紅外器件鈍化膜專用磁控濺射系統研制及驗證

佘鵬程，龔 俊，黃 也，羅 超，范江華

(中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南 長沙 410111)

0 引言

隨著紅外技術的不斷發展，先進的紅外系統要求探測器具有更高的探測識別能力，具備雙/多色同時探測能力、更加智能化，因此三代紅外焦平面探測器的主要標志是雙/多色探測、超大規模凝視面陣、低成本制備等[1]。其中，雙/多色是三代器件的主要發展方向。碲鎘汞(HgCdTe，MCT)材料由于具有量子效率高、可高溫工作、響應波長隨組份變化連續可調、不同組分晶格常數變化不大等顯著優點，成為三代紅外焦平面探測器件發展的重點之一[2]。

雙色紅外探測器作為三代紅外探測器發展方向之一，能對雙波段輻射信息進行處理，大大提高了系統抗干擾和目標識別能力，應用于導彈預警、紅外偵察、成像制導等多種領域[3]。鈍化技術是研發雙色探測器的關鍵技術之一，好的表面鈍化工藝可以減少碲鎘汞表面損傷，決定碲鎘汞器件表面的界面態，降低器件表面漏電流[4]。而表面漏電流占碲鎘汞反向飽和電流的主要部分。致密、高阻的鈍化層，可以很好地降低碲鎘汞器件表面復合速度和1/f噪聲效應，提高探測器動態電阻和反向擊穿電壓，大大改善器件性能[5]。

國產常規磁控濺射設備無法滿足碲鎘汞器件多規格、小尺寸、低溫濺射、批量生產的要求，中國電子科技集團公司第四十八研究所針對碲鎘汞紅外器件特殊工藝需求，成功研制出全自動紅外器件鈍化膜專用磁控濺射系統，很好地解決了大尺寸范圍內高質量鈍化膜低溫沉積和基片上置可旋轉自動傳送要求。

1 紅外器件鈍化膜工藝特性分析

分析碲鎘汞紅外器件的制造工藝要求和發展需求，應用于紅外器件鈍化膜專用磁控濺射系統的研制需要考慮以下幾個方面。

1)碲鎘汞紅外探測器件向集成化、高精度化的發展對鈍化層介質薄膜性能提出了更高要求，如支持更大的基片尺寸、高的薄膜附著力和致密性以達到對HgCdTe器件的表面鈍化效果，低的工藝過程污染以提高器件的性能和工藝重復性，大面積的高均勻性以提高器件成品率和降低成本等。

2)碲鎘汞紅外探測器件的科研生產向規?；⒅悄芑陌l展對設備的自動化和智能化水平提出了更高要求。設備應具備較高的自動化程度和支持生產工藝管理和分析的數據接口。

3)碲鎘汞材料中，由于汞(Hg)元素的價鍵較弱，在碲鎘汞中很不穩定，對外部粒子轟擊和溫度較為敏感，要求介質膜必須在低溫下生長，且器件必須能經常承受77K的低溫沖擊。因此，碲鎘汞紅外器件在整個生產工藝中的溫度控制極其重要，通過低溫沉積達到對基體材料的低損傷性是鈍化工藝重要的考慮因素。

4)碲鎘汞紅外器件的基片一般不是標準尺寸，通常不規則基片是卡壓或粘接在基片盤或標準硅片表面后再裝入基片臺，基片臺應考慮創新設計，提高熱傳導性，以達到基片溫度控制的精確性和穩定性要求，且具備低于零度的寬范圍高低溫控制能力。

5)鈍化膜硫化鋅材料在金屬表面附著力差，易產生粉塵，掉落到基片表面會造成顆粒污染，降低產量良率，要求基片采用正面朝向的傳片及工藝布局方式，滿足基片正面朝下可旋轉及可靠傳輸。

2 磁控濺射系統研制

根據真空鍍膜設備的設計經驗和技術基礎，結合用戶工藝實際需求和工藝特點，借鑒國外先進設備的技術實現方法，紅外器件鈍化膜專用磁控濺射系統的總體設計思路如下。

1)采用多腔集群式結構，模塊化設計，濺射工藝腔采用單靶單片布局，基片上置，一個濺射工藝腔只做一種材料薄膜沉積工藝，杜絕不同材料之間的污染。

2)配置等離子清洗功能，去除表面自然氧化層和臟污，提高基片表面活性。

3)通過高均勻性磁控濺射布局設計和基片旋轉控制實現8英寸范圍內高均勻薄膜沉積。

4)梯度真空設計，從裝卸片腔、傳送腔再到濺射工藝腔，依次提高極限真空度，為濺射工藝提供良好的工藝環境。

5)高精度液體控溫，滿足-20℃～200℃寬溫區高精度控溫。

6)多片裝載，一鍵式全自動操作，減少人工操作。

2.1 整機介紹

紅外器件鈍化膜專用磁控濺射系統主要由裝卸片模塊、傳送模塊、清洗模塊、濺射模塊、真空系統、水路系統、氣路系統、電控系統組成。整機采用集群式構架，中心為傳送模塊，四周外接裝卸片模塊、清洗模塊和2個濺射模塊、真空、水、氣、電控系統連接到各模塊，實現系統整機的全自動控制。

