摘 要： 本文綜述了InAs/GaSb超晶格臺(tái)面刻蝕工藝研究。 從濕法和干法刻蝕的物理化學(xué)機(jī)理以及參數(shù)調(diào)控等方面進(jìn)行分析， 旨在闡明工藝條件對(duì)臺(tái)面形貌的影響， 以抑制帶隙較窄的長(zhǎng)波和甚長(zhǎng)波超晶格表面漏電流。 結(jié)果表明， 濕法刻蝕中恰當(dāng)?shù)母g液配比可以實(shí)現(xiàn)兩種組分的均勻性刻蝕， 而不會(huì)導(dǎo)致粗糙的表面和嚴(yán)重的下切； 干法刻蝕中， 采用Cl2基和CH4基混合氣體， 通過調(diào)整刻蝕氣體類型及比例可實(shí)現(xiàn)物理和化學(xué)刻蝕兩個(gè)過程的平衡， 保證臺(tái)面?zhèn)缺谄交院蛢A角的垂直度。 另外， 對(duì)于不同組分的超晶格， 需要選擇不同的工藝參數(shù)才能滿足InAs和GaSb的協(xié)同性刻蝕。 最后對(duì)InAs/GaSb超晶格臺(tái)面刻蝕工藝作出了展望。

關(guān)鍵詞： InAs/GaSb超晶格； 濕法刻蝕； 干法刻蝕； 刻蝕機(jī)理； 工藝優(yōu)化

中圖分類號(hào)： TJ760； TN215

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

文章編號(hào)： 1673-5048（2024）05-0041-09

DOI： 10.12132/ISSN.1673-5048.2023.0207

0 引 言

InAs/GaSb超晶格在1977年由Sai-Halasz等首次提出［1］。 之后的10年， 研究者證明InAs/GaSb超晶格具有較窄的能量帶隙， 可作為紅外器件的應(yīng)用［2-4］。 但直到20世紀(jì)90年代， 與銻化物超晶格能帶工程相關(guān)的復(fù)雜理論才被構(gòu)建， 這將作為紅外探測(cè)材料的InAs/GaSb超晶格推向了一個(gè)新的研究階段［5］。 與同時(shí)期發(fā)展起來的HgCdTe材料相比， InAs/GaSb超晶格的帶邊有效質(zhì)量更大， 不依賴于帶隙大小而變化， 因此能夠降低不同器件中的隧穿電流［6］； 另外， 通過恰當(dāng)?shù)牟牧显O(shè)計(jì)， InAs/GaSb超晶格可以實(shí)現(xiàn)輕重空穴帶的分離來抑制俄歇復(fù)合速率， 從而提高紅外探測(cè)器的工作溫度［7］。 由于這些優(yōu)勢(shì)的存在， InAs/GaSb超晶格經(jīng)過40多年的發(fā)展， 已經(jīng)成為紅外應(yīng)用當(dāng)中的核心材料， 在夜視、 制導(dǎo)、 工業(yè)生產(chǎn)以及醫(yī)療衛(wèi)生等方面都發(fā)揮了重要的作用［8-10］。

