CN102867886A - 应用双色红外材料制备探测器芯片的方法及系统 - Google Patents

应用双色红外材料制备探测器芯片的方法及系统 Download PDF

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CN102867886A CN2012103274061A CN201210327406A CN102867886A CN 102867886 A CN102867886 A CN 102867886A CN 2012103274061 A CN2012103274061 A CN 2012103274061A CN 201210327406 A CN201210327406 A CN 201210327406A CN 102867886 A CN102867886 A CN 102867886A
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Abstract

本发明公开了一种应用双色红外材料制备探测器芯片的方法及系统，其制备工艺简单。该方法包括：制备双色红外材料；然后进行台面刻蚀处理和离子注入区刻蚀，在InSb衬底上注入Be离子，形成P-on-N二极管，在HgCdTe材料上注入B离子，形成N-on-P二极管；将离子注入后的所述双色红外材料在保护气氛下进行退火处理；再在等离子体气体中进行钝化层生长，所述钝化层的厚度为400-800纳米；在等离子体气体、甲烷和氢气中进行接触孔刻蚀；然后进行金属膜层沉积处理和电极处理形成双色探测器芯片。红外探测材料的制备系统包括双色红外探测材料制备系统、刻蚀设备、离子注入设备、退火设备、磁控溅射设备、离子铣设备和电极处理设备。

Description

应用双色红外材料制备探测器芯片的方法及系统
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种应用双色红外材料制备探测器芯片的方法及系统。
背景技术
红外探测器芯片可广泛应用于侦察、资源调查、天文观测等军事和民事领域。双/多色红外探测器芯片由于可实现同时进行两个或多个波段红外辐射的探测，具有更好的目标探测和识别能力，属于高性三代红外焦平面器件，是各种高端军用或民用系统的核心器件。
目前双色红外探测器芯片主要采用碲镉汞薄膜材料，该材料基于碲锌镉衬底或其它替代衬底，采用分子束外延方法制备特定组分的多层碲镉汞薄膜，进而制备双色红外探测器芯片。
现有技术的缺点：采用碲镉汞薄膜制备双色探测器芯片时制备工艺复杂。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种应用双色红外材料制备探测器芯片的方法及系统，以解决上述工艺复杂的问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
一种双色红外材料制备探测器芯片的方法，该方法包括以下步骤：
制备双色红外材料；
对所述双色红外材料进行台面刻蚀处理；
在InSb衬底上注入Be离子，形成P-on-N二极管，在HgCdTe材料上注入B离子，形成N-on-P二极管，离子注入的注入剂量为5×1014/cm2~5×1015/cm2，注入能量200~500千电子伏特，注入偏角7℃；
将离子注入后的所述双色红外材料在保护气氛下进行退火处理，退火温度为250~400℃，退火时间为3-24小时；
在等离子体气体中进行钝化膜生长，所述钝化膜的厚度为400-800纳米；
在等离子体气体、甲烷和氢气中进行接触孔刻蚀，接触孔的刻蚀深度为1-3微米；
然后进行金属膜层沉积处理和电极刻蚀处理形成双色探测器芯片。
优选地，所述双色红外材料的制备方法包括以下步骤：
对InSb晶体先进行切、磨和抛光处理操作，获得外延级的（211）晶向的InSb衬底；
对所述（211）晶向的InSb衬底进行处理，获得HgCdTe分子束外延所要求的表面态；
