專利名稱：碲鎘汞焦平面器件微臺面列陣的反應離子刻蝕設備及方法
技術領域：
本發明涉及碲鎘汞(HgCdTe)紅外焦平面探測器的制備工藝，具體是指HgCdTe紅外焦平面探測器微臺面列陣干法成形的反應離子刻蝕(RIE，ReactiveIon Etching)的設備及方法。
背景技術：
HgCdTe紅外焦平面探測器微臺面列陣干法成形技術是發展大列陣、小型化、多色化和集成化的第三代紅外焦平面探測器的關鍵技術之一，見S.Horn，P.Norton，T.Cincotta，A.Stoltz，et al，“Challenges for third-generation cooled imagers”，proceeding of SPIE，Vol.5074，2003，P44-51。由于濕法腐蝕微臺面列陣存在各向同性、均勻性差以及單邊或雙邊峰等一些不可避免的缺點，致使它不能滿足高密度微臺面列陣成形工藝的要求。又由于很強的物理作用，傳統的離子束刻蝕(IBE，Ion Beam Etching)和RIE技術，會造成HgCdTe材料嚴重的電學刻蝕損傷。所以，無損傷或低損傷的干法刻蝕技術一直是微臺面列陣的HgCdTe焦平面探測器發展的一項關鍵技術。
隨著微電子加工技術的不斷進步，新型的電子回旋共振(ECR，ElectronCyclotron Resonance)等離子體增強反應離子刻蝕設備，將產生等離子體的微波源和控制等離子體刻蝕能量的射頻源(RF，Radio Frequency)分開，因此基本能滿足HgCdTe材料低電學損傷刻蝕的要求。目前有關HgCdTe材料干法刻蝕的報道，大多數都采用ECR等離子體增強RIE設備，見J.Baylet，O.Gravrand，E.Laffosse，et al，“Study of the pixel-pitch reduction for HgCdTe infrared dual-banddetectors”，Journal of Electronic Materials，Vol.33，No.6，June，2004，p690-700。但是，在ECR等離子體源基礎上發展起來的誘導耦合等離子體(ICP，InductivelyCoupled Plasma)技術，采用了RF源來代替ECR等離子體的微波源，也就是說產生等離子體的源和控制等離子體刻蝕能量的源都采用射頻源，這不僅具有設備更簡單、工作更穩定和刻蝕均勻性更高的優點，而且還能進一步減小等離子體的刻蝕能量，從而能進一步減小HgCdTe材料刻蝕的電學損傷。
但是，目前有關HgCdTe材料反應離子刻蝕的報道都采用甲烷、氫氣、氮氣和氬氣(CH4/H2/N2/Ar)作為刻蝕的工藝氣體，其中CH4/H2是刻蝕劑。選用H2主要有兩個原因，一方面是通過高密度的H原子以提高刻蝕的速率；另一方面是為了通過高密度的H原子來抑制CH4裂解成甲基后進一步裂解成CH2和CH1，以減小刻蝕過程中形成大量的聚合物沉積。但是，工藝氣體含H2的刻蝕易導致p型HgCdTe材料在刻蝕區域表面有很厚的一層變成n型。這與刻蝕等離子體中氫原子濃度高有關。因為高濃度的氫原子易從刻蝕區域表面向未刻蝕區域方向擴散并不斷中和未刻蝕p區的受主摻雜，且又由于H原子比較小，擴散得比較深，所以導致產生較厚的刻蝕損傷層，見J.White，R.Pal，J.M.Dell，“p-to-n typeconversion mechanisms for HgCdTe exposed to H2/CH4plasmas”，Journal ofElectronic Materials，Vol.30，No.6，2001，P762-767；。
發明內容
基于上述已有HgCdTe微臺面列陣干法成形的反應離子刻蝕方法存在的H原子電學損傷問題，本發明的目的是提供一種低電學損傷的、較快刻蝕速率的和刻蝕表面清潔的RIE方法。
為了實現上述目的，本發明方法是在微電子領域最新的技術產物ICP增強RIE設備上進行的。該設備包括帶真空系統1的腔體5，在腔體內自下而上置有控制等離子體刻蝕能量的RF源2，帶控溫系統的樣品臺3，下進氣線圈7，產生等離子體濃度的RF源6，上進氣線圈8，腔體5側壁開有觀察窗口501。在刻蝕時，刻蝕樣品4固定在控溫樣品臺3上，并可以通過觀察窗口501來實時觀察樣品的刻蝕情況。
利用所述設備的刻蝕方法如下A.樣品制備利用光刻技術在樣品表面形成二氧化硅光刻掩膜圖形；B.使用真空油脂將樣品粘貼在刻蝕樣品臺3上，而后進行腔體的抽真空，直至真空度達到設定值；C.工藝氣體選用CH4/N2/Ar，配比為1-3∶1-10∶15-30，并使其中的N2/Ar從上進氣線圈8進入腔體5，而CH4從下進氣線圈7進入腔體5；D.等離子體刻蝕功率為200-600W，控制等離子體刻蝕能量的RF功率為3-20W，腔體壓力為3-15mTorr，樣品臺溫度為0-40℃。