在紅外探測(cè)器的制造技術(shù)中， 臺(tái)面刻蝕是完成器件電學(xué)隔離的必要環(huán)節(jié)。 而對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的焦平面陣列來說， 一個(gè)良好的刻蝕工藝不僅要求高的深寬比， 還要達(dá)到高度各向異性和低損傷等目標(biāo)， 這給器件制造帶來了巨大的挑戰(zhàn)［11-12］。 常用的刻蝕工藝主要有濕法刻蝕和干法刻蝕兩種。 濕法刻蝕可以利用腐蝕性的檸檬酸系溶液與材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)， 其優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、 刻蝕損傷小、 臺(tái)面?zhèn)缺诒容^平滑等［13］， 但刻蝕效果呈現(xiàn)各向同性， 圖形轉(zhuǎn)移精度不高。 而干法刻蝕利用反應(yīng)性氣體（如Cl2， BCl， CH4以及H2等）形成的具有化學(xué)活性的等離子體進(jìn)行刻蝕， 可控性好， 圖像轉(zhuǎn)移精度高， 缺點(diǎn)是容易形成刻蝕損傷， 增加表面態(tài)［14］。 正是由于在刻蝕過程中超晶格材料的周期性斷裂， 導(dǎo)致側(cè)壁留下大量的懸掛鍵， 這些懸掛鍵產(chǎn)生極強(qiáng)的表面電場(chǎng)促使表面能帶發(fā)生彎曲甚至反型［15］。 與腐蝕液或等離子接觸的最外層材料也會(huì)被氧化成In2O3和As2O3等氧化物， 作為表面復(fù)合和隧穿中心而存在［16］。 這些刻蝕副產(chǎn)物在臺(tái)面?zhèn)缺谝肼╇娏鞯谋砻嫱ǖ溃?使得InAs/GaSb超晶格紅外探測(cè)器的性能惡化， 尤其是長(zhǎng)波和甚長(zhǎng)波的器件， 由于具有更窄的帶隙， 受表面漏電流的影響更大。 因此， 探究刻蝕機(jī)理和優(yōu)

化刻蝕工藝就顯得至關(guān)重要。

刻蝕工藝的優(yōu)劣可以由臺(tái)面?zhèn)缺谛蚊埠蛢A角來直觀

收稿日期： 2023-10-27

基金項(xiàng)目： 國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目（62004189）； 國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2019YFA0705203）； 航空科學(xué)基金項(xiàng)目（20182436004）； 西北稀有金屬材料研究院稀有金屬特種材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題基金項(xiàng)目（SKL2023K00X）

作者簡(jiǎn)介： 張翔宇（1998-）， 男， 山東德州人， 博士研究生。

*通信作者： 蔣洞微（1985-）， 男， 湖南益陽人， 博士， 副研究員。

表征。 一個(gè)理想的臺(tái)面?zhèn)缺趹?yīng)該具有較平滑的表面和接近垂直的傾角， 以此來限制表面懸掛鍵和缺陷的密度。 這些都可以通過調(diào)控不同的工藝參數(shù)來達(dá)到目的。 對(duì)于濕法刻蝕來說， 影響因素是腐蝕液的濃度和組分比例； 對(duì)于干法刻蝕， 主要的工藝條件包括氣體類型及比例、 設(shè)備功率、 襯底溫度等。 本文綜述了過去研究中對(duì)干法刻蝕和濕法刻蝕機(jī)理的闡釋以及不同工藝條件對(duì)刻蝕的調(diào)控和影響， 并展示了本課題組在刻蝕工藝中所做的工作。

航空兵器 2024年第31卷第5期

張翔宇， 等： InAs/GaSb超晶格臺(tái)面刻蝕工藝研究綜述

1 濕法刻蝕

1.1 濕法刻蝕機(jī)理

InAs和GaSb具有不同的物理化學(xué)性質(zhì)， 一般的腐蝕液在刻蝕過程中對(duì)這兩種材料產(chǎn)生一定的選擇性。 例如， 在檸檬酸溶液和鹽酸溶液中， InAs和GaSb 的刻蝕選擇比分達(dá)到127∶1和4 800∶1［17-18］。 當(dāng)一方的選擇比過大時(shí)， 會(huì)在臺(tái)面?zhèn)缺诹粝麓植诘谋砻嫘蚊玻?從而給器件帶來較大的表面漏電流。 因此， 腐蝕液的選擇和配比對(duì)刻蝕效果起到關(guān)鍵作用。

