CN101403604A - 外延薄膜表面保护测试技术 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种外延薄膜表面保护测试技术，它可以在外延生长结束后，对外延薄膜进行涂覆保护，涂覆层起到杂质粘污阻挡层的作用，并且，在带有涂覆层的情况下，可以提取外延材料组分、厚度、x光貌相参数。其特征是：外延薄膜表面采用光刻胶保护，参考衬底表面涂覆的光刻胶厚度与外延层表面保护用的光刻胶厚度相同，透射光谱测试时以参考衬底的透射光谱作为背景，通过迭代法从不规则的透射光谱中提取外延层的厚度和组分参数。本发明的优点是，完全避免了测试过程中的环境和测试设备对外延层的沾污，简化了后续的清洗工艺，提高了薄膜材料的成品率。

Description

外延薄膜表面保护测试技术

技术领域

本发明涉及薄膜材料表面测试技术，具体指一种外延薄膜表面保护测试技术，它能够在外延层处于保护状态下提取外延层的某些光学参数，特别适合碲镉汞外延薄膜材料的测试。

技术背景

目前，各种外延技术是生长薄膜材料的有效手段。在生长过程完成后，首先需要对薄膜进行测试，提取薄膜的特性参数，为随后的器件制备提供依据，有时还需要对材料进行切割定型。对于碲镉汞(Hg_1-xCd_xTe)外延薄膜，比较重要的参数是薄膜的厚度和Cd的组份x，对于制备大规模的红外焦平面器件，还需要薄膜材料进行多点测试，来评价材料的组分和厚度均匀性，另外，X光貌相测试也是检测材料均匀性的重要手段。外延薄膜通常在超高真空环境或还原性气体环境下生长，例如分子束外延生长是在真空度为10^-8Pa的环境下进行，液相外延是在纯度为99.99999％的高纯氢气气氛下进行，因此，所获得的外延薄膜表面是洁净的、没有环境杂质污染的。但是在随后的测试过程中，环境中的杂质颗粒往往会吸附到外延材料表面，这种沾污用通常的清洗手段很难去除。尤其是对于碲镉汞外延材料，碲镉汞的力学性能很差，室温下微硬度小于10⁴MPa，远小于GaAs和Si，GaAs为7.5×10⁴MPa，Si为11.5×10⁴MPa，碲镉汞表面沾污后，无法采用机械抛光的方式来去除，而用气体或水流吹扫的方式[专利文献：晶片表面清洗装置及方法，中国专利号：98125767.4]，过大的气流或流也会损伤外延层表面。

发明内容：

本发明的目的是提供一种外延薄膜保护测试技术，解决外延薄膜测试时表面被环境杂质污染的问题。

外延薄膜生长结束后，在薄膜表面涂覆一层厚度为2～3微米的光刻胶作为保护层和杂质沾污阻挡层，因为光刻胶是芯片后续制备工艺中所用到的一种材料，因此不会引入附加的沾污，并且光刻胶可以用有机溶剂丙酮彻底去除。

对于薄膜材料，通常采用透射光谱方法获得薄膜的厚度和成分组成。在常规的透射光谱测试过程中，首先，在光路上先不放样品，测试得到数据T₀作为背景光谱，然后将待测样品放在光路上，测试得到光谱数据T₁，那么外延薄膜材料的透射率T＝T₁/T₀。测试设备可以选择光栅型的光谱仪或傅立叶变换型的光谱仪。但是，如果样品表面有光刻胶保护层，常规的方法并不适用，按照常规的方法，所获得的透射率T实际上是样品透射谱与光刻胶透射谱的叠加。由于光刻胶是高分子材料，在红外波段有很多吸收峰，这些吸收峰叠加在外延薄膜的透射谱上，难以准确判读外延薄膜的真实透射谱。

本发明中，采用一片与外延所用衬底的厚度基本相同的衬底作为参考衬底，在外延薄膜和参考衬底上同时涂覆厚度基本相同的一层光刻胶，外延薄膜上的光刻胶起到保护层的作用，参考衬底上的光刻胶层在测量透射光谱时起到背景扣除的作用。测试方法是，首先测量涂覆有光刻胶的参考衬底的透射光谱，以此作为背景，然后再测量外延薄膜的透射光谱，那么，在最后得到的外延薄膜的透射光谱中，理论上就完全扣除了光刻胶的影响。