将所述（211）晶向的InSb衬底进行除气，除气温度为350-450℃，再在Te束的保护条件下，升高InSb衬底的温度至480-520℃，去除表面氧化层；
降温到290℃，打开CdTe的束流，进行CdTe缓冲层生长，CdTe厚度为2-4微米；
设定Hg、CdTe和Te束流，将InSb衬底的温度降到190℃，打开Hg、CdTe和Te束流，使HgCdTe薄膜厚度达到7-8微米；
在保护气体条件下，将生长后的所述HgCdTe薄膜加热到预定温度230-270℃，保温时间为20-25小时，降温得到双色红外材料。
优选地，对所述双色红外材料进行台面刻蚀操作具体包括：
对所述双色红外材料进行光刻台面图形处理；
在等离子体气体、甲烷和氢气中，对所述双色红外材料进行深台面刻蚀，刻蚀至InSb材料层的深度为0.8-1.2微米。
优选地，所述退火温度为300~370℃，退火时间为8-15小时。优选地，所述离子注入的注入剂量为1×1015/cm2~5×1015/cm2，注入能量250~300千电子伏特。
优选地，所述钝化膜的生长厚度为500-700纳米。
优选地，进行金属沉积后的金属膜层的厚度为800-1200纳米。
本发明还提供了一种双色红外材料制备探测器芯片的系统，该系统包括：
双色红外材料制备系统，用于制备双色红外材料；
台面刻蚀设备，用于对所述双色红外材料进行台面刻蚀处理；还用于用于在等离子体气体、甲烷和氢气中进行接触孔刻蚀，接触孔的刻蚀深度为1-3微米；离子注入设备，用于在InSb衬底上注入Be离子，形成P-on-N二极管，在HgCdTe材料上注入B离子，形成N-on-P二极管，离子注入的注入剂量为5×1014/cm2~5×1015/cm2，注入能量200~500千电子伏特，注入偏角7℃；
退火设备，用于在保护气氛条件下将离子注入后的所述双色红外材料进行退火处理，退火温度为250~400℃，退火时间为3-24小时；
磁控溅射设备，用于在等离子体气体中进行钝化膜生长，所述钝化膜的厚度为400-800纳米；
离子铣设备，对所述双色材料进行金属膜层沉积处理；
电极刻蚀处理设备，用于进行电极刻蚀处理，得到双色探测器芯片。
优选地，所述双色红外材料制备系统具体包括以下设备：
处理设备，用于对InSb晶体先进行切、磨和抛光处理操作，获得外延级的（211）晶向的InSb衬底；
分子束外延系统，用于对所述(211）晶向的InSb衬底进行处理，获得HgCdTe分子束外延所要求的表面态；将所述（211）晶向的InSb衬底进行除气，除气温度为350-450℃，再在Te束的保护条件下，升高InSb衬底的温度至480-520℃，去除表面氧化层；降温到290℃，打开CdTe的束流，进行CdTe缓冲层生长，CdTe厚度为2-4微米；在设定好Hg、CdTe和Te束流的条件下，将InSb衬底的温度降到190℃，打开Hg、CdTe和Te束流，使HgCdTe薄膜厚度达到7-8微米；
热处理设备，用于在保护气体条件下，将生长后的所述HgCdTe薄膜加热到预定温度230-270℃，保温20-25小时后降温得到双色红外材料。
优选地，所述台面刻蚀设备具体用于，对所述双色红外材料进行光刻台面图形处理，再在等离子体气体、甲烷和氢气中对所述双色红外材料进行深台面刻蚀，刻蚀至InSb材料层的深度为0.8-1.2微米。
本发明有益效果如下：
本发明的一种应用双色红外材料制备探测器芯片的方法及系统，该方法包括：制备双色红外材料，对双色红外材料进行台面刻蚀处理并进行离子注入，然后在保护气氛下进行退火处理，再在等离子体气体中进行钝化膜生长，以及在等离子体气体、甲烷和氢气中进行接触孔刻蚀；最后进行金属膜层沉积处理和电极刻蚀处理形成双色探测器芯片。本发明的探测器芯片的制备工艺简单，且得到的探测器芯片的均匀性好分辨率高。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
图1为本发明实施例1的双色红外材料制备探测器芯片的方法；
图2为本发明实施例2的双色红外材料制备探测器芯片的方法；
图3为本发明实施例3的双色红外材料制备探测器芯片的系统；