本發明的最大優點是工藝氣體中不含H2，并使N2/Ar從上進氣線圈進入腔體，CH4從下進氣線圈進入腔體，降低了刻蝕等離子體中的氫原子刻蝕基的濃度，從而減小了刻蝕表層電學損傷的厚度，而且還能保證好的刻蝕表面清潔度和較高的刻蝕速率。
圖1是ICP增強RIE設備結構示意圖；圖2是ICP增強RIE刻蝕樣品的掃描電子顯微鏡(SEM)形貌。
具體實施例方式
見圖1，本發明使用英國OXFORD公司型號為ICP65-80Plus的ICP增強RIE設備。該設備包括帶真空系統1的腔體5，在腔體內自下而上置有控制等離子體刻蝕能量的RF源2，帶控溫系統的樣品臺3，下進氣線圈7，產生等離子體濃度的RF源6，上進氣線圈8。在刻蝕時，刻蝕樣品4固定在控溫樣品臺3上，并可以通過觀察窗口501來實時觀察樣品的刻蝕情況。
我們以p型Hg1-xCdxTe(x＝0.3)外延材料為樣品為實施例，對本發明的方法作進一步的詳細說明A.樣品制備利用光刻技術在樣品表面形成二氧化硅光刻掩膜圖形，掩膜層的厚度為3μm。
B.使用真空油脂將樣品粘貼在刻蝕樣品臺上，而后進行腔體的抽真空，直至真空度達到設定值，如3×10-5Torr。
C.刻蝕選用的工藝氣體為CH4/N2/Ar，配比為1.5∶5∶20；并使其中的N2/Ar從上進氣線圈8進入腔體5，而CH4從下進氣線圈7進入腔體5，腔體壓力為5mTorr。從圖上可以看出該進氣方式縮短了從CH4分子裂解出來的甲基(CH3)到刻蝕樣品表面的距離，從而減少了CH3與等離子體碰撞并進一步裂解成CH2和CH1的幾率。這不僅能減小聚合物的沉積以保證刻蝕表面的清潔度，而且能通過增加刻蝕工藝氣體CH4的比例來提高HgCdTe材料的刻蝕速率。適量的N2是為了在等離子體中形成N原子以使其與CH2、CH1反應，以進一步減少因沒有H2而導致過多聚合物沉積的影響。
D.等離子體刻蝕功率為500W，控制等離子體刻蝕能量為8W，樣品臺溫度為20℃，且表征等離子體刻蝕能量的刻蝕狀態參量——直流偏壓顯示為45V。
為了得到理想的HgCdTe微臺面列陣干法成形技術，除了選擇合適的ICP功率、RF功率和工藝氣體種類等工藝參數外，還要選擇合適的工藝氣體比例、腔體壓力和樣品溫度等工藝參數。例如，CH4氣體的含量過高會導致刻蝕表面非常粗糙，而腔體壓力過大也會出現刻蝕生成物不能及時被抽出而導致大量堆積，并影響后續的刻蝕。總之，HgCdTe材料的ICP增強RIE技術是非常復雜的工藝過程。上述工藝條件是經過多次實驗，得出的最佳實施方法，得到的樣品刻蝕表面非常清潔且光滑，輪廓非常理想，在去掉掩膜圖形后的樣品刻蝕形貌如圖2所示。
通過DEKTAK3臺階儀測量，得到上述條件的刻蝕速率為600/min，本實施例要求刻蝕6μm，共需要100分鐘。
在刻蝕后，采用LBIC(Laser Beam Induced Current)和微分霍耳方法，測得了刻蝕樣品在刻蝕區域的橫向、縱向電學刻蝕損傷層厚度都小于1μm。測試結果表明上述條件已經達到了低電學損傷的、較快刻蝕速率的和刻蝕表面清潔的RIE技術要求。這說明采用該技術方案的反應離子刻蝕方法是合理的、可行的。
權利要求
1.一種碲鎘汞焦平面器件微臺面列陣的反應離子刻蝕設備，包括帶真空系統(1)的腔體(5)，在腔體內自下而上置有控制等離子體刻蝕能量的RF源(2)，帶控溫系統的樣品臺(3)，下進氣線圈(7)，產生等離子體濃度的RF源(6)，上進氣線圈(8)，腔體(5)的側壁上開有觀察窗口(501)。
2.利用權利要求1的一種碲鎘汞焦平面器件微臺面列陣的反應離子刻蝕設備方法，其特征在于它包括下列過程A.樣品制備利用光刻技術在樣品表面形成二氧化硅光刻掩膜圖形；B.使用真空油脂將樣品粘貼在刻蝕樣品臺(3)上，而后進行腔體的抽真空，直至真空度達到設定值；C.工藝氣體選用CH4/N2/Ar，配比為1-3∶1-10∶15-30，并使其中的N2/Ar從上進氣線圈(8)進入腔體(5)，而CH4從下進氣線圈(7)進入腔體(5)；D.等離子體刻蝕功率為200-600W，控制等離子體刻蝕能量的RF功率為3-20W，腔體壓力為3-15mTorr，樣品臺溫度為0-40℃。
全文摘要
本發明公開了一種碲鎘汞焦平面器件微臺面列陣的反應離子刻蝕設備及方法，設備包括帶真空系統的腔體，在腔體內自下而上置有控制等離子體刻蝕能量的RF源，帶控溫系統的樣品臺，下進氣線圈，產生等離子體濃度的RF源，上進氣線圈。利用該設備刻蝕微臺面列陣的方法特征為工藝氣體選用CH
文檔編號H01L21/02GK1741252SQ20051002996
公開日2006年3月1日 申請日期2005年9月23日 優先權日2005年9月23日
發明者葉振華, 胡曉寧, 丁瑞軍, 何力 申請人:中國科學院上海技術物理研究所