HgCdTe外延材料批量化生產(chǎn)及其質(zhì)量控制

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(dǎo)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(dǎo)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(shè)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(fù)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(chǔ)。

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(fù)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(yīng)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(dǎo)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(dǎo)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(shè)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(dǎo)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(dǎo)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(xué)機械拋光后加入無蠟化學(xué)拋光及腐蝕工藝,充分去除化學(xué)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(dǎo)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(dǎo)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(chǔ)。

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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(yīng)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(fù)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。