侯曉敏,張瑛俠,鞏 鋒

(華北光電技術(shù)研究所,北京 100015)

1 引 言

碲鋅鎘(CdZnTe)襯底是液相外延碲鎘汞(HgCdTe)薄膜的最佳襯底材料[1]。襯底表面的缺陷、機(jī)械損傷和表面粗糙度可以延伸至外延層,影響外延層的結(jié)晶完整性,進(jìn)而導(dǎo)致探測(cè)器組件盲元和暗電流的增加。因此,建立CdZnTe襯底超精密加工表面完整性體系,突破高質(zhì)量襯底表面加工技術(shù),獲得高質(zhì)量的CdZnTe襯底表面對(duì)于提升紅外探測(cè)器的性能具有十分重要的意義[2]。

然而針對(duì)軟脆CdZnTe材料表面加工,除日本的Nippion公司技術(shù)水平接近Epi-ready級(jí)Si wafer表面質(zhì)量外,包括美國(guó)(美國(guó)購(gòu)買日本CdZnTe襯底,為此美國(guó)分析人士認(rèn)為如此重要的戰(zhàn)略物資受制于人,建議提高經(jīng)費(fèi)投入進(jìn)行研制)在內(nèi)的其他各國(guó)的各研究機(jī)構(gòu)都沒(méi)有在CdZnTe襯底表面加工質(zhì)量上取得突破。如何獲得高質(zhì)量的CdZnTe襯底表面一直是困擾碲鎘汞紅外探測(cè)器整個(gè)行業(yè)的技術(shù)難題。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)CdZnTe襯底表面加工后的晶片表面質(zhì)量同國(guó)外先進(jìn)水平有較大的差距。日本Nippion公司代表了目前國(guó)際上在CdZnTe襯底表面加工技術(shù)領(lǐng)域的最高水平,其加工后的CdZnTe襯底表面粗糙度Ra為0.2～0.25 nm,而國(guó)內(nèi)外幾家主要研究機(jī)構(gòu)的CdZnTe襯底加工后的表面粗糙度Ra基本在0.5～1 nm[3-4]。

本文主要介紹了一種針對(duì)軟脆CdZnTe襯底的新型化學(xué)拋光技術(shù)——NH化學(xué)拋光,利用微分干涉顯微鏡檢測(cè)表面形貌及光學(xué)輪廓儀測(cè)試表面粗糙度Ra,并與傳統(tǒng)的溴-甲醇化學(xué)拋光工藝進(jìn)行了對(duì)比。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 原 理

化學(xué)拋光是一種化學(xué)腐蝕的拋光方法,在拋光過(guò)程中,化學(xué)腐蝕的作用占據(jù)了主導(dǎo)地位,機(jī)械磨削作用微乎其微,可以忽略不計(jì)。拋光時(shí)晶片與拋光盤之間布滿了不含研磨劑的純化學(xué)試劑,直接與晶片表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成相對(duì)容易去除的氧化層,該氧化層通過(guò)晶片與拋光墊的相對(duì)運(yùn)動(dòng)被去除。化學(xué)拋光工藝是整個(gè)CdZnTe表面加工過(guò)程中的最后一步,對(duì)于能否獲得高質(zhì)量的表面起著至關(guān)重要的作用。

目前,用于CdZnTe襯底的化學(xué)拋光工藝幾乎都采用溴甲醇作為腐蝕液[5]。然而采用溴甲醇化學(xué)拋光工藝加工后的CdZnTe襯底表面橘皮較重,表面粗糙度也較大。這是由于溴作為氧化劑,其氧化性強(qiáng),與CdZnTe反應(yīng)較快,反應(yīng)方程式如下:

Br2+CdZnTe→0.9CdBr2+0.1ZnBr2+Te

反應(yīng)產(chǎn)物中CdBr2和ZnBr2都易溶于甲醇,而Te則留在晶片表面,同時(shí)Br2還會(huì)與表面的Te緩慢反應(yīng)生成少量不溶于甲醇的TeBr4,也留在CZT表面。這就會(huì)造成表面橘皮較重,并且粗糙度與拋光時(shí)間成正比。同時(shí)經(jīng)過(guò)溴甲醇腐蝕后的表面有一定量的懸掛鍵或畸變,表面吸附能較高,極易吸附環(huán)境中的分子或原子,因此拋光后的CdZnTe表面極易產(chǎn)生亮點(diǎn)。

根據(jù)化學(xué)原理,Cd和Te的二價(jià)氧化物具有兩性,分別溶于酸和堿[6]。因此,選用一種堿性腐蝕溶液——NH腐蝕液,其中的氧化劑比溴的氧化性弱,該腐蝕液與CdZnTe反應(yīng)后的產(chǎn)物基本都溶解于腐蝕液中,少量沉積產(chǎn)物通過(guò)晶片表面與拋光墊的相對(duì)運(yùn)動(dòng)被帶走。并且拋光后的表面吸附能低,使得拋光后的表面不容易吸附環(huán)境中的分子或原子。

2.2 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中采用的拋光設(shè)備是英國(guó)Logitech公司的CP3000化學(xué)拋光機(jī),表面形貌檢測(cè)采用的是Olympus MX61檢測(cè)顯微鏡,放大倍數(shù)為100倍,而表面粗糙度測(cè)試采用BRUKER WYKO GT-X8光學(xué)輪廓儀,測(cè)試范圍均為126 μm×95 μm。

