本文要点：短波红外（SWIR）成像技术在民用与军用领域具有广泛应用。过去二十年间，科研界致力于开发覆盖0.9至3 μm光谱范围的高分辨率、高灵敏度、低成本SWIR传感器。本综述首先阐述单片式与混合式SWIR图像传感器架构，指出倒装焊技术凭借其卓越性能、与创新外延SWIR材料的兼容性以及长期稳定性，仍是混合式传感器的核心集成方案。随后系统总结外延薄膜SWIR传感器的最新进展，涵盖外延InGaAs与Ge（Sn）薄膜传感器的焦平面阵列(FPA)及倒装焊集成工艺。最后对InGaAs与Ge（Sn）SWIR传感器的未来发展进行总结与展望：基于倒装焊技术的外延薄膜传感器持续革新，正孕育学术界与工业界的新应用场景。

 

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1. 前言

本文回顾了外延薄膜 SWIR 传感器在过去二十年中的进展，重点介绍了外延 InGaAs 和 Ge （Sn） 薄膜 SWIR 传感器的FPA和倒装芯片凸点键合技术。在第2节中，研究者讨论了外延 InGaAs和Ge（Sn）薄膜FPA的现状。第3节介绍并讨论了用于集成SWIR FPA的主流倒装芯片凸点键合技术的最新进展。最后对InGaAs和Ge（Sn）SWIR 传感器的发展进行了总结和展望。

 

2. 外延InGaAs和Ge（Sn）薄膜短波红外 FPAS

铟镓砷与锗锡薄膜的外延生长及晶体质量优化对短波红外焦平面阵列至关重要。研究人员尝试通过精确控制外延生长条件（包括生长温度、气体流速和沉积压力）来优化铟镓砷与锗锡薄膜的晶体质量、掺杂浓度和表面形貌。本节将简要介绍外延铟镓砷与锗锡短波红外焦平面阵列的最新进展。

 

2.1 外延的InGaAs SWIR FPAs

沉积铟镓砷的主流工具是分子束外延（MBE）和金属有机化学气相沉积（MOCVD）。MBE适用于量子阱和超晶格（原子级精度）的研发，而MOCVD则广泛应用于LED、激光器和光电探测器的规模化生产。例如，In0.53Ga0.47As材料在磷化铟衬底上作为短波红外探测器的激活层生长，其光谱响应范围为0.9–1.7微米。由于整个层结构实现完全晶格匹配，In0.53Ga0.47As短波红外传感器在室温下表现出极低的暗电流。此外，通过调节InxGa1−xAs/InP中铟组分（0.53 < x < 1），截止波长可从1.7微米扩展到更长波段。研究者探索了多种生长策略，包括线性阶梯缓冲层、组分渐变层、组分过冲及数字合金（DA）。铟镓砷外延生长的进步使研究者能精确调控材料组分、掺杂浓度、穿透位错密度（TDDs）及各层厚度，进而优化探测器的响应度、暗电流、灵敏度与响应速度。表1总结了近二十年发表的外延铟镓砷短波红外焦平面阵列的主要研究成果。

 

表1. 报道了谱响应范围为0.9~3.0μm的外延InGaAs SWIR FPA，包括有源区组成、生长工具、分辨率、间距、像素尺寸、晶片尺寸以及测量的暗电流和量子效率

 

2.2 外延Ge(Sn)短波红外焦平面阵列

在第四族材料中，Ge展现出与CMOS工艺技术的高度兼容性，其在大尺寸硅晶圆上具备成本效益，且在短波红外波段具有优异的光响应性能和可调带隙（通过应变工程、合金工程及掺杂工程实现）。这些材料特性使锗成为新一代短波红外传感器技术的重要候选材料。为提升锗材料的晶体质量，研究者提出了多种生长策略，例如：包含低温与高温的双沉积温度技术、砷掺杂锗缓冲层、超薄硅锗/硅超晶格缓冲层、反向梯度硅锗缓冲层、高温氢气退火、循环热退火以及选择性外延生长（SEG）。得益于该领域众多研究者的努力，锗外延层中的穿透位错密度（TDDs）已显著降低至106cm−2量级。然而，锗外延层与硅晶圆界面处仍存在大量失配缺陷，导致采用此结构的像素在1310 nm和1550 nm波段呈现高暗电流与低峰值响应率。因此，光谱响应范围为0.9–1.7 μm的混合型锗/硅短波红外图像传感器，尚无法与商用混合型铟镓砷短波红外图像传感器竞争。

为与铟镓砷短波红外图像传感器竞争，绝缘体上锗（Germanium-on-Insulator, GOI）结构已成为一种及时的解决方案。多种方法如智能切割技术、介质晶圆键合技术和非晶层键合技术已被用于制备具有高质量顶部锗层的优异GOI晶圆。因此，高缺陷的锗/硅界面被移除，仅保留低位错密度的锗层，这有利于降低GOI像素的暗电流。由于氧化物诱导的共振腔效应（RCEs），峰值响应率、峰值量子效率和带宽也得到显著提升，使得GOI短波红外图像传感器在1310 nm波段的性能可与铟镓砷短波红外图像传感器产品相媲美甚至更优。为克服锗在1550 nm的本征吸收系数限制，多项研究表明分布式布拉格反射镜（DBR）可提升探测性能，且该工艺完全兼容GOI工艺流程。最终使光谱响应范围0.9-1.7微米的GOI短波红外图像传感器性能达到铟镓砷产品水平。因此，具备DBR结构的GOI短波红外图像传感器凭借其CMOS兼容性、成本效益及更广泛的应用场景（尤其在消费电子和医疗领域），最有望取代铟镓砷市场。

