光刻是制備碲鎘汞紅外探測(cè)器芯片過程中非常關(guān)鍵的工藝。目前絕大部分碲鎘汞芯片制備都是使用接觸式光刻技術(shù)，但是在曝光面型起伏較大的芯片時(shí)工藝均勻性較差，并且掩膜在與芯片接觸時(shí)容易損傷芯片。由于碲鎘汞材料質(zhì)地軟而脆，這種缺陷往往會(huì)給碲鎘汞芯片帶來永久損傷。而投影式光刻技術(shù)是非接觸式曝光，因此可以完全避免缺陷問題。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，中國電子科技集團(tuán)公司第十一研究所的科研團(tuán)隊(duì)在《紅外》期刊上發(fā)表了以“縮小步進(jìn)投影***在碲鎘汞紅外探測(cè)器芯片工藝中的應(yīng)用”為主題的文章。該文章第一作者和通訊作者為趙成城工程師，主要從事紅外探測(cè)器器件工藝和表面微結(jié)構(gòu)加工方面的研究工作。

本文針對(duì)碲鎘汞紅外探測(cè)器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展所需，利用尼康公司生產(chǎn)的縮小步進(jìn)投影***（以下簡(jiǎn)稱“步進(jìn)式***”）開發(fā)了碲鎘汞芯片步進(jìn)式投影光刻工藝，提高了光刻工藝質(zhì)量和效率。

接觸式***和步進(jìn)式***的原理與優(yōu)勢(shì)

接觸式***是最簡(jiǎn)單的***，在工藝過程中以一定壓力將光刻版與芯片壓在一起，通過曝光將光刻版上的圖形轉(zhuǎn)移到芯片上，如圖1所示。它的主要優(yōu)點(diǎn)是可以使用結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、價(jià)格不太昂貴的設(shè)備制備出非常小的特征尺寸。而其缺點(diǎn)也很明顯，涂覆光刻膠的芯片與掩膜的每次接觸過程都可能在芯片和掩膜上形成缺陷。因此，接觸式***一般僅限用于對(duì)缺陷水平容忍度較高的器件工藝。但是，碲鎘汞芯片由于材料尺寸和形狀的限制不得不使用接觸式***進(jìn)行曝光。

圖1 接觸式曝光的原理示意圖

從理論上說，接觸式曝光中整個(gè)芯片都會(huì)與掩膜接觸，因此芯片與光學(xué)擾動(dòng)物（即掩膜）的間隙為０，衍射效應(yīng)可減小到最低。此時(shí)，分辨率主要受到光刻膠內(nèi)光散射的影響。但是，實(shí)際的芯片表面不可能是完全平整的，會(huì)有一定的起伏，掩膜表面也不是絕對(duì)的平整。因此，掩膜與芯片的接觸在整個(gè)芯片表面各處是變化的，需要施加一定的壓力使得掩膜與芯片的接觸更加緊密。但是這種方法只能部分改善掩膜與芯片的接觸，所以仍會(huì)造成以下情況：芯片表面凸起的地方與掩膜接觸較好，光刻圖形轉(zhuǎn)移精度高；而芯片表面凹陷的地方與掩膜接觸較差，光刻圖像轉(zhuǎn)移精度差。由此引起的芯片表面不同區(qū)域光刻質(zhì)量的差異會(huì)導(dǎo)致光刻工藝一致性下降，影響到后續(xù)其他工藝的效果，最終造成器件響應(yīng)的均勻性變差，品質(zhì)降低。

在碲鎘汞薄膜的外延生長(zhǎng)過程中，生長(zhǎng)腔體內(nèi)汞和碲蒸氣的泄漏會(huì)導(dǎo)致母液氣相不均勻。它與溫度不均勻性一起將在氣相和母液中引發(fā)不均勻蒸發(fā)及對(duì)流效應(yīng)，造成外延片表面各點(diǎn)的外延速率出現(xiàn)差異，最終導(dǎo)致表面形貌的起伏。一個(gè)典型的碲鎘汞外延片的表面形貌測(cè)試結(jié)果如圖2所示，芯片中心最高點(diǎn)與四周最低點(diǎn)的高度差最大接近5 μm。因此，采用接觸式光刻工藝制備碲鎘汞芯片將會(huì)造成芯片上不同區(qū)域的光刻效果產(chǎn)生差異，而且芯片越大，這種差異越顯著。