从透射光谱提取外延薄膜的参数时，通常采用光谱拟合的方法，利用外延材料组分与材料光学常数之间的关系来获得外延薄膜的厚度和组分[见文献：王庆学，魏彦锋，杨建荣，何力，液相外延HgCdTe薄膜组份均匀性对红外透射光谱的影响，半导体学报26(5)，(2005).pp904-908]。由于实际操作过程中光刻胶的影响不可能彻底消除，透射光谱曲线并不光滑，很难用光谱拟合的办法来获得外延层的组分和厚度，本发明采用了一种迭代方法来提取外延层的厚度和组分参数，以碲镉汞为例：

(a)外延薄膜所用的衬底一般为厚衬底，衬底厚度远大于光源的相干长度，因此，衬底对透射光谱的干涉特性不产生影响，碲镉汞外延所用的衬底通常为碲锌镉，在1～15μm波段，衬底对光的吸收也可以忽略不计，衬底的影响主要是表面反射引起的透过率的变化。

(b)先求外延层的厚度。根据光谱透射曲线中干涉峰的周期计算外延薄膜的厚度d＝1/(2nΔv)，式中n为外延薄膜材料的折射率，Δv为干涉峰的周期。n通常与外延薄膜材料的组分有关，计算时可以先取一个估计值x₀作为初值来计算折射率n。例如，对于碲镉汞Hg_1-xCd_xTe，如果是中波材料，组分初值可以取x₀＝0.3，如果是长波材料，组分初值可以取x₀＝0.2。

(c)求外延层的Cd组分。基本思路是取吸收系数α＝500cm^-1处的能量为碲镉汞的吸收边[见文献：G.L.Hansen and J.L.Schmit，J.Appl.Phys.54(1983)，pp1639]。在吸收边以下有明显干涉峰的区域取平均透射率为T₀，然后根据T₅₀₀＝T₀exp(-αd)＝T₀exp(-500d)计算吸收系数为500cm^-1处的透射率T₅₀₀，d为前面计算出的外延膜厚度。然后在光谱中找到与纵坐标T₅₀₀处对应的横坐标光子能量E_g，再根据组分和禁带宽度的关系式[见文献：G.L.Hansen and J.L.Schmit，J.Appl.Phys.54(1983)，pp1639]：

E_g＝-0.302+1.93x-0.81x²+5.35×10^-4(1-2x)T+0.832x³

计算出Cd组分x。上式中E_g的单位为eV，T是测试时的温度，单位为K。

(d)将计算出的x作为组分初值x₀，重复(b)～(c)的步骤，重新获得新的外延层厚度d和组分值x。重复以上的步骤，直到相邻两次的厚度和组分值变化很小为止，一般，厚度变化小于0.01微米，组分变化小于0.0001即可。最后，经过多次迭代所得到的d和x就是外延薄膜的厚度和Cd组分。

对于X射线衍射貌相的测试，由于光刻胶对x射线的吸收系数很小，x射线可以穿透涂覆层，因此可以在有光刻胶保护层的外延薄膜上进行x射线衍射貌相的测量。

本发明的优点是，可以在外延层表面被完全保护的情况下，测试外延薄膜的组分、厚度、x光貌相等特征参数，完全避免了测试过程中的环境和测试设备对外延层的沾污，简化了后续的清洗工艺，提高了材料的成品率。

附图说明

图1是外延材料和参考衬底的结构示意图，图1a是涂覆光刻胶的外延薄膜的结构，图中，1是外延薄膜所用的衬底，2是外延薄膜，3是外延薄膜上的光刻胶；图1b是涂覆光刻胶的参考衬底的结构，图中，4是参考衬底，5是参考衬底上的光刻胶。