图4为本发明实施例4的双色红外材料制备探测器芯片的系统；
图5所示为本发明实施例2的双色红外材料结构示意图；
图6所示为本发明实施例1的双色红外探测器芯片的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。为了清楚和简化目的，当其可能使本发明的主题模糊不清时，将省略本文所描述的器件中已知功能和结构的详细具体说明。
实施例1
如图1所示的本发明实施例的双色红外材料制备探测器芯片的方法，该材料的制备方法包括以下步骤：
S101、制备双色红外材料；
S102、对所述双色红外材料进行台面刻蚀处理；
S103、在InSb衬底上注入Be离子，形成P-on-N二极管，在HgCdTe材料上注入B离子，形成N-on-P二极管，离子注入的注入剂量为5×1014/cm2~5×1015/cm2，注入能量200~500千电子伏特，注入偏角7℃；
其中，台面刻蚀处理后得到的注入区包括两个部分，一部分深入到（211）晶向的InSb衬底层，一部分深入到HgCdTe材料层，具体如图6所示。
S104、将离子注入后的所述双色红外材料在保护气氛下进行退火处理，退火温度为250~400℃，退火时间为3-24小时；
S105、在等离子体气体中进行钝化膜生长，所述钝化膜的厚度为400-800纳米；
其中，本发明实施例采用的等离子体气体均为高纯氩气；
S106、在等离子体气体、甲烷和氢气中进行接触孔刻蚀，接触孔的刻蚀深度为1-3微米；
S107、然后进行金属膜层沉积处理和电极刻蚀处理形成双色探测器芯片。
本发明实施例的一种应用双色红外材料制备探测器芯片的方法，该方法包括：制备双色红外材料，对双色红外材料进行台面刻蚀处理并进行离子注入，然后在保护气氛下进行退火处理，再在等离子体气体中进行钝化膜生长，以及在等离子体气体、甲烷和氢气中进行接触孔刻蚀；最后进行金属膜层沉积处理和电极刻蚀处理形成双色探测器芯片。本发明的探测器芯片的制备工艺简单，且得到的探测器芯片的分辨率高、均匀性好，并且本发明实施例的探测器芯片所采用的双色红外材料只有InSb和HgCdTe两层膜层，膜层数量少，且该双色红外材料的制备工艺简单。
实施例2
如图2所示的本发明的实施例提供了另一种双色红外材料制备探测器芯片的方法，该方法包括以下步骤：
S201、对InSb晶体先进行切、磨和抛光处理操作，获得外延级的（211）晶向的InSb衬底；
S202、对所述（211）晶向InSb衬底进行处理，获得HgCdTe分子束外延所要求的表面态；
S203、在所述（211）晶向InSb衬底上进行CdTe缓冲层的生长；
作为本发明的优选实施例，在所述（211）晶向InSb衬底上进行CdTe缓冲层的生长的步骤具体包括：将所述（211）晶向的InSb衬底在除气温度为350-450℃的条件下除气，再在Te束的保护条件下，升高InSb衬底的温度至480-520℃，去除表面氧化层；降温到290℃，打开CdTe的束流，进行CdTe缓冲层生长，CdTe厚度为2-4微米。
S204、进行HgCdTe薄膜的生长；
作为本发明的优选实施例，HgCdTe薄膜的生长的步骤具体包括：设定Hg、CdTe和Te束流，将InSb衬底的温度降到190℃，打开Hg、CdTe和Te束流，使HgCdTe薄膜厚度达到7-8微米。
S205、在保护气体条件下，将生长后的所述HgCdTe薄膜加热到预定温度230-270℃，保温时间为20-25小时，降温得到双色红外材料；
如图5所示为本发明实施例的双色红外材料结构示意图，从图中可以清楚的看出本发明实施例的双色红外材料中各个膜层的分布关系。
S206、对所述双色红外材料进行清洗腐蚀；
通过清洗腐蚀去除掉双色红外材料上的其他操作下来的杂质，以防止其影响双色红外材料芯片的性能。
S207、对所述双色红外材料进行光刻台面图形处理，得到台面图形；
S208、在等离子体气体、甲烷和氢气中对所述双色红外材料进行深台面刻蚀，刻蚀深度为10~12微米，即刻蚀掉部分区域的HgCdTe层和CdTe层，至InSb材料层深度为0.8-1.2微米。