圖2碲鎘汞芯片表面起伏測(cè)試示意圖此外，如果芯片與掩膜之間混入異物，則會(huì)在芯片和掩膜上形成缺陷，造成光刻圖形的缺失甚至掩膜的損壞。由于碲鎘汞薄膜質(zhì)地脆弱、硬度低，這樣形成的缺陷極易造成碲鎘汞材料內(nèi)部出現(xiàn)嚴(yán)重的損傷，破壞探測(cè)器像元的pn結(jié)結(jié)構(gòu)，最終導(dǎo)致器件出現(xiàn)盲元，探測(cè)性能降低。接觸式光刻引起的缺陷是造成碲鎘汞紅外探測(cè)器性能降低的因素之一。

步進(jìn)式***在碲鎘汞芯片工藝中的應(yīng)用還非常少。但是從原理上來說，步進(jìn)式***更適用于碲鎘汞芯片的光刻工藝。步進(jìn)式***在曝光時(shí)，光源發(fā)出的光經(jīng)過曲面鏡反射后變成平行光，照在掩膜上形成多級(jí)衍射光，再通過透鏡組把這些衍射光收集并聚焦在芯片上形成曝光圖案。步進(jìn)式***可以實(shí)現(xiàn)接觸式***的高分辨率，同時(shí)還可避免掩膜與芯片接觸而造成缺陷。不過商業(yè)上應(yīng)用的步進(jìn)式***都是針對(duì)集成電路工藝中使用的8 in或12 in硅晶圓片而設(shè)計(jì)的，無法直接用于形狀、尺寸差異較大的碲鎘汞芯片，因此需要進(jìn)行一些特殊設(shè)計(jì)和調(diào)整。

圖2 碲鎘汞芯片表面起伏測(cè)試示意圖

圖3 步進(jìn)式***曝光示意圖

步進(jìn)式***能夠減小芯片面型起伏對(duì)曝光效果的影響。對(duì)于表面起伏較大的碲鎘汞芯片，采用具有較大聚焦深度且逐場(chǎng)調(diào)平曝光的步進(jìn)式***可以獲得比接觸式***更好的曝光效果。聚焦深度是指在保持圖形聚焦的前提下，晶圓片沿著光通路方向可移動(dòng)的距離。聚焦深度越大，***對(duì)芯片表面起伏的容忍度越高。步進(jìn)式***在曝光過程中，將晶圓分割成一個(gè)個(gè)管芯。在每個(gè)管芯內(nèi)分別找到曝光的焦點(diǎn)再進(jìn)行曝光，如圖3所示。這種分割管芯的曝光方式能夠針對(duì)每個(gè)曝光區(qū)域的表面形貌調(diào)整設(shè)備聚焦距離并達(dá)到最佳曝光位置，使芯片整體的曝光效果最佳。

在每個(gè)曝光管芯內(nèi)，通過調(diào)節(jié)曝光過程中的離焦量參數(shù)，可以改變?cè)O(shè)備聚焦深度的ｚ向位置，使得芯片整個(gè)表面都處在***的最佳景深范圍內(nèi)，從而使芯片整面都獲得較好的曝光效果（見圖4）。

圖4 步進(jìn)式***調(diào)節(jié)離焦量的效果示意圖

因此，與接觸式***相比，步進(jìn)式***更適應(yīng)有較大起伏的芯片的光刻。光刻質(zhì)量均勻性的提升有助于保持整體工藝效果的一致性，提高探測(cè)器響應(yīng)的均勻性，提升器件性能。此外，因?yàn)椴竭M(jìn)式***采用投影式曝光，掩膜與芯片無需接觸，可以完全避免由于芯片接觸異物導(dǎo)致的損傷和光刻圖形破壞；對(duì)準(zhǔn)精度大大高于接觸式***；現(xiàn)代步進(jìn)式***的產(chǎn)量很大，工作效率優(yōu)于手動(dòng)操作的接觸式***。

設(shè)備開發(fā)過程

商業(yè)上成熟的為晶圓代工廠設(shè)計(jì)的步進(jìn)式***均是默認(rèn)晶圓為圓形，并據(jù)此設(shè)置曝光程序。為了讓步進(jìn)式***適用于矩形的碲鎘汞芯片流片，需要在曝光程序中將晶圓設(shè)置為矩形，并分割曝光區(qū)域。同時(shí)，曝光時(shí)放置芯片的載物臺(tái)也要進(jìn)行替換和改造，即把原先適用于圓形晶圓的載物臺(tái)改造成適合放置矩形芯片的載物臺(tái)，如圖5所示。