图2是没有涂覆光刻胶的碲镉汞外延薄膜的室温透射光谱。

图3是涂覆有光刻胶，没有扣除光刻胶影响的碲镉汞外延薄膜的室温透射光谱。

图4是涂覆有光刻胶，但是已经用参考衬底方法扣除光刻胶影响的碲镉汞外延薄膜的室温透射光谱。

图5是涂覆有光刻胶的碲镉汞外延薄膜的x射线衍射貌相。

具体实施方案：

下面结合附图对本发明的具体实施做进一步详细说明：

(1)外延薄膜涂覆保护层

碲镉汞外延生长结束后，立即对外延薄膜涂覆保护层进行表面保护。涂覆层材料选择Clariant公司的AZ1500型光刻胶，涂覆时采用离心式匀胶机，匀胶机转速设定为2000转/分钟，可以保证光刻胶的涂层厚度为2～3微米。然后选用一块厚度与外延所用衬底的厚度相当的衬底，两者的厚度差小于100微米，此衬底称为参考衬底，用同一型号的光刻胶和同样的匀胶速度，在参考衬底上涂覆一层相同厚度的光刻胶。完成涂胶后，在烘箱中进行烘烤，烘烤温度为65度，时间为30分钟。图1中的(a)是涂覆光刻胶的外延薄膜的结构，图1中的(b)是涂覆光刻胶的参考衬底的结构。

(2)透射光谱测量

如前所述，常规方法是指光路中不放样品时所测的光谱作为背景，图2就是采用此方法得到的一片典型的碲镉汞外延薄膜的室温透射光谱，在光谱中可以看到清晰的吸收边和干涉峰结构。图3是采用常规方法得到的同一片外延材料的室温透射光谱，此片材料表面涂覆有一层光刻胶保护层。可以看到，光谱曲线非常杂乱，严重影响对样品真实透射谱的判读，光谱曲线中杂乱的结构正是光刻胶的影响造成的。图4是采用参考衬底方法所得到的同一片样品的透射光谱，即以参考衬底的透射光谱作为背景。与图3相比，图4中小于2500cm^-1的范围内可以看到明显的等间距的干涉峰，干涉峰的周期约为150cm^-1。

(3)外延层厚度和组分参数的提取

在图4可以看到，在横坐标小于2500cm^-1的范围内，除了周期为150cm^-1的干涉峰外，还可以看到一个宽的、周期约为1000cm^-1的包络结构，这个包络其实也是一组干涉峰，起源于光刻胶引起的干涉。因为，虽然采用同样的匀胶速率对参考衬底和外延材料进行涂胶，但是两者的光刻胶厚度很难保证完全相同，光刻胶厚度的微小差异会造成参考衬底的背景不能被完全扣除，所以在最终的透射光谱中出现了光刻胶的干涉峰。但是，由于光刻胶的干涉峰周期与外延层的干涉峰周期相差很大，所以不影响对外延层干涉条纹的判读。但是，光刻胶的折射率、吸收系数等参数随着光刻胶的配比浓度、干燥程度等有很大的差异，因此很难用光谱拟合的办法获得外延层参数。本专利中采用的迭代方法如下：

根据图4中光谱曲线，干涉峰的平均周期为Δv＝149.46cm^-1，根据透射曲线的吸收边判断，此材料为中波材料，组分初值可以取x₀＝0.3，在文献[E.Finkmanand S.E.Schacham，J.Appl.Phys.56(1984)，pp2896]中给出了碲镉汞Hg_1-xCd_xTe折射率n与Cd组分x之间的定量关系，计算得到折射率n＝3.35，因此，外延层的厚度d＝1/(2nΔv)＝9.67μm。

考察实测的透射光谱图4，材料的吸收边在2500cm^-1左右，在吸收边以下500～2000cm^-1的范围内取平均透射率为T₀＝90％，吸收系数α＝500cm^-1处的透射率T₅₀₀＝T₀exp(-αd)＝55.5％，d为前面计算出的外延膜厚度。然后在光谱中找到与纵坐标T₅₀₀＝55.5％对应的横坐标光子能量E_g＝2557.19cm^-1，再根据Hansen和Schmit公式：E_g＝-0.302+1.93x-0.81x²+5.35×10^-4(1-2x)T+0.832x³，计算出Cd组分x＝0.3195，室温测试可以取温度T＝300。

