CN100365780C - 用于反应离子刻蚀碲镉汞微台面列阵的掩膜层及制备方法 - Google Patents

用于反应离子刻蚀碲镉汞微台面列阵的掩膜层及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于反应离子刻蚀碲镉汞微台面列阵的掩膜层及制备方法，掩膜层采用与反应离子束不会反应的无机二氧化硅(SiO2)材料。SiO2掩模层的制备方法是：先采用磁控溅射镀膜技术在HgCdTe材料表面生长SiO2薄膜，再利用光刻技术和湿化学腐蚀技术将光刻版掩模图形转移到SiO2薄膜上，从而在HgCdTe材料表面形成SiO2掩模层。本发明的最大优点是：掩膜层具有高的刻蚀选择比，能避免用光刻胶作掩膜层会导致大量聚合物沉积、刻蚀停滞现象和刻蚀线宽损失的不足，并在掩模层的制作过程中无需经受高温处理。

Description

用于反应离子刻蚀碲镉汞微台面列阵的掩膜层及制备方法
技术领域
本发明涉及碲镉汞(HgCdTe)红外焦平面探测器的制备工艺，具体是指采用干法成形的反应离子刻蚀(RIE)HgCdTe焦平面探测器微台面列阵工艺过程中所用的掩膜层及制备方法。
背景技术
HgCdTe焦平面探测器微台面列阵干法成形技术是发展大列阵、小型化、多色化和集成化的第三代红外焦平面探测器的关键技术之一(S.Hom，P.Norton，T.Cincotta，A.Stoltz，et al，“Challenges for third-generation cooled imagers”，proceeding of SPIE，Vol.5074，2003，P44-51)。由于湿法腐蚀存在各向同性、均匀性差以及单边或双边峰等一些不可避免的缺点，致使它不能满足高密度微台面列阵成形工艺的要求。又由于很强的物理作用，传统的离子束刻蚀(IBE，IonBeam Etching)和RIE技术，会造成HgCdTe材料严重的电学刻蚀损伤。而电子回旋共振(ECR，Electron Cyclotron Resonance)等离子体和诱导耦合等离子体(ICP，Inductively Coupled Plasma)增强的新型反应离子刻蚀技术，将产生等离子体浓度的微波源或射频(RF，Radio Frequency)源和控制等离子体刻蚀能量的RF源分开，因此基本能满足HgCdTe材料低电学损伤刻蚀的要求，并有许多关于这方面研究的报道。
在这些报道中，HgCdTe材料的反应离子刻蚀都是采用光刻胶作为掩膜的(J.D.Benson，A.J.Stoltz，et al，“Determination of the Ion Angular Distribution forElectron Cyclotron Resonance，Plasma-Etched HgCdTe Trences”，Journal ofElectronic Materials，Vol.33，No.6，June，2004，p543-55 1)。但是，光刻胶的掩膜方法在HgCdTe焦平面探测器微台面列阵干法成形的反应离子刻蚀工艺中存在以下四个方面的不足：1由于光刻胶是有机物，易与CH4气体产生的刻蚀等离子体反应生成聚合物，从而影响刻蚀的继续进行和刻蚀表面的清洁度；2光刻胶与HgCdTe材料的反应离子刻蚀选择比差，深微台面的刻蚀要求很厚的光刻胶掩膜层，这增加了反应离子刻蚀的图形深宽比，从而导致刻蚀剂不能进入刻蚀沟槽而反应生成物又不能及时离开刻蚀表面(刻蚀微负载效应)，严重时还会出现刻蚀停滞现象；3差的刻蚀选择比，会致使四周的掩模图形在刻蚀过程中不断地退缩而引起的其刻蚀侧壁不够垂直且呈锯齿阶梯状，并造成刻蚀图形线宽的严重损失；4虽然通过升高光刻胶的坚膜温度可适度增加光刻胶的刻蚀选择比，但是高温工艺过程会影响HgCdTe焦平面探测器的性能。
发明内容
基于上述已有HgCdTe微台面列阵干法成形的反应离子刻蚀工艺过程中的掩膜层存在的问题，本发明的目的是提供一种不会在刻蚀过程中产生其它物质、高刻蚀选择比的、无线宽损失的和无需经受高温处理的掩膜层及制备方法。
为了实现上述目的，本发明的掩膜层采用与反应离子束不会反应的无机二氧化硅(SiO2)材料。所说的掩膜层是生长在带衬底的HgCdTe外延层表面。
SiO2掩模层的制备方法是：先采用磁控溅射镀膜技术在HgCdTe材料表面生长SiO2薄膜，再利用光刻技术和湿化学腐蚀技术将光刻版掩模图形转移到SiO2薄膜上，从而在HgCdTe材料表面形成SiO2掩模层。
其具体步骤如下：
A.HgCdTe样品清洗：首先使用三氯乙烯及乙醚在65℃下清洗20分钟，然后分别在丙酮及乙醇中恒温65℃浸泡15分钟。以上试剂均为MOS纯，清洗后的样品表面清洁光亮。
B.SiO2薄膜生长：利用磁控溅射设备，在清洗完的样品表面生长SiO2薄膜。SiO2薄膜厚度为2000-3000，溅射功率为20-30W，样品温度55-65℃。采用小功率溅射的目的是为了减小沉积到HgCdTe材料表面的SiO2颗粒碰撞能量，以免造成材料表面的电学损伤；样品温度不宜超过65℃，是为了避免高温工艺过程会影响HgCdTe焦平面探测器的性能。