为将锗短波红外图像传感器的光谱响应范围扩展至1.7微米截止波长以外，可将锡元素掺入锗基体，当锡含量超过6%时会出现直接带隙。实验表明含锡1-12%的锗锡图像传感器具备扩展短波红外（e-SWIR）特性，预示其有望在近期替代扩展短波红外铟镓砷图像传感器。锗锡扩展短波红外图像传感器的发展预计将在众多应用领域快速推进。与铟镓砷扩展短波红外图像传感器类似，锗锡传感器也面临多重挑战，包括但不限于锗锡与硅/锗衬底间的晶格失配和热失配。此外还需攻克锡掺入限制、锡偏析、锡组分控制、应变稳定性、位错密度调控、晶体质量提升、掺杂浓度优化以及可靠N/P型欧姆接触等难题。表2总结了过去二十年发表的外延锗（锡）短波红外焦平面阵列主要研究成果。

 

表2. 报道了谱响应范围为0.9～1.7μm的外延Ge（Sn）SWIR FPA，包括有源区、生长工具、分辨率、间距、像素尺寸、晶片尺寸以及测量的暗电流和量子效率

 

3. 倒装芯片凸点键合技术

短波红外焦平面阵列（SWIR PFAs）需要合适的混合集成方案以实现与CMOS读出电路（ROIC）进行可靠电学连接，确保封装可靠性并发挥其最大性能潜力。传统混合集成技术包括引线键合（WB）、载带自动键合（TAB）及倒装焊（FCB）（图1a-c）。相较于引线键合和载带键合，倒装焊具有更优异的电学性能、高密度互连能力和改善的热特性，使其成为混合型短波红外图像传感器的理想选择。倒装焊采用倒装结构设计，可使短波红外传感器与读出电路的整个表面被凸点覆盖，从而实现最高输入/输出（I/O）端子数量（图1c）。电学连接通过堆叠界面处的焊接凸点建立，这种结构有利于功率与热量的均匀分布，同时缩短互连距离、加速信号响应并降低电感。倒装结构的短波红外焦平面天然形成背照式探测结构，使其填充因子接近100%。当前主流倒装焊技术基于铟凸点低温键合工艺，该技术支持实现4K×4K像素的大规模阵列。互连铟凸点对数可达1.6×107，远超引线键合和载带键合的能力范围。如此巨量的互连仅需单次倒装对准键合工艺即可完成。

图1. 外延SWIR传感器和CMOS ROIC之间电互连的三种主要方法的示意图

 

焊料凸点需要足够体积以确保键合可靠性，因此在实现小于5微米的混合像素间距和高深宽比结构方面存在挑战。采用胶体量子点（CQD）层作为吸收体时，量子点光电器件可直接在读出电路上制备，此时像素间距完全取决于底部接触焊盘尺寸（图1d）。索尼开发的铜-铜互连技术旨在提升背照式铟镓砷图像传感器的生产率并缩小像素间距，据报道该工艺架构的暗电流密度与标准混合架构持平。作为铟凸点倒装焊技术的强劲替代方案，铜-铜互连为高清外延短波红外图像传感器开辟了新路径。该技术具有革新潜力，可通过提升成像性能拓展应用空间。然而，仍需进一步研究该工艺架构对其他材料短波红外传感器的兼容性与可靠性。

自2016年铜铜键合技术应用于硅基堆叠式CMOS图像传感器（CIS）量产以来，该技术不仅保障了高良率，更有望将像素间距缩减至1微米，为铟镓砷图像传感器的像素微缩奠定基础。采用芯片对晶圆（C2W）工艺可在大型CIS晶圆产线中高效低损地制造小型三五族光电二极管阵列，结合铜铜键合技术可构建兼具高生产效率和精细像素间距的工艺架构。然而铜铜键合仍面临湿气渗透、电迁移及铜扩散等可靠性风险。C2W工艺的后续挑战在于提升三五族芯片的晶圆贴装效率，随着像素间距缩小，热膨胀系数差异（如三五族/硅异质晶圆平整度及键合工艺条件）的影响将日益凸显。

 

3.1 倒装芯片技术通用工艺流程（第一部分）

目前短波红外图像传感器主要采用双面植球与单面植球两种倒装焊工艺（图2），其核心差异在于焊料凸点布局：双面植球在芯片两侧建立连接，而单面植球仅聚焦于传感器侧连接。该工艺以200毫米传感器晶圆和CMOS读出电路晶圆为加工对象，其中读出电路通过标准硅基CMOS工艺制造；现已实现成熟商用的8英寸与12英寸读出电路晶圆均可按需定制。针对外延短波红外图像传感器（如铟镓砷型、锗硅绝缘体型等），8英寸锗硅绝缘体晶圆工艺仍需优化工艺稳定性与可靠性，以确保最佳性能及高良率。

图2. 外延SWIR图像传感器的两种常规倒装工艺流程

 

3.1.1 双面碰撞

双面植球工艺主要包含以下步骤：（Ⅰ）对CMOS读出电路晶圆和短波红外传感器晶圆进行表面钝化处理；（Ⅱ）暴露短波红外像素的顶部电极及信号接收单元（图2a,h）；（Ⅲ）实施凸点下金属化（UBM）工艺^[163-165]^并沉积铟材料（图2c,f,j,m）；（Ⅳ）进行两次剥离工艺清除多余UBM及铟凸点（图2g,n）；（Ⅴ）通过回流工艺使铟形成球形凸点（图2p,q），或保持未处理状态（图2g,n）；（Ⅵ）执行带/不带铟凸点回流的点对点倒装焊（图2r,o）。