其中等离子体气体为高纯氩气，在高纯氩气、甲烷和氢气中进行台面刻蚀的工作压力为1-5毫托，以激光终点探测曲线周期确定刻蚀深度。
作为本发明的优选实施例，刻蚀掉部分区域的HgCdTe层和CdTe层，刻蚀至InSb材料层深度为1微米。
S209、在InSb衬底上注入Be离子，形成P-on-N二极管，在HgCdTe材料上注入B离子，形成N-on-P二极管，离子注入的注入剂量为5×1014/cm2~5×1015/cm2，注入能量200~500千电子伏特，注入偏角7℃；
其中，所述注入区包括两个部分，一部分深入到（211）晶向的InSb衬底层，一部分深入到HgCdTe材料层，具体如图6所示。分别在上述两个注入区进行离子注入。
作为本发明的优选实施例，所述离子注入的注入剂量为1×1015/cm2~5×1015/cm2，注入能量250~300千电子伏特。
S2010、将离子注入后的所述双色红外材料在保护气氛下进行退火处理，退火温度为250~400℃，退火时间为3-24小时；
作为本发明的优选实施例，所述退火温度为300~370℃，退火时间为8-15小时。
S2011、在等离子体气体中进行钝化膜生长，所述钝化膜的厚度为400-800纳米；
作为本发明的优选实施例，所述钝化膜的生长厚度为500-700纳米。
其中，钝化膜的生长功率为80~200瓦，通入高纯氩气气作为保护气体，工作气压为5-15毫托。
S2012、在等离子体气体、甲烷和氢气中进行接触孔刻蚀，接触孔的刻蚀深度为1-3微米；
作为本发明的优选实施例，进行金属沉积后的金属膜层的厚度为800-1200纳米。
其中，接触孔刻蚀深度控制在1-3微米；通入甲烷、氢气及高纯氩气，工作气压1-5毫托，以激光终点探测曲线周期确定刻蚀深度
S2013、然后进行金属膜层沉积处理和电极刻蚀处理形成双色探测器芯片。
本发明实施例中进行金属沉积后的金属膜层的厚度为800-1200纳米。
实施例3
利用本发明的双色红外材料制备探测器芯片的制备系统，如图3所示，该系统包括：
双色红外材料制备系统31，用于制备双色红外材料；
台面刻蚀设备32，用于对所述双色红外材料进行台面刻蚀处理，还用于在等离子体气体、甲烷和氢气中进行接触孔刻蚀，接触孔的刻蚀深度为1-3微米；
离子注入设备33，用于在InSb衬底上注入Be离子，形成P-on-N二极管，在HgCdTe材料上注入B离子，形成N-on-P二极管，离子注入的注入剂量为5×1014/cm2~5×1015/cm2，注入能量200~500千电子伏特，注入偏角7℃；
退火设备34，用于在保护气氛条件下将离子注入后的所述双色红外材料进行退火处理，退火温度为250~400℃，退火时间为3-24小时；
磁控溅射设备35，用于在等离子体气体中进行钝化膜生长，所述钝化膜的厚度为400-800纳米；
离子铣设备36，对所述双色材料进行金属膜层沉积处理；
电极刻蚀处理设备37，用于进行电极刻蚀处理，得到双色探测器芯片。
本发明实施例的一种应用双色红外材料制备探测器芯片的系统，该系统的结构简单，且制得的探测器芯片的分辨率高、均匀性好，并且本发明实施例的探测器芯片采用的双色红外材料只有InSb和HgCdTe两层膜层，膜层数量少，且该双色红外材料的制备工艺简单。
实施例4
利用本发明的双色红外材料制备探测器芯片的制备系统，如图4所示，
双色红外材料制备系统、清洗设备44、台面刻蚀设备45、离子注入设备46、退火设备47、磁控溅射设备48、离子铣设备49以及电极刻蚀处理设备410；
所述双色红外材料制备系统进一步包括：处理设备41、分子束外延系统42和热处理设备43；
处理设备41，用于对InSb晶体先进行前期处理操作，获得外延级的（211）晶向的InSb衬底；
其中所述处理设备具体包括：
切割设备，用于对所述InSb晶体进行定向切割，得到（211）晶向InSb衬底，所述（211）晶向InSb衬底的厚度为730-770微米；
打磨设备，用于将切割后的所述（211）晶向的InSb晶体进行粗磨，再进行精磨；
