張冰潔,杜 宇,陳曉靜,楊朝臣,袁文輝,張傳杰,周文洪,劉 斌,黃 立

(武漢高芯科技有限公司,湖北 武漢 430205)

1 引 言

制冷型紅外探測器以軍用為牽引獲得迅速發(fā)展,在偵查、監(jiān)視、瞄準、射擊控制和制導等領(lǐng)域前景十分廣闊,隨著成本的降低,在民用方面也有了巨大的市場空間,國內(nèi)外對紅外焦平面探測器的需求逐年增加,把科研成果轉(zhuǎn)化為批量化生產(chǎn)具有非常重大的意義。經(jīng)過多年研發(fā),武漢高芯科技有限公司的碲鎘汞紅外焦平面探測器,已可以大批量生產(chǎn)。批量生產(chǎn)的第二代碲鎘汞紅外探測器產(chǎn)品主要是中波320×256/30 μm及640×512/15 μm兩類典型的紅外焦平面探測器組件,在2017年這兩類組件生產(chǎn)的數(shù)量已分別可達上千套。

高性能的紅外探測器離不開高性能的紅外敏感材料[1],由于高量子效率,組分可調(diào)覆蓋紅外波段等優(yōu)勢,目前為止,碲鎘汞材料仍然是制冷紅外焦平面探測器的優(yōu)選材料。但是碲鎘汞材料由于襯底成本高、外延均勻性較難控制等問題,導致其批產(chǎn)面臨較大困難。碲鎘汞材料從研發(fā)到生產(chǎn)的過程,不僅僅是簡單的設備及人員的疊加,每一次產(chǎn)量的提升,都涉及工藝技術(shù)的改進、工藝重復性驗證、生產(chǎn)流程化繁為簡的摸索過程。經(jīng)過五年的探索努力,2018年高芯科技的HgCdTe合格外延月產(chǎn)量已經(jīng)達到近千個模塊,通過優(yōu)化工藝技術(shù)及生產(chǎn)過程控制,外延成品率顯著提高,在降低成本的同時,高質(zhì)量、穩(wěn)定的外延產(chǎn)出也為生產(chǎn)更大規(guī)模的紅外焦平面奠定了基礎。

2 HgCdTe外延材料批量化生產(chǎn)控制

2.1 HgCdTe外延材料厚度及組分均勻性控制

我們采用富碲垂直液相外延的生長方式進行HgCdTe外延材料的制備,這種生長方式在批量化生產(chǎn)優(yōu)勢顯著,但同時也對溫場及母液均勻性的控制提出了更高的要求。垂直液相外延為半無限母液的生長方式,母液需要重復使用,每輪生長完成后,母液經(jīng)歷生長降溫過程,在母液內(nèi)將形成碲鎘汞結(jié)晶體。

圖1為不同母液狀態(tài)下的掃描電鏡能譜面分析,a,b為母液高溫均勻化后及生長完成后的SEM圖；c,d為對應區(qū)域的Te成分分布圖?？梢钥吹骄鶆蚧蟮哪敢撼煞址植季鶆?而經(jīng)歷降溫生長后的母液可以看到明顯的碲鎘汞結(jié)晶體,EDS測試結(jié)晶體的成分(原子百分比)為Te:59.15 %,Cd:5.04 %,Hg:35.8 %,通過brice公式[2]計算結(jié)晶點高達700℃。因此當溫場控制不佳或者母液均勻化處理不當,母液在外延生長時仍殘留結(jié)晶體,將導致外延厚度組分差異大,嚴重時將形成無法溶解的碲鎘汞結(jié)晶體,導致母液無法繼續(xù)使用[3]。

