碲鎘汞薄膜分步化學(xué)拋光技術(shù)研究

肖 鈺,張國旗,徐長彬,李春領(lǐng)

(華北光電技術(shù)研究所,北京 100015)

1 引 言

碲鎘汞紅外探測(cè)器在國防、軍事、天文探測(cè)等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用[1-2]。液相外延工藝(Liquid Phase Epitaxy,LPE)是制備碲鎘汞薄膜的主流工藝,這種工藝方法制備的碲鎘汞(HgCdTe,MCT)表面由于對(duì)流作用產(chǎn)生波浪式的波紋,需對(duì)碲鎘汞薄膜表面進(jìn)行平坦化工藝[3]。碲鎘汞薄膜的表面平坦化工藝是紅外探測(cè)器芯片制備流程的開始,平坦化的工藝質(zhì)量對(duì)探測(cè)器芯片性能有著直接影響。作為表面平坦化工藝流程的最后一步化學(xué)拋光,不僅對(duì)材料的表面狀態(tài)有著重要影響,同時(shí)由于Te、Cd和Hg三種元素在加工處理過程中化學(xué)反應(yīng)速率不同,表面組分的均勻性出現(xiàn)較大的差異,使得碲鎘汞薄膜材料在化學(xué)拋光過程中容易出現(xiàn)表面“富碲”現(xiàn)象,造成碲鎘汞材料表面的組分差異較大,進(jìn)而影響器件性能的均勻性[4-6]。傳統(tǒng)的化學(xué)拋光通過長時(shí)間對(duì)碲鎘汞薄膜材料進(jìn)行化學(xué)拋光工藝,一次將碲鎘汞薄膜的厚度完全去除,使得材料表面的這種現(xiàn)象更加嚴(yán)重,同時(shí)由于化學(xué)拋光時(shí)間較長,材料表面還會(huì)形成一層氧化層[5]。

針對(duì)化學(xué)拋光影響碲鎘汞薄膜材料表面狀態(tài)這一問題,本文對(duì)碲鎘汞薄膜材料化學(xué)拋光工藝進(jìn)行了研究,開發(fā)出了一種分步化學(xué)拋光工藝,對(duì)分步化學(xué)拋光后碲鎘汞薄膜材料的組分均勻性進(jìn)行了對(duì)比分析,對(duì)不同化學(xué)拋光工藝制備的探測(cè)器芯片性能進(jìn)行了對(duì)比。

2 試 驗(yàn)

將經(jīng)過機(jī)械拋光處理后的碲鎘汞薄膜材料利用Br2+CH3OH進(jìn)行化學(xué)拋光,拋光條件如下:化學(xué)拋光機(jī)為CP3000;化學(xué)拋光液(Br2+CH3OH)濃度為0.3 %；化學(xué)拋光轉(zhuǎn)速為20 rpm；化學(xué)拋光液流量為5 mL/min。

分別對(duì)不同碲鎘汞薄膜材料進(jìn)行一次和多次化學(xué)拋光[7],兩種拋光方式去除的碲鎘汞薄膜材料厚度相同；拋光后的碲鎘汞薄膜材料利用GT-X8白光干涉儀進(jìn)行材料表面粗糙度測(cè)試,利用傅里葉光譜儀測(cè)試薄膜材料表面的組分均勻性,利用X-射線光電子能譜(XPS)測(cè)試表面組分元素；利用標(biāo)準(zhǔn)的長波碲鎘汞材料探測(cè)器芯片流片工藝進(jìn)行探測(cè)器芯片制備；制備的探測(cè)器芯片與Si讀出電路互連后,對(duì)性能進(jìn)行測(cè)試,對(duì)比不同化學(xué)拋光工藝對(duì)芯片性能的影響。

3 結(jié)果與分析

3.1 材料表面粗糙度

圖1是分步化學(xué)拋光和一次化學(xué)拋光后碲鎘汞材料表面粗糙度數(shù)據(jù)圖。由圖1可以看出,碲鎘汞薄膜材料的表面粗糙度隨著化學(xué)拋光次數(shù)的增加而逐漸降低,在拋光一定次數(shù)(≥4)以后,材料的表面粗糙度增加,而一次化學(xué)拋光后碲鎘汞材料表面的粗糙度比拋光之前的粗糙度降低,但與分步化學(xué)拋光相比,最終的表面粗糙度也有了一定的增大。這是因?yàn)殚_始化學(xué)拋光時(shí)材料表面粗糙度較大,碲鎘汞材料表面前期平坦化后引入了一定厚度的機(jī)械損傷,化學(xué)拋光時(shí)先去除碲鎘汞表面的損傷層,所以表面粗糙度逐步降低；待表面損傷層厚度去除完全后,化學(xué)拋光液對(duì)表面腐蝕作用增強(qiáng),引起材料表面的粗糙度增加,材料表面如圖2所示。而一次化學(xué)拋光工藝由于需要較長的拋光時(shí)間,碲鎘汞薄膜材料與化學(xué)拋光腐蝕液進(jìn)行長時(shí)間的反應(yīng)接觸,碲鎘汞材料表面的各項(xiàng)異性使得材料各組分與拋光液的反應(yīng)速率不同,去除速率不同造成材料表面粗糙度增加。

