紅外器件鈍化膜專用磁控濺射系統(tǒng)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(shù)的不斷發(fā)展，先進的紅外系統(tǒng)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(guī)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(fā)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(yīng)波長隨組份變化連續(xù)可調(diào)、不同組分晶格常數(shù)變化不大等顯著優(yōu)點，成為三代紅外焦平面探測器件發(fā)展的重點之一[2]。

雙色紅外探測器作為三代紅外探測器發(fā)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(tǒng)抗干擾和目標識別能力，應(yīng)用于導彈預(yù)警、紅外偵察、成像制導等多種領(lǐng)域[3]。鈍化技術(shù)是研發(fā)雙色探測器的關(guān)鍵技術(shù)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(tài)，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(yīng)，提高探測器動態(tài)電阻和反向擊穿電壓，大大改善器件性能[5]。

國產(chǎn)常規(guī)磁控濺射設(shè)備無法滿足碲鎘汞器件多規(guī)格、小尺寸、低溫濺射、批量生產(chǎn)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(tǒng)，很好地解決了大尺寸范圍內(nèi)高質(zhì)量鈍化膜低溫沉積和基片上置可旋轉(zhuǎn)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(fā)展需求，應(yīng)用于紅外器件鈍化膜專用磁控濺射系統(tǒng)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(fā)展對鈍化層介質(zhì)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(chǎn)向規(guī)模化、智能化的發(fā)展對設(shè)備的自動化和智能化水平提出了更高要求。設(shè)備應(yīng)具備較高的自動化程度和支持生產(chǎn)工藝管理和分析的數(shù)據(jù)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(wěn)定，對外部粒子轟擊和溫度較為敏感，要求介質(zhì)膜必須在低溫下生長，且器件必須能經(jīng)常承受77K的低溫沖擊。因此，碲鎘汞紅外器件在整個生產(chǎn)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(guī)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(yīng)考慮創(chuàng)新設(shè)計，提高熱傳導性，以達到基片溫度控制的精確性和穩(wěn)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(chǎn)生粉塵，掉落到基片表面會造成顆粒污染，降低產(chǎn)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(zhuǎn)及可靠傳輸。

2 磁控濺射系統(tǒng)研制

根據(jù)真空鍍膜設(shè)備的設(shè)計經(jīng)驗和技術(shù)基礎(chǔ)，結(jié)合用戶工藝實際需求和工藝特點，借鑒國外先進設(shè)備的技術(shù)實現(xiàn)方法，紅外器件鈍化膜專用磁控濺射系統(tǒng)的總體設(shè)計思路如下。

1)采用多腔集群式結(jié)構(gòu)，模塊化設(shè)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(shè)計和基片旋轉(zhuǎn)控制實現(xiàn)8英寸范圍內(nèi)高均勻薄膜沉積。

4)梯度真空設(shè)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(huán)境。

5)高精度液體控溫，滿足-20℃～200℃寬溫區(qū)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(tǒng)主要由裝卸片模塊、傳送模塊、清洗模塊、濺射模塊、真空系統(tǒng)、水路系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)、電控系統(tǒng)組成。整機采用集群式構(gòu)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(tǒng)連接到各模塊，實現(xiàn)系統(tǒng)整機的全自動控制。

本項目工藝鈍化膜ZnS易產(chǎn)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(nèi)，均配置有帶自對中彈性片托的旋轉(zhuǎn)基片臺，滿足基片盤旋轉(zhuǎn)運動穩(wěn)定夾持和上置傳輸?shù)男枨蟆?/p>

2.2 部件介紹

裝卸片模塊用于設(shè)備對外裝卸片盒。通過門閥與傳送腔相連，腔內(nèi)設(shè)計有用于基片盒升降的緩存系統(tǒng)，采用伺服電機精確控制基片盒的升降，配合機械手實現(xiàn)基片或基片盤在機械手手指和片盒之間的轉(zhuǎn)移。設(shè)備采用定制專用片盒，每盒8片。片盒升降時，腔體上設(shè)計的mapping傳感器可自動檢測到片盒內(nèi)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(shè)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(jié)構(gòu)，本項目根據(jù)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(nèi)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(tǒng)實時狀態(tài)記錄，確保基片盤位置、工藝狀態(tài)正確，實現(xiàn)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(shè)計旋轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)磁場設(shè)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(diào)，偏心距離可調(diào)，用于工藝膜厚不均勻性的調(diào)節(jié)補償。

基片臺的設(shè)計上，采用彈性片托技術(shù)滿足旋轉(zhuǎn)基片盤穩(wěn)定夾持和上置可靠傳輸要求。基片臺結(jié)構(gòu)及控溫方式上，采用硅油恒溫控制器滿足高低寬溫區(qū)控溫要求，基片臺內(nèi)部設(shè)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(wěn)定性。控溫方式上，采用雙熱偶閉環(huán)控溫，實時檢測控溫液體和基片臺的實際溫度，優(yōu)化控溫算法融入整體熱模型，形成閉環(huán)控制，改善溫度控制響應(yīng)速度和控制精度。

控制系統(tǒng)采用分布式網(wǎng)絡(luò)控制，3層網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，頂層采用主流工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，包含上位工控機與下位機PLC控制主站。中間層采用工業(yè)級現(xiàn)場總線CCLINK IE Field構(gòu)成，由下位機PLC控制主站與遠程從站組成。底層主要采用設(shè)備傳感級總線構(gòu)成，根據(jù)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(tǒng)用于紅外器件的批量生產(chǎn)工藝，需要在保證工藝薄膜質(zhì)量的同時有著高可靠性和穩(wěn)定性，設(shè)備研制出來后進行大量工藝試驗和自動傳片驗證，連續(xù)傳片1 000片均未出現(xiàn)碰撞和碎片現(xiàn)象，基片盤上置傳輸穩(wěn)定可靠。工藝均勻性方面通過優(yōu)化濺射靶和基片的相對物理參數(shù)，實現(xiàn)了8英寸范圍內(nèi)高沉膜均勻性，膜厚不均勻性優(yōu)于±3%。膜厚測試mapping圖如圖1所示。

圖1 膜厚測試mapping圖

4 結(jié)語

紅外器件鈍化膜專用磁控濺射系統(tǒng)針對鈍化膜工藝特性進行優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)了8英寸范圍內(nèi)高均勻薄膜沉積和基片盤可旋轉(zhuǎn)上置可靠傳輸。目前設(shè)備已在用戶單位作為主力機臺進行工藝生產(chǎn)，系統(tǒng)運行可靠、穩(wěn)定，同時也成為示范效應(yīng)，助推了設(shè)備的行業(yè)銷售應(yīng)用，得到市場認可。