專利名稱：用于反應(yīng)離子刻蝕碲鎘汞微臺面列陣的掩膜層及制備方法
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，具體是指采用于法成形的反應(yīng)離子刻蝕(RIE)HgCdTe焦平面探測器微臺面列陣工藝過程中所用的掩膜層及制備方法。
背景技術(shù)：
HgCdTe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(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(diǎn)，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(qiáng)的物理作用，傳統(tǒng)的離子束刻蝕(IBE，IonBeam Etching)和RIE技術(shù)，會造成HgCdTe材料嚴(yán)重的電學(xué)刻蝕損傷。而電子回旋共振(ECR，Electron Cyclotron Resonance)等離子體和誘導(dǎo)耦合等離子體(ICP，Inductively Coupled Plasma)增強(qiáng)的新型反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)，將產(chǎn)生等離子體濃度的微波源或射頻(RF，Radio Frequency)源和控制等離子體刻蝕能量的RF源分開，因此基本能滿足HgCdTe材料低電學(xué)損傷刻蝕的要求，并有許多關(guān)于這方面研究的報(bào)道。
在這些報(bào)道中，HgCdTe材料的反應(yīng)離子刻蝕都是采用光刻膠作為掩膜的(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，p543-551)。但是，光刻膠的掩膜方法在HgCdTe焦平面探測器微臺面列陣干法成形的反應(yīng)離子刻蝕工藝中存在以下四個(gè)方面的不足1 由于光刻膠是有機(jī)物，易與CH4氣體產(chǎn)生的刻蝕等離子體反應(yīng)生成聚合物，從而影響刻蝕的繼續(xù)進(jìn)行和刻蝕表面的清潔度；2 光刻膠與HgCdTe材料的反應(yīng)離子刻蝕選擇比差，深微臺面的刻蝕要求很厚的光刻膠掩膜層，這增加了反應(yīng)離子刻蝕的圖形深寬比，從而導(dǎo)致刻蝕劑不能進(jìn)入刻蝕溝槽而反應(yīng)生成物又不能及時(shí)離開刻蝕表面(刻蝕微負(fù)載效應(yīng))，嚴(yán)重時(shí)還會出現(xiàn)刻蝕停滯現(xiàn)象；3 差的刻蝕選擇比，會致使四周的掩模圖形在刻蝕過程中不斷地退縮而引起的其刻蝕側(cè)壁不夠垂直且呈鋸齒階梯狀，并造成刻蝕圖形線寬的嚴(yán)重?fù)p失；4 雖然通過升高光刻膠的堅(jiān)膜溫度可適度增加光刻膠的刻蝕選擇比，但是高溫工藝過程會影響HgCdTe焦平面探測器的性能。

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)離子刻蝕工藝過程中的掩膜層存在的問題，本發(fā)明的目的是提供一種不會在刻蝕過程中產(chǎn)生其它物質(zhì)、高刻蝕選擇比的、無線寬損失的和無需經(jīng)受高溫處理的掩膜層及制備方法。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的掩膜層采用與反應(yīng)離子束不會反應(yīng)的無機(jī)二氧化硅(SiO2)材料。所說的掩膜層是生長在帶襯底的HgCdTe外延層表面。
SiO2掩模層的制備方法是先采用磁控濺射鍍膜技術(shù)在HgCdTe材料表面生長SiO2薄膜，再利用光刻技術(shù)和濕化學(xué)腐蝕技術(shù)將光刻版掩模圖形轉(zhuǎn)移到SiO2薄膜上，從而在HgCdTe材料表面形成SiO2掩模層。
其具體步驟如下
A.HgCdTe樣品清洗首先使用三氯乙烯及乙醚在65℃下清洗20分鐘，然后分別在丙酮及乙醇中恒溫65℃浸泡15分鐘。以上試劑均為MOS純，清洗后的樣品表面清潔光亮。