圖1 化學(xué)拋光后材料表面粗糙度

(a)一次化學(xué)拋光

(b)分步化學(xué)拋光

3.2 材料表面組分

利用傅里葉光譜儀測(cè)試碲鎘汞薄膜的透過率曲線,每一個(gè)晶片測(cè)試90個(gè)點(diǎn)。利用透光率曲線與碲鎘汞材料(Hg1-xCdxTe)組分之間的公式[8]:

λco=1.24/Eg(μm)

(1)

Eg=-0.302+1.93x+5.35×10-4T(1-2x)-0.810x2+0.832x3

(2)

其中,λco為截止波長;Eg為材料能帶；T為測(cè)試溫度。

計(jì)算材料組分,然后統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算材料組分的標(biāo)準(zhǔn)方差(STDEV),如圖3所示。由圖3可以看出,碲鎘汞薄膜材料組分的方差隨著化學(xué)拋光的次數(shù)增加組件逐漸增加,在分布化學(xué)拋光4次以后組分方差急劇上升；而一次化學(xué)拋光工藝的碲鎘汞薄膜材料組分方差在去除厚度相同的情況下變化更大。這是由于在化學(xué)拋光過程中,碲鎘汞薄膜材料的碲、鎘、汞三種元素與化學(xué)拋光液的反應(yīng)速率不同,容易造成材料在拋光過程中出現(xiàn)偏析,在表面形成“富碲”現(xiàn)象[4-6]。一次化學(xué)拋光工藝在拋光過程中由于與化學(xué)拋光液接觸時(shí)間較長,碲鎘汞材料中的Te、Cd和Hg三種元素與腐蝕液的反應(yīng)速率不同,造成去除量存在差異,造成碲鎘汞薄膜材料表面組分偏差加大；而分步化學(xué)拋光由于每次化學(xué)拋光時(shí)間較短,在表面造成的組分偏差較小,在下一次化學(xué)拋光時(shí)還可以將表面的偏析層去除,從而使化學(xué)拋光后的材料表面組分偏差較小。對(duì)比兩種化學(xué)拋光工藝,分步化學(xué)拋光相對(duì)于一次化學(xué)拋光去除全部厚度的工藝,可以有效地降低材料組分方差,提高材料組分的均勻性。

圖3 分步化學(xué)拋光后材料組分方差

對(duì)分步化學(xué)拋光的碲鎘汞材料表面利用X-射線光電子能譜進(jìn)行表面元素分析,圖4為不同拋光次數(shù)O1s的光電子能譜。由圖4可以看出,化學(xué)拋光后碲鎘汞薄膜材料的表面存在一定的氧化,隨著分步化學(xué)拋光次數(shù)的增加,材料表面的O1s的強(qiáng)度組件降低,說明分步化學(xué)拋光對(duì)材料表面的氧化層具有去除作用,可以減少薄膜表面氧化層的厚度。

圖4 分步化學(xué)拋光O1s XPS結(jié)果

3.3 探測(cè)器芯片性能

通過上述對(duì)碲鎘汞材料表面粗糙度、材料組分方差的分析,我們選取一片對(duì)機(jī)械拋光后的長波碲鎘汞薄膜材料,進(jìn)行劃片工藝分為兩片,一片進(jìn)行分步化學(xué)拋光,化學(xué)拋光次數(shù)為4次；一片進(jìn)行一次化學(xué)拋光,去除厚度相同；然后進(jìn)行長波碲鎘汞探測(cè)器芯片制備標(biāo)準(zhǔn)工藝進(jìn)行流片,制備長波320×256探測(cè)器芯片,測(cè)試探測(cè)器芯片性能如圖5所示。

(a)一次化學(xué)拋光,均勻性:Rv=8.2 %,盲元率:BC=0.43 %

(b)分步化學(xué)拋光,均勻性:Rv=5.4 %,盲元率:BC=0.45 %

由圖5的盲元圖可以看出,不同化學(xué)拋光工藝化學(xué)拋光處理后的碲鎘汞薄膜材料制備的探測(cè)器芯片盲元率接近相同,由于兩種化學(xué)拋光工藝去除的碲鎘汞薄膜材料厚度相同,說明碲鎘汞薄膜表面的損傷層厚度去除比較完全,去除碲鎘汞薄膜材料的表面厚度可以將材料表面存在的損傷層去除,使得材料表面損傷對(duì)探測(cè)器芯片盲元性能影響較小[9]。

同時(shí),由圖5的電平圖可以看出,探測(cè)器芯片性能的均勻性差異較大一次化學(xué)拋光對(duì)碲鎘汞薄膜材料的表面,由于化學(xué)拋光造成材料的表面組分方差較大,電平圖的一致性變差,器件性能的均勻性降低；而采用分步化學(xué)拋光工藝的探測(cè)器材料組分均勻性較好,制備的器件均勻性也得到了提升。由此,可以看出,分步化學(xué)拋光工藝通過改善碲鎘汞材料表面均勻性,可以有效地提升探測(cè)器芯片的均勻性。

4 結(jié) 論

采用分步化學(xué)拋光的方法對(duì)碲鎘汞薄膜材料進(jìn)行化學(xué)拋光,試驗(yàn)結(jié)果表明,分步化學(xué)拋光方法可以降低材料表面的粗糙度,改善材料表面組分的均勻性,有效去除碲鎘汞材料的表面氧化,同時(shí)對(duì)器件性能均勻性的提升有一定貢獻(xiàn)。