分子束外延材料表面平整度的研究

王 叢,高 達,師景霞,譚 振

(華北光電技術研究所,北京 100015)

1 引 言

隨著三代焦平面器件的發展,大面陣雙多色低成本的HgCdTe器件成為紅外焦平面探測器的重要角色。其中替代襯底Si基MBE外延的HgCdTe材料以其面積大,成本低,機械強度高,與讀出電路熱匹配度好,在線摻雜雙多色等優點占據了紅外探測器材料的重要地位。在中波中小型的面陣規模下,Si基HgCdTe材料成功制備了性能優良的探測器。隨著面陣規模的進一步提升,達到百萬像素,甚至近千萬像素規模的要求下,器件工藝對材料的要求也越來越高。在最近的研究中發現,材料的表面平整度對器件工藝中光刻和倒裝互聯的影響較大。進一步提升器件工藝是必要的要求,但同時也應該把降低材料的表面平整度的作為一個研究重點,將其控制在一個較低的范圍內,降低器件工藝的難度。

2 實驗方案

2.1應力產生機理

外延材料產生翹曲是在外延過程中存在應力造成的材料形變。

2.1.1 定性理論

人們通過對薄膜應力和微觀結構的廣泛研究,提出了不少薄膜應力起源的物理模型[1],其中比較重要的、能部分說明問題的有Winosita模型、Kilcook模型、Bauer模型、Klockholm模型以及Hoffman模型。前3個模型比較適用于不連續的或者部分連續的薄膜,或者很薄的連續薄膜；后2個模型較適用于比較厚的連續薄膜。

最近,一種基于改進TFD(Thomas-Fermi-Dirac)理論[2]的新機制被用于解釋薄膜中內應力的產生。這一解釋認為,薄膜材料和基底材料表面電子密度的差異是內應力的起因,在薄膜與基底的界面處,表面電子密度必須保持連續。這一理論揭示了控制和減小薄膜內應力的一些途徑:在材料篩選上,選擇合適的薄膜材料可以一定程度地防止高應力的產生；在尺寸設計上,由于內應力的大小與薄膜基底的厚度比成反比,厚度比越小,薄膜中內應力越大,所以適當加厚薄膜可以減小內應力。

總之,人們對于薄膜應力產生機理的研究已經取得了大量的成果,然而這些模型基本上都是定性或半定量的,每個模型本身只能說明部分實驗事實[3-5]。

2.1.2 Stoney應力公式

在實際應力測試中,一般都采用曲率法計算薄膜應力,應用Stoney公式[6-7]:

(1)

假設初始r0為無窮大,即材料為平整的表面。將公式(1)轉化為公式(2)的形式:

(2)

定義平整度為圖1所示。假設襯底在應力的作用下均勻形變,根據圖1平整度Fl數值定義為:

圖1 平整度(Flatness,Fl)示意圖

(3)

在使用的晶圓材料體系中,一般平整度的數值量在μm級別,而材料尺寸在mm級別。R0可近似的認為是襯底材料的半徑,所以可認定R0?Fl成立。在此條件下,對公式(3)進行推導:

(4)

假設σ不變,根據公式(2)材料的曲率半徑r和外延膜厚tf成反比——外延膜層越薄,材料的曲率半徑越大,即材料平整度Fl越低。

聯立公式(2)和(4):

(5)

從公式(5)可以看出,在確定的襯底材料和外延膜厚情況下,Fl和σ是等價的。

2.2 實驗設計

根據前期實驗的基礎,推測影響材料平整度的重要的因素為Si片自身平整度、Si片受熱程度、Si片外延膜厚等。本文針對三因素設計實驗進行驗證,如表1所示。

表1 實驗方案

①不同平整度Si片加熱實驗,測量在同樣的加熱溫度980 ℃下,不同初始平整度的Si片的受熱平整度變化情況;

②Si片不同溫度加熱實驗,測量同樣的初始平整度(<0.01 μm)Si片,在不同加熱溫度的條件下平整度變化的情況;

③Si片外延襯底實驗,測量外延薄膜后(脫氧溫度750 ℃),復合襯底的平整度變化情況。

實驗所使用的加熱和外延設備均采用DCA公司生產的P600型號MBE外延系統。實驗用Si片由國內廠商生產,規格為3 in(211)晶向雙拋定制Si片。Si片在實驗前采用改進的濕化學工藝進行清洗,去除表面的自然氧化層,并用-H進行鈍化。實驗前后均使用Bruker公司Bruker GT表面輪廓儀測量材料中心50 mm×50 mm范圍內的形貌情況(Rt),作為測試平整度的標準。