許多腐蝕劑被報(bào)道用于刻蝕InAs/GaSb超晶格［19-22］， 其中檸檬酸系腐蝕液不僅具有良好的非選擇性， 而且相較于一些強(qiáng)酸（如鹽酸、 氫氟酸、 硝酸等）更加穩(wěn)定和不易揮發(fā)， 從而表現(xiàn)出最好的刻蝕效果， 成為當(dāng)前濕法刻蝕的最佳選擇。 檸檬酸系腐蝕液是由檸檬酸（C6H8O7）、 磷酸（H3PO4）、 過氧化氫（H2O2）以及去離子水按照一定的比例配置而成。 H2O2作為氧化劑可以破壞InAs/GaSb超晶格材料當(dāng)中混合的共價(jià)-離子鍵， 使其形成難溶于水的氧化物［21］。 相應(yīng)元素以氧化物存在的方式如圖1所示［23-24］。 GaSb被氧化為Ga2O3和Sb的多種氧化物， 其中Ga2O3可以進(jìn)一步被H3PO4溶液分解， 但Sb的氧化物即使在H3PO4溶液中也很難被去除， 所以選擇C6H8O7與其發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)實(shí)現(xiàn)溶解而達(dá)到刻蝕的目的［13］。 對(duì)于InAs， 由于In2O3和As2O5的分解溫度較高， 在刻蝕過程中應(yīng)當(dāng)避免二者的形成， 一般認(rèn)為化學(xué)組分接近InAsO4的氧化物更易去除［14］。

In-As-O［23］

由此可知， InAs/GaSb超晶格的刻蝕過程主要包括氧化、 溶解（或絡(luò)合）兩步， 普適的化學(xué)反應(yīng)如方程式（1）～（5）所示［11］：

2GaSb+6H2O2→Ga2O3+Sb2O3+6H2O（1）

2InAs+6H2O2→In2O3+As2O3+6H2O（2）

InAs+4H2O2→InAsO4+4H2O（3）

2M2O3+7H3PO4→M（H2PO4）3+M2（HPO4）3+

MPO4+6H2O（4）

Sb2O3+2C6H8O7→2（Sb（C6H4O7）（H2O））+

H2O+2H+（5）

式中： M表示In， As， Ga， Sb四種元素。

1.2 工藝參數(shù)調(diào)控

1.2.1 腐蝕液配比

如前所述， 濕法刻蝕主要包括氧化和溶解兩個(gè)過程， 分別由H2O2和H3PO4/C6H8O7來控制， 因此兩者的比例決定了InAs/GaSb超晶格材料的刻蝕速率。 Xu等研究了檸檬酸系腐蝕液的不同組分配對(duì)刻蝕速率和表面粗糙度的影響［25］。 如圖2所示， 刻蝕速率隨H2O2和H3PO4/C6H8O7濃度增大而增大， 這是因?yàn)槎邼舛鹊脑龃蠹涌炝搜趸腿芙膺^程； 但是刻蝕速率會(huì)在某一組分的高濃度腐蝕液中趨向飽和， 某一組分的過量導(dǎo)致另一過程來不及進(jìn)行而使刻蝕速率受限， 說明在濕法刻蝕中氧化和溶解過程必須協(xié)調(diào)進(jìn)行。 同時(shí)， 腐蝕液配比也影響材料的表面粗糙度， 如表1所示。 不適當(dāng)?shù)母g液配比造成材料表面粗糙度惡化， 甚至過量的H2O2或H3PO4/C6H8O7導(dǎo)致材料發(fā)灰， 這些情況都使得臺(tái)面?zhèn)缺诘谋砻娣e和缺陷密度增大， 從而帶來較大的表面漏電流。 Kowalewski等也研究了不同H3PO4+C2H8O7+H2O2+H2O摩爾比對(duì)刻蝕效果的影響［26］， 可以通過圖3的三維圖像直觀表現(xiàn)出來。 圖3（d）中組分摩爾比為1∶1∶4∶16的腐蝕液相較于圖3（a）～（b）中無C2H8O7或H3PO4添加時(shí)具有良好的表面形貌， 粗糙度較小。 因此， 選擇合適的腐蝕液組分配比對(duì)刻蝕效果十分關(guān)鍵。

1.2.2 下切效應(yīng)