工艺流程中需重点关注三大要点：其一，曝光过程中负性光刻胶暗区底部可能因杂散光形成硬化薄层，该层显影后无法去除，将导致金属与电极间产生不可接受的隔离——可采用剥离抗蚀剂（LOR）进行规避，这种非感光材料置于负性光刻胶与基板间既可阻止硬化层形成，又能促成理想"底切"结构（图2b,i）；当铟层较厚（≥5μm）时，旋涂负胶难以满足厚度需求，此时在负胶下方添加LOR可增加整体光阻厚度（图2f），但需注意LOR需特定溶剂清除。其二，若无法使用厚光阻层，可适当放大铟凸点图形尺寸形成"铟盘"以确保材料体积；回流铟凸点高度主要取决于沉积铟量，不采用回流工艺则需厚光阻层与高质量铟沉积，剥离后凸点高度即目标高度（图2g,n）——若剥离后形貌不佳需通过回流改善（图2p,q）。其三，双面植球尤其适用于≤10微米精度的冷压键合，该工艺可在室温或低于铟熔点条件下进行，能适应大规模（400万像素）短波红外焦平面阵列的翘曲及平整度差异；需特别注意倒装焊完成后不可再对双面植球结构实施回流工艺。

 

3.1.2 单侧碰撞

单面植球工艺仅在传感器晶圆上制作凸点（图2h–n），而在CMOS读出电路晶圆上沉积凸点下金属层（UBM）（图2s–u）。为增强结合力与键合强度，CMOS读出电路晶圆在UBM沉积前需预镀薄铟层（图2v），随后同步剥离UBM与铟层（图2w），从而省去一道光刻工序；图2t所示光阻厚度须大于图2b,i中的厚度，以避免铟沉积时产生粘连现象（图2v）。图2x展示了点对点倒装焊过程，回流工艺可实现自对准（图2q）并提升机械强度；执行回流时，带铟凸点的芯片应置于下方。对于像素规模较小、间距较大且键合精度要求较低的短波红外焦平面阵列，单面植球具备成本优势。

 

3.2 倒装芯片技术通用工艺流程（第二部分）

第二部分重点通过底部填充与背部减薄等工艺提升短波红外焦平面阵列的稳定性、可靠性及功能性，最终借助封装实现实用化应用。图3a,d展示了倒装焊后焦平面阵列的结构，此时短波红外传感器与CMOS读出电路间仅通过铟凸点建立机械连接。底部填充材料固化后形成网格状结构包裹铟凸点，使其隔绝空气接触，有效缓解整个焦平面裸基板模块的热应力（图3b,e）。实现接近100%的底部填充率至关重要，可规避因微隙未填充而产生的成像噪声点。

 

图3. 第二部分为常规倒装芯片工艺

 

外延型短波红外图像传感器需进行背s部减薄抛光处理（图3c,f）。在无铟凸点区域，底部填充材料能发挥关键支撑作用，减轻背部减薄导致的局部塌陷（图3b,e）。减薄表面施加增透膜可显著降低入射辐射损耗（图3未示意）。封装形式随应用需求变化，图3g简要展示了常温金属壳体封装流程：该壳体通过内外镀金层有效屏蔽外部电磁干扰，封装上盖设有蓝宝石/石英入射窗口（图3g）；壳体内部一端的金箔键合焊盘通过引线与读出电路连接，外部另一端设置连接信号处理系统的电接口（图3g,h）。

该封装常搭配微型热电制冷器（TEC）使用（图3i）。短波红外焦平面阵列背部需与入射窗口精确对准，确保整个感光面接收红外辐射（图3j）。封装上盖与基座在干燥惰性气体环境（或真空）中进行密封焊接，其中金镀层可增强焊缝强度并保障密封有效性（图3k）。金属壳体封装为焦平面阵列营造了保护环境，使其免受物理损伤与外部污染，同时提供光学、电气及机械接口，全面提升系统的可靠性与环境适应性。

 

3.3 铟凸点形成

短波红外焦平面阵列在成像应用中已臻成熟，通过微连接与倒装焊技术实现焦平面阵列与CMOS读出电路的混合集成被业界公认为可行技术路线（图4a）。为适配倒装焊工艺，采用独立金属微凸点替代金属引线，实现高密度互连。图5展示了倒装焊中各类凸点工艺及其技术演进，常用凸点材料包括锡基（Sn、Sn-Pb）、金锡（Au-Sn）、银锡（Sn-Ag）、铜锡（Cu-Sn）及铟基（In）等，这些材料兼具质地柔软与强结合力特性。微凸点阵列的性能与良率直接影响成像质量，精心选择凸点材料并优化相关工艺可显著提升混合式短波红外成像传感器的可靠性与先进性。

图4. 倒装芯片混合SWIR FPA结构示意图

图5. 外延图像传感器制造中使用的各种凸点技术

 

铟凭借卓越的物理化学特性在短波红外成像领域备受青睐。其优异的低温工作性能（如77K液氮甚至4.15K液氦环境）使铟凸点成为优选方案，尤其在军事应用中。纯铟具有多重优势：熔点低（156.6℃）、屈服应力小、导热率高、润湿性优异。铟在宽温域内展现极佳延展性与可塑性，特别适用于热敏感或机械脆弱器件的装配连接，并能有效缓解热失配应力，始终是热循环应用场景的理想材料。

铟的低熔点特性支持室温键合，避免连接部位承受过度应力并降低工艺热预算。其高塑性确保焦平面阵列与CMOS读出电路在组装时不易受机械损伤，倒装焊过程中的形变可释放组件间应力并适应翘曲变形。短波红外成像所需的微米级焊料凸点要求可由铟完美满足：典型铟凸点直径5~30μm，兼具良好电阻率与低电感特性，为高频工作提供关键保障。密集排布的铟凸点能显著提升器件信噪比。无论制冷型或非制冷型短波红外传感器，铟作为电互连材料均展现高度兼容性。铟凸点制备主要包含两大步骤：(I)凸点下金属化；(II)铟凸点成形。

 

