通过衬底温度与沉积速率快速优化实现5微米节距铟凸点阵列的高均匀性可控生长

《Sensors and Actuators A: Physical》：Controlled growth of high-uniformity 5 μm pitch indium bump arrays through rapid optimization of substrate temperature and deposition rate

本文系统研究了通过优化热蒸发参数（衬底温度和沉积速率）实现5 μm节距铟凸点阵列的可控制备。基于薄膜生长理论，通过分析初始生长特征与图案区/非图案区形貌演化规律，建立了快速优化方法，成功制备出高深宽比、高均匀性铟凸点阵列，在红外焦平面（IRFPA）探测器高密度互连领域具有重要价值。

　　

Theoretical Foundations and Process Considerations

铟凸点的物理气相沉积（PVD）遵循薄膜生长原理，其中初始薄膜生长特性在很大程度上决定了最终薄膜特性以及铟凸点的形貌。本研究仅关注铟层沉积，不考虑底部凸点金属化（UBM）与铟之间的生长模式相互作用。初始铟膜通过沃尔默-韦伯（V-W）岛状生长模式生长，依次经历成核和岛状合并阶段，最终形成连续薄膜。在热蒸发过程中，衬底温度和沉积速率是决定薄膜生长特性的两个最关键参数。较低的衬底温度会增加铟原子的扩散势垒，抑制表面迁移，从而有利于形成具有更高成核密度的光滑薄膜。较高的沉积速率会增加单位时间内到达衬底的铟原子通量，促进高密度成核中心形成，从而产生更光滑、更致密的薄膜。通过优化这两个参数，可以精确控制铟膜的初始生长阶段，这对实现具有高深宽比和高均匀性的最终铟凸点阵列至关重要。

Surface morphology and roughness evolution in non-patterned areas during the initial and final stages of indium film growth

铟膜的沉积从根本上决定了铟凸点的制备。PVD参数（较低的衬底温度和较高的沉积速率）的优化有助于沉积光滑致密的铟膜，以及制备高均匀性的铟凸点阵列。我们系统地对比和定量分析了在不同热蒸发参数组合下，非图案区域在铟膜生长初始阶段和最终阶段的表面形貌演变和粗糙度特征。结果表明，在优化的参数下（即较低的衬底温度和较高的沉积速率），初始铟膜表现出更小的岛状尺寸、更高的成核密度和更低的表面粗糙度。这种优化的初始生长行为直接转化为最终铟膜优异的平滑度和均匀性，从而为形成高均匀性的铟凸点阵列奠定了坚实的基础。相反，不理想的参数（如较高的衬底温度或较低的沉积速率）会导致初始岛状结构粗化、成核密度降低以及表面粗糙度增加，进而对最终铟凸点的均匀性产生不利影响。

Conclusions

基于薄膜生长理论，本工作提出了一种通过分析初始铟沉积期间图案区横向生长特性的差异和非图案区粗糙度演变，来确定制备5 μm节距铟凸点阵列的最佳热蒸发参数的方法，以确定优化的热蒸发参数组合。该方法实现了铟材料消耗和蒸发时间减少超过90%，同时成功制备出具有高深宽比和优异均匀性的5 μm节距铟凸点阵列。该方法为快速优化超细间距铟凸点阵列的物理气相沉积工艺提供了一种有效策略，在高密度红外焦平面探测器制造中具有广阔的应用前景。