華北光電技術(shù)研究所研究不同像元間距紅外探測器的銦柱生長

由于大面陣探測器的制造難度很大，減小像元間距是實(shí)現(xiàn)大面陣、超大面陣探測器的主要方法。像元間距的減小會(huì)導(dǎo)致讀出電路打底層和銦柱尺寸縮小，對(duì)銦凸點(diǎn)的尺寸和倒裝互連技術(shù)提出了挑戰(zhàn)，對(duì)于銦柱生長工藝也是如此。由于互連后探測器的光電流信號(hào)要通過銦連接引出，所以銦柱生長質(zhì)量的好壞會(huì)影響探測器最終的整體性能。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，華北光電技術(shù)研究所的科研團(tuán)隊(duì)在《紅外》期刊上發(fā)表了以“不同像元間距紅外探測器的銦柱生長研究”為主題的文章。該文章第一作者和通訊作者為張鵬高級(jí)工程師，主要從事紅外探測器器件工藝方面的研究工作。

在銦柱生長工藝中，銦柱高度除了與銦蒸發(fā)的工藝條件有關(guān)之外，還與銦柱光刻的條件、像元間距大小等因素存在一定關(guān)聯(lián)。本文通過實(shí)驗(yàn)分析像元間距的大小對(duì)銦柱高度的具體影響，并研究如何減少和消除這種影響。

不同像元間距的銦柱生長實(shí)驗(yàn)

銦柱生長的工藝流程如下：在讀出電路或者芯片的表面進(jìn)行光刻；光刻好銦柱孔，再將其放入銦蒸發(fā)設(shè)備進(jìn)行銦柱生長。生長完成后，進(jìn)行濕化學(xué)剝離工藝，去除讀出電路或者芯片表面的光刻膠及多余的銦膜層，留下銦柱。

本文選取3個(gè)實(shí)驗(yàn)片，分別光刻上不同的圖形。每個(gè)圖形的像元間距不同，分別為25 μm、15 μm 和15 μm；其余的條件都相同。在實(shí)驗(yàn)片上完成電極打底層之后再進(jìn)行銦柱孔光刻。光刻膠的厚度設(shè)定為9 μm，銦柱光刻孔的直徑分別設(shè)定為20 μm、12 μm 和5 μm。光刻完成后進(jìn)行銦蒸發(fā)工藝。該工藝的條件如下：真空度為2.2×10?? Pa，樣品盤的溫度為0℃，蒸發(fā)電流為400 A，蒸發(fā)速率為30 ?/S，蒸銦的厚度為6 μm，工藝時(shí)間為33 min。

銦蒸發(fā)完成之后，取出實(shí)驗(yàn)片，用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察銦膜層的表面形貌；隨后利用聚焦離子束（FIB）技術(shù)將銦柱光刻孔從上向下垂直切開一部分，并用SEM觀察銦柱光刻孔切開以后的內(nèi)部詳細(xì)結(jié)構(gòu)。接著采用濕化學(xué)剝離工藝去除實(shí)驗(yàn)片表面的銦膜層，留下銦柱，然后測量銦柱的高度。

這三個(gè)實(shí)驗(yàn)片的銦膜層表面形貌如圖1所示；銦柱光刻孔被切開后的截面形貌如圖2所示。通過對(duì)比以上圖片可以看出：

圖1 表面形貌圖（像元間距為25 μm、15 μm、10 μm）

圖2 截面形貌圖（銦柱光刻孔直徑為20 μm、12 μm、5 μm）

（1）對(duì)于不同像元間距的實(shí)驗(yàn)片，銦膜層表面形貌圖的差異很大。像元間距為25 μm和15 μm的實(shí)驗(yàn)片的銦柱孔開孔形狀基本正常；像元間距為10 μm的實(shí)驗(yàn)片的銦柱孔開孔變得很小，形狀也成了不規(guī)則的圓形。

（2）在截面形貌圖中，深色部分是光刻膠，淺色部分是銦層，銦膜層主要沉積在銦柱孔底部和光刻膠頂部。銦柱孔底部的銦膜層厚度比光刻膠頂部的薄一些，截面呈上窄下寬的正梯形，這是因?yàn)樵阢煶练e時(shí)受到頂部銦遮擋的影響。而不同像元間距實(shí)驗(yàn)片的銦柱孔底部銦膜層的厚度、形貌存在差異。

