CN1741252A - 碲镉汞焦平面器件微台面列阵的反应离子刻蚀设备及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碲镉汞焦平面器件微台面列阵的反应离子刻蚀设备及方法，设备包括：带真空系统的腔体，在腔体内自下而上置有控制等离子体刻蚀能量的RF源，带控温系统的样品台，下进气线圈，产生等离子体浓度的RF源，上进气线圈。利用该设备刻蚀微台面列阵的方法特征为：工艺气体选用CH4/N2/Ar，配比为1－3∶1－10∶15－30，并使其中的N2/Ar从上进气线圈进入腔体，而CH4从下进气线圈进入腔体。本发明的最大优点是：工艺气体中不含H2，并使N2/Ar从上进气线圈进入腔体，CH4从下进气线圈进入腔体，降低了刻蚀等离子体中的氢原子刻蚀基的浓度，从而减小了刻蚀表层电学损伤的厚度，而且还能保证好的刻蚀表面清洁度和较高的刻蚀速率。

Description

碲镉汞焦平面器件微台面列阵的反应离子刻蚀设备及方法
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HgCdTe红外焦平面探测器微台面列阵干法成形的反应离子刻蚀(RIE，ReactiveIon Etching)的设备及方法。
背景技术
HgCdTe红外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，见S.Horn，P.Norton，T.Cincotta，A.Stoltz，et al，“Challenges for third-generation cooled imagers”，proceeding of SPIE，Vol.5074，2003，P44-51。由于湿法腐蚀微台面列阵存在各向同性、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，Ion Beam Etching)和RIE技术，会造成HgCdTe材料严重的电学刻蚀损伤。所以，无损伤或低损伤的干法刻蚀技术一直是微台面列阵的HgCdTe焦平面探测器发展的一项关键技术。
随着微电子加工技术的不断进步，新型的电子回旋共振(ECR，ElectronCyclotron Resonance)等离子体增强反应离子刻蚀设备，将产生等离子体的微波源和控制等离子体刻蚀能量的射频源(RF，Radio Frequency)分开，因此基本能满足HgCdTe材料低电学损伤刻蚀的要求。目前有关HgCdTe材料干法刻蚀的报道，大多数都采用ECR等离子体增强RIE设备，见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等离子体源基础上发展起来的诱导耦合等离子体(ICP，InductivelyCoupled Plasma)技术，采用了RF源来代替ECR等离子体的微波源，也就是说产生等离子体的源和控制等离子体刻蚀能量的源都采用射频源，这不仅具有设备更简单、工作更稳定和刻蚀均匀性更高的优点，而且还能进一步减小等离子体的刻蚀能量，从而能进一步减小HgCdTe材料刻蚀的电学损伤。
但是，目前有关HgCdTe材料反应离子刻蚀的报道都采用甲烷、氢气、氮气和氩气(CH4/H2/N2/Ar)作为刻蚀的工艺气体，其中CH4/H2是刻蚀剂。选用H2主要有两个原因，一方面是通过高密度的H原子以提高刻蚀的速率；另一方面是为了通过高密度的H原子来抑制CH4裂解成甲基后进一步裂解成CH2和CH1，以减小刻蚀过程中形成大量的聚合物沉积。但是，工艺气体含H2的刻蚀易导致p型HgCdTe材料在刻蚀区域表面有很厚的一层变成n型。这与刻蚀等离子体中氢原子浓度高有关。因为高浓度的氢原子易从刻蚀区域表面向未刻蚀区域方向扩散并不断中和未刻蚀p区的受主掺杂，且又由于H原子比较小，扩散得比较深，所以导致产生较厚的刻蚀损伤层，见J.White，R.Pal，J.M.Dell，“p-to-n typeconversion mechanisms for HgCdTe exposed to H2/CH4 plasmas”，Journal ofElectronic Materials，Vol.30，No.6，2001，P762-767；。
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方法存在的H原子电学损伤问题，本发明的目的是提供一种低电学损伤的、较快刻蚀速率的和刻蚀表面清洁的RIE方法。
为了实现上述目的，本发明方法是在微电子领域最新的技术产物ICP增强RIE设备上进行的。该设备包括：带真空系统1的腔体5，在腔体内自下而上置有控制等离子体刻蚀能量的RF源2，带控温系统的样品台3，下进气线圈7，产生等离子体浓度的RF源6，上进气线圈8，腔体5侧壁开有观察窗口501。在刻蚀时，刻蚀样品4固定在控温样品台3上，并可以通过观察窗口501来实时观察样品的刻蚀情况。
