韓福忠，耿 松，史 琪，袁授章，楊偉聲，蔣 俊，湯金春

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碲鎘汞紅外焦平面器件表面復(fù)合膜層鈍化技術(shù)

韓福忠，耿 松，史 琪，袁授章，楊偉聲，蔣 俊，湯金春

（昆明物理研究所，云南昆明 650223）

碲鎘汞（Hg1－CdTe）紅外器件的制備過程中，表面鈍化工藝對(duì)于器件性能具有很大影響。通過實(shí)驗(yàn)，研究了濺射功率、靶基距、基片擺動(dòng)角度等工藝參數(shù)對(duì)碲鎘汞襯底上制備的CdTe/ZnS復(fù)合鈍化膜層質(zhì)量的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)CdTe與ZnS濺射靶功率分布為140W與350W，靶基距為40cm，基片擺動(dòng)角度為±30°時(shí)，中心2英寸區(qū)域膜層非均勻性達(dá)到±3%以內(nèi)，同時(shí)鈍化膜層表面粗糙度與附著能力獲得了較大改善。

碲鎘汞；紅外探測(cè)器；表面鈍化；膜層非均勻性

0 引言

碲鎘汞（Hg1－CdTe）材料具有帶隙可調(diào)、光學(xué)吸收系數(shù)大、載流子壽命長(zhǎng)、電子遷移率高、工作溫度高等特點(diǎn)，其卓越的性能使碲鎘汞成為制造紅外焦平面器件一種非常重要的材料，多年來一直是制備紅外探測(cè)器的首選[1-3]。隨著紅外探測(cè)器性能需求的不斷提高，尤其是先進(jìn)焦平面探測(cè)器的迅猛發(fā)展，研發(fā)具有大面陣、低成本、低噪聲、高探測(cè)靈敏度等特性的高性能紅外成像探測(cè)器是紅外技術(shù)發(fā)展的主要目標(biāo)，這對(duì)碲鎘汞探測(cè)器的工藝制備提出了更高的要求。

在碲鎘汞紅外器件的制備過程中，表面鈍化工藝對(duì)于器件的性能具有很大影響。鈍化膜層的厚度均勻性對(duì)光刻、離子注入、干法刻蝕、倒裝互連等后續(xù)器件工藝有著重要影響，尤其是隨著芯片尺寸的增大，膜層均勻性的重要性更為顯著，當(dāng)均勻性較差時(shí)將直接導(dǎo)致紅外器件的非均勻性、成品率等指標(biāo)均不理想，制造成本居高不下；鈍化膜層表面粗糙度與附著能力也是衡量鈍化膜層優(yōu)劣的關(guān)鍵因素，良好的鈍化膜層可以有效的減小器件表面損傷、減小器件表面的界面態(tài)、降低器件表面漏電流、降低器件表面復(fù)合速度和1/噪聲并提高探測(cè)器動(dòng)態(tài)電阻和反向擊穿電壓，提升探測(cè)器芯片性能，從而提高器件成品率[4]。

針對(duì)碲鎘汞紅外器件的表面鈍化工藝，人們已經(jīng)提出過多種鈍化膜結(jié)構(gòu)，目前，CdTe/ZnS復(fù)合鈍化膜因較好的鈍化效果和可靠性而得到了廣泛應(yīng)用，是當(dāng)今碲鎘汞表面鈍化的主流膜系[5]。本文通過一系列工藝優(yōu)化手段，優(yōu)化了碲鎘汞復(fù)合鈍化膜工藝技術(shù)，降低了膜層表面粗糙度并提高了膜層附著能力與厚度均勻性，獲得了重復(fù)性與一致性更加優(yōu)異的鈍化膜層制備工藝。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 表面鈍化技術(shù)

鈍化膜層的工藝制備方法較多，有化學(xué)氣相沉積、分子束外延法、噴霧熱解法、電子束蒸發(fā)、化學(xué)浴沉積法、磁控濺射法、真空蒸發(fā)法、脈沖激光沉積等[6]，其中，磁控濺射鈍化膜沉積技術(shù)利用磁場(chǎng)控制輝光放電等離子體轟擊靶材表面，使靶材粒子沉積到基片表面，由于此過程中濺射出的粒子能量較高，所獲得的鈍化膜具有致密度高、沉積速度快、附著能力強(qiáng)等特點(diǎn)[7]，本文采用磁控濺射法制備CdTe/ZnS復(fù)合鈍化膜層，并研究濺射功率、工作氣壓、靶基距、擺動(dòng)角度等參數(shù)對(duì)薄膜性能的影響，進(jìn)而優(yōu)化復(fù)合鈍化膜層工藝。實(shí)驗(yàn)使用的磁控濺射系統(tǒng)靶材直徑為4英寸，樣品盤直徑為3英寸，配備的射頻電源功率為0～500W可調(diào)，系統(tǒng)極限真空10－5Pa，所用氬氣純度為99.999%。

