华北光电技术研究所研究不同像元间距红外探测器的铟柱生长

由于大面阵探测器的制造难度很大，减小像元间距是实现大面阵、超大面阵探测器的主要方法。像元间距的减小会导致读出电路打底层和铟柱尺寸缩小，对铟凸点的尺寸和倒装互连技术提出了挑战，对于铟柱生长工艺也是如此。由于互连后探测器的光电流信号要通过铟连接引出，所以铟柱生长质量的好坏会影响探测器最终的整体性能。

据麦姆斯咨询报道，近期，华北光电技术研究所的科研团队在《红外》期刊上发表了以“不同像元间距红外探测器的铟柱生长研究”为主题的文章。该文章第一作者和通讯作者为张鹏高级工程师，主要从事红外探测器器件工艺方面的研究工作。

在铟柱生长工艺中，铟柱高度除了与铟蒸发的工艺条件有关之外，还与铟柱光刻的条件、像元间距大小等因素存在一定关联。本文通过实验分析像元间距的大小对铟柱高度的具体影响，并研究如何减少和消除这种影响。

不同像元间距的铟柱生长实验

铟柱生长的工艺流程如下：在读出电路或者芯片的表面进行光刻；光刻好铟柱孔，再将其放入铟蒸发设备进行铟柱生长。生长完成后，进行湿化学剥离工艺，去除读出电路或者芯片表面的光刻胶及多余的铟膜层，留下铟柱。

本文选取3个实验片，分别光刻上不同的图形。每个图形的像元间距不同，分别为25 μm、15 μm 和15 μm；其余的条件都相同。在实验片上完成电极打底层之后再进行铟柱孔光刻。光刻胶的厚度设定为9 μm，铟柱光刻孔的直径分别设定为20 μm、12 μm 和5 μm。光刻完成后进行铟蒸发工艺。该工艺的条件如下：真空度为2.2×10⁻⁴ Pa，样品盘的温度为0℃，蒸发电流为400 A，蒸发速率为30 Å/S，蒸铟的厚度为6 μm，工艺时间为33 min。

铟蒸发完成之后，取出实验片，用扫描电子显微镜（SEM）观察铟膜层的表面形貌；随后利用聚焦离子束（FIB）技术将铟柱光刻孔从上向下垂直切开一部分，并用SEM观察铟柱光刻孔切开以后的内部详细结构。接着采用湿化学剥离工艺去除实验片表面的铟膜层，留下铟柱，然后测量铟柱的高度。

这三个实验片的铟膜层表面形貌如图1所示；铟柱光刻孔被切开后的截面形貌如图2所示。通过对比以上图片可以看出：

图1 表面形貌图（像元间距为25 μm、15 μm、10 μm）

图2 截面形貌图（铟柱光刻孔直径为20 μm、12 μm、5 μm）

（1）对于不同像元间距的实验片，铟膜层表面形貌图的差异很大。像元间距为25 μm和15 μm的实验片的铟柱孔开孔形状基本正常；像元间距为10 μm的实验片的铟柱孔开孔变得很小，形状也成了不规则的圆形。

（2）在截面形貌图中，深色部分是光刻胶，浅色部分是铟层，铟膜层主要沉积在铟柱孔底部和光刻胶顶部。铟柱孔底部的铟膜层厚度比光刻胶顶部的薄一些，截面呈上窄下宽的正梯形，这是因为在铟沉积时受到顶部铟遮挡的影响。而不同像元间距实验片的铟柱孔底部铟膜层的厚度、形貌存在差异。

（3）光刻胶顶部的铟膜层除了在垂直方向生长之外，还发生了水平方向的生长。水平生长的铟膜层像个“帽子”一样盖在光刻胶顶部，对铟柱孔内的铟沉积产生遮挡的影响（见图2）。在铟膜层不断沉积的过程中，“帽子”会越来越大，对铟柱孔底部铟沉积的遮挡影响也会越来越大。

（4）把光刻胶和多余的铟膜层用湿化学工艺剥离干净后，留下铟柱。通过测量获得铟柱的高度。不同像元间距实验片最后的铟柱高度也不相同，25 μm时铟柱高度最高，10 μm时铟柱高度最矮（具体数值将在后文分析）。

结果分析

在铟蒸发过程中，沉积到样品表面的铟原子团一部分直接凝结，还有一部分在铟的表面上迁移。铟原子团的迁移过程会导致原子团之间相互碰撞、合并并最终凝结。由于芯片表面存在铟柱光刻孔而并不是一个平面，所以在铟沉积过程中，铟原子团有一部分沉积在铟柱孔底部，还有一部分沉积在光刻胶的顶部。

在铟膜层厚度增加的同时，沉积在光刻胶顶部的铟膜层还会以一定的速度向水平方向生长。这个速度与铟的垂直生长速度、蒸发铟离子的入射角、光刻胶表面的结构特性等多种因素有关。这种水平生长会阻挡铟原子团向铟柱光刻孔内部的沉积，而只有沉积到光刻孔底部的铟膜层才能形成铟柱，所以这种水平方向的铟生长对铟柱沉积是不利的。