由于腐蝕液的選擇性， InAs/GaSb超晶格的臺(tái)面?zhèn)缺谠谀承┣闆r下往往受到嚴(yán)重的側(cè)向鉆蝕， 即下切效應(yīng)。 這種現(xiàn)象不僅增大臺(tái)面?zhèn)缺诘谋砻娣e， 也影響圖形轉(zhuǎn)移精度。 亢?jiǎn)吹妊芯苛薈6H8O7/H3PO4含量對(duì)腐蝕效果的影響［27］。 從圖4可以看出， 在不同C6H8O7/H3PO4含量的腐蝕液的刻蝕下， 臺(tái)面?zhèn)缺诙急容^平滑； 相較而言， 當(dāng)C6H8O7/H3PO4含量比為20%時(shí)， 側(cè)壁更為陡直， 但側(cè)向鉆蝕更嚴(yán)重， 這是因?yàn)楦邼舛菴6H8O7/H3PO4的腐蝕液在提高刻蝕速率的同時(shí)也會(huì)影響材料的表面形貌。 Hao等研究了同一組分配比的檸檬酸系腐蝕液對(duì)InAs， GaSb以及二者組成的中波和長(zhǎng)波超晶格的刻蝕效果的影響［28］， 如圖5所示。 在同一腐蝕液的刻蝕后， InAs和GaSb體材料表現(xiàn)出不同的刻蝕輪廓。 1.1節(jié)提到相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道檸檬酸溶液對(duì)二者的腐蝕選擇性高達(dá)127∶1， 這種巨大的腐蝕差異性導(dǎo)致GaSb具有相對(duì)垂直的腐蝕輪廓， 而InAs則出現(xiàn)了嚴(yán)重的側(cè)向鉆蝕。 在組成超晶格后， 這種情況得到一定程度的復(fù)制， 尤其是長(zhǎng)波超晶格。 與其相比， 中波超晶格因InAs含量較少而沒有明顯的鉆蝕現(xiàn)象。 因此， 不同波段的InAs/GaSb超晶格應(yīng)當(dāng)調(diào)整濕法

腐蝕液的組分配比， 以抑制臺(tái)面?zhèn)缺诘拇植诙群豌@蝕現(xiàn)象。

2 干法刻蝕

2.1 干法刻蝕機(jī)理

干法刻蝕技術(shù)在硅、 二氧化硅、 金屬、 金屬化合物以及Ⅲ-Ⅴ族化合物中都有廣泛應(yīng)用。 其基本刻蝕機(jī)理可以分為化學(xué)刻蝕和物理刻蝕兩部分。 化學(xué)刻蝕是將刻蝕性氣體源解離為離子、 分子和具有反應(yīng)活性的原子團(tuán)， 這些原子團(tuán)擴(kuò)散到材料表面與之發(fā)生化學(xué)反應(yīng)， 形成揮發(fā)性產(chǎn)物并被真空設(shè)備抽離完成刻蝕［29］。 物理刻蝕是利用輝光放電將氣體（如N2和Ar等）解離為帶正電的離子， 之后在偏壓的作用下轟擊材料表面， 既可以破壞材料表面的原子鍵， 也可以清除表面附著的難揮發(fā)副產(chǎn)物。 這種刻蝕方法將化學(xué)刻蝕的高選擇性和物理刻蝕的各向異性相結(jié)合， 可以獲得接近垂直的刻蝕輪廓和較高的圖案轉(zhuǎn)移精度［30］。