机械抛光设备，用于对精磨后的所述（211）晶向的InSb晶体进行机械抛光；
化学抛光设备，用于对机械抛光后的所述（211）晶向的InSb晶体进行化学抛光；
测试设备，用于对化学抛光后的所述（211）晶向的InSb晶体进行测试。
分子束外延系统42，用于对所述（211）晶向的InSb衬底进行处理，获得HgCdTe分子束外延所要求的表面态，以及将所述（211）晶向的InSb衬底进行除气，除气温度为350-450℃，再在Te束的保护条件下，升高InSb衬底的温度至480-520℃，去除表面氧化层；降温到290℃，打开CdTe的束流，进行CdTe缓冲层生长，CdTe厚度为2-4微米；在设定好Hg、CdTe和Te束流的条件下，将InSb衬底的温度降到190℃，打开Hg、CdTe和Te束流，使HgCdTe薄膜厚度达到7-8微米；
热处理设备43，用于在保护气体条件下，将生长后的所述HgCdTe薄膜加热到预定温度230-270℃，保温20-25小时后降温得到双色红外材料；
清洗设备44，用于对所述双色材料进行表面清洗腐蚀；
台面刻蚀设备45，用于对所述双色红外材料进行台面刻蚀处理，再在等离子体气体、甲烷和氢气中对所述双色红外材料进行深台面刻蚀，深度为10~12微米，即刻蚀至InSb材料层深度为0.8-1.2微米；还用于在等离子体气体、甲烷和氢气中进行接触孔刻蚀，接触孔的刻蚀深度为1-3微米；
离子注入设备46，用于在InSb衬底上注入Be离子，形成P-on-N二极管，在HgCdTe材料上注入B离子，形成N-on-P二极管，离子注入的注入剂量为1×1015/cm2~5×1015/cm2，注入能量200~500千电子伏特，注入偏角7℃；
退火设备47，用于在保护气氛条件下将离子注入后的所述双色红外材料进行退火处理，退火温度为250~400℃，退火时间为3-24小时；
磁控溅射设备48，用于在等离子体气体中进行钝化膜生长，所述钝化膜的厚度为400-800纳米；
离子铣设备49，对所述双色材料进行金属沉积处理；
电极刻蚀处理设备410，用于进行电极刻蚀处理，得到双色探测器芯片。
综上所述，本发明实施例提供的一种应用双色红外材料制备探测器芯片的方法，该方法包括：制备双色红外材料，对双色红外材料进行台面刻蚀处理，并进行离子注入，然后在保护气氛下进行退火处理，再在等离子体气体中进行钝化膜生长，以及在等离子体气体、甲烷和氢气中进行接触孔刻蚀；最后进行金属膜层沉积处理和电极刻蚀处理形成双色探测器芯片。本发明的探测器芯片的制备工艺简单，且得到的探测器芯片的分辨率高、均匀性好，并且本发明实施例的探测器芯片只有InSb和HgCdTe两层膜层，膜层数量少，且该双色红外材料的制备工艺简单。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.双色红外材料制备探测器芯片的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
制备双色红外材料；
对所述双色红外材料进行台面刻蚀处理；
在InSb衬底上注入Be离子，形成P-on-N二极管，在HgCdTe材料上注入B离子，形成N-on-P二极管，离子注入的注入剂量为5×1014/cm2~5×1015/cm2，注入能量200~500千电子伏特，注入偏角7℃；
将离子注入后的所述双色红外材料在保护气氛下进行退火处理，退火温度为250~400℃，退火时间为3-24小时；
在等离子体气体中进行钝化膜生长，所述钝化膜的厚度为400-800纳米；
在等离子体气体、甲烷和氢气中进行接触孔刻蚀，接触孔的刻蚀深度为1-3微米；
然后进行金属膜层沉积处理和电极刻蚀处理形成双色探测器芯片。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述双色红外材料的制备方法包括以下步骤：
对InSb晶体先进行切、磨和抛光处理操作，获得外延级的（211）晶向的InSb衬底；
对所述（211）晶向的InSb衬底进行处理，获得HgCdTe分子束外延所要求的表面态；