3.3.1 凸点下金属化

凸点下金属化(UBM)采用多层结构，各金属层承担特定功能：铝(Al)作为CMOS读出电路与短波红外焦平面阵列的通用键合焊盘材料，但其表面氧化铝(Al₂O₃)薄膜会阻碍铟的润湿，需通过UBM层在铟凸点与铝焊盘间建立中介连接。典型UBM结构包含钛(Ti，粘附层)、铂(Pt，铟扩散阻挡层)和金(Au，铟润湿层)。UBM配置还影响欧姆接触形成——高粘附性的钛作为底层与铝形成稳固结合；中间层通常为阻挡金属（如镍与铂），构成Ti/Pt或Ti/Ni结构以有效抑制铟向下扩散；最外层金凭借优异的铟润湿特性将铟凸点牢固锚定，金铟反应形成的AuIn₂金属间化合物(IMC)界面层可增强抗铟扩散能力。在回流焊等高温工艺中，金持续与铟反应形成足够厚度以防止耗尽。虽然金与铟均为柔软延展金属，但AuIn₂质地较硬可能影响UBM与铟凸点的整体可靠性。UBM沉积可通过蒸镀、溅射或物理气相沉积等常规工艺实现，适用于铟凸点系统的UBM方案详见汇总表3。

 

表3. 铟凸点系统的UBM选项，包括年份、机构、UBM堆叠层（厚度）和沉积方法

 

凸点下金属化(UBM)的作用随铟凸点制造工艺而异（图6详述蒸发法与电镀法工艺）。图6a展示采用正性光刻胶的光刻胶翻转工艺，通过单步湿法剥离同步实现UBM与铟凸点制备；而图6b工艺则需在UBM沉积前增加钝化层保护，通过电镀形成凸点后去除光刻胶，再经干法蚀刻移除大部分UBM层——此时UBM除基础功能外还充当电镀种子层。需注意：干法蚀刻不可避免造成部分铟凸点损耗，钝化层仅保护底层结构免受损伤。替代方案中，可通过湿法剥离（非蚀刻）获得图案化UBM（种子层）。两种方法均涉及铟凸点回流焊，熔融铟在表面张力作用下形成截顶球形。圆形UBM设计普遍用于促进铟凸点球化。回流过程中，铟凸点自动与UBM对准并严格限定在UBM区域内，故UBM亦称球限金属(BLM)。

图6. 铟凸点工艺流程

 

3.3.2 铟凸点形成

铟在倒装焊接中的核心价值源于其能建立可靠的电热连接，同时满足现代半导体器件的机械公差与热管理要求。其柔软的质地、低熔点特性、导电性能及卓越兼容性，对提升图像传感器制造中倒装组件的效率、性能及耐久性具有决定性作用。典型铟凸点成形工艺涵盖凸点结构设计、铟材料沉积及特性优化三大关键环节。

 

铟凸点设计

铟凸点的间距与数量由短波红外焦平面阵列（SWIR FPAs）的像素设计决定，典型像素间距为10微米或更大（也存在7-5微米间距特例）。铟凸点作为每个像素与信号处理单元间的机电连接中介实现点对点接触。SWIR FPAs成像采用的CMOS读出集成电路（ROICs）通常具备标准化、成熟化和系统化特征，因此SWIR FPAs的设计需适配CMOS ROICs以降低设计成本并简化后续工艺。铟柱横截面形状与尺寸需综合考量多因素：倒装键合强度取决于铟凸点接触面积——更大接触面积可承受更高键合压力从而增强整体结合强度；更大横截面积意味着更低铟凸点电阻；铟凸点直径或宽度需紧密匹配像素尺寸并充分覆盖凸点下金属（UBM）。光刻胶开口效应使铟凸点通常呈圆柱状——图4b(①)展示理想纵向截面形态，而实际制造常见图4b(②)形态。随着像素增加与间距缩小，采用铟凸点回流整形工艺可提升混合键合成功率（图4b(⑥)）。倒装键合过程中的压力传导至铟凸点引发接触点可控塌陷，铟凸点堆积与横向扩展导致水平截面直径超出设计值，因此在设计中需考量像素尺寸与间距（尤其细微间距场景见图4b(④,⑤)）以防止短路，在满足键合强度前提下通过精准控制焊接压力可抑制此类形变。

铟凸点的高度设计在一定范围内具有灵活性，以确保凸点间高度差处于可接受范围。相同高度范围内，过矮的铟凸点可能导致倒装键合后焊点强度不足，而过高的凸点则易引发相邻凸点粘连（图4b(③,④)），因此确保同批次凸点高度均匀性至关重要。铟凸点整体高度不宜过低，增加高度具有多重优势：增强短波红外焦平面阵列（SWIR FPAs）与CMOS读出电路翘曲容忍度；更高的凸点可通过更大塑性形变吸收机械应力；增加的键合间隙有助于环氧树脂毛细流动实现完全填充，从而提升结合强度。铟凸点参考纵横比通常限制为不低于1:1，此举有助于降低像素间耦合噪声。

由于SWIR FPAs与CMOS读出电路表面并非理想平面，决定铟沉积余量时须考量表面形貌。平面型SWIR FPAs与CMOS读出电路表面结构相似，均在像素电极或信号处理单元上方设有含接触窗口的钝化层，当接近像素间距尺寸时，钝化窗口会消耗部分铟体积。台面型SWIR FPAs则通过像素间刻蚀隔离沟槽降低电串扰，其表面结构与沟槽平整度与平面型截然不同。隔离沟槽虽增加光刻图形化难度，却有利于底部填充的速度与成功率。尽管凸点下金属层（UBM）可局部改善表面平整度，但典型金属厚度低于500纳米，难以实现完美平坦。

图7展示了CMOS读出电路上铟沉积不足与充足的对比：图7a显示沉积不足时铟大量消耗于钝化窗口，尤其晶圆边缘区域凸点高度无法满足键合标准，改进沉积工艺或设备可缓解此问题；图7b展示充足沉积状态，钝化窗口完全填充且凸点高度满足后续工艺需求；图7c凸显铟凸点表面的坑状凹陷，印证钝化窗口对铟材的消耗效应。