實(shí)驗(yàn)選取<111>晶向的CdZnTe襯底,面積為20 mm×25 mm,表面依次經(jīng)過(guò)研磨-機(jī)械拋光-化學(xué)機(jī)械拋光工藝。采用NH溶液作為化學(xué)拋光的腐蝕液。

在化學(xué)拋光工藝中,腐蝕液的pH值對(duì)于拋光后的表面質(zhì)量起著決定性的作用,經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)得出:如果腐蝕液的pH值低于10,在化學(xué)拋光的過(guò)程中腐蝕液對(duì)碲鋅鎘幾乎沒(méi)有腐蝕作用,以至于晶片承受過(guò)大的來(lái)自拋光墊的機(jī)械作用而產(chǎn)生大量劃痕。如果腐蝕液的pH值高于12,會(huì)造成工藝過(guò)程控制難度加大,并且在化學(xué)拋光的過(guò)程中極易將碲鋅鎘晶片的表面嚴(yán)重氧化。因此,將腐蝕液的pH值選定為10～12為最佳。拋光后的CdZnTe襯底表面粗糙度Ra為0.3 nm左右,最低可到0.28 nm,如圖1所示。

圖1 新技術(shù)加工后的CdZnTe襯底表面粗糙度測(cè)試結(jié)果(126 μm×95 μm)Fig.1 Surface roughness value of CdZnTe substrate after new technology processing

另外,該腐蝕液與碲鋅鎘反應(yīng)后的產(chǎn)物基本都溶解于腐蝕液中,少量沉積產(chǎn)物通過(guò)晶片表面與拋光墊的相對(duì)運(yùn)動(dòng)被帶走。另外,拋光后的晶片表面吸附能低,使得拋光后的晶片表面不容易吸附周圍環(huán)境中的分子或原子,因此拋光后的碲鋅鎘晶片表面的粗糙度低,晶片表面光亮潔凈無(wú)粘污。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

目前,用于CZT襯底的表面加工工藝采用溴甲醇化學(xué)拋光,拋光后的表面粗糙度Ra為0.5 nm左右,而采用NH腐蝕液的新技術(shù)加工后的表面粗糙度Ra則為0.3 nm左右。圖2和圖3為新老工藝加工后襯底的測(cè)試結(jié)果對(duì)比。

圖2 新技術(shù)與傳統(tǒng)工藝加工后表面粗糙度對(duì)比(126 μm×95 μm)Fig.2 The comparison of surface roughness value after new technology processing and traditional processing (126 μm×95 μm)

圖3 新技術(shù)加工后襯底與傳統(tǒng)工藝加工后CdZnTe襯底表面形貌對(duì)比(×100)Fig.3 The surface morphology comparison of CdZnTe after new technology processing and traditional processing (×100)

2.4 應(yīng)用

通過(guò)液相外延工藝在表面生長(zhǎng)碲鎘汞薄膜后,經(jīng)過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)采用新技術(shù)加工后的CdZnTe襯底外延后的表面形貌明顯優(yōu)于傳統(tǒng)工藝加工后的CdZnTe襯底外延后的表面形貌,由于在后續(xù)的器件工藝中對(duì)材料的平面度有著很高的要求,因此,采用新技術(shù)加工后的CdZnTe襯底也將為后續(xù)的器件工藝奠定一個(gè)良好的基礎(chǔ)。

3 結(jié) 論

采用新技術(shù)加工后的CdZnTe襯底表面粗糙度Ra約為0.3 nm,最低可到0.28 nm,該技術(shù)指標(biāo)與代表目前國(guó)際上最高水平的日本Nippion公司相當(dāng),達(dá)到了國(guó)內(nèi)一流、國(guó)際領(lǐng)先的水平。

與傳統(tǒng)的溴甲醇化學(xué)拋光工藝相比,拋光后的CdZnTe襯底表面粗糙度顯著降低,表面質(zhì)量明顯優(yōu)于溴甲醇化學(xué)拋光后的表面。同時(shí),采用新技術(shù)加工后的CdZnTe襯底表面非常光亮、干凈,表面無(wú)亮點(diǎn)等粘污,而溴甲醇化學(xué)拋光則一直存在拋光后表面有少量亮點(diǎn)的問(wèn)題,并且多年來(lái)無(wú)法從根本上解決。因此該技術(shù)同時(shí)解決了襯底表面粗糙度和表面亮點(diǎn)兩個(gè)困擾多年的技術(shù)難題,同時(shí)對(duì)于外延后的表面形貌有著顯著的提升,為后續(xù)的器件工藝也奠定了良好的基礎(chǔ)。

軟脆CdZnTe襯底高質(zhì)量表面加工技術(shù)的成功突破能夠直接提升液相外延的HgCdTe薄膜質(zhì)量,作為碲鎘汞紅外探測(cè)器組件一項(xiàng)核心共用技術(shù),該技術(shù)的突破對(duì)整個(gè)碲鎘汞紅外焦平面探測(cè)器組件性能進(jìn)一步提高有巨大推動(dòng)作用。