利用所述设备的刻蚀方法如下：
A.样品制备：利用光刻技术在样品表面形成二氧化硅光刻掩膜图形；
B.使用真空油脂将样品粘贴在刻蚀样品台3上，而后进行腔体的抽真空，直至真空度达到设定值；
C.工艺气体选用CH4/N2/Ar，配比为1-3∶1-10∶15-30，并使其中的N2/Ar从上进气线圈8进入腔体5，而CH4从下进气线圈7进入腔体5；
D.等离子体刻蚀功率为200-600W，控制等离子体刻蚀能量的RF功率为3-20W，腔体压力为3-15mTorr，样品台温度为0-40℃。
本发明的最大优点是：工艺气体中不含H2，并使N2/Ar从上进气线圈进入腔体，CH4从下进气线圈进入腔体，降低了刻蚀等离子体中的氢原子刻蚀基的浓度，从而减小了刻蚀表层电学损伤的厚度，而且还能保证好的刻蚀表面清洁度和较高的刻蚀速率。
附图说明
图1是ICP增强RIE设备结构示意图；
图2是ICP增强RIE刻蚀样品的扫描电子显微镜(SEM)形貌。
具体实施方式
见图1，本发明使用英国OXFORD公司型号为ICP65-80Plus的ICP增强RIE设备。该设备包括：带真空系统1的腔体5，在腔体内自下而上置有控制等离子体刻蚀能量的RF源2，带控温系统的样品台3，下进气线圈7，产生等离子体浓度的RF源6，上进气线圈8。在刻蚀时，刻蚀样品4固定在控温样品台3上，并可以通过观察窗口501来实时观察样品的刻蚀情况。
我们以p型Hg1-xCdxTe(x＝0.3)外延材料为样品为实施例，对本发明的方法作进一步的详细说明：
A.样品制备：利用光刻技术在样品表面形成二氧化硅光刻掩膜图形，掩膜层的厚度为3μm。
B.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，直至真空度达到设定值，如3×10-5Torr。
C.刻蚀选用的工艺气体为CH4/N2/Ar，配比为1.5∶5∶20；并使其中的N2/Ar从上进气线圈8进入腔体5，而CH4从下进气线圈7进入腔体5，腔体压力为5mTorr。从图上可以看出该进气方式缩短了从CH4分子裂解出来的甲基(CH3)到刻蚀样品表面的距离，从而减少了CH3与等离子体碰撞并进一步裂解成CH2和CH1的几率。这不仅能减小聚合物的沉积以保证刻蚀表面的清洁度，而且能通过增加刻蚀工艺气体CH4的比例来提高HgCdTe材料的刻蚀速率。适量的N2是为了在等离子体中形成N原子以使其与CH2、CH1反应，以进一步减少因没有H2而导致过多聚合物沉积的影响。
D.等离子体刻蚀功率为500W，控制等离子体刻蚀能量为8W，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——直流偏压显示为45V。
为了得到理想的HgCdTe微台面列阵干法成形技术，除了选择合适的ICP功率、RF功率和工艺气体种类等工艺参数外，还要选择合适的工艺气体比例、腔体压力和样品温度等工艺参数。例如，CH4气体的含量过高会导致刻蚀表面非常粗糙，而腔体压力过大也会出现刻蚀生成物不能及时被抽出而导致大量堆积，并影响后续的刻蚀。总之，HgCdTe材料的ICP增强RIE技术是非常复杂的工艺过程。上述工艺条件是经过多次实验，得出的最佳实施方法，得到的样品刻蚀表面非常清洁且光滑，轮廓非常理想，在去掉掩膜图形后的样品刻蚀形貌如图2所示。
通过DEKTAK3台阶仪测量，得到上述条件的刻蚀速率为600/min，本实施例要求刻蚀6μm，共需要100分钟。
在刻蚀后，采用LBIC(Laser Beam Induced Current)和微分霍耳方法，测得了刻蚀样品在刻蚀区域的横向、纵向电学刻蚀损伤层厚度都小于1μm。测试结果表明上述条件已经达到了低电学损伤的、较快刻蚀速率的和刻蚀表面清洁的RIE技术要求。这说明采用该技术方案的反应离子刻蚀方法是合理的、可行的。

Claims (2)

1.一种碲镉汞焦平面器件微台面列阵的反应离子刻蚀设备，包括：带真空系统(1)的腔体(5)，在腔体内自下而上置有控制等离子体刻蚀能量的RF源(2)，带控温系统的样品台(3)，下进气线圈(7)，产生等离子体浓度的RF源(6)，上进气线圈(8)，腔体(5)的侧壁上开有观察窗口(501)。
2.利用权利要求1的一种碲镉汞焦平面器件微台面列阵的反应离子刻蚀设备方法，其特征在于它包括下列过程：
A.样品制备：利用光刻技术在样品表面形成二氧化硅光刻掩膜图形；
B.使用真空油脂将样品粘贴在刻蚀样品台(3)上，而后进行腔体的抽真空，直至真空度达到设定值；
C.工艺气体选用CH4/N2/Ar，配比为1-3∶1-10∶15-30，并使其中的N2/Ar从上进气线圈(8)进入腔体(5)，而CH4从下进气线圈(7)进入腔体(5)；
D.等离子体刻蚀功率为200-600W，控制等离子体刻蚀能量的RF功率为3-20W，腔体压力为3-15mTorr，样品台温度为0-40℃。
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