图7. （a）不足和（b）在ROIC上充分沉积铟凸点（提升后）；（c）铟凸点上表面出现凹坑状塌陷

 

不同倒装键合方法需要差异化的铟凸点制造工艺。单面凸点工艺中，单侧铟凸点质量直接决定互连良率，此时铟凸点回流整形对实现高度均匀性不可或缺；而双面凸点工艺则具有更高容差。冷压倒装键合无需铟凸点回流即可实现高像素良率，这主要归因于室温冷压键合后双面铟凸点的高纵横比（图4b(①)），能有效降低短波红外焦平面阵列（SWIR FPAs）与CMOS读出电路间的热失配应力，同时补偿芯片翘曲导致的横向偏移，因此双面凸点工艺在超大型SWIR FPAs中优势显著。当需要回流工艺时（铟盘转化为铟凸点），需特别关注凸点下金属层（UBM）尺寸、铟光刻图形及铟层厚度——理想条件下回流后的铟凸点高度可根据截顶球体体积公式计算：

铟凸点高度、截顶球体半径分别对应公式中的h与r，其中截顶球体体积V等于沉积铟的体积（假设回流前后铟总体积不变），可通过铟光刻图形面积乘以沉积铟厚度获得。实际回流过程中，铟凸点最终形态受气氛环境、温湿度等因素影响，未必严格符合截顶球体模型，实际半径通常略小于r，这与回流前后铟材料密度变化相关。当铟凸点图形直径小于10微米时，光刻胶开口直径通常较小。若固定沉积铟厚度：当铟光刻图形水平尺寸显著大于UBM直径时，过量铟体积无法被UBM完全收集而形成外围残留铟；反之图形尺寸过小则导致成形铟量不足。Lee等学者通过控制沉积铟厚度并测试UBM与铟凸点图形尺寸组合发现：当二者水平尺寸比为1:2.5时，UBM润湿效应最大化，可有效减少外围残留铟。

 

铟凸点沉积

电镀（又称紫外光刻电镀）与热蒸发是两种广泛采用的铟沉积方法，因其生产成本低、操作简便而被普遍使用。电镀工艺能精确控制沉积速率，但制备的铟膜质量通常较低，适用于制造大间距大直径的铟凸点阵列；相比之下，热蒸发在控制薄膜均匀性方面更具优势，尤其在大尺寸晶圆（≥8英寸）上表现优于电镀工艺。然而当处理精细间距（≤10μm）时，由于需兼顾高深宽比与大尺寸制造，该工艺在实现高均匀性、低缺陷密度的铟凸点方面也会带来挑战。

 

电沉积铟

电镀法作为简单经济的铟沉积工艺，可制备形态更饱满的铟凸点，尤其适用于高深宽比场景。其核心影响因素包括电流分布与物质传输，镀层均匀性受图形设计制约。通过搅拌预浸润基板可有效消除电镀液与基板间气泡，而凸点高度差异源于晶圆中心与边缘区域的电流密度差异（边缘阴极连接区电流密度更高），该效应在高电阻基板上尤为显著。研究表明，结合超声波搅拌与脉冲电镀技术可优化铟凸点形貌。Huang 等人详细阐述了铟凸点电镀，重点介绍了基于蚀刻和基于剥离的晶种层去除，如图 8所示。验证了剥离过程在去除顽固的 Ti/Pt/Au 种子层方面的有效性。电镀工艺需在光刻前于基板表面形成导电种子层，后续通过刻蚀或剥离技术移除多余种子层以保留铟凸点及基板原有器件结构。

图8. 电镀铟凸点工艺流程示意图

 

Son等研究团队通过电镀工艺在8英寸硅片上成功制备出均匀的高深宽比（≥2:1）铟凸点阵列。该团队采用铟凸点切割工艺，最终实现最小5微米的节距。图9展示了采用Ti/Au种子层的电镀流程：电镀前使用氨基磺酸盐溶液作为电镀液，通过搅拌法对晶圆进行预浸润以消除精细间距图形间的气泡；电镀后无需去除光刻胶，直接对铟凸点进行切割处理并实现与晶圆表面平行的整平操作。该方法成为实现大尺寸高分辨率短波红外焦平面阵列超精细节距的基准工艺，但切割整平过程需依赖特定类型的光刻胶配合精密切割设备完成。

图9. 铟切割电镀碰撞工艺示意图

 

铟蒸发

热蒸发法能以低成本实现快速成膜，特别适用于微米级铟膜沉积。将铟源材料置于坩埚中加热至熔融态，进一步升温形成向上辐射的蒸气流，使其接触带图形的基板并在表面冷凝成膜。由于蒸发的方向性限制，该方法沉积的铟膜台阶覆盖能力有限，反而有利于剥离工艺。蒸发过程中铟凸点形貌受基板状态、光刻胶图形化、真空度及沉积速率等多因素影响。目标基板固定在水冷基座上实现系统热交换，快速高效的热交换确保基板恒低温状态，有利于形成小晶粒铟膜——低温环境降低铟原子扩散迁移率，减缓薄膜横向生长，促进铟凸点顶部平坦化；同时抑制光刻胶残留溶剂挥发（维持腔体真空度）并降低光刻胶热预算，避免过热导致剥离难度增加。该工艺中薄膜表面因岛状生长产生的粗糙度随基板温度升高而降低。