将所述（211）晶向的InSb衬底进行除气，除气温度为350-450℃，再在Te束的保护条件下，升高InSb衬底的温度至480-520℃，去除表面氧化层；
降温到290℃，打开CdTe的束流，进行CdTe缓冲层生长，CdTe厚度为2-4微米；
设定Hg、CdTe和Te束流，将InSb衬底的温度降到190℃，打开Hg、CdTe和Te束流，使HgCdTe薄膜厚度达到7-8微米；
在保护气体条件下，将生长后的所述HgCdTe薄膜加热到预定温度230-270℃，保温时间为20-25小时，降温得到双色红外材料。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述双色红外材料进行台面刻蚀操作具体包括：
对所述双色红外材料进行光刻台面图形处理；
在等离子体气体、甲烷和氢气中，对所述双色红外材料进行深台面刻蚀，刻蚀至InSb材料层的深度为0.8-1.2微米。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的方法，其特征在于，所述退火温度为300~370℃，退火时间为8-15小时。
5.根据权利要求1-3任意一项所述的方法，其特征在于，所述离子注入的注入剂量为1×1015/cm2~5×1015/cm2，注入能量250~300千电子伏特。
6.根据权利要求1-3任意一项所述的方法，其特征在于，所述钝化膜的生长厚度为500-700纳米。
7.根据权利要求1-3任意一项所述的方法，其特征在于，进行金属沉积后的金属膜层的厚度为800-1200纳米。
8.双色红外材料制备探测器芯片的系统，其特征在于，
双色红外材料制备系统，用于制备双色红外材料；
台面刻蚀设备，用于对所述双色红外材料进行台面刻蚀处理，以及在等离子体气体、甲烷和氢气中进行接触孔刻蚀，接触孔的刻蚀深度为1-3微米；
离子注入设备，用于在InSb衬底上注入Be离子，形成P-on-N二极管，在HgCdTe材料上注入B离子，形成N-on-P二极管，离子注入的注入剂量为5×1014/cm2~5×1015/cm2，注入能量200~500千电子伏特，注入偏角7℃；
退火设备，用于在保护气氛条件下将离子注入后的所述双色红外材料进行退火处理，退火温度为250~400℃，退火时间为3-24小时；
磁控溅射设备，用于在等离子体气体中进行钝化膜生长，所述钝化膜的厚度为400-800纳米；
离子铣设备，对所述双色材料进行金属膜层沉积处理；
电极刻蚀处理设备，用于进行电极刻蚀处理，得到双色探测器芯片。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述双色红外材料制备系统具体包括以下设备：
处理设备，用于对InSb晶体先进行切、磨和抛光处理操作，获得外延级的（211）晶向的InSb衬底；
分子束外延系统，用于对所述(211）晶向的InSb衬底进行处理，获得HgCdTe分子束外延所要求的表面态，以及将所述（211）晶向的InSb衬底进行除气，除气温度为350-450℃，再在Te束的保护条件下，升高InSb衬底的温度至480-520℃，去除表面氧化层；降温到290℃，打开CdTe的束流，进行CdTe缓冲层生长，CdTe厚度为2-4微米；在设定好Hg、CdTe和Te束流的条件下，将InSb衬底的温度降到190℃，打开Hg、CdTe和Te束流，使HgCdTe薄膜厚度达到7-8微米；
热处理设备，用于在保护气体条件下，将生长后的所述HgCdTe薄膜加热到预定温度230-270℃，保温20-25小时后降温得到双色红外材料。
10.根据权利要求8或9所述的系统，其特征在于，
所述台面刻蚀设备具体用于，对所述双色红外材料进行光刻台面图形处理，再在等离子体气体、甲烷和氢气中对所述双色红外材料进行深台面刻蚀，刻蚀至InSb材料层的深度为0.8-1.2微米。
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