C.SiO2掩模层的形成：采用正胶AZ1500涂在SiO2薄膜上，进行掩模图形从掩模光刻版转移到光刻胶的光刻；采用标准配置的氢氟酸缓冲液，进行掩模图形从光刻胶转移到SiO2薄膜层的湿化学腐蚀；然后去除光刻胶，并用高纯度的去离子水冲洗样品直至样品上没有残留的有机物，从而完成了在HgCdTe材料表面形成SiO2掩模层。
本发明的最大优点是：采用无机物SiO2作掩膜层，该掩膜层具有高的刻蚀选择比，能避免用光刻胶作掩膜层会导致大量聚合物沉积、刻蚀停滞现象和刻蚀线宽损失的不足，并在掩模层的制作过程中无需经受高温处理。
附图说明
图1是HgCdTe样品刻蚀过程示意图，图中1为衬底、2为生长在衬底上的外延层、3为SiO2薄膜、4为光刻胶；(a)为掩模图形在光刻胶层的示意图，(b)掩模图形转移到SiO2薄膜后的示意图，(c)反应离子刻蚀完的刻蚀样品示意图，(d)去掉SiO2掩模图形后的刻蚀样品示意图。
图2是HgCdTe材料的ICP增强RIE刻蚀样品的扫描电子显微镜形貌图，(a)图为光刻胶作为掩模的刻蚀样品的扫描电子显微镜形貌图，(b)图为SiO2薄膜作为掩模的刻蚀样品的扫描电子显微镜形貌图。
具体实施方式
我们以生长在衬底上的p型Hg1-xCdxTe(x＝0.3)外延材料为例，对用于干法成形的反应离子刻蚀微台面列阵工艺的SiO2掩膜作进一步的详细说明：
本发明的SiO2掩膜层的生长是在法国Alliance公司型号为AC450的薄膜溅射系统上完成的。
A.样品清洗：首先使用三氯乙烯及乙醚在65℃下清洗20分钟，然后分别在丙酮及乙醇中恒温65℃浸泡15分钟。以上试剂均为MOS纯，清洗后的样品表面清洁光亮。
B.SiO2薄膜生长：在清洗完的样品表面生长厚度为2000的SiO2薄膜。先将样品固定在预抽室的样品架上，等预抽室的真空到达2×10-2mbar时，用机械手将样品连同样品架一起送入高真空镀膜腔体。当腔体真空到达1×10-6mbar，打开氩气进入腔体的气动开关并准备生长。在生长时，氩气的流量为5sccm，射频功率为20W，反射功率为2W，样品的生长温度控制在60℃，生长时间为50分钟。在SiO2薄膜生长完毕后，用机械手将样品连同样品架一起从高真空镀膜腔体传到预抽室，对预抽室放气并取出样品。
C.光刻掩模图形：采用正薄胶AZ1500光刻，光刻胶厚度为1.5μm，且前烘和坚膜温度都为65℃，时间为30分钟。
D.转移掩模图形到SiO2薄膜：采用氢氟酸缓冲液，进行掩模图形从光刻胶转移到SiO2薄膜层的湿化学腐蚀，然后去除光刻胶，并用高纯度的去离子水冲洗样品。所用腐蚀液是标准配置的氢氟酸缓冲液(HF∶NH4F∶H2O＝3∶6∶9)，采用水域控温的方法将腐蚀液的温度控制在30℃，腐蚀时间为4秒。在腐蚀完需刻蚀区域表面的SiO2薄膜后，用丙酮和乙醇去掉光刻胶，再将样品置于纯度为18M的流动的去离子水中，冲洗20分钟后取出并用高纯N2吹干。从而完成了在HgCdTe材料表面形成SiO2掩模层。
我们对本发明的SiO2掩模层和用光刻胶作掩模层进行了干法成形的反应离子刻蚀(RIE)HgCdTe焦平面探测器微台面列阵的对比实验：
干法成形的反应离子刻蚀工艺：采用英国OXFORD公司型号为ICP65-80Plus的诱导耦合等离子体(ICP)增强RIE设备，进行由SiO2掩膜的HgCdTe材料反应离子刻蚀。使用真空油脂将样品粘贴在刻蚀样品台上，而后进行腔体的抽真空，直至真空度达到3×10-5Torr后开始刻蚀，且刻蚀时间为200分钟。刻蚀选用的工艺气体为CH4/N2/Ar，配比为1.5∶5∶20，刻蚀的ICP功率为500W，射频功率为8W，腔体压力为5mTorr，样品台温度为20℃，且表征等离子体刻蚀能量的刻蚀状态参量——直流偏压(DC Bias)显示为45V。最后，用标准配置的氢氟酸缓冲液去除反应离子刻蚀后剩余的SiO2掩模层。
在刻蚀完后采用金相显微镜及扫描电子显微镜，发现HgCdTe表面掩模区域的SiO2薄膜仍然还在。而通过DEKTAK3台阶仪测得HgCdTe材料的刻蚀深度为12μm。所以，可计算得到HgCdTe材料反应离子刻蚀的SiO2掩膜刻蚀选择比≥60∶1，这远远大于光刻胶掩膜的刻蚀选择比1.2∶1。所说的刻蚀选择比为：HgCdTe材料的刻蚀速率/掩膜层材料的刻蚀速率。
见图2，HgCdTe材料反应离子刻蚀的微台面列阵样品SEM形貌，(a)图为光刻胶作为掩模的刻蚀样品形貌图，(b)图为SiO2薄膜作为掩模的刻蚀样品形貌图。如图2所示，磁控溅射生长的SiO2掩模层，其刻蚀图形的侧壁有很好的垂直度，而光刻胶掩膜的刻蚀，其侧壁不够垂直且呈锯齿阶梯状。
由此可见，具有高刻蚀选择比的、无机物SiO2掩膜方法，非常适合与HgCdTe材料的反应离子刻蚀，它不仅能通过减小刻蚀过程中刻蚀图形的深宽比，以减小微负载效应带来的影响，而且能减小刻蚀过程中聚合物的沉积和刻蚀图形线宽的损失。这说明SiO2薄膜作为HgCdTe材料的反应离子刻蚀的掩膜方法是合理的、可行的。