将计算出的x＝0.3195作为组分初值x₀，重新计算厚度d和组分x，以此类推，经过三次迭代，相邻两次的厚度变化已经小于0.01微米，组分变化小于0.0001，最终得到外延薄膜的厚度d＝10.14μm，Cd组分x＝0.3197。

表1是两种测试方法的对比，一种是常规的不带有光刻胶涂覆层的测试结果，另一种是带有光刻胶涂覆层的测量结果。可以看到，两种测试方法的厚度测量偏差小于0.41微米，组分测量偏差小于0.0021，根据组分所计算出的77K温度下截止波长的偏差小于0.0061微米。红外焦平面器件的截止波长的偏差通常要求为±0.2微米，所以本发明中的保护测试技术满足焦平面器件制备的要求。

表1两种测试方法的对比

(4)X光衍射貌相测试

图5是涂覆光刻胶保护层的碲镉汞外延薄膜的反射式x射线衍射貌相，图中可以看到清晰的位错滑移线，在边缘还可以看到一条由于衬底的孪晶线引起的大的缺陷结构。因此，x射线衍射貌相完全可以在有光刻胶保护层的样品上进行测试。

Claims (4)

1.一种外延薄膜表面保护测试技术，它通过光栅型的光谱仪或傅立叶变换型的光谱仪来测量外延薄膜的厚度和成分组成，通过X射线衍射貌相仪来获得外延薄膜的x射线衍射貌相，其特征在于：这种外延薄膜表面保护技术包括以下步骤：

A.在被测外延薄膜(2)上涂覆保护层光刻胶(3)，制备一块与外延薄膜(2)的衬底(1)相同的参考衬底(4)，在参考衬底(4)涂覆与保护层光刻胶(3)相同厚度的光刻胶(5)；

B.通过光谱仪测量外延薄膜(2)的透射光谱，光谱仪在测量背景光谱时，将涂有光刻胶(5)的参考衬底(4)放在测试光路上；

C.根据光谱仪测量所得的光谱数据，采用迭代方法计算外延薄膜的厚度和成分组成；

D.通过X射线衍射貌相仪测量涂覆有保护层光刻胶(3)的外延薄膜(2)的X射线衍射貌相。

2.根据权利要求1所述的一种外延薄膜表面保护测试技术，其特征在于：所说的步骤C中计算碲镉汞Hg_1-xCd_xTe薄膜厚度和成分组成的迭代方法包括以下步骤：

a.求外延层的厚度：计算时可以先取一个估计值x₀作为初值来计算折射率n，对于碲镉汞Hg_1-xCd_xTe薄膜，如果是中波材料，组分初值可以取x₀＝0.3，如果是长波材料，组分初值可以取x₀＝0.2；根据光谱透射曲线中干涉峰的周期计算外延薄膜的厚度d＝1/(2nΔv)，式中n为外延薄膜材料的折射率，Δv为干涉峰的周期；

b.求外延层的Cd组分：根据T₅₀₀＝T₀exp(-500d)计算吸收系数为500cm^-1处的透射率T₅₀₀，公式中T₀是在吸收边以下有明显干涉峰的区域取得平均透射率，d为步骤a计算出的外延膜厚度；然后在光谱中找到与纵坐标T₅₀₀处对应的横坐标光子能量E_g，再根据组分和禁带宽度的关系式计算出Cd组分x；

c.迭代计算：将计算出的x作为组分初值x₀，重复a～b的步骤，重新获得新的外延层厚度d和组分值x；

d.当步骤a～c循环迭代计算值的厚度变化小于0.01微米，组分变化小于0.0001，结束计算，最后经过多次迭代所得到的d和x就是外延薄膜的厚度和Cd组分。

3.根据权利要求1所述的一种外延薄膜表面保护测试技术，其特征在于：所说的参考衬底(4)与外延薄膜(2)的衬底(1)之间的厚度差小于100微米。

4.根据权利要求1所述的一种外延薄膜表面保护测试技术，其特征在于：所说的保护层光刻胶(3)和参考衬底(4)上的光刻胶(5)采用Clariant公司的AZ1500型光刻胶，厚度为2-3微米；通过离心式匀胶机涂胶，匀胶速率为2000转/分钟，涂胶后在烘箱中进行烘烤，烘烤温度为65度，时间为30分钟。

Images