B.SiO2薄膜生長利用磁控濺射設(shè)備，在清洗完的樣品表面生長SiO2薄膜。SiO2薄膜厚度為2000-3000，濺射功率為20-30W，樣品溫度55-65℃。采用小功率濺射的目的是為了減小沉積到HgCdTe材料表面的SiO2顆粒碰撞能量，以免造成材料表面的電學(xué)損傷；樣品溫度不宜超過65℃，是為了避免高溫工藝過程會影響HgCdTe焦平面探測器的性能。
C.SiO2掩模層的形成采用正膠AZ1500涂在SiO2薄膜上，進(jìn)行掩模圖形從掩模光刻版轉(zhuǎn)移到光刻膠的光刻；采用標(biāo)準(zhǔn)配置的氫氟酸緩沖液，進(jìn)行掩模圖形從光刻膠轉(zhuǎn)移到SiO2薄膜層的濕化學(xué)腐蝕；然后去除光刻膠，并用高純度的去離子水沖洗樣品直至樣品上沒有殘留的有機(jī)物，從而完成了在HgCdTe材料表面形成SiO2掩模層。
本發(fā)明的最大優(yōu)點(diǎn)是采用無機(jī)物SiO2作掩膜層，該掩膜層具有高的刻蝕選擇比，能避免用光刻膠作掩膜層會導(dǎo)致大量聚合物沉積、刻蝕停滯現(xiàn)象和刻蝕線寬損失的不足，并在掩模層的制作過程中無需經(jīng)受高溫處理。


圖1是HgCdTe樣品刻蝕過程示意圖，圖中1為襯底、2為生長在襯底上的外延層、3為SiO2薄膜、4為光刻膠；(a)為掩模圖形在光刻膠層的示意圖，(b)掩模圖形轉(zhuǎn)移到SiO2薄膜后的示意圖，(c)反應(yīng)離子刻蝕完的刻蝕樣品示意圖，(d)去掉SiO2掩模圖形后的刻蝕樣品示意圖。
圖2是HgCdTe材料的ICP增強(qiáng)RIE刻蝕樣品的掃描電子顯微鏡形貌圖，(a)圖為光刻膠作為掩模的刻蝕樣品的掃描電子顯微鏡形貌圖，(b)圖為SiO2薄膜作為掩模的刻蝕樣品的掃描電子顯微鏡形貌圖。
具體實(shí)施例方式
我們以生長在襯底上的p型Hg1-xCdxTe(x＝0.3)外延材料為例，對用于干法成形的反應(yīng)離子刻蝕微臺面列陣工藝的SiO2掩膜作進(jìn)一步的詳細(xì)說明本發(fā)明的SiO2掩膜層的生長是在法國Alliance公司型號為AC450的薄膜濺射系統(tǒng)上完成的。
A.樣品清洗首先使用三氯乙烯及乙醚在65℃下清洗20分鐘，然后分別在丙酮及乙醇中恒溫65℃浸泡15分鐘。以上試劑均為MOS純，清洗后的樣品表面清潔光亮。
B.SiO2薄膜生長在清洗完的樣品表面生長厚度為2000的SiO2薄膜。先將樣品固定在預(yù)抽室的樣品架上，等預(yù)抽室的真空到達(dá)2×10-2mbar時(shí)，用機(jī)械手將樣品連同樣品架一起送入高真空鍍膜腔體。當(dāng)腔體真空到達(dá)1×10-6mbar，打開氬氣進(jìn)入腔體的氣動開關(guān)并準(zhǔn)備生長。在生長時(shí)，氬氣的流量為5sccm，射頻功率為20W，反射功率為2W，樣品的生長溫度控制在60℃，生長時(shí)間為50分鐘。在SiO2薄膜生長完畢后，用機(jī)械手將樣品連同樣品架一起從高真空鍍膜腔體傳到預(yù)抽室，對預(yù)抽室放氣并取出樣品。
C.光刻掩模圖形采用正薄膠AZ1500光刻，光刻膠厚度為1.5μm，且前烘和堅(jiān)膜溫度都為65℃，時(shí)間為30分鐘。
D.轉(zhuǎn)移掩模圖形到SiO2薄膜采用氫氟酸緩沖液，進(jìn)行掩模圖形從光刻膠轉(zhuǎn)移到SiO2薄膜層的濕化學(xué)腐蝕，然后去除光刻膠，并用高純度的去離子水沖洗樣品。所用腐蝕液是標(biāo)準(zhǔn)配置的氫氟酸緩沖液(HF∶NH4F∶H2O＝3∶6∶9)，采用水域控溫的方法將腐蝕液的溫度控制在30℃，腐蝕時(shí)間為4秒。在腐蝕完需刻蝕區(qū)域表面的SiO2薄膜后，用丙酮和乙醇去掉光刻膠，再將樣品置于純度為18M的流動的去離子水中，沖洗20分鐘后取出并用高純N2吹干。從而完成了在HgCdTe材料表面形成SiO2掩模層。