Claims (2)

1.一种用于反应离子刻蚀碲镉汞微台面列阵的掩膜层，所说的掩膜层是生长在带衬底的HgCdTe外延层表面，其特征在于：掩膜层采用与反应离子束不会反应的无机二氧化硅薄膜材料。
2.一种用于反应离子刻蚀碲镉汞微台面列阵的掩膜层的制备方法，具体步骤如下：
A.HgCdTe样品清洗：首先使用三氯乙烯及乙醚在65℃下清洗20分钟，然后分别在丙酮及乙醇中恒温65℃浸泡15分钟，以上试剂均为MOS纯；
B.SiO2薄膜生长：利用磁控溅射设备，在清洗完的样品表面生长SiO2薄膜，其特征在于：
所说的SiO2薄膜生长条件为：溅射功率20-30W，样品温度55-65℃；SiO2薄膜厚度为2000-3000；
C.SiO2掩模层的形成：采用正胶AZ1500涂在SiO2薄膜上，进行掩模图形从掩模光刻版转移到光刻胶的光刻；采用标准配置的氢氟酸缓冲液，进行掩模图形从光刻胶转移到SiO2薄膜层的湿化学腐蚀；然后去除光刻胶，并用高纯度的去离子水冲洗样品直至样品上没有残留的有机物，从而完成了在HgCdTe材料表面形成SiO2掩模层。
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