图3为铟柱光刻孔内的示意图。其中，Gv为铟膜层的垂直生长速度；GH为光刻孔顶部的铟水平生长速度；d为铟柱顶部的直径；D为铟柱底部的直径，其大小等于铟柱光刻孔的开孔直径；h为铟柱的高度；hmax为铟柱的最大高度。在铟蒸发的过程中，刚开始时铟还没有产生遮挡，所以铟柱光刻孔内的铟柱直径与光刻孔的开孔直径相等。蒸发过程中，铟膜层的厚度逐渐增大，而铟在水平方向上不断生长，产生了遮挡；铟柱光刻孔的开孔直径逐渐减小，光刻孔内的铟柱顶部直径也逐渐减小；随着铟膜层厚度的不断增大，铟柱光刻孔的开孔最终将闭合。从以上分析能看出，铟柱的最终高度hmax跟Gv和GH的比值有关。

图3 铟柱光刻孔内的示意图

表1 不同像元间距实验片的铟水平生长速度

通过显微镜测量，获得了不同实验片的铟水平生长宽度w，并计算出了铟水平方向的生长速度GH（结果见表1）。从表1中可以看出，虽然像元间距、光刻孔直径不相同，但是铟水平生长的宽度接近，铟水平生长速度也相差不大。

在铟生长过程中，铟柱光刻孔顶部的铟朝水平方向不断生长，光刻孔的开孔直径逐渐变小，进入到孔内部的铟也会逐渐减少。铟生长结束后的铟柱光刻孔与最开始的光刻孔相比，直径变小了，光刻孔开孔的面积也变小了，有一部分面积被铟堵塞了。

本次实验中，像元间距为25 μm的实验片的光刻孔直径为20 μm，犘为67%，铟柱的高度最高（5.80 μm）。像元间距为10 μm的实验片的光刻孔直径为5 μm，犘仅为11%；光刻孔在蒸铟结束后，大部分面积被遮挡，所以铟柱的高度最低（1.97 μm），无法满足互连的要求。对于10 μm以下的像元间距（如7 μm），要获得满足互连要求的铟柱高度，则会更加困难。

解决办法

针对10 μm及以下像元间距的大面阵红外探测器铟柱高度不够的问题，通过长期实验得到以下几个解决办法。

增加铟蒸发的速率

在蒸铟过程中增大蒸发速率后，从铟材料表面逸出的铟原子所携带的能量更大，铟原子就具有更强的迁移能力，能够移动得更远，即铟原子容易迁移到能量状态更低的位置。同时，随着蒸铟速率的提高，铟原子的临界核心半径和临界形核自由能减小，形成更细密的膜层组织，有助于提高铟膜层的质量。

增大铟柱光刻孔的直径

像元间距一旦确定就无法更改，但是铟柱光刻孔的直径在一定范围内是可以调整的。从前文的分析来看，增大铟柱光刻孔的直径，对于增加铟柱高度是有帮助的。在10 μm像元间距的实验中，铟柱光刻孔的直径为5 μm，剥离后铟柱的高度比较矮。如果增大铟柱光刻孔的直径（达到7～8 μm），那么在铟蒸发过程中进入到光刻孔内的铟会更多，剥离后铟柱的高度就能增加。但是，增大铟柱光刻孔直径的方法也会对光刻提出一些更高的要求。

减小光刻胶的厚度

从前面实验中垂直切开的截面形貌图来看，光刻胶的厚度较厚，导致铟柱光刻孔的深宽比过大，对剥离后的铟柱高度产生不利的影响。如果减薄光刻胶的厚度，减小铟柱光刻孔的深宽比，将有利于铟柱的沉积。但是，若光刻胶的厚度过薄，则会导致后续湿化学剥离工艺困难。因此，光刻胶的厚度应通过实验选取最优值，既有利于铟柱的沉积，又不会影响湿化学剥离工艺。

在采用上述几种方法后，重新开展了一次铟柱生长实验。像元间距设定为10 μm，铟柱光刻孔的直径增大到7 μm，光刻胶的厚度减小到7～8 μm，并增大铟蒸发的速率。蒸铟工艺完成后，用SEM观察铟表面形貌，并用FIB将铟柱光刻孔垂直切开，观察其内部结构（结果见图4）。

从图4中可以看出，铟柱光刻孔存在堵塞的情况，但比上次实验明显好转；这次铟柱光刻孔底部的沉积比较好。经测量，铟水平生长宽度为1.78 μm，与上次实验结果接近；犘为27%，优于上次实验中铟柱光刻孔直径为5 μm时的结果；剥离后铟柱的高度为5.05 μm，也优于上次实验的结果。

图4 表面形貌图（像元间距为10 μm）和截面形貌图（铟柱光刻孔直径为7 μm）

结束语

本文详细研究了在不同像元间距（25 μm、15 μm、10 μm）的条件下，铟柱生长工艺完成后铟膜层表面的形貌和铟柱光刻孔截面的内部微观结构。在铟沉积的过程中，铟原子团除了垂直生长之外，还在光刻胶的顶部以一定的速率朝水平方向生长。这种水平方向的生长会在光刻胶顶部形成一个“帽子”而产生遮挡，不利于光刻孔内的铟沉积，造成铟沉积量减少，剥离后的铟柱变矮。这在25 μm和15 μm像元间距时对铟柱高度的影响并不大；但在10 μm像元间距时对铟柱高度的影响会很大。

针对10 μm及以下像元间距的铟柱高度问题，给出了几种解决方法：增大蒸发速率、增大铟柱光刻孔直径和减小光刻胶厚度等。在新实验中使用了这几种方法，取得了比较好的结果：剥离后铟柱高度为5.05 μm。下一步将重点研究更小像元间距（如7.5 μm或5 μm）条件下铟柱的生长情况、表面形貌，铟柱高度均匀性以及它们对互连工艺的影响。

审核编辑：刘清