圖1 不同母液的掃描電鏡能譜面分析

我們通過優(yōu)化垂直液相外延樣品架夾具系統(tǒng),采用母液攪拌桿與襯底樣品架分離的結(jié)構(gòu)設計,可以實現(xiàn)在生長過程中攪拌桿對母液進行充分的攪拌均勻化,同時避免高溫攪拌時襯底進入母液導致回融引起的母液熔點變化。此外,通過二次降溫生長方式提高溫場穩(wěn)定度[4],避免母液局部過冷引起的結(jié)晶,同時生長完成后對母液進行急冷處理。通過上述工藝手段,優(yōu)化了母液的均勻性的控制,母液的使用輪次已經(jīng)從過去的平均不到50輪上升到近300輪,使得外延成本大大降低。圖2為批量化生產(chǎn)的不同尺寸的碲鎘汞液相外延材料,最大外延尺寸達到40 mm×50 mm。外延厚度及組分均勻性優(yōu)良,30 mm×40 mm外延組分均勻性可控制在2‰,厚度差異基本控制在1.5 μm內(nèi),圖3為30 mm×40 mm HgCdTe外延批量化生產(chǎn)厚度及組分均勻性控制情況。

圖2 不同尺寸的碲鎘汞液相外延材料

(a)

2.2 HgCdTe外延/CdZnTe襯底晶格匹配控制

液相外延是一種準平衡生長過程,當外延材料與襯底的晶格匹配良好,即晶格失配度在0.02 %左右,外延材料的X光貌像為均勻貌相,當晶格失配度增大,失配位錯增值,外延材料變?yōu)閏ross-hatch貌相,晶格失配度進一步增大時,變?yōu)閙osaic貌相[5-7],甚至出現(xiàn)外延密集的點缺陷組成的丘壑狀[8],圖4為當外延襯底失配度達到0.1 %時外延表面發(fā)生的“起霧”現(xiàn)象。因此HgCdTe外延/CdZnTe襯底晶格匹配是批量化生產(chǎn)時需要控制的關(guān)鍵因素。

圖4 失配大導致的外延表面的“起霧”現(xiàn)象

MARTINKA的實驗結(jié)果顯示[9],抑制crosshatch的條件是外延/襯底失配控制在-0.025 %～0.031 %。根據(jù)我們的統(tǒng)計結(jié)果,為避免月牙斑及crosshatch等X貌相缺陷,獲得高質(zhì)量的外延片,外延/襯底失配的控制范圍與此接近。按照公式(1)HgCdTe晶格常數(shù)與Cd組分之間的關(guān)系,以及公式(2)CdZnTe晶格常數(shù)與Zn組分的關(guān)系式計算可得[3],制備Cd組分0.295～0.315的中波HgCdTe外延,并將失配控制在-0.025 %～0.031 %,襯底的Zn組分須控制在0.0357～0.0464。碲鋅鎘晶錠由于組分分凝,存在縱向組分梯度,從圖5中2016年生產(chǎn)的上千片碲鋅鎘襯底組分的統(tǒng)計數(shù)據(jù)看,0.0357～0.0464組分范圍的碲鋅鎘襯底比例僅有28 %左右。

圖5 碲鋅鎘襯底組分分布情況

amct=6.46136+0.01999x

(1)

aczt=6.48268-0.37582z

(2)

通過大量數(shù)據(jù)積累及不斷的工藝摸索,我們掌握一種碲鎘汞外延晶格常數(shù)的調(diào)控方法,這項工藝的開發(fā)及使用,使襯底的使用率從28 %上升到接近95 %,顯著降低了外延成本。我們統(tǒng)計了近400輪0.295～0.315組分的中波外延材料及所使用的襯底的數(shù)據(jù),進行晶格失配與襯底組分關(guān)系的分析,見圖6所示。三角形分布點為未經(jīng)過工藝改進,通過公式(1)計算的外延理論晶格參數(shù)與襯底的失配關(guān)系；方形分布點為通過工藝開發(fā)后的實際測得的外延與襯底晶格常數(shù)的失配情況。其中外延、襯底晶格常數(shù)通過XRD測得,襯底組分通過公式(2)計算得到,紅外光譜儀測試得到外延組分。從圖6可見,使用的襯底組分覆蓋0.036至0.065范圍,而外延/襯底的失配都能控制在-0.025 %～0.031 %范圍內(nèi),襯底使用率顯著提升。