在曝光參數(shù)的設(shè)定上，根據(jù)所用光刻膠的曝光劑量以及步進(jìn)式***的光源強(qiáng)度來確定曝光時(shí)間。對(duì)于步進(jìn)式***，還有一個(gè)參數(shù)（離焦量）需要設(shè)置。設(shè)置合適的離焦量可使芯片上的曝光區(qū)域都處在設(shè)備聚焦深度范圍內(nèi)，從而獲得最佳曝光效果。通過在芯片上進(jìn)行變離焦量的曝光實(shí)驗(yàn)，可以確定獲得最佳曝光效果的離焦量的數(shù)值。如果芯片表面部分區(qū)域因?yàn)槠鸱^大而偏離聚焦深度的范圍，那么曝光圖形質(zhì)量會(huì)變差，如圖6（ａ）所示。調(diào)節(jié)離焦量參數(shù)后，相同區(qū)域的圖形曝光效果得到改善，如圖6（ｂ）所示。

圖5 曝光程序設(shè)置示意圖和載物臺(tái)示意圖

圖6 步進(jìn)式***曝光效果差以及改進(jìn)后曝光效果的示意圖

經(jīng)調(diào)試，在最佳條件下分別使用步進(jìn)式***與接觸式***曝光同樣的版圖，二者的曝光效果相當(dāng)，得到的光刻圖形如圖７所示。此外，曝光使用的光刻圖形是正方形的點(diǎn)陣。可以看出，接觸式***曝光顯影出的圖形有輕微的變形（更圓），而步進(jìn)式***的曝光圖形更加接近原始設(shè)計(jì)的圖案。

對(duì)于接觸式***來說，在芯片表面較低的地方，由于芯片與掩膜接觸不好，所以曝光后的圖形會(huì)發(fā)生不同程度的變形。一個(gè)典型的例子如圖8（ａ）所示。芯片曝光后某些地方的圖形邊緣出現(xiàn)尖銳的毛刺。受接觸式光刻工藝原理的限制，憑借工藝操作幾乎無法避免因?yàn)樾酒砻嫫鸱^大而導(dǎo)致的曝光圖形質(zhì)量差的問題。但是步進(jìn)式***能夠通過調(diào)整離焦量來提高曝光質(zhì)量，使得芯片上所有曝光區(qū)域都能獲得較好的曝光圖形（見圖8（ｂ））。

光刻的圖形轉(zhuǎn)移精度在后續(xù)刻蝕工藝中起到關(guān)鍵作用。一般使用離子銑將不需要的金屬刻蝕掉，最終形成設(shè)計(jì)的電極形狀。在光刻工藝質(zhì)量高的時(shí)候，光刻膠的剖面傾斜角大，光刻膠可以遮擋離子的轟擊，保護(hù)光刻膠附近的金屬而形成外圍一些額外的金屬層，如圖9（ａ）所示。分析結(jié)果表明，這些額外的金屬對(duì)于像元是有好處的。

但是，如果光刻工藝質(zhì)量降低、光刻圖形變形，則會(huì)極容易使得光刻膠形成傾斜角較小的斜坡。那么在離子銑刻蝕時(shí)，光刻膠就無法阻擋離子，不能起到保護(hù)光刻膠邊緣金屬的作用。而且刻蝕的離子在光刻膠側(cè)壁形成反射，導(dǎo)致光刻膠附近的金屬被過度刻蝕，甚至造成金屬下方的鈍化層被刻蝕掉，最終形成導(dǎo)電的溝槽（見圖9（ｂ））。這種溝槽有可能導(dǎo)致鄰近的像元被串聯(lián)起來，最終形成連續(xù)的盲元。

圖7 步進(jìn)式***與接觸式***的曝光效果示意圖

圖8 接觸式光刻圖形變形和步進(jìn)式光刻曝光效果改善的示意圖

圖9 形貌較好的光刻膠離子刻蝕示意圖

結(jié)論

本文介紹了步進(jìn)式***在碲鎘汞紅外芯片工藝中的應(yīng)用以及取得的效果。由于步進(jìn)式***能夠通過調(diào)節(jié)曝光過程中的離焦量參數(shù)來改變?cè)O(shè)備聚焦深度的ｚ向位置，因此在某些表面起伏較大的芯片上可獲得比接觸式光刻更好的曝光效果。而且投影式曝光過程中光刻版與芯片不接觸，從而完全避免在芯片上產(chǎn)生缺陷；步進(jìn)式***的對(duì)準(zhǔn)精度更高，工藝效率更佳。綜上所述，非接觸式光刻技術(shù)的應(yīng)用將改善碲鎘汞芯片的光刻質(zhì)量，提高芯片的制備工藝穩(wěn)定性。下一步的研究方向是使設(shè)備能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)離焦量參數(shù)至最佳值，從而減少人對(duì)曝光過程的干預(yù)，提高自動(dòng)化程度，提升工藝效率。

審核編輯：劉清