光刻胶在铟沉积中起关键作用：首要确保其低温稳定性，防止胶层开裂导致铟渗漏至基板表面；光刻胶窗口形状与粗糙度显著影响铟凸点形貌。为制备大深宽比铟凸点，应在保证侧壁陡直清晰、胶面光滑前提下尽量扩大顶部开口尺寸——开口粗糙度越高成核位点越多，铟横向生长越快。铟垂直沉积速率等于蒸发速率，但横向沉积不受直接控制。对于周长面积比较大的开口（如圆形），在达到目标铟高度前完全闭合的风险更高。图10b-c展示了剥离前横向生长对光刻胶开口形貌的影响。

图10. （a） 光刻胶开裂；（b）提升前的矩形光刻开口；（c）提升前的圆形光刻开口；（d）“铟吐”

 

热蒸发工艺在高真空环境下进行，以最大限度减少气态铟原子与其他气体分子的相互作用，从而降低气相成核污染。低压环境延长了铟原子平均自由程，有利于优化铟凸点形貌。沉积速率过高会提升腔体内铟原子分压，促进气相成核与团簇形成，逸出的大尺寸铟颗粒造成"铟飞溅"现象（图10d），导致薄膜不均匀。铟蒸发参数需根据应用需求针对性调整：精确控制沉积速率与腔体真空度是制备高质量铟凸点的关键。针对低深宽比（≤1:1）凸点，建议采用适中蒸发速率并优化基板温度；深冷基板温度则有助于实现高深宽比（≈2:1）结构。但必须综合考虑光刻胶开口闭合速率与蒸发速率的非线性关系，同时权衡铟原子表面迁移效应与蒸发速率的竞争影响。

 

剥离工艺与离子刻蚀

铟凸点阵列外部的残余铟通过剥离工艺去除（图11a所示）。首先通过光刻将铟凸点图形转移到负性光刻胶上，形成窗口结构；随后进行全局铟沉积，此时负性光刻胶作为掩膜阻挡非目标区域的铟沉积。剥离液通过光刻胶裂缝溶解胶体，同步去除光刻胶表面的铟层，从而实现铟的图形化成型。

图11. （a）铟碰撞剥离工艺。插图（a）显示图案化负性光刻胶的横截面SEM图像；（b）金属剥离工艺（以深红色箭头指示）和金属蚀刻工艺（以紫色箭头指示）的比较；（c）在UV光刻中对应于正和负光致抗蚀剂的光致抗蚀剂形态；（d）离子刻蚀后铟凸起阵列的SEM照片，和（e，f）回流焊后铟凸点的SEM俯视图

 

剥离工艺与金属蚀刻（湿法/干法蚀刻）是金属图形化的常用技术（图11b）。剥离工艺在金属化同时完成自图形化，省去了后续蚀刻步骤。铟凸点高度远超常规金属电极和互连线，蚀刻选择性低且易损伤基板。对于节距超过10μm的铟凸点阵列，剥离工艺更具实操性。正胶与负胶光刻后分别形成"顶切"和"底切"结构（图11c）：底切利于铟层在台阶边缘与光刻胶分离，顶切则导致铟膜包覆台阶边缘形成连续结构，阻碍剥离液渗入。除采用负胶实现底切侧壁外，亦可使用图像反转或双层光刻胶工艺。剥离工艺被公认为不均匀性主因，凸点高度不足、结合力差等问题也更为突出。Zhang团队采用离子蚀刻替代剥离工艺，精确蚀刻铟凸点及UBM层，获得10μm节距、9.3μm高度（均匀性2%）的凸点阵列，表明凸点间铟含量差异极小。但此时铟凸点呈圆锥形（图11d），未满足大接触面积平顶要求。经回流调整后平均高度降至7.42μm（图11e）和7.34μm（图11f），但此法仍需攻克三大难题：光刻胶对基板的保护效能、必要蚀刻比的控制、蚀刻副产物对回流的影响（图11f）。蚀刻与回流工艺结合可制备高度均匀的超细节距铟凸点阵列，为超细节距混合应用提供技术路径。

为降低剥离工艺负面影响并提升良率，需遵循三原则：①光刻胶厚度需平衡台阶边缘开裂诱导与图形分辨率（同种材料喷胶厚于旋涂，多次旋涂可增厚）；②全程温控涵盖光刻至剥离阶段（前烘及沉积温度严禁超限）；③可采用超声或加热加速剥离，但须预先清除游离铟膜，避免刮蹭损伤凸点阵列。

 

铟凸点优化

倒装键合前需对铟凸点进行预处理，通过物理或化学方法清除氧化铟及杂质。由于制程限制，蒸发/剥离或电沉积形成的铟凸点常出现形貌不规则问题，如高度不均、顶部倾斜导致凸点间距过近等。预处理通常在无氧环境或甘油等隔离介质中进行，并通过回流工艺重塑为球形，期间需采取光刻胶涂覆等抗氧化措施直至键合启动。在UBM辅助下，利用熔融铟（表面张力560mN/m，高于锡的407mN/m）的表面张力效应，回流工艺可重塑凸点为光滑致密球体。该过程具备自动对准补偿能力（见图12f），但需在惰性/还原性气氛中操作以防止氧化。工艺需严格调控气体组分、温湿度及时间节点，具体注意事项如下：（I）还原气氛热处理虽能减少铟损耗，但380℃以上高温可能生成氢氧化物并影响传感器性能；（II）酸洗除氧化物存在可控性差、各向同性刻蚀导致凸点脱落风险；（III）助焊剂残留会腐蚀凸点及UBM，微间距应用中需即刻彻底清洁。

图12. 铟凸点的常用优化方法

 

Greer团队对比了等离子体与湿化学法去除氧化铟的效果，提出Ar/CH4/H2和Ar/H2两步等离子体处理法，既能有效清除氧化层，又避免了HCl湿法刻蚀导致的各向同性腐蚀问题。Huang等采用Ar/CH4/H2/SF6混合气体等离子体刻蚀，XPS分析显示SF6的引入使In-O键强度占比从44.5%骤降至10.8%，其生成的氧氟化物可阻隔氧内扩散。Cui团队研究发现，氮气环境中回流可使铟凸点趋于球形（图13b），但UBM缺陷会导致熔融铟外溢形成饼状粗糙表面（图13d），凸显无缺陷UBM对获得光滑球形凸点的关键作用。

