碲鎘汞薄膜分步化學拋光技術研究

肖 鈺,張國旗,徐長彬,李春領

(華北光電技術研究所,北京 100015)

1 引 言

碲鎘汞紅外探測器在國防、軍事、天文探測等領域具有重要應用[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)表面由于對流作用產生波浪式的波紋,需對碲鎘汞薄膜表面進行平坦化工藝[3]。碲鎘汞薄膜的表面平坦化工藝是紅外探測器芯片制備流程的開始,平坦化的工藝質量對探測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拋光,不僅對材料的表面狀態有著重要影響,同時由于Te、Cd和Hg三種元素在加工處理過程中化學反應速率不同,表面組分的均勻性出現較大的差異,使得碲鎘汞薄膜材料在化學拋光過程中容易出現表面“富碲”現象,造成碲鎘汞材料表面的組分差異較大,進而影響器件性能的均勻性[4-6]。傳統的化學拋光通過長時間對碲鎘汞薄膜材料進行化學拋光工藝,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象更加嚴重,同時由于化學拋光時間較長,材料表面還會形成一層氧化層[5]。

針對化學拋光影響碲鎘汞薄膜材料表面狀態這一問題,本文對碲鎘汞薄膜材料化學拋光工藝進行了研究,開發出了一種分步化學拋光工藝,對分步化學拋光后碲鎘汞薄膜材料的組分均勻性進行了對比分析,對不同化學拋光工藝制備的探測器芯片性能進行了對比。

2 試 驗

將經過機械拋光處理后的碲鎘汞薄膜材料利用Br2+CH3OH進行化學拋光,拋光條件如下:化學拋光機為CP3000;化學拋光液(Br2+CH3OH)濃度為0.3 %；化學拋光轉速為20 rpm；化學拋光液流量為5 mL/min。

分別對不同碲鎘汞薄膜材料進行一次和多次化學拋光[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白光干涉儀進行材料表面粗糙度測試,利用傅里葉光譜儀測試薄膜材料表面的組分均勻性,利用X-射線光電子能譜(XPS)測試表面組分元素；利用標準的長波碲鎘汞材料探測器芯片流片工藝進行探測器芯片制備；制備的探測器芯片與Si讀出電路互連后,對性能進行測試,對比不同化學拋光工藝對芯片性能的影響。

3 結果與分析

3.1 材料表面粗糙度

圖1是分步化學拋光和一次化學拋光后碲鎘汞材料表面粗糙度數據圖。由圖1可以看出,碲鎘汞薄膜材料的表面粗糙度隨著化學拋光次數的增加而逐漸降低,在拋光一定次數(≥4)以后,材料的表面粗糙度增加,而一次化學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,但與分步化學拋光相比,最終的表面粗糙度也有了一定的增大。這是因為開始化學拋光時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械損傷,化學拋光時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,化學拋光液對表面腐蝕作用增強,引起材料表面的粗糙度增加,材料表面如圖2所示。而一次化學拋光工藝由于需要較長的拋光時間,碲鎘汞薄膜材料與化學拋光腐蝕液進行長時間的反應接觸,碲鎘汞材料表面的各項異性使得材料各組分與拋光液的反應速率不同,去除速率不同造成材料表面粗糙度增加。

圖1 化學拋光后材料表面粗糙度

(a)一次化學拋光

(b)分步化學拋光

3.2 材料表面組分

利用傅里葉光譜儀測試碲鎘汞薄膜的透過率曲線,每一個晶片測試90個點。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為測試溫度。

計算材料組分,然后統計分析計算材料組分的標準方差(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拋光的次數增加組件逐漸增加,在分布化學拋光4次以后組分方差急劇上升；而一次化學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。這是由于在化學拋光過程中,碲鎘汞薄膜材料的碲、鎘、汞三種元素與化學拋光液的反應速率不同,容易造成材料在拋光過程中出現偏析,在表面形成“富碲”現象[4-6]。一次化學拋光工藝在拋光過程中由于與化學拋光液接觸時間較長,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；而分步化學拋光由于每次化學拋光時間較短,在表面造成的組分偏差較小,在下一次化學拋光時還可以將表面的偏析層去除,從而使化學拋光后的材料表面組分偏差較小。對比兩種化學拋光工藝,分步化學拋光相對于一次化學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 分步化學拋光后材料組分方差

對分步化學拋光的碲鎘汞材料表面利用X-射線光電子能譜進行表面元素分析,圖4為不同拋光次數O1s的光電子能譜。由圖4可以看出,化學拋光后碲鎘汞薄膜材料的表面存在一定的氧化,隨著分步化學拋光次數的增加,材料表面的O1s的強度組件降低,說明分步化學拋光對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 分步化學拋光O1s XPS結果

3.3 探測器芯片性能

通過上述對碲鎘汞材料表面粗糙度、材料組分方差的分析,我們選取一片對機械拋光后的長波碲鎘汞薄膜材料,進行劃片工藝分為兩片,一片進行分步化學拋光,化學拋光次數為4次；一片進行一次化學拋光,去除厚度相同；然后進行長波碲鎘汞探測器芯片制備標準工藝進行流片,制備長波320×256探測器芯片,測試探測器芯片性能如圖5所示。

(a)一次化學拋光,均勻性:Rv=8.2 %,盲元率:BC=0.43 %

(b)分步化學拋光,均勻性:Rv=5.4 %,盲元率:BC=0.45 %

由圖5的盲元圖可以看出,不同化學拋光工藝化學拋光處理后的碲鎘汞薄膜材料制備的探測器芯片盲元率接近相同,由于兩種化學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探測器芯片盲元性能影響較小[9]。

同時,由圖5的電平圖可以看出,探測器芯片性能的均勻性差異較大一次化學拋光對碲鎘汞薄膜材料的表面,由于化學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；而采用分步化學拋光工藝的探測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器芯片的均勻性。

4 結 論

采用分步化學拋光的方法對碲鎘汞薄膜材料進行化學拋光,試驗結果表明,分步化學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,同時對器件性能均勻性的提升有一定貢獻。