在InAs/GaSb超晶格的干法刻蝕工藝中， 最常用的刻蝕氣體源是Cl2基氣體， 包括Cl2， BCl3， SiCl4等， 其與材料反應(yīng)生成揮發(fā)性物質(zhì)InCl3， AsCl3， GaCl3以及SbCl3［31-32］。 但常溫下InCl3的揮發(fā)性相對(duì)較差［33-34］， 因此在一定程度上抑制化學(xué)刻蝕的進(jìn)行， 對(duì)刻蝕效果產(chǎn)生不利的影響， 這也成為Cl2基氣體刻蝕InAs/GaSb超晶格的一項(xiàng)挑戰(zhàn)。 CH4基氣體可能是解決這一問題的方法， 其中最簡(jiǎn)單的一種氣體組成為CH4和H2， 刻蝕副產(chǎn)物為（CH3）3M（M=In或Ga）和XH3（X=As或Sb）［35］。 這些副產(chǎn)物具有較低的熔沸點(diǎn)， 一般來說， 熔點(diǎn)或沸點(diǎn)越低， 飽和蒸汽壓和解吸速率越高［31］。 理論上， CH4基氣體比Cl2基氣體在InAs/GaSb超晶格的刻蝕中更具優(yōu)勢(shì)， 但遺憾的是， 有研究表明CH4基氣體的刻蝕速率較低［36］。 對(duì)于實(shí)際的刻蝕工藝來說， 在同樣的刻蝕深度下， 較低的刻蝕速度意味著較長(zhǎng)的刻蝕時(shí)間。 然而刻蝕過程中由于離子轟擊會(huì)產(chǎn)生大量的熱能并使襯底升溫， 這有可能將膠掩膜碳化。 雖然如此， CH4基氣體的刻蝕效果相對(duì)平滑， 可以與Cl2基氣體搭配使用， 目前已有相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行報(bào)道［37］。

2.2 工藝參數(shù)調(diào)控

2.2.1 刻蝕選擇性

在干法刻蝕中由于化學(xué)刻蝕的存在， 也同樣具有刻蝕選擇性。 Tan等研究了同一刻蝕條件下InAs， GaSb以及InAs/GaSb超晶格的刻蝕形貌［38］。 如圖6所示， GaSb體材料的刻蝕形貌出現(xiàn)了明顯的側(cè)向鉆蝕， 而InAs和InAs/GaSb超晶格則保持完好的臺(tái)面， 說明GaSb的刻蝕速率要遠(yuǎn)大于后者。 這一點(diǎn)也由Zhang等的研究所證實(shí)［39］， 如圖7所示。

Huang等探究了ICP功率和RF功率對(duì)InAs和GaSb兩種體材料的刻蝕速率的影響［34］。 如圖8所示， InAs和GaSb的相對(duì)刻蝕速率對(duì)ICP和RF功率具有明顯的依賴性， 并且在某一特定功率下二者的相對(duì)刻蝕速率為1， 達(dá)到刻蝕平衡點(diǎn)， 這表明在InAs/GaSb超晶格的刻蝕過程中可以通過調(diào)控ICP功率和RF功率來實(shí)現(xiàn)InAs和GaSb兩種組分的協(xié)同刻蝕， 減小刻蝕選擇比， 以此得到良好的刻蝕形貌。

在實(shí)際刻蝕中， In的刻蝕副產(chǎn)物InClx相較于其他三種氯化物在常溫下難以揮發(fā)， 于是作為阻擋層附著在材料表面抑制刻蝕的進(jìn)行， 而使得InAs/GaSb超晶格的刻蝕速率被InAs組分所限制。 理論上， 這一問題可以通過提高襯底溫度來解決。 Jung等通過研究發(fā)現(xiàn)臺(tái)面?zhèn)缺趦A角隨著溫度升高而線性增長(zhǎng)［40］。 如圖9所示， 當(dāng)襯底溫度為60 ℃和200 ℃時(shí)， 側(cè)壁傾角分別為72°和85°。 因此， 有理由相信可以提高襯底溫度來促使副產(chǎn)物InClx脫附， 從而達(dá)到接近垂直的側(cè)壁角度和更好的刻蝕形貌。

然而， 長(zhǎng)時(shí)間暴露在高溫下會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體層的擴(kuò)散， 導(dǎo)致超晶格材料的性能下降。 理想情況下， 任何刻蝕步驟都應(yīng)在室溫下進(jìn)行［41］。

另外， 不同探測(cè)波段的InAs/GaSb超晶格中InAs或GaSb組分含量不同， 在刻蝕選擇性的影響下， 同一刻蝕條件必然具有不同的刻蝕形貌。 Smoczyński等研究了中波超晶格（10 ML InAs/10 ML GaSb， ML為原子層）和長(zhǎng)波超晶格（14 ML InAs/7 ML GaSb）刻蝕的差異性［42］。 如圖10所示， 長(zhǎng)波超晶格的側(cè)壁表面粗糙度更大， 這是因其InAs含量相比GaSb更多， 所以在相同刻蝕條件下長(zhǎng)波超晶格的刻蝕效果較差。 這也意味著對(duì)于不同組分的InAs/GaSb超晶格應(yīng)該選擇適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)， 以保證良好的刻蝕效果。