1.2 鈍化膜層均勻性測(cè)量方法

本文使用Tencor公司生產(chǎn)的P-15型臺(tái)階儀測(cè)量鈍化膜層厚度。由于碲鎘汞襯底表面具有一定的起伏，臺(tái)階儀無法直接測(cè)量器件表面的鈍化膜層厚度，在實(shí)驗(yàn)研究中，需要在襯底上通過掩膜預(yù)留一定數(shù)量的測(cè)量點(diǎn)，再在襯底上沉積鈍化膜，腐蝕掉掩膜后形成臺(tái)階，即可通過臺(tái)階儀測(cè)量臺(tái)階高度獲得膜層厚度信息，并根據(jù)沉積時(shí)間計(jì)算沉積速率。膜層厚度測(cè)量點(diǎn)位置布置見圖1。鈍化膜層的非均勻性n可通過如下公式計(jì)算獲得：

n＝±(max－min)/(2average) (1)

式中：為膜層厚度；max、min與average分別是膜層厚度的最大值、最小值與平均值。

圖1 樣品測(cè)試點(diǎn)分布圖

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與結(jié)果

2.1 濺射功率

濺射功率是鈍化膜層生長(zhǎng)過程中一個(gè)非常重要的參數(shù)。濺射功率的大小能夠控制輝光放電區(qū)域、濺射粒子能量、濺射產(chǎn)額與膜層附著力等參數(shù)，這些因素決定了帶電粒子對(duì)器件表面所產(chǎn)生的轟擊作用，是碲鎘汞器件鈍化膜層制備過程中器件損傷的主要來源，鈍化膜層工藝的優(yōu)劣與濺射功率的大小是密不可分的。對(duì)于復(fù)合膜層來說，由于CdTe與ZnS靶材性質(zhì)的不同，需要不同的濺射功率制備兩種鈍化膜層，從而獲得性能優(yōu)異的CdTe/ZnS復(fù)合鈍化膜層。在實(shí)驗(yàn)中，維持氣流、溫度、靶基距等其它工藝參數(shù)不變，改變CdTe與ZnS膜層濺射功率，可得到相應(yīng)膜層的濺射功率與沉積速率關(guān)系，見表1。

表1 CdTe與ZnS膜層濺射功率與沉積速率關(guān)系表

從表中可以看出，CdTe與ZnS膜層的沉積速率都隨濺射功率的升高而增大，且沉積速率比濺射功率提高更快，這說明在功率較大條件下，靶材的濺射蒸發(fā)效率更高，能夠獲得更加理想的沉積速率，這里選取140W與350W作為CdTe與ZnS 的靶的濺射功率參數(shù)。

2.2 靶基距的優(yōu)化

靶材與基片之間的距離稱為靶基距，它影響到基片表面接收濺射原子的空間角與效率，在靶面粒子向基片輸運(yùn)的過程中，能夠改變被濺射的原子與工作氣體分子的碰撞幾率與散射效果。靶基距的調(diào)整將意味著濺射粒子路徑的變化，對(duì)沉積粒子的能量與分布起到一定的調(diào)整作用，從而影響到鈍化膜層的均勻性、致密性與器件損傷大小。圖2給出了濺射功率、氣流等參數(shù)不變而靶基距改變情況下，鈍化膜層沉積速率與3寸樣品膜層厚度非均勻性變化關(guān)系曲線。

從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，隨著靶基距的增大，沉積速率逐漸下降，同時(shí)膜層厚度非均勻性也隨著變小，即所制備的膜層更加均勻性。同時(shí)可看出，當(dāng)靶基距增大到40cm以上時(shí)，鈍化膜非均勻性變化不大，但沉積速率快速下降，考慮到沉積速率與工藝時(shí)間的限制，選擇40cm作為新工藝的靶基距參數(shù)。

圖2 不同靶基距下鈍化膜沉積速率與非均勻性變化曲線

2.3 基片擺動(dòng)角度優(yōu)化

基片擺動(dòng)是在保持靶基距不變的情況下，通過樣品臺(tái)旋轉(zhuǎn)或擺動(dòng)的方法，補(bǔ)償改善濺射靶在基片上沿徑向的濺射沉積不均勻分布。在基片擺動(dòng)角度實(shí)驗(yàn)中，保持濺射功率、工作氣壓等參數(shù)不變，改變擺動(dòng)角度分別為0°（不擺動(dòng)）、±10°、±15°、±20°、±25°、±30°、±35°、±40°、±45°，在3寸襯底上制備相應(yīng)的ZnS膜層，其非均勻性變化見圖3所示。