 

图13.（a）回流焊前形状不规则的铟凸起；（b）在N2中回流后的铟凸起；（c）在富含甲酸的N2中回流后的正常重整铟凸起；（d）缺陷UBM上的铟“煎饼”；（e）两步回流示意图；（f）相对于相同体积的球体或半球，铟凸起高度的变化；（g）受固体影响的熔融铟表面张力示意图；（h）软通量。铟凸点的两种制备工艺流程图：（i）直接沉积在UBM接触垫上的铟；（j）铟沉积在UBM接触垫顶部的SiNx开口孔上

 

Jordan团队揭示回流后铟凸点高度主要取决于沉积铟量，而Ti/Ni基UBM直径影响甚微。通过甲酸气氛低温除氧结合真空高温回流的两步法，可获得均匀光滑凸点（图13e），且UBM直径越小凸点越高（图13f）。Zhu等提出助焊剂辅助湿法回流工艺，证实低粘度液态助焊剂能最小化熔融铟表面张力干扰，相较固态助焊剂显著提升球形度（图13g,h），同时实现自对准键合与氧化铟同步清除。Kozłowski开发甲酸蒸气退火结合湿法刻蚀的预处理技术，优化铟蒸发工艺以提高原子密度，并通过预退火解决10%盐酸浴处理导致的凸点脱附问题，剪切测试表明UBM结合力显著增强。Ma团队在Cr/Ni/Au基UBM上引入氮化硅层（图13j），成功制备10μm节距球形铟凸点阵列，该结构有效抑制非均匀回流现象，为≤10μm超细节距应用开辟新途径。

 

3.4 底部填充物

底充胶在倒装焊技术中起着关键作用，它可以提高机械强度、减轻热循环产生的应力、改善热管理、提供环境保护、确保电气隔离以及促进工艺兼容性。总之，这些属性对外延SWIR图像传感器的总体可靠性、性能和寿命有显著贡献。

 

3.4.1 底填材料概述

底部填充材料与IBM的倒装芯片及可控塌陷芯片连接（C4）技术密切相关。倒装芯片发展初期，高成本陶瓷基板因更优的热膨胀系数（CTE）匹配性（氧化铝陶瓷CTE为6.9 ppm K⁻¹，硅基芯片为2.5 ppm K⁻¹）被优先选用，可显著缓解C4凸点（CTE 22-25 ppm K⁻¹）在有机基板（如FR-4的CTE 18-24 ppm K⁻¹）上的热循环劣化问题。固化后的底部填充材料为焊球提供机械保护（抗振动、跌落及冲击损伤），在互连区与环境间形成防潮防氧化屏障，增强芯片与基板粘接强度，使焊点应变降低10-25%并延长疲劳寿命，成为提升倒装芯片固有可靠性的关键保障措施。

底部填充材料通常为具备电、热、机械多功能特性的复合材料，由悬浮液和填料组成。环氧树脂因其耐化学性、强粘附性、低成本及优异电物理性能成为常用悬浮基质。填料的类型、形状、尺寸及表面形态显著影响材料CTE、导热性、导电性和粘度等性能。为实现最佳流动均匀性，填料尺寸需小于填充间隙的三分之一，且悬浮液与填料的比例对平衡流动性与功能性至关重要。

底部填充的固化过程通过将环氧树脂转化为固态交联结构，显著提升机械强度、热稳定性和粘附性，但填料引入也带来新挑战：环氧树脂交联网络的无序非晶链结构导致显著的声子散射，使传统环氧树脂热导率低于0.2 W·m⁻¹·K⁻¹。为此需添加纳米金属、碳管、石墨烯等高导热填料，但需谨慎平衡其对导电性的影响。此外，固化过程中填料在Z轴方向分布不均易引发玻璃化转变温度（Tg）、CTE、韧性和粘附性等性能波动，维持填料均匀悬浮仍是技术难点。

针对这些挑战，Wen团队提出了理想底部填充材料的选择标准，包括低粘度（298K时<20 Pa·s）、高导热性（>1.0 W·m⁻¹·K⁻¹）、适宜CTE（25-30 ppm K⁻¹）、高电阻率（>10¹² Ω·cm）、低介电常数（298K/1kHz下<4.0）及低介电损耗因子（<0.005）。然而同时满足所有标准仍具挑战性，性能提升往往需在其他方面作出妥协。除优化填料外，通过特定官能团对环氧树脂进行精准分子设计或改性，也是开发多功能复合底部填充材料的重要途径。

 

3.4.2 SWIR FPA底部填充

针对短波红外焦平面阵列（SWIR FPA）用底部填充材料需满足六项核心要求：优异电绝缘性与高电阻率（防止铟凸点间短路）；低介电常数（减少铟凸点与键合界面寄生电容）；高导热性（保障焦平面阵列工作温度稳定）；热膨胀系数（TEC）需在垂直轴向匹配铟凸点，并同步协调SWIR FPA与读出电路（ROIC）间的TEC差异；合理固化时间（避免影响填充效率）；适当粘度（确保毛细作用充分生效）。

 

毛细管底充

毛细血管底部填充技术因其高填充率、低气泡形成率、材料兼容性强且不影响铟凸点良率，被广泛应用于SWIR焦平面阵列。该工艺如图14所示：先将键合后的SWIR FPA裸模块水平固定，预热后以芯片顶点为基准，使点胶针头略高于读出电路（ROIC）平面进行点胶（避免机械损伤并确保材料流畅覆盖ROIC表面），同时保持与SWIR FPA边缘的水平间距。借助表面张力与重力的失衡效应，填充材料通过毛细作用横向流入ROIC与SWIR FPA间隙，逐步向内扩散并排除空气，最终完全填充铟凸点外围区域（图14b）。点胶完成后，模块转入真空烘箱（图14c），真空环境增强毛细流动以消除气泡缺陷，随后加热至固化温度确保铟凸点键合强度。