綜上所述， InAs/GaSb超晶格的刻蝕選擇性主要源于InClx的低揮發(fā)性對(duì)刻蝕過程的限制， 實(shí)現(xiàn)InClx的有效清除是獲得最佳側(cè)壁形貌的關(guān)鍵。 這一問題的解決需要探究工藝參數(shù)對(duì)刻蝕的影響。

2.2.2 刻蝕氣體

了解不同氣體的刻蝕特性以及其之間的比例搭配對(duì)獲得良好的刻蝕形貌十分關(guān)鍵。 許佳佳等研究了氣體流量比例對(duì)刻蝕結(jié)果的影響［43］。 如圖11所示， 在N2占比較低時(shí)以化學(xué)刻蝕為主， 副產(chǎn)物來不及清除而附著在材料表面形成不規(guī)則的鑿痕形貌； 而隨著N2含量增加， 化學(xué)刻蝕與物理刻蝕相互平衡， 臺(tái)面?zhèn)缺诒恍揎椘交?/p>

除了調(diào)控N2 /Cl2的比例外， 也可以加入同樣起化學(xué)刻蝕作用的氣體。 研究表明， BCl3和CH4的刻蝕速率較低， 有利于得到平滑和垂直的側(cè)壁［44-46］。 本課題組在相同氣體流量比的刻蝕條件下研究了不同氣體組分對(duì)刻蝕InAs/GaSb長(zhǎng)波超晶格的影響。 如圖12所示， 當(dāng)刻蝕氣體組分中加入BCl3和CH4后， 側(cè)壁形貌比之前報(bào)道僅用Cl2刻蝕的臺(tái)面已大大改善。 此外， 對(duì)于前者而言， 使用CH4產(chǎn)生的刻蝕效果要優(yōu)于BCl3， 其刻蝕速率從530 nm/min減小至240 nm/min， 較慢的刻蝕過程易使物理刻蝕和化學(xué)刻蝕達(dá)到平衡， 進(jìn)而減小刻蝕表面粗糙度。

由圖12（b）可以發(fā)現(xiàn)有明顯的底部鉆蝕存在， 對(duì)這一現(xiàn)象的解釋最早由Chen等在HgCdTe的刻蝕研究中所提出［47］。 射頻等離子體中的直流偏置是由電子附著在晶圓上引起的。 同時(shí)， 由于SiO2掩膜的絕緣性， 電子也會(huì)附著其上， 但可能不會(huì)均勻分布， 在SiO2掩膜角落聚集較多。 在刻蝕過程中， 這些帶負(fù)電的電子吸引Ar+撞擊輪廓， 導(dǎo)致底部鉆蝕產(chǎn)生， 如圖13所示。

王海澎等將該理論應(yīng)用到InAs/GaSb超晶格中［48］， 如圖14所示， 當(dāng)RF功率較低時(shí)， Ar+離子在向材料運(yùn)動(dòng)的過程中受聚集在SiO2掩膜上的電子所影響發(fā)生繞射， 從而使InAs/GaSb超晶格臺(tái)面底部形成鉆蝕。 而提高RF

功率后， Ar+離子的動(dòng)能增大以保證刻蝕的方向性， 降低

掩膜附著電子對(duì)Ar+離子運(yùn)動(dòng)軌跡的影響， 故此時(shí)底部鉆蝕現(xiàn)象消失。

2.2.3 掩膜的影響

InAs/GaSb超晶格臺(tái)面的側(cè)壁形貌也往往與掩膜有關(guān)， 包括掩膜類型、 掩膜厚度、 掩膜的側(cè)壁形貌以及掩膜與超晶格材料的刻蝕選擇比等。 Chakrabarti等研究了InP的干法刻蝕， 發(fā)現(xiàn)其側(cè)壁粗糙度的來源主要是掩膜材料中存在的粗糙度的復(fù)制， 特別是幾乎在任何干法刻蝕中使用的光刻膠［49］。 因此， 有必要研究掩膜對(duì)臺(tái)面?zhèn)缺谛蚊驳挠绊憽?/p>