（3）光刻膠頂部的銦膜層除了在垂直方向生長之外，還發(fā)生了水平方向的生長。水平生長的銦膜層像個(gè)“帽子”一樣蓋在光刻膠頂部，對(duì)銦柱孔內(nèi)的銦沉積產(chǎn)生遮擋的影響（見圖2）。在銦膜層不斷沉積的過程中，“帽子”會(huì)越來越大，對(duì)銦柱孔底部銦沉積的遮擋影響也會(huì)越來越大。

（4）把光刻膠和多余的銦膜層用濕化學(xué)工藝剝離干凈后，留下銦柱。通過測量獲得銦柱的高度。不同像元間距實(shí)驗(yàn)片最后的銦柱高度也不相同，25 μm時(shí)銦柱高度最高，10 μm時(shí)銦柱高度最矮（具體數(shù)值將在后文分析）。

結(jié)果分析

在銦蒸發(fā)過程中，沉積到樣品表面的銦原子團(tuán)一部分直接凝結(jié)，還有一部分在銦的表面上遷移。銦原子團(tuán)的遷移過程會(huì)導(dǎo)致原子團(tuán)之間相互碰撞、合并并最終凝結(jié)。由于芯片表面存在銦柱光刻孔而并不是一個(gè)平面，所以在銦沉積過程中，銦原子團(tuán)有一部分沉積在銦柱孔底部，還有一部分沉積在光刻膠的頂部。

在銦膜層厚度增加的同時(shí)，沉積在光刻膠頂部的銦膜層還會(huì)以一定的速度向水平方向生長。這個(gè)速度與銦的垂直生長速度、蒸發(fā)銦離子的入射角、光刻膠表面的結(jié)構(gòu)特性等多種因素有關(guān)。這種水平生長會(huì)阻擋銦原子團(tuán)向銦柱光刻孔內(nèi)部的沉積，而只有沉積到光刻孔底部的銦膜層才能形成銦柱，所以這種水平方向的銦生長對(duì)銦柱沉積是不利的。

圖3為銦柱光刻孔內(nèi)的示意圖。其中，Gv為銦膜層的垂直生長速度；GH為光刻孔頂部的銦水平生長速度；d為銦柱頂部的直徑；D為銦柱底部的直徑，其大小等于銦柱光刻孔的開孔直徑；h為銦柱的高度；hmax為銦柱的最大高度。在銦蒸發(fā)的過程中，剛開始時(shí)銦還沒有產(chǎn)生遮擋，所以銦柱光刻孔內(nèi)的銦柱直徑與光刻孔的開孔直徑相等。蒸發(fā)過程中，銦膜層的厚度逐漸增大，而銦在水平方向上不斷生長，產(chǎn)生了遮擋；銦柱光刻孔的開孔直徑逐漸減小，光刻孔內(nèi)的銦柱頂部直徑也逐漸減??；隨著銦膜層厚度的不斷增大，銦柱光刻孔的開孔最終將閉合。從以上分析能看出，銦柱的最終高度hmax跟Gv和GH的比值有關(guān)。

圖3 銦柱光刻孔內(nèi)的示意圖

表1 不同像元間距實(shí)驗(yàn)片的銦水平生長速度

通過顯微鏡測量，獲得了不同實(shí)驗(yàn)片的銦水平生長寬度w，并計(jì)算出了銦水平方向的生長速度GH（結(jié)果見表1）。從表1中可以看出，雖然像元間距、光刻孔直徑不相同，但是銦水平生長的寬度接近，銦水平生長速度也相差不大。

在銦生長過程中，銦柱光刻孔頂部的銦朝水平方向不斷生長，光刻孔的開孔直徑逐漸變小，進(jìn)入到孔內(nèi)部的銦也會(huì)逐漸減少。銦生長結(jié)束后的銦柱光刻孔與最開始的光刻孔相比，直徑變小了，光刻孔開孔的面積也變小了，有一部分面積被銦堵塞了。

本次實(shí)驗(yàn)中，像元間距為25 μm的實(shí)驗(yàn)片的光刻孔直徑為20 μm，犘為67%，銦柱的高度最高（5.80 μm）。像元間距為10 μm的實(shí)驗(yàn)片的光刻孔直徑為5 μm，犘僅為11%；光刻孔在蒸銦結(jié)束后，大部分面積被遮擋，所以銦柱的高度最低（1.97 μm），無法滿足互連的要求。對(duì)于10 μm以下的像元間距（如7 μm），要獲得滿足互連要求的銦柱高度，則會(huì)更加困難。

