10 μm小間距紅外探測器的銦柱生長研究

張 鵬,李 乾

(華北光電技術研究所,北京 100015)

1 引 言

隨著紅外焦平面技術的不斷進步和發展,像元的間距在不斷減小,15 μm間距的紅外焦平面探測器的各項技術已經逐漸成熟,10 μm像元間距的關鍵技術也在不斷突破；紅外探測器正在全面邁向10 μm 時代。

本文主要研究的是用于10 μm像元間距紅外探測器的銦柱蒸發工藝。目前紅外探測器芯片多采用混成式結構,即探測器芯片和讀出電路芯片是分開制備的,再采用互連的方式將其壓焊在一起?；ミB工藝會使用到銦(In)材料,它是一種低熔點的軟金屬,熔點為156 ℃；銦材料很軟,延展性好,非常適合于互聯壓焊[1]。

由于混成芯片的光電流信號要經過銦連接從讀出電路讀出,所以,銦柱的質量直接影響到紅外探測器的性能和成像質量。目前,15 μm像元間距焦平面探測器的銦柱蒸發技術比較穩定和成熟,但是當像元間距減小到10 μm時,使用同樣的銦柱蒸發技術就出現了問題,主要表現是:剝離光刻膠之后的銦柱高度比較矮,不能達到互連的要求。

采用同樣的銦柱蒸發工藝條件,在像元間距15 μm的芯片上,銦柱的高度為5 μm,而在像元間距10 μm的芯片上,銦柱的高度只有3.3 μm,高度減少了34 %。

2 問題分析

銦蒸發采用的是熱阻蒸發的方式,加熱蒸發舟,蒸發舟內的銦材料以一定的速率逸出,到達基片的表面[2]?；砻嫱坑泄饪棠z圖形,有光刻膠的部分,銦粒子沉積在光刻膠表面；沒有光刻膠的部分,銦粒子直接到達基片表面,經過堆積,形成銦柱,銦蒸發示意圖見圖1。

圖1 銦蒸發示意圖

在銦堆積的過程中,光刻膠圖形上面的銦膜層越來越厚,同時,銦膜層還會向水平方向不斷生長,這樣一來,光刻孔的直徑就逐漸變小[3]。隨著銦膜層越來越厚,光刻孔的直徑就越來越小,由于直徑減小,銦粒子受到遮擋,所以進入到光刻孔內的銦粒子就越來越少；最終,光刻孔被水平方向生長的銦膜層堵塞住,銦粒子不能再進入到光刻孔內。這時,即使表面銦膜層的厚度再增加,光刻孔內的銦柱高度也不會增高了,達到了厚度極限。

光刻孔內銦柱的生長過程如圖2所示。

圖2 光刻孔內銦柱生長示意圖

在圖2中,Gv為銦柱垂直生長速度=銦蒸發速率；GH為銦柱水平生長速度；D為光刻孔的開孔直徑=銦柱底部的直徑；d為銦柱頂部的直徑；h為銦柱的高度；hmax為銦柱最大的可能高度。

假設,光刻孔內銦柱的垂直生長速度為GV,光刻孔開口處的銦水平方向生長速度是GH。當銦膜層剛開始蒸發時,由于還沒有遮擋,光刻孔內的銦柱直徑為D,跟光刻孔的開孔直徑相等。隨著蒸發,銦膜層厚度逐漸增加,銦在水平方向不斷生長,光刻孔的開孔直徑逐漸減小,光刻孔內銦柱頂部的直徑也逐漸減小。隨著銦膜層厚度的不斷增加,光刻孔最終將閉合。

從分析能夠看出,銦柱的最終高度hmax跟銦柱的垂直速度和水平速度的比值(GV/GH)有關。GV/GH比值越大,最終高度hmax就越大。

銦的垂直生長速度Gv和銦的蒸發速度是一致的,這個速度能夠受到人工控制。銦的水平生長速度GH,這個速度不能直接受到人工的控制,它可以描述成為一個與過程參數和材料特性有關的函數:

GH=f(Gv,P-In,α,T,P-sur,…)

其中,P-In是銦材料的特性,包括銦材料和晶格的生長特性、入射離子的能量等；α是蒸發銦粒子的入射角度；T是基片或光刻膠表面的溫度；P-sur是基片表面或光刻膠表面的結構特性。

為了能夠增加光刻孔內銦柱的高度,可以采取擴大光刻孔的方法,也可以采取改變銦蒸發工藝參數的方法[4]。在本文中,我們將研究基片溫度、銦蒸發速率跟銦柱高度的關系,這兩個因素跟銦蒸發過程中的垂直速度和水平速度的比值有直接關系。通過試驗組合,改變銦蒸發工藝參數,找出最優的工藝條件。

3 工藝參數試驗和結果分析

選擇基片若干,在基片上光刻圖形,圖形選用1 k×1 k陣列,每個像元之間的間距是10 μm,銦柱光刻孔的直徑為5 μm。銦蒸發采取真空鍍膜的方式,鍍膜設備的型號為衡岳真空有限公司生產的LH 600型鍍膜機,采用電阻蒸發的方式,蒸發時真空度在5.0×10-4Pa至1.1×10-3Pa之間,蒸發電流約為350～450 A,膜層設定厚度為6 μm。

