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

據麥姆斯咨詢報道，近期，中國電子科技集團公司第十一研究所的科研團隊在《紅外》期刊上發表了以“縮小步進投影***在碲鎘汞紅外探測器芯片工藝中的應用”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，主要從事紅外探測器器件工藝和表面微結構加工方面的研究工作。

本文針對碲鎘汞紅外探測器產業的發展所需，利用尼康公司生產的縮小步進投影***（以下簡稱“步進式***”）開發了碲鎘汞芯片步進式投影光刻工藝，提高了光刻工藝質量和效率。

接觸式***和步進式***的原理與優勢

接觸式***是最簡單的***，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移到芯片上，如圖1所示。它的主要優點是可以使用結構相對簡單、價格不太昂貴的設備制備出非常小的特征尺寸。而其缺點也很明顯，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，接觸式曝光中整個芯片都會與掩膜接觸，因此芯片與光學擾動物（即掩膜）的間隙為０，衍射效應可減小到最低。此時，分辨率主要受到光刻膠內光散射的影響。但是，實際的芯片表面不可能是完全平整的，會有一定的起伏，掩膜表面也不是絕對的平整。因此，掩膜與芯片的接觸在整個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，光刻圖像轉移精度差。由此引起的芯片表面不同區域光刻質量的差異會導致光刻工藝一致性下降，影響到后續其他工藝的效果，最終造成器件響應的均勻性變差，品質降低。

在碲鎘汞薄膜的外延生長過程中，生長腔體內汞和碲蒸氣的泄漏會導致母液氣相不均勻。它與溫度不均勻性一起將在氣相和母液中引發不均勻蒸發及對流效應，造成外延片表面各點的外延速率出現差異，最終導致表面形貌的起伏。一個典型的碲鎘汞外延片的表面形貌測試結果如圖2所示，芯片中心最高點與四周最低點的高度差最大接近5 μm。因此，采用接觸式光刻工藝制備碲鎘汞芯片將會造成芯片上不同區域的光刻效果產生差異，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試示意圖此外，如果芯片與掩膜之間混入異物，則會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。由于碲鎘汞薄膜質地脆弱、硬度低，這樣形成的缺陷極易造成碲鎘汞材料內部出現嚴重的損傷，破壞探測器像元的pn結結構，最終導致器件出現盲元，探測性能降低。接觸式光刻引起的缺陷是造成碲鎘汞紅外探測器性能降低的因素之一。

步進式***在碲鎘汞芯片工藝中的應用還非常少。但是從原理上來說，步進式***更適用于碲鎘汞芯片的光刻工藝。步進式***在曝光時，光源發出的光經過曲面鏡反射后變成平行光，照在掩膜上形成多級衍射光，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。步進式***可以實現接觸式***的高分辨率，同時還可避免掩膜與芯片接觸而造成缺陷。不過商業上應用的步進式***都是針對集成電路工藝中使用的8 in或12 in硅晶圓片而設計的，無法直接用于形狀、尺寸差異較大的碲鎘汞芯片，因此需要進行一些特殊設計和調整。

圖2 碲鎘汞芯片表面起伏測試示意圖

圖3 步進式***曝光示意圖

步進式***能夠減小芯片面型起伏對曝光效果的影響。對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調平曝光的步進式***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的距離。聚焦深度越大，***對芯片表面起伏的容忍度越高。步進式***在曝光過程中，將晶圓分割成一個個管芯。在每個管芯內分別找到曝光的焦點再進行曝光，如圖3所示。這種分割管芯的曝光方式能夠針對每個曝光區域的表面形貌調整設備聚焦距離并達到最佳曝光位置，使芯片整體的曝光效果最佳。

在每個曝光管芯內，通過調節曝光過程中的離焦量參數，可以改變設備聚焦深度的ｚ向位置，使得芯片整個表面都處在***的最佳景深范圍內，從而使芯片整面都獲得較好的曝光效果（見圖4）。

圖4 步進式***調節離焦量的效果示意圖

因此，與接觸式***相比，步進式***更適應有較大起伏的芯片的光刻。光刻質量均勻性的提升有助于保持整體工藝效果的一致性，提高探測器響應的均勻性，提升器件性能。此外，因為步進式***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致的損傷和光刻圖形破壞；對準精度大大高于接觸式***；現代步進式***的產量很大，工作效率優于手動操作的接觸式***。

設備開發過程

商業上成熟的為晶圓代工廠設計的步進式***均是默認晶圓為圓形，并據此設置曝光程序。為了讓步進式***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置為矩形，并分割曝光區域。同時，曝光時放置芯片的載物臺也要進行替換和改造，即把原先適用于圓形晶圓的載物臺改造成適合放置矩形芯片的載物臺，如圖5所示。

在曝光參數的設定上，根據所用光刻膠的曝光劑量以及步進式***的光源強度來確定曝光時間。對于步進式***，還有一個參數（離焦量）需要設置。設置合適的離焦量可使芯片上的曝光區域都處在設備聚焦深度范圍內，從而獲得最佳曝光效果。通過在芯片上進行變離焦量的曝光實驗，可以確定獲得最佳曝光效果的離焦量的數值。如果芯片表面部分區域因為起伏較大而偏離聚焦深度的范圍，那么曝光圖形質量會變差，如圖6（ａ）所示。調節離焦量參數后，相同區域的圖形曝光效果得到改善，如圖6（ｂ）所示。

圖5 曝光程序設置示意圖和載物臺示意圖

圖6 步進式***曝光效果差以及改進后曝光效果的示意圖

經調試，在最佳條件下分別使用步進式***與接觸式***曝光同樣的版圖，二者的曝光效果相當，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），而步進式***的曝光圖形更加接近原始設計的圖案。

對于接觸式***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發生不同程度的變形。一個典型的例子如圖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為芯片表面起伏過大而導致的曝光圖形質量差的問題。但是步進式***能夠通過調整離焦量來提高曝光質量，使得芯片上所有曝光區域都能獲得較好的曝光圖形（見圖8（ｂ））。

光刻的圖形轉移精度在后續刻蝕工藝中起到關鍵作用。一般使用離子銑將不需要的金屬刻蝕掉，最終形成設計的電極形狀。在光刻工藝質量高的時候，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。分析結果表明，這些額外的金屬對于像元是有好處的。

但是，如果光刻工藝質量降低、光刻圖形變形，則會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，光刻膠就無法阻擋離子，不能起到保護光刻膠邊緣金屬的作用。而且刻蝕的離子在光刻膠側壁形成反射，導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，最終形成導電的溝槽（見圖9（ｂ））。這種溝槽有可能導致鄰近的像元被串聯起來，最終形成連續的盲元。

圖7 步進式***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

結論

本文介紹了步進式***在碲鎘汞紅外芯片工藝中的應用以及取得的效果。由于步進式***能夠通過調節曝光過程中的離焦量參數來改變設備聚焦深度的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生缺陷；步進式***的對準精度更高，工藝效率更佳。綜上所述，非接觸式光刻技術的應用將改善碲鎘汞芯片的光刻質量，提高芯片的制備工藝穩定性。下一步的研究方向是使設備能夠自動調節離焦量參數至最佳值，從而減少人對曝光過程的干預，提高自動化程度，提升工藝效率。

審核編輯：劉清