解決辦法

針對(duì)10 μm及以下像元間距的大面陣紅外探測器銦柱高度不夠的問題，通過長期實(shí)驗(yàn)得到以下幾個(gè)解決辦法。

增加銦蒸發(fā)的速率

在蒸銦過程中增大蒸發(fā)速率后，從銦材料表面逸出的銦原子所攜帶的能量更大，銦原子就具有更強(qiáng)的遷移能力，能夠移動(dòng)得更遠(yuǎn)，即銦原子容易遷移到能量狀態(tài)更低的位置。同時(shí)，隨著蒸銦速率的提高，銦原子的臨界核心半徑和臨界形核自由能減小，形成更細(xì)密的膜層組織，有助于提高銦膜層的質(zhì)量。

增大銦柱光刻孔的直徑

像元間距一旦確定就無法更改，但是銦柱光刻孔的直徑在一定范圍內(nèi)是可以調(diào)整的。從前文的分析來看，增大銦柱光刻孔的直徑，對(duì)于增加銦柱高度是有幫助的。在10 μm像元間距的實(shí)驗(yàn)中，銦柱光刻孔的直徑為5 μm，剝離后銦柱的高度比較矮。如果增大銦柱光刻孔的直徑（達(dá)到7～8 μm），那么在銦蒸發(fā)過程中進(jìn)入到光刻孔內(nèi)的銦會(huì)更多，剝離后銦柱的高度就能增加。但是，增大銦柱光刻孔直徑的方法也會(huì)對(duì)光刻提出一些更高的要求。

減小光刻膠的厚度

從前面實(shí)驗(yàn)中垂直切開的截面形貌圖來看，光刻膠的厚度較厚，導(dǎo)致銦柱光刻孔的深寬比過大，對(duì)剝離后的銦柱高度產(chǎn)生不利的影響。如果減薄光刻膠的厚度，減小銦柱光刻孔的深寬比，將有利于銦柱的沉積。但是，若光刻膠的厚度過薄，則會(huì)導(dǎo)致后續(xù)濕化學(xué)剝離工藝?yán)щy。因此，光刻膠的厚度應(yīng)通過實(shí)驗(yàn)選取最優(yōu)值，既有利于銦柱的沉積，又不會(huì)影響濕化學(xué)剝離工藝。

在采用上述幾種方法后，重新開展了一次銦柱生長實(shí)驗(yàn)。像元間距設(shè)定為10 μm，銦柱光刻孔的直徑增大到7 μm，光刻膠的厚度減小到7～8 μm，并增大銦蒸發(fā)的速率。蒸銦工藝完成后，用SEM觀察銦表面形貌，并用FIB將銦柱光刻孔垂直切開，觀察其內(nèi)部結(jié)構(gòu)（結(jié)果見圖4）。

從圖4中可以看出，銦柱光刻孔存在堵塞的情況，但比上次實(shí)驗(yàn)明顯好轉(zhuǎn)；這次銦柱光刻孔底部的沉積比較好。經(jīng)測量，銦水平生長寬度為1.78 μm，與上次實(shí)驗(yàn)結(jié)果接近；犘為27%，優(yōu)于上次實(shí)驗(yàn)中銦柱光刻孔直徑為5 μm時(shí)的結(jié)果；剝離后銦柱的高度為5.05 μm，也優(yōu)于上次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

圖4 表面形貌圖（像元間距為10 μm）和截面形貌圖（銦柱光刻孔直徑為7 μm）

結(jié)束語

本文詳細(xì)研究了在不同像元間距（25 μm、15 μm、10 μm）的條件下，銦柱生長工藝完成后銦膜層表面的形貌和銦柱光刻孔截面的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)。在銦沉積的過程中，銦原子團(tuán)除了垂直生長之外，還在光刻膠的頂部以一定的速率朝水平方向生長。這種水平方向的生長會(huì)在光刻膠頂部形成一個(gè)“帽子”而產(chǎn)生遮擋，不利于光刻孔內(nèi)的銦沉積，造成銦沉積量減少，剝離后的銦柱變矮。這在25 μm和15 μm像元間距時(shí)對(duì)銦柱高度的影響并不大；但在10 μm像元間距時(shí)對(duì)銦柱高度的影響會(huì)很大。

針對(duì)10 μm及以下像元間距的銦柱高度問題，給出了幾種解決方法：增大蒸發(fā)速率、增大銦柱光刻孔直徑和減小光刻膠厚度等。在新實(shí)驗(yàn)中使用了這幾種方法，取得了比較好的結(jié)果：剝離后銦柱高度為5.05 μm。下一步將重點(diǎn)研究更小像元間距（如7.5 μm或5 μm）條件下銦柱的生長情況、表面形貌，銦柱高度均勻性以及它們對(duì)互連工藝的影響。

審核編輯：劉清