光刻工藝對大面陣長波碲鎘汞芯片性能的影響

張 軼,牛峻峰,龔志紅,劉世光,吳 卿,王成剛

(1.華北光電技術(shù)研究所,北京 100015；2.空軍裝備部駐北京地區(qū)第七軍事代表室,北京 100015)

1 引 言

碲鎘汞紅外探測器是紅外光電探測領(lǐng)域中的核心器件,被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療、環(huán)境保護(hù)和國防領(lǐng)域[1]。由于大面陣長波碲鎘汞材料制備難度大且物理化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定,器件工藝更為復(fù)雜,使得大面陣長波碲鎘汞紅外探測器整體良品率遠(yuǎn)低于短、中波碲鎘汞紅外探測器,其主要表現(xiàn)為響應(yīng)率非均勻性過或盲元率過高。因此需要從探測器制備工藝角度出發(fā)詳細(xì)分析影響探測器像元性能的因素。

長波碲鎘汞探測器芯片制備需要經(jīng)歷:表面鈍化、光刻、離子刻蝕、離子注入、金屬層生長等多道工藝,每道工藝由于其設(shè)備性能限制會產(chǎn)生工藝非均勻性,進(jìn)而影響探測器的性能[2]。由于每次光刻工藝過程中芯片與掩膜版相對位置不變,且芯片方向不變,因此產(chǎn)生的工藝非均勻性會在同一位置相互疊加,并隨著光刻工藝次數(shù)的增加而放大[3]。同時光刻工藝又是探測器芯片制備過程中重復(fù)次數(shù)最多的工藝,因此光刻工藝的非均勻性對探測器的性能影響最大,需要詳細(xì)分析，如圖1所示。

圖1 光刻工藝非均勻性影響探測器性能

2 光刻工藝非均勻性分析

接觸式光刻工藝具有實現(xiàn)簡單、光刻效率高、設(shè)備成本低和對掩模版無損傷面等優(yōu)點,是長波碲鎘汞紅外探測器制造的常用工藝。接觸式光刻的原理可以理解成平行光垂直照射掩膜版,將掩膜版透光區(qū)域下的光刻膠進(jìn)行曝光,然后使用顯影液將發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)的光刻膠去除完成光刻圖形轉(zhuǎn)移，如圖2所示。

圖2 接觸式光刻原理

在光刻過程中為保證光刻圖形轉(zhuǎn)移精度和工藝均勻性,避免衍射效應(yīng)發(fā)生需要掩膜版緊密接觸待光刻芯片表面的光刻膠層。但是大面陣長波探測器制備所需的碲鎘汞材料面積大、汞組分高(x≈0.22)、膜層厚度大,因此表面平坦度差,在芯片邊緣和中央?yún)^(qū)域容易存在凸點,影響掩膜版與芯片的緊密接觸，如圖3所示。此類芯片在經(jīng)過多次光刻工藝后,工藝非均勻累積會影響最終探測器的性能,如圖1所示。

3 光刻工藝非均勻性仿真計算

當(dāng)掩膜版由于芯片平坦度原因,與芯片表面光刻膠層間存在間隙時,會產(chǎn)生Fresnel衍射,影響光刻質(zhì)量，如圖4所示。

圖3 芯片存在凸點影響光刻質(zhì)量示意圖

圖4 局部光刻質(zhì)量變差

此現(xiàn)象可以用Fresnel-Kirchhoff公式進(jìn)行分析:

(1)

由于接觸式光刻過程中照射掩膜版的曝光光線為平行光,因此公式(1)可以改寫為:

(2)

其中，x0,y0為掩膜版透光區(qū)域坐標(biāo)；g為掩膜版與光刻膠層間的間距;x,y為光刻膠層表面區(qū)域坐標(biāo)。

假設(shè)掩膜版單個像元透光區(qū)域為10 μm×10 μm(切角1 μm),根據(jù)公式(2),應(yīng)用Matlab可以計算出不同掩膜版間隙條件下光刻膠層表面的光強Ig(x,y)=|u(x,y)|分布，如圖5所示。

圖5 4 μm×4 μm(切角0.5 μm)透光區(qū)域不同掩膜版間隙條件下光刻膠層表面的光強分布

通過光刻膠層表面的光強Ig的分布還可以得到不同掩膜版間隙條件曝光不充分面積與應(yīng)曝光面積的比值，如圖6所示。

圖6 掩膜版間隙(gap)與光刻不充分區(qū)域占比的關(guān)系

借鑒《紅外焦平面陣列參數(shù)測試方法(GB17444-2013)》中響應(yīng)率不均勻性的計算方法,計算單次光刻工藝的非均勻性，如公式(3):

(3)

以長波25 μm像元中心間距1 k×1 k探測器芯片光刻工藝為例分析,碲鎘汞材料片面積為36 mm×38 mm、探測器芯片面積為27 mm×27 mm,理論上探測器芯片邊緣距離材料片邊緣為4.5 mm(短邊)、5.5 mm(長邊)。當(dāng)材料片邊緣存在10 μm高的凸點時在探測器芯片區(qū)域內(nèi)掩膜版與光刻膠表面存在1.25～8.75 μm的間隙。

計算可得長波25 μm像元中心間距1 k×1 k探測器碲鎘汞材料片邊緣10 μm高的凸點對于10 μm×10 μm(切角1 μm)的曝光圖形,在單次光刻過程中會引入2.23 %的光刻工藝非均勻性,并隨著光刻工藝次數(shù)的增加而增加,最終影響大面陣長波碲鎘汞芯片性能。

當(dāng)材料片中心區(qū)域內(nèi)存在10 μm高的凸點時,在探測器芯片區(qū)域內(nèi)掩膜版與光刻膠表面存在2.9～17.1 μm(長邊)、2.5～17.5(短邊)的間隙,對于上述曝光圖形會產(chǎn)生4.92 %的光刻工藝非均勻性。

同理當(dāng)掩膜版單個像元透光區(qū)域為4 μm×4 μm(切角0.5 μm)時材料片上4 μm高的凸點(邊緣或中心位置)會使單層光刻工藝產(chǎn)生約0.8 %～3.4 %的工藝非均勻性。

為了線寬大于4 μm的光刻圖形單次光刻工藝非均勻性可以控制在1 %之內(nèi),面積為36 mm×38 mm的碲鎘汞材料片表面凸點不應(yīng)高于2 μm。

4 總 結(jié)

綜上所述,大面陣長波碲鎘汞芯片制備需要多步工藝且均存在其工藝非均勻性,但只有光刻工藝會在碲鎘汞材料片的相同位置、方向上累積其工藝非均勻性。碲鎘汞材料片經(jīng)過多次光刻工藝后,此類工藝非均勻性累積會影響探測器芯片最終性能。

為了避免此現(xiàn)象影響大面陣長波碲鎘汞芯片性能,應(yīng)在在工藝開始之前對長波碲鎘汞材料片進(jìn)行篩選,將面存凸點高于xμm材料片重新進(jìn)行表面平坦化,降低單次光刻的工藝非均勻性。在表面平坦度較差的碲鎘汞材料片上進(jìn)行光刻工藝時可以根據(jù)光刻圖形線寬要求保持一定的掩膜版間隙(適度犧牲圖形精度),提高工藝均勻性。