探測(cè)器正在向著縮小體積、重量和功耗，同時(shí)提高功能集成度的方向發(fā)展。采用三維集成技術(shù)實(shí)現(xiàn)多電路集成，可突破傳統(tǒng)單片讀出電路對(duì)紅外系統(tǒng)性能和功能的限制，提高系統(tǒng)極限性能、擴(kuò)展系統(tǒng)功能并且提高其集成度，滿足對(duì)遠(yuǎn)距離弱小目標(biāo)探測(cè)、高精度激光雷達(dá)成像等需求。

國(guó)外研究機(jī)構(gòu)開發(fā)了各自適用的三維集成工藝，已經(jīng)完成了主被動(dòng)成像探測(cè)、高性能紅外探測(cè)器、片上相機(jī)等原理樣品的研制，相關(guān)測(cè)試結(jié)果表明，三維集成技術(shù)在提高紅外探測(cè)器極限性能、提升功能集成度方面可發(fā)揮重要作用，突破該技術(shù)將有助于縮小紅外探測(cè)器系統(tǒng)體積重量和功耗，提升紅外探測(cè)器系統(tǒng)靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍等指標(biāo)，提升紅外探測(cè)器片上處理能力，是未來紅外探測(cè)器技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。

目前，三維集成技術(shù)在制冷型紅外探測(cè)器中已經(jīng)獲得了初步驗(yàn)證，不少研究機(jī)構(gòu)均完成了各自的集成工藝開發(fā)，集成過程的主要難點(diǎn)包括：

（1）集成方式：減薄、表面金屬沉積、對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記等工藝可以晶圓級(jí)操作，提高效率；多層電路集成時(shí)，采用芯片級(jí)集成，可以提前選定合格芯片，避免晶圓集成時(shí)帶來的良品率降低問題。但是，對(duì)于芯片級(jí)集成，引入了更多的手工操作，因此顆粒污染等控制難度增加。

（2）電路減?。壕A級(jí)減薄，要對(duì)晶圓邊緣進(jìn)行研磨，避免減薄過程中裂片；對(duì)減薄過程以及減薄后硅的厚度進(jìn)行測(cè)試，保證晶圓級(jí)厚度可控；減薄后芯片厚度很小，易出現(xiàn)彎曲和變形。綜上，在減薄電路芯片操控上需開發(fā)對(duì)應(yīng)的工藝。

（3）電路鍵合：考慮到鍵合精度影響TSV的對(duì)準(zhǔn)，因此要求鍵合精度微米量級(jí)，像元越小，要求越高，對(duì)于30μm間距的器件，對(duì)準(zhǔn)精度要保持在3μｍ以內(nèi)。對(duì)于工作在低溫環(huán)境的紅外探測(cè)器，還要求鍵合具備良好的可靠性，因此，需考慮電路之間的鍵合強(qiáng)度、鍵合應(yīng)力，這對(duì)鍵合材質(zhì)提出了較高要求。

（4）TSV制備：硅基電路上的TSV工藝相對(duì)成熟，但是對(duì)于工作在低溫環(huán)境的紅外探測(cè)器，在TSV制備中，應(yīng)當(dāng)考慮大量TSV中金屬引入的應(yīng)力。集成密度增加意味著像元間距縮小，最小像元間距受到TSV對(duì)準(zhǔn)精度和全局金屬焊盤寬度的綜合影響。

該研究第一作者為華北光電技術(shù)研究所高級(jí)工程師譚振，主要從事紅外探測(cè)器芯片制備方面的研究工作。

審核編輯 ：李倩