圖3 膜層非均勻性隨基片擺動(dòng)角度變化關(guān)系曲線

從圖中可以看出，當(dāng)基片不擺動(dòng)時(shí)（0°），所制備的鈍化膜層非均勻性較大（±12.75%），膜層厚度差異顯著，這是由系統(tǒng)中靶材的不均勻?yàn)R射沉積所造成的；隨著擺動(dòng)角度的增大，膜層厚度非均勻性隨之減小，當(dāng)擺動(dòng)角度達(dá)到±30°時(shí)，所獲得的非均勻性達(dá)到最小值±8.6%，即基片在空間上的往復(fù)運(yùn)動(dòng)改善了濺射沉積的不均勻分布；擺動(dòng)角度繼續(xù)增加，非均勻性將隨之增大，這是由于基片擺動(dòng)幅度超過了靶材濺射沉積范圍，導(dǎo)致膜層均勻性變差。

綜合上述鈍化膜層實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，最終選取CdTe與ZnS的靶的濺射功率分別140W與350W，靶基距為40cm，基片擺動(dòng)角度為±30°，在額外配合均勻性擋板的情況下，能夠獲得分布更加均勻的復(fù)合鈍化膜層，3英寸樣品鈍化膜層非均勻性達(dá)到了±4.3%，中心2英寸區(qū)域膜層非均勻性達(dá)到±3%以內(nèi)，見圖4所示，經(jīng)表面鈍化后的碲鎘汞芯片效果見圖5。

圖5 表面鈍化后的碲鎘汞芯片

2.4 鈍化膜層腐蝕實(shí)驗(yàn)

腐蝕實(shí)驗(yàn)是在相同的碲鎘汞襯底上沉積一定厚度的CdTe薄膜與ZnS薄膜，然后分別使用相同濃度的氫溴酸與濃鹽酸對(duì)鈍化薄膜進(jìn)行腐蝕，通過腐蝕時(shí)間間接的評(píng)判鈍化膜層的致密性。

不同鈍化工藝下膜層腐蝕時(shí)間見表2，其中第一組樣品采用新鈍化工藝制備，第二組采用的原鈍化工藝制備。表中數(shù)據(jù)顯示：新鈍化工藝較原工藝制備的CdTe薄膜與ZnS薄膜耐腐蝕時(shí)間略長(zhǎng)，更耐腐蝕液腐蝕，這從側(cè)面說明了新工藝制備的鈍化膜層致密性要更好。

表2 兩種工藝制備的鈍化膜層腐蝕時(shí)間對(duì)照表

2.5 膜層表面形貌

通過AFM對(duì)改進(jìn)前后鈍化工藝制備的鈍化膜層表面進(jìn)行比較分析。測(cè)試結(jié)果表明，新鈍化工藝所制備的鈍化膜層表面粗糙度為3nm，好于原工藝的14nm，具有更加平整的表面結(jié)構(gòu)（見圖6）。

3 結(jié)論

通過調(diào)節(jié)射頻功率、靶基距、基片擺動(dòng)角度等一系列工藝改進(jìn)手段，優(yōu)化了碲鎘汞復(fù)合鈍化膜工藝技術(shù)，在CdTe與ZnS 靶的濺射功率分別為140W與350W，靶基距為40cm，基片擺動(dòng)角度為±30°時(shí)，在碲鎘汞襯底上制備了表面粗糙度與附著能力更佳優(yōu)良的CdTe/ZnS復(fù)合鈍化膜層，3英寸樣品鈍化膜層非均勻性達(dá)到了±4.3%，中心2英寸區(qū)域膜層非均勻性達(dá)到±3%以內(nèi)，為碲鎘汞器件制備提供了重復(fù)性與一致性更加優(yōu)異的復(fù)合鈍化膜層制備工藝。

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Passivation Technology of Composite Film on the HgCdTe IRFPA

HAN Fu-zhong，GENG Song，Shi Qi，YUAN Shou-zhang，YANG Wei-sheng，JIANG Jun，TANG Jin-chun

(,650223,)

In the fabrication of the MCT infrared detectors, the HgCdTe passivation process has a profound effect on its performance parameters. In this paper, lots of influencing factors were studied experimentally, such as the sputtering power, distance between target and substrate, movement of substrate, to improve the quality of CdTe/ZnS composite passivation film on the MCT substrate. The results indicated that the film thickness uniformity was better than within ±3% in the center of 2 inch area when the sputtering power of CdTe and ZnS were 140W and 350W, the target spacing was 40cm and the swing angle of the substrate was ±30°, meanwhile, the surface roughness and adhesion ability of the passivation film were improved.

HgCdTe，infrared detectors，surface passivation，film uniformity

TN215

A

1001-8891(2015)10-0864-04

2015-08-17；

2015-09-17.

韓福忠（1969-），男，研究員，主要研究方向?yàn)榧t外焦平面探測(cè)器。

國(guó)防基礎(chǔ)科研項(xiàng)目。