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

1 引 言

碲鎘汞紅外探測器是紅外光電探測領域中的核心器件,被廣泛應用于工業生產、醫療、環境保護和國防領域[1]。由于大面陣長波碲鎘汞材料制備難度大且物理化學性質不穩定,器件工藝更為復雜,使得大面陣長波碲鎘汞紅外探測器整體良品率遠低于短、中波碲鎘汞紅外探測器,其主要表現為響應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詳細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,每道工藝由于其設備性能限制會產生工藝非均勻性,進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次數最多的工藝,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簡單、光刻效率高、設備成本低和對掩模版無損傷面等優點,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,將掩膜版透光區域下的光刻膠進行曝光,然后使用顯影液將發生光化學反應的光刻膠去除完成光刻圖形轉移，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移精度和工藝均勻性,避免衍射效應發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,在芯片邊緣和中央區域容易存在凸點,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,會產生Fresnel衍射,影響光刻質量，如圖4所示。

圖3 芯片存在凸點影響光刻質量示意圖

圖4 局部光刻質量變差

此現象可以用Fresnel-Kirchhoff公式進行分析:

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

假設掩膜版單個像元透光區域為10 μm×10 μm(切角1 μm),根據公式(2),應用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)與光刻不充分區域占比的關系

借鑒《紅外焦平面陣列參數測試方法(GB17444-2013)》中響應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)。當材料片邊緣存在10 μm高的凸點時在探測器芯片區域內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的增加而增加,最終影響大面陣長波碲鎘汞芯片性能。

當材料片中心區域內存在10 μm高的凸點時,在探測器芯片區域內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生4.92 %的光刻工藝非均勻性。

同理當掩膜版單個像元透光區域為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,面積為36 mm×38 mm的碲鎘汞材料片表面凸點不應高于2 μm。

4 總 結

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。

為了避免此現象影響大面陣長波碲鎘汞芯片性能,應在在工藝開始之前對長波碲鎘汞材料片進行篩選,將面存凸點高于xμm材料片重新進行表面平坦化,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行光刻工藝時可以根據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。