專利名稱：碲鎘汞焦平面器件微臺面列陣的反應(yīng)離子刻蝕設(shè)備及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)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(yīng)離子刻蝕(RIE，ReactiveIon Etching)的設(shè)備及方法。
背景技術(shù)：
HgCdTe紅外焦平面探測器微臺面列陣干法成形技術(shù)是發(fā)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(guān)鍵技術(shù)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(tǒng)的離子束刻蝕(IBE，Ion Beam Etching)和RIE技術(shù)，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(shù)一直是微臺面列陣的HgCdTe焦平面探測器發(fā)展的一項關(guān)鍵技術(shù)。
隨著微電子加工技術(shù)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(yīng)離子刻蝕設(shè)備，將產(chǎn)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(guān)HgCdTe材料干法刻蝕的報道，大多數(shù)都采用ECR等離子體增強RIE設(shè)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(chǔ)上發(fā)展起來的誘導(dǎo)耦合等離子體(ICP，InductivelyCoupled Plasma)技術(shù)，采用了RF源來代替ECR等離子體的微波源，也就是說產(chǎn)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(shè)備更簡單、工作更穩(wěn)定和刻蝕均勻性更高的優(yōu)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(guān)HgCdTe材料反應(yīng)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(dǎo)致p型HgCdTe材料在刻蝕區(qū)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(guān)。因為高濃度的氫原子易從刻蝕區(qū)域表面向未刻蝕區(qū)域方向擴散并不斷中和未刻蝕p區(qū)的受主摻雜，且又由于H原子比較小，擴散得比較深，所以導(dǎo)致產(chǎn)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(fā)明內(nèi)容
基于上述已有HgCdTe微臺面列陣干法成形的反應(yīng)離子刻蝕方法存在的H原子電學損傷問題，本發(fā)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(xiàn)上述目的，本發(fā)明方法是在微電子領(lǐng)域最新的技術(shù)產(chǎn)物ICP增強RIE設(shè)備上進行的。該設(shè)備包括帶真空系統(tǒng)1的腔體5，在腔體內(nèi)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(tǒng)的樣品臺3，下進氣線圈7，產(chǎn)生等離子體濃度的RF源6，上進氣線圈8，腔體5側(cè)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(shè)備的刻蝕方法如下A.樣品制備利用光刻技術(shù)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(shè)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(fā)明的最大優(yōu)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(shè)備結(jié)構(gòu)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(fā)明使用英國OXFORD公司型號為ICP65-80Plus的ICP增強RIE設(shè)備。該設(shè)備包括帶真空系統(tǒng)1的腔體5，在腔體內(nèi)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(tǒng)的樣品臺3，下進氣線圈7，產(chǎn)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(fā)明的方法作進一步的詳細說明A.樣品制備利用光刻技術(shù)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(shè)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(yīng)，以進一步減少因沒有H2而導(dǎo)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(tài)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(shù)，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(shù)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(shù)。例如，CH4氣體的含量過高會導(dǎo)致刻蝕表面非常粗糙，而腔體壓力過大也會出現(xiàn)刻蝕生成物不能及時被抽出而導(dǎo)致大量堆積，并影響后續(xù)的刻蝕?？傊琀gCdTe材料的ICP增強RIE技術(shù)是非常復(fù)雜的工藝過程。上述工藝條件是經(jīng)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(qū)域的橫向、縱向電學刻蝕損傷層厚度都小于1μm。測試結(jié)果表明上述條件已經(jīng)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(shù)要求。這說明采用該技術(shù)方案的反應(yīng)離子刻蝕方法是合理的、可行的。
權(quán)利要求
1.一種碲鎘汞焦平面器件微臺面列陣的反應(yīng)離子刻蝕設(shè)備，包括帶真空系統(tǒng)(1)的腔體(5)，在腔體內(nèi)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(tǒng)的樣品臺(3)，下進氣線圈(7)，產(chǎn)生等離子體濃度的RF源(6)，上進氣線圈(8)，腔體(5)的側(cè)壁上開有觀察窗口(501)。
2.利用權(quán)利要求1的一種碲鎘汞焦平面器件微臺面列陣的反應(yīng)離子刻蝕設(shè)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(shù)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(shè)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(fā)明公開了一種碲鎘汞焦平面器件微臺面列陣的反應(yīng)離子刻蝕設(shè)備及方法，設(shè)備包括帶真空系統(tǒng)的腔體，在腔體內(nèi)自下而上置有控制等離子體刻蝕能量的RF源，帶控溫系統(tǒng)的樣品臺，下進氣線圈，產(chǎn)生等離子體濃度的RF源，上進氣線圈。利用該設(shè)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(yōu)先權(quán)日2005年9月23日
發(fā)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(shù)物理研究所