本課題組研究了InAs/GaSb超晶格在光刻膠的不同堅(jiān)膜時(shí)間下臺(tái)面刻蝕的影響。 作為參考樣品的堅(jiān)膜溫度呈梯度分布， 分別為90 ℃， 120 ℃， 140 ℃和180 ℃， 每個(gè)溫度下各保溫10 min， 另外兩個(gè)樣品分別在120 ℃和180 ℃各追加10 min， 刻蝕情況如圖15所示。 臺(tái)面?zhèn)缺趦A角隨著追加時(shí)間的溫度的升高而增大， 這是因?yàn)橥ㄟ^增加堅(jiān)膜時(shí)間可以提高光刻膠的抗刻蝕能力， 從而得到更接近垂直的臺(tái)面?zhèn)缺凇?光刻膠掩膜在干法刻蝕中存在的不足是堅(jiān)膜后圖形向內(nèi)收縮， 邊緣變薄， 導(dǎo)致臺(tái)面傾角過小， 垂直度不夠； 但其明顯的優(yōu)勢(shì)在于， 側(cè)壁形貌會(huì)在高溫下變得非常平滑， 而且一次轉(zhuǎn)移圖形精度更高。 Hao等嘗試了光刻膠和SiO2兩種不同的掩模方法［50］。 如圖16所示， 因?yàn)镾iO2與InAs/GaSb超晶格材料間的刻蝕選擇比相較于光刻膠更大， 利用較薄的SiO2即可完成目標(biāo)深度的刻蝕， 而且SiO2掩膜的側(cè)壁不會(huì)向內(nèi)收縮， 因此超晶格臺(tái)面?zhèn)缺趦A角也更接近垂直。 此外， SiO2掩模的光刻不需要較厚的光刻膠， 堅(jiān)膜溫度低， 烘烤時(shí)間更短， 使得SiO2掩模側(cè)壁的微條紋更少。

對(duì)于焦平面陣列探測(cè)器， 為了在干法刻蝕中獲得較大的深寬比， 一個(gè)堅(jiān)固的掩膜應(yīng)該被要求可以承受長(zhǎng)時(shí)間等離子體的轟擊。 SiNx由于具有高楊氏模量和較強(qiáng)的

抗刻蝕性也被用作InAs/GaSb超晶格的硬掩膜材料［46， 51］。 王海澎等同時(shí)研究了復(fù)合掩膜層SiO2/SiN厚度對(duì)InAs/GaSb超晶格刻蝕臺(tái)面的影響［48］。 如圖17所示， 通過利用600 nm SiO2+100 nm SiN復(fù)合膜層， 一個(gè)側(cè)壁光滑和大于80°的臺(tái)面角度可以實(shí)現(xiàn)， 而且該復(fù)合膜層與InAs/GaSb超晶格材料之間的刻蝕選擇比高達(dá)8.5∶1。 但在臺(tái)面頂部出現(xiàn)側(cè)向鉆蝕， 將SiO2層厚度提高到800 nm后， 鉆蝕現(xiàn)象消失。 這可以被解釋為掩膜較薄時(shí)， 超晶格材料的側(cè)壁暴露在偏離直射的等離子體前面， 所以在臺(tái)面頂部出現(xiàn)側(cè)向鉆蝕現(xiàn)象； 當(dāng)掩膜厚度增大時(shí)， 這部分偏離直射的等離子體由較大深寬比的掩膜所承受， 而不會(huì)作用到超晶格臺(tái)面上， 因此頂部的側(cè)向鉆蝕現(xiàn)象消失［52］。

3 總結(jié)與展望

臺(tái)面刻蝕是將InAs/GaSb超晶格制成紅外探測(cè)器的必要環(huán)節(jié)， 也是限制其器件性能的因素之一。 過去的幾十年， 科研人員已經(jīng)探索和研究了刻蝕過程中不同工藝參數(shù)對(duì)臺(tái)面形貌的影響以及具體問題的解決。 本文將一些重要結(jié)論進(jìn)行歸納：