本項目工藝鈍化膜ZnS易產生粉塵，故采用基片上置，濺射靶下置，自下向上濺射布局模式。在清洗模塊和濺射模塊工藝腔內，均配置有帶自對中彈性片托的旋轉基片臺，滿足基片盤旋轉運動穩定夾持和上置傳輸的需求。

2.2 部件介紹

裝卸片模塊用于設備對外裝卸片盒。通過門閥與傳送腔相連，腔內設計有用于基片盒升降的緩存系統，采用伺服電機精確控制基片盒的升降，配合機械手實現基片或基片盤在機械手手指和片盒之間的轉移。設備采用定制專用片盒，每盒8片。片盒升降時，腔體上設計的mapping傳感器可自動檢測到片盒內各層是否有片，用于工藝取片時準確定位到待取片位置。腔室設計升降真空門，采用2套同步氣缸控制真空門升降和壓緊密封圈，自動控制啟閉，方便基片盒的取放，同時還可以兼容配置SMIF裝置自動裝載片盒。

傳送模塊為整機傳送中心，多邊形結構，本項目根據工藝需要連接1個裝卸片腔、1個清洗工藝腔、2個濺射工藝腔，各腔室與傳送腔之間采用門閥隔離，未外接腔體的法蘭口采用玻璃觀察窗密封。腔體內配置有高真空機械手，負責基片盤在各腔室之間的交互傳遞。通過多傳感器檢測和控制系統實時狀態記錄，確?；P位置、工藝狀態正確，實現定位準確、可靠的全自動傳送。

清洗模塊用于基片濺射沉膜前的表面等離子清洗，去除表面沾污和自然氧化層，提高表面活性，有利于提高膜層附著力。

濺射模塊采用自下向上濺射方式，基片臺安裝在濺射工藝腔上方，磁控濺射靶下置，兩者水平平行相對安裝，中間設計旋轉擋板用于非工藝時隔離靶和基片。2個濺射模塊的濺射靶分別安裝ZnS靶和CdTe靶，采用射頻電源進行工藝濺射成膜。2個濺射工藝腔各配置10英寸圓形濺射靶1套，采用磁棒組合、多圈磁體結構磁場設計，靶材間接冷卻，固定在銅背板上。濺射靶相對基片靶基距可調，偏心距離可調，用于工藝膜厚不均勻性的調節補償。

基片臺的設計上，采用彈性片托技術滿足旋轉基片盤穩定夾持和上置可靠傳輸要求?；_結構及控溫方式上，采用硅油恒溫控制器滿足高低寬溫區控溫要求，基片臺內部設計螺旋水道和真空隔熱夾層，提高溫度分布均勻性及溫度穩定性?？販胤绞缴希捎秒p熱偶閉環控溫，實時檢測控溫液體和基片臺的實際溫度，優化控溫算法融入整體熱模型，形成閉環控制，改善溫度控制響應速度和控制精度。

控制系統采用分布式網絡控制，3層網絡拓撲結構，頂層采用主流工業以太網結構，包含上位工控機與下位機PLC控制主站。中間層采用工業級現場總線CCLINK IE Field構成，由下位機PLC控制主站與遠程從站組成。底層主要采用設備傳感級總線構成，根據射頻電源、機械手、智能儀表、控溫槽等自身接口不同，綜合采用RS232、RS485、模擬量等方式。

3 工藝驗證

紅外器件鈍化膜專用磁控濺射系統用于紅外器件的批量生產工藝，需要在保證工藝薄膜質量的同時有著高可靠性和穩定性，設備研制出來后進行大量工藝試驗和自動傳片驗證，連續傳片1 000片均未出現碰撞和碎片現象，基片盤上置傳輸穩定可靠。工藝均勻性方面通過優化濺射靶和基片的相對物理參數，實現了8英寸范圍內高沉膜均勻性，膜厚不均勻性優于±3%。膜厚測試mapping圖如圖1所示。

圖1 膜厚測試mapping圖

4 結語

紅外器件鈍化膜專用磁控濺射系統針對鈍化膜工藝特性進行優化設計，實現了8英寸范圍內高均勻薄膜沉積和基片盤可旋轉上置可靠傳輸。目前設備已在用戶單位作為主力機臺進行工藝生產，系統運行可靠、穩定，同時也成為示范效應，助推了設備的行業銷售應用，得到市場認可。