銦蒸發工藝試驗選取不同的基片溫度和生長速率參數組合:基片溫度選取+15 ℃、0 ℃和-15 ℃三種不同條件,生長速率選取20 ?/s 和30 ?/s兩種不同條件,組合情況見表1。

表1 工藝試驗的組合情況

蒸發完成后,使用掃描電鏡、FIB、顯微鏡等測量儀器,對基片的表面狀態、光刻孔內銦柱情況、銦柱的高度進行測量和分析,結果如下文所示。

3.1 掃描電鏡測量情況

用掃描電鏡觀察基片表面狀態,如圖3所示。

圖3 蒸發后基片表面掃電圖

從圖3中能夠看出:銦蒸發完成以后,在光刻孔的開口處,發生了銦粒子堵塞的現象,但是堵塞的程度并不相同。

在基片溫度為+15 ℃的條件下,在速率為20 ?/s和30 ?/s的兩種條件,光刻孔的大部分已經被銦堵塞了,已接近閉合,銦粒子已經很難再進入到光刻孔內部。

在0 ℃的條件下,光刻孔的開口處有部分堵塞,未完全閉合,銦粒子能夠進入到光刻孔內部。

在-15 ℃的條件下,光刻孔的堵塞很少,開口處的直徑比較大,銦粒子能夠繼續進入到光刻孔內部。

3.2 FIB測溫情況

使用FIB將銦膜層垂直挖開,挖開后的形貌,如圖4所示。

圖4 FIB之后的形貌對比

對比圈中的位置,能夠看到:

在基片溫度為15 ℃的條件下,光刻孔已經完全被堵塞上了,沒有開孔了；

在0 ℃的條件下,光刻孔部分堵塞,未完全閉合,但光刻孔的直徑已經變??；

在-15 ℃的條件下,光刻孔的頂部未閉合,通道依然暢通,銦粒子能繼續進入到光刻孔內部。

而對比蒸發速率為20 ?/s和30 ?/s的兩種情況,在相同的基片溫度條件下,光刻孔的堵塞情況接近,無明顯差別。

3.3 銦柱的形貌和高度

將基片表面的光刻膠剝離,得到純銦柱,在顯微鏡下的形貌見圖5。

對每種銦蒸發工藝條件,取相鄰的20個銦柱,測量其高度值,結果見表2。

圖5 銦柱形貌的對比

表2 每種蒸發條件取20個銦柱的高度值 (單位:微米)

將數值轉換為圖表,如圖6所示。

圖6 不同蒸發條件的銦柱高度值

同時,計算表2內數據的平均值、標準差和厚度均勻性。

表3 每種條件的平均值、均勻性、標準差

綜合以上結果:在基片溫度為+15 ℃的條件下,銦柱平均高度為3.86 μm,均勻性為33 %,標準差約為0.60,銦柱的形貌、高度一致性比較差。在溫度為0 ℃的條件下,銦柱的平均高度為4.86 μm,均勻性約為12 %,標準差約為0.30,銦柱形貌和一致性較好。溫度為-15 ℃的條件下,銦柱平均高度為4.78 μm,均勻性約為9 %,標準差最低為0.21,銦柱形貌和一致性最好,高度值的波動幅度較小。

在(-15 ℃,30 ?/s)的蒸發條件下,得到的銦柱形貌最好,高度一致性也最好。

4 結 論

通過對不同基片溫度、不同蒸發速率的參數試驗中得到,在較低基片溫度下蒸發(0 ℃和-15 ℃),所得到的銦柱形貌較好,高度值較高,在4.9 μm左右,且高度值比較一致,明顯優于基片溫度為+15 ℃的蒸發條件。

通過FIB后掃電圖能夠看到,在+15 ℃的條件下,光刻孔完全被阻塞,這就是銦柱高度受到影響的原因。在低溫條件下(0 ℃及-15 ℃),光刻孔的未被完全阻塞,銦柱高度能夠繼續增加。所以,基片溫度對銦柱的生長和形貌有影響,較低的基片溫度(0 ℃及-15 ℃)能夠獲得較好的結果。蒸發速率對銦柱的生長和形貌也有影響,20 ?/s和30 ?/s兩種不同速率相比,30 ?/s速率的結果更優。

在較低的基片溫度下,光刻孔內的銦柱形貌較好,這種影響可以解釋為,與基片表面結合的銦粒子可移動性具有更高的能量狀態。在更低的表面溫度下,基片表面的銦原子具有更低的能量狀態,銦粒子具有更高的表面移動性,更有可能從表面位置移動到更低的能量狀態下。所以,基片的溫度不僅影響光刻孔開孔區域的閉合,還會影響到它的形貌。更低的基片溫度會導致開放孔閉合得更慢,還會形成銦膜層更好的形貌。