（1） 無論是濕法刻蝕還是干法刻蝕， 都存在刻蝕選擇性， 這是由InAs和GaSb不同的物理化學(xué)特性導(dǎo)致的。 二者的不均勻刻蝕必然使一方有殘留， 從而出現(xiàn)粗糙的表面形貌。 因此， 通過協(xié)調(diào)工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)InAs和GaSb的均勻刻蝕是獲得良好形貌的關(guān)鍵。

（2） 對(duì)于干法刻蝕來說， 其兼具化學(xué)性刻蝕和物理性刻蝕。 這兩個(gè)過程在實(shí)際的刻蝕中也應(yīng)該達(dá)到平衡。 前者過快會(huì)出現(xiàn)大量的低揮發(fā)性副產(chǎn)物無法清除干凈， 抑制刻蝕的進(jìn)行； 后者過快則導(dǎo)致較多的刻蝕損傷。

（3） 不同組分的InAs/GaSb超晶格， 如短波、 中波、 長(zhǎng)波、 甚長(zhǎng)波， 由于其之間InAs和GaSb的含量比例不同， 所以在刻蝕時(shí)必須選擇不同的工藝參數(shù)來達(dá)到平滑刻蝕表面的目的。

（4） 干法刻蝕相較于濕法刻蝕來說， 各向異性更強(qiáng)， 可以實(shí)現(xiàn)良好的側(cè)壁形貌和接近垂直的臺(tái)JDchzQgoRsP90FOXb2gijg==面傾角， 圖像轉(zhuǎn)移精度更高。

在未來的刻蝕工藝中， 應(yīng)當(dāng)利用干法刻蝕的長(zhǎng)處， 尤其是焦平面陣列的制造需要較大的深寬比和圖案轉(zhuǎn)移精度。 在此基礎(chǔ)上， 可以繼續(xù)嘗試不同類型刻蝕氣體的搭配， 如Cl2基和CH4基氣體的混合， 也可以尋找新的更利于刻蝕的氣體， 來完成InAs/GaSb超晶格材料化學(xué)性刻蝕和物理性刻蝕的協(xié)同進(jìn)行。 另外， 掩膜對(duì)超晶格材料的刻蝕形貌也具有很大影響， 臺(tái)面?zhèn)缺诘拇植诙韧鶑难谀ぶ袕?fù)制而來， 因此， 探究和優(yōu)化掩膜的刻蝕工藝或選擇更佳的掩膜或許不失為改善超晶格臺(tái)面形貌的一種方法。

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Research Review of InAs/GaSb Superlattice Mesa Etching Process

Zhang Xiangyu1， Jiang Dongwei2， 3*， He Wen1， Wang Jinzhong1

（1. School of Materials Science and Engineering， Harbin Institute of Technology， Harbin 150001， China；

2. Institute of Semiconductors， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100083， China；

3. College of Materials Science and Optoelectronics Technology，

University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China）

Abstract： This paper reviews the research on InAs/GaSb superlattice mesa etching technology. The physicochemi-cal mechanism and parameter control of wet and dry etching are analyzed to elucidate the influence of process conditions on mesa morphology， so as to suppress the surface leakage current of long wave and very long wave superlattice with narrow band-gap. The results show that the uniform etching of the two components can be achieved with the appropriate proportion of etching solution in wet etching， without causing rough surface and serious undercut. In dry etching， Cl2-base and CH4-base mixed gas is used. By adjusting the type and proportion of etching gas， the balance between physical and chemical etching processes can be achieved to ensure the smoothness of the mesa sidewall and the perpendicularity of the dip angle. In addition， for superlattices of different components， different process parameters need to be selected to meet the synergistic etching of InAs and GaSb. Finally， the InAs/GaSb superlattice mesa etching process is prospected.

Key words： InAs/GaSb superlattice; wet etching; dry etching; etching mechanism; process optimization