 

图14. （a）SWIR FPA裸模块分配图；（b）毛细作用下的底充材料流动；（c）分配后的加热固化；（d）直线配药；（e）以“L”形分配；（f）以“U”形分配；（g）分配后的SWIR FPA裸模块；（h）底填材料的湿润情况；（i）IRFPA裸模块的超声扫描显微镜图像

 

针对SWIR焦平面阵列的底部填充工艺，主要采用三种点胶路径（图14d-f）：沿长边或无焊盘侧直线填充（I型）、沿相邻两边L形填充（II型）、沿三边U形填充（III型），均需避让ROIC焊盘以确保后续键合。点胶后需预留充分流动时间，避免四面封闭填充导致气体滞留。填充时长受材料粘度、铟凸点密度/高度及芯片尺寸共同影响，助焊剂残留问题亦需重视（图14g-i展示L形点胶后固化效果及超声检测结果）。

面对像素间距持续微缩（达30μm）、铟凸点高度降低导致的毛细填充极限，亟需技术创新：1) 真空增强点胶环境配合材料改性，提升窄间隙渗透性；2) 利用温度梯度驱动热毛细效应加速流动；3) 针对大尺寸芯片（≥40mm×40mm）采用垂直填充技术，解决横向填充时边缘溢流导致的填充缺陷。

 

3.5 背部减薄

倒装焊结构的短波红外焦平面阵列（SWIR FPA）采用背入射方式吸收红外辐射，但衬底材料（如CdZnTe、GaAs、InP等）对短波红外存在不同程度的吸收，需通过减薄或去除衬底来减少辐射损失。保留ROIC上的薄层FPA可提升量子效率与响应度，选择性衬底去除还能降低像素间串扰。入射界面常采用抛光或增透膜处理以减少反射，大尺寸SWIR FPA的背面减薄还可缓解快速冷却时的热应力问题。

‌背面减薄工艺包括机械研磨（快速减薄）、化学机械抛光（CMP）和湿法化学刻蚀（慢速减薄）。研磨产生的划痕与裂纹需通过CMP消除，CMP通过物理化学协同作用进一步减薄并降低表面粗糙度，但需控制减薄厚度以保证结构可靠性。FPA-ROIC间隙中的网状底部填充材料可为无铟凸点区域提供支撑，湿法刻蚀则能实现亚微米级减薄且无物理损伤。

‌通过减薄及去除InP衬底，背照式InGaAs/InP PIN型SWIR FPA的响应光谱可扩展至近红外甚至可见光范围（图15a,b）。典型台面型结构自上而下分为传感器外延层（含N型InP接触层、InGaAs吸收层和InP覆盖层）、底部填充的铟凸点层和ROIC。InP衬底（带隙1.35eV）对可见光吸收率高，仅短波红外能穿透至InGaAs层（带隙0.75eV），但入射过程中的反射与吸收仍无法完全避免。

 

图15. 背面照明InGaAs/InP SWIR-FPA可见扩展原理图

 

Rouvié团队通过完全去除InP衬底并在N型InP接触层表面制备SiO2/TiO2宽谱增透膜（400-1700nm反射率<6%），使平面型InGaAs/InP SWIR FPA在500nm处量子效率达40%，800nm处达75%，900-1600nm超80%。He团队创新采用含InGaAs刻蚀停止层的外延结构（图15d），结合机械抛光减薄至100μm与磷酸/盐酸混合液刻蚀两阶段工艺（图15e），利用酒石酸对InGaAs/N型InP的选择性刻蚀特性去除刻蚀停止层（图15f），再经ICP等离子刻蚀将N型InP接触层减薄至10nm（图15i），实现500-1700nm波段QE超60%的可见光扩展探测器，等离子刻蚀后表面反射率降至17%。Zhang团队通过局部保留像素阵列周围的N型InP接触层（图15c），将光谱响应范围延伸至200-1700nm，在300-1650nm波段内量子效率突破45%（图15h），创下可见光-短波红外宽谱探测新纪录。

高性能低成本短波红外（SWIR）外延图像传感器的研发历史悠久，当前InGaAs凭借成熟的生长工艺、可调组分和SWIR波段覆盖成为理想吸收材料，但受限于大尺寸InP衬底稀缺和昂贵工艺，其成本居高不下。为降低成本，CMOS兼容的IV族Ge(Sn)材料因具备硅基外延生长能力、优异SWIR光响应及可调带隙（通过应变/合金/掺杂工程）成为研究热点，其中绝缘衬底上锗（GOI）结构和可扩展截止波长至e-SWIR的GeSn传感器被视为与InGaAs竞争的重要技术路线。尽管过去二十年取得显著进展，但高分辨率SWIR传感器（像素间距<10μm、像元尺寸<5μm、阵列规模>2560×2048）的发展仍受倒装焊凸点键合技术制约，索尼公司的铜-铜键合技术（5μm像素间距）虽取得突破，但其性能仍落后CMOS传感器一个数量级。未来，铜-铜键合技术有望推动SWIR传感器实现CMOS级集成度与像素间距，尤其对全CMOS工艺集成的Ge(Sn)传感器意义重大，但该技术的可靠性验证仍需大量实验支撑。倒装焊技术因其兼容新型外延材料、支持器件小型化及CMOS工艺等优势，将持续推动SWIR传感器在生命科学、国防监控、自由空间通信等领域的应用拓展。随着材料生长与键合技术的进步，性能媲美CMOS的高分辨率SWIR焦平面阵列将成为可能。

 

参考文献

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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