圖6 襯底組分及HgCdTe外延/CdZnTe襯底晶格失配分布情況

2.3 HgCdTe外延材料表面缺陷的控制

HgCdTe外延材料表面點缺陷的主要來源有兩部分,一部分是由襯底沉淀相引起[10],另一部分來源于外延生長前襯底的沾污[11]。圖7為工藝優(yōu)化前襯底紅外透射顯微鏡圖及與外延缺陷的對比圖,可以看到部分沉淀相,延伸到外延產(chǎn)生孔洞缺陷,這些外延缺陷將在芯片上形成壞點或團簇。

圖7 襯底紅外透射顯微鏡圖及與外延缺陷的對比圖

襯底方面,我們采用閉管退火熱處理工藝,將全片夾雜物尺寸控制在30 μm以內(nèi)。另一方面,通過襯底拋光清洗工藝的優(yōu)化,在化學機械拋光后加入無蠟化學拋光及腐蝕工藝,充分去除化學機械拋光后襯底的殘余磨料及沾污。同時,控制母液污染源的引入,減少外延生長過程中沾污導致的缺陷。通過上述改進,外延缺陷的尺寸分布得到明顯的優(yōu)化。圖8為2016年及2017年外延材料面陣內(nèi)最大缺陷尺寸的統(tǒng)計數(shù)據(jù),最大缺陷尺寸0～15 μm的面陣占比上升約10 %,0～30 μm的占比上升23 %。缺陷尺寸的減小,使得外延缺陷導致的芯片團簇比例得到一定的控制,同時為更小像元的芯片開發(fā)奠定了基礎。

圖8 2016年及2017年HgCdTe外延缺陷尺寸分布情況

3 HgCdTe紅外焦平面性能提升

通過上述HgCdTe外延表面缺陷的控制方法,HgCdTe紅外焦平面芯片由于團簇導致的不良率得到降低,從圖9的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可見,公司的兩類中波產(chǎn)品320×256/30 μm(330)及640×512/15 μm(615)的團簇不良個數(shù)占總生產(chǎn)量的比例從2016年初至2018年初各下降了約10 %,良率的提升意味著芯片成本的降低。

圖9 HgCdTe紅外焦平面芯片由于團簇導致的不良率統(tǒng)計

HgCdTe外延/CdZnTe襯底晶格匹配的有效控制,提高了外延晶體質(zhì)量,同時加入X貌相分析手段進行外延分級篩選,使得芯片成像均勻性顯著提高。圖10為導致芯片成像均勻性下降的典型月牙斑缺陷的貌相圖及對應芯片的直流電平圖。通過對HgCdTe外延/CdZnTe襯底晶格匹配進行更嚴格的控制,統(tǒng)計公司兩類中波產(chǎn)品的上千個紅外焦平面芯片的成像情況,此類月牙斑成像缺陷的比例均降低約12 %。圖11是我公司生產(chǎn)的中波 640×512/15 μm探測器典型的信號圖,均勻性良好,有效像元率高達99.99 %。

圖10 典型月牙斑缺陷

圖11 中波 640×512/15 μm探測器典型的信號圖及壞點圖

4 結(jié) 論

紅外焦平面器件的生產(chǎn)離不開高質(zhì)量的HgCdTe液相外延材料,組分厚度均勻,缺陷尺寸密度小,晶體質(zhì)量優(yōu)良是HgCdTe液相外延材料質(zhì)量控制的關(guān)鍵因素。批量化生產(chǎn)中紅外敏感材料的質(zhì)量得到穩(wěn)定控制,才能保證紅外焦平面器件生產(chǎn)的順利進行。紅外敏感材料的某些缺陷,只有在芯片工藝過程中,甚至是測試表征后才能凸顯,因此在生產(chǎn)中需要進行反復的驗證和積累,不斷的優(yōu)化紅外敏感材料的生產(chǎn)水平。

我們已經(jīng)完成從研發(fā)到批量生產(chǎn)的轉(zhuǎn)型階段,接下來,采用更大面積的HgCdTe液相外延薄膜材料來提高產(chǎn)量和降低成本,并且通過摻雜手段對HgCdTe液相外延材料進行優(yōu)化改性,是我們在HgCdTe紅外敏感材料方面進一步努力的目標。