3 實驗結果分析

3.1 不同平整度Si片加熱實驗

實驗①的測試結果如圖2所示,圖中加熱后測量的Si片的平整度數值用黑色(■After)的方塊表示,加熱后平整度與Si片本身平整度的差值用菱形塊(◆Diff)表示。從圖2可以明顯看出,隨著初始Si片自身平整度度的增加,加熱后的Si片平整度的增加會越發明顯。由于實驗樣本較少,無法嚴格證明加熱后的平整度變化是線性變化,但是其增加的趨勢是非常明顯的。說明熱處理本身會增加Si片的平整度,Si片自身的初始平整度越大,加熱后平整度的變化就越大。這一現象表明,若想加熱后獲得低的平整度值,初始的Si片平整度要盡可能的低。

圖2 不同平整度Si片熱處理后平整度的變化

3.2 Si片不同溫度加熱實驗

在實驗①中使用980 ℃加熱溫度是復合襯底脫氧工藝中使用的溫度值,在整套工藝中是最高溫度。脫氧的高溫會對Si片的變形產生較大影響,可以通過改進濕化學工藝來降低脫附溫度。現在復合襯底工藝中一般采用H鈍化濕化學工藝清洗Si片,該工藝完成后會在Si片表面形成一層H鈍化層。H鈍化層的脫附溫度很低,在實驗中～600 ℃開始脫附,但為了脫附完全最低溫度設定的更高一些。

實驗②使用的Si片在濕化學處理前均經過白光干涉儀的測量,平整度的數值都<0.01 μm,可以認為初始狀態都是統一的。實驗②的測試結果如圖3所示,圖中明顯的可以看到隨著加熱溫度的升高,平整度值也呈升高線性升高趨勢,如圖中的趨勢線(R2=0.976)所示。

圖3 Si片不同溫度加熱平整度變化

值得注意的是在加熱溫度超過900 ℃之后,Si片上會出現滑移線(實驗①中所有的Si片都有滑移線)。這是由于熱應力引起材料在微觀區域出現的表面線缺陷,這種缺陷是不可逆的。經過測量發現,滑移線的高度差可達十幾 μm,高度差幾十μm的滑移線也可能存在。

從實驗的結果分析可知,高溫時的熱應力是造成Si片發生形變的關鍵因素,過高的溫度會使材料表面產生不可能的線缺陷。這對外延的材料,特別是對后續器件的工藝來說是不利的。應使用盡可能低的溫度來處理Si片,一是避免產生滑移線,二是降低材料的平整度值。

3.3 Si片外延襯底實驗

實驗③是在750 ℃的“脫氧”溫度下外延CdTe復合襯底的實驗,根據外延時間(厚度)分為5個樣品。樣品的測試結果如圖4所示,必須要說明的是5個樣品中前3個樣品的初始平整度<0.01 μm,而后兩個的樣品Si片的初始平整度～2 μm,根據實驗①的結果,當初始平整度變大時,經過熱處理后Si片自身的平整度會變得更大,所以會產生平整度突變的效果。

圖4 Si片外延后平整度變化示意圖

從外延實驗的結果來看,雖然樣本較少,每增加相同厚度的外延層,平整度的變化差值基本是相同的。拋出Si片自身平整度的影響后,平整度隨著外延膜厚的增加而增加,基本是線性的關系。所以要想獲得較好的平整度值,外延層的膜厚應該越低越好,但是膜厚過低,外延的材料質量不好,這就需要在材料質量和平整度之間做出一個平衡。目前使用的5～7 μm膜厚的復合襯底比較合適,將來如果需要進一步提高材料質量,應該使用更加先進的生長方法,比如循環退火,圖案生長等等,這將在其他的文章中進行討論。

4 總 結

綜上所述,復合襯底的平整度是由Si片自身的熱應力和材料之間的內應力共同作用組成的。要想獲得表面平整度較低的復合襯底樣品,需要做到以下三點:①低初始Si片平整度值；②低脫附熱處理溫度；③低的薄膜厚度。