我們對本發(fā)明的SiO2掩模層和用光刻膠作掩模層進(jìn)行了干法成形的反應(yīng)離子刻蝕(RIE)HgCdTe焦平面探測器微臺面列陣的對比實(shí)驗(yàn)干法成形的反應(yīng)離子刻蝕工藝采用英國OXFORD公司型號為ICP65-80Plus的誘導(dǎo)耦合等離子體(ICP)增強(qiáng)RIE設(shè)備，進(jìn)行由SiO2掩膜的HgCdTe材料反應(yīng)離子刻蝕。使用真空油脂將樣品粘貼在刻蝕樣品臺上，而后進(jìn)行腔體的抽真空，直至真空度達(dá)到3×10-5Torr后開始刻蝕，且刻蝕時(shí)間為200分鐘?？涛g選用的工藝氣體為CH4/N2/Ar，配比為1.5∶5∶20，刻蝕的ICP功率為500W，射頻功率為8W，腔體壓力為5mTorr，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(DC Bias)顯示為45V。最后，用標(biāo)準(zhǔn)配置的氫氟酸緩沖液去除反應(yīng)離子刻蝕后剩余的SiO2掩模層。
在刻蝕完后采用金相顯微鏡及掃描電子顯微鏡，發(fā)現(xiàn)HgCdTe表面掩模區(qū)域的SiO2薄膜仍然還在。而通過DEKTAK3臺階儀測得HgCdTe材料的刻蝕深度為12μm。所以，可計(jì)算得到HgCdTe材料反應(yīng)離子刻蝕的SiO2掩膜刻蝕選擇比≥60∶1，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光刻膠掩膜的刻蝕選擇比1.2∶1。所說的刻蝕選擇比為HgCdTe材料的刻蝕速率/掩膜層材料的刻蝕速率。
見圖2，HgCdTe材料反應(yīng)離子刻蝕的微臺面列陣樣品SEM形貌，(a)圖為光刻膠作為掩模的刻蝕樣品形貌圖，(b)圖為SiO2薄膜作為掩模的刻蝕樣品形貌圖。如圖2所示，磁控濺射生長的SiO2掩模層，其刻蝕圖形的側(cè)壁有很好的垂直度，而光刻膠掩膜的刻蝕，其側(cè)壁不夠垂直且呈鋸齒階梯狀。
由此可見，具有高刻蝕選擇比的、無機(jī)物SiO2掩膜方法，非常適合與HgCdTe材料的反應(yīng)離子刻蝕，它不僅能通過減小刻蝕過程中刻蝕圖形的深寬比，以減小微負(fù)載效應(yīng)帶來的影響，而且能減小刻蝕過程中聚合物的沉積和刻蝕圖形線寬的損失。這說明SiO2薄膜作為HgCdTe材料的反應(yīng)離子刻蝕的掩膜方法是合理的、可行的。
權(quán)利要求
1.一種用于反應(yīng)離子刻蝕碲鎘汞微臺面列陣的掩膜層，所說的掩膜層是生長在帶襯底的HgCdTe外延層表面，其特征在于掩膜層采用與反應(yīng)離子束不會反應(yīng)的無機(jī)二氧化硅薄膜材料。
2.一種用于反應(yīng)離子刻蝕碲鎘汞微臺面列陣的掩膜層的制備方法，具體步驟如下A.HgCdTe樣品清洗首先使用三氯乙烯及乙醚在65℃下清洗20分鐘，然后分別在丙酮及乙醇中恒溫65℃浸泡15分鐘，以上試劑均為MOS純；B.SiO2薄膜生長利用磁控濺射設(shè)備，在清洗完的樣品表面生長SiO2薄膜，其特征在于所說的SiO2薄膜生長條件為濺射功率20-30W，樣品溫度55-65℃；SiO2薄膜厚度為2000-3000；C.SiO2掩模層的形成采用正膠AZ1500涂在SiO2薄膜上，進(jìn)行掩模圖形從掩模光刻版轉(zhuǎn)移到光刻膠的光刻；采用標(biāo)準(zhǔn)配置的氫氟酸緩沖液，進(jìn)行掩模圖形從光刻膠轉(zhuǎn)移到SiO2薄膜層的濕化學(xué)腐蝕；然后去除光刻膠，并用高純度的去離子水沖洗樣品直至樣品上沒有殘留的有機(jī)物，從而完成了在HgCdTe材料表面形成SiO2掩模層。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于反應(yīng)離子刻蝕碲鎘汞微臺面列陣的掩膜層及制備方法，掩膜層采用與反應(yīng)離子束不會反應(yīng)的無機(jī)二氧化硅(SiO
文檔編號H01L31/18GK1741259SQ20051002996
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, 陳興國, 丁瑞軍, 何力 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所