紅外器件鈍化膜專用磁控濺射系統(tǒng)研制及驗證

佘鵬程，龔 俊，黃 也，羅 超，范江華

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所，湖南 長沙 410111)

0 引言

隨著紅外技術(shù)的不斷發(fā)展，先進(jìn)的紅外系統(tǒng)要求探測器具有更高的探測識別能力，具備雙/多色同時探測能力、更加智能化，因此三代紅外焦平面探測器的主要標(biāo)志是雙/多色探測、超大規(guī)模凝視面陣、低成本制備等[1]。其中，雙/多色是三代器件的主要發(fā)展方向。碲鎘汞(HgCdTe，MCT)材料由于具有量子效率高、可高溫工作、響應(yīng)波長隨組份變化連續(xù)可調(diào)、不同組分晶格常數(shù)變化不大等顯著優(yōu)點，成為三代紅外焦平面探測器件發(fā)展的重點之一[2]。

雙色紅外探測器作為三代紅外探測器發(fā)展方向之一，能對雙波段輻射信息進(jìn)行處理，大大提高了系統(tǒng)抗干擾和目標(biāo)識別能力，應(yīng)用于導(dǎo)彈預(yù)警、紅外偵察、成像制導(dǎo)等多種領(lǐng)域[3]。鈍化技術(shù)是研發(fā)雙色探測器的關(guān)鍵技術(shù)之一，好的表面鈍化工藝可以減少碲鎘汞表面損傷，決定碲鎘汞器件表面的界面態(tài)，降低器件表面漏電流[4]。而表面漏電流占碲鎘汞反向飽和電流的主要部分。致密、高阻的鈍化層，可以很好地降低碲鎘汞器件表面復(fù)合速度和1/f噪聲效應(yīng)，提高探測器動態(tài)電阻和反向擊穿電壓，大大改善器件性能[5]。

國產(chǎn)常規(guī)磁控濺射設(shè)備無法滿足碲鎘汞器件多規(guī)格、小尺寸、低溫濺射、批量生產(chǎn)的要求，中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所針對碲鎘汞紅外器件特殊工藝需求，成功研制出全自動紅外器件鈍化膜專用磁控濺射系統(tǒng)，很好地解決了大尺寸范圍內(nèi)高質(zhì)量鈍化膜低溫沉積和基片上置可旋轉(zhuǎn)自動傳送要求。

1 紅外器件鈍化膜工藝特性分析

分析碲鎘汞紅外器件的制造工藝要求和發(fā)展需求，應(yīng)用于紅外器件鈍化膜專用磁控濺射系統(tǒng)的研制需要考慮以下幾個方面。

1)碲鎘汞紅外探測器件向集成化、高精度化的發(fā)展對鈍化層介質(zhì)薄膜性能提出了更高要求，如支持更大的基片尺寸、高的薄膜附著力和致密性以達(dá)到對HgCdTe器件的表面鈍化效果，低的工藝過程污染以提高器件的性能和工藝重復(fù)性，大面積的高均勻性以提高器件成品率和降低成本等。

2)碲鎘汞紅外探測器件的科研生產(chǎn)向規(guī)?；?、智能化的發(fā)展對設(shè)備的自動化和智能化水平提出了更高要求。設(shè)備應(yīng)具備較高的自動化程度和支持生產(chǎn)工藝管理和分析的數(shù)據(jù)接口。

3)碲鎘汞材料中，由于汞(Hg)元素的價鍵較弱，在碲鎘汞中很不穩(wěn)定，對外部粒子轟擊和溫度較為敏感，要求介質(zhì)膜必須在低溫下生長，且器件必須能經(jīng)常承受77K的低溫沖擊。因此，碲鎘汞紅外器件在整個生產(chǎn)工藝中的溫度控制極其重要，通過低溫沉積達(dá)到對基體材料的低損傷性是鈍化工藝重要的考慮因素。

4)碲鎘汞紅外器件的基片一般不是標(biāo)準(zhǔn)尺寸，通常不規(guī)則基片是卡壓或粘接在基片盤或標(biāo)準(zhǔn)硅片表面后再裝入基片臺，基片臺應(yīng)考慮創(chuàng)新設(shè)計，提高熱傳導(dǎo)性，以達(dá)到基片溫度控制的精確性和穩(wěn)定性要求，且具備低于零度的寬范圍高低溫控制能力。

5)鈍化膜硫化鋅材料在金屬表面附著力差，易產(chǎn)生粉塵，掉落到基片表面會造成顆粒污染，降低產(chǎn)量良率，要求基片采用正面朝向的傳片及工藝布局方式，滿足基片正面朝下可旋轉(zhuǎn)及可靠傳輸。

2 磁控濺射系統(tǒng)研制

根據(jù)真空鍍膜設(shè)備的設(shè)計經(jīng)驗和技術(shù)基礎(chǔ)，結(jié)合用戶工藝實際需求和工藝特點，借鑒國外先進(jìn)設(shè)備的技術(shù)實現(xiàn)方法，紅外器件鈍化膜專用磁控濺射系統(tǒng)的總體設(shè)計思路如下。

1)采用多腔集群式結(jié)構(gòu)，模塊化設(shè)計，濺射工藝腔采用單靶單片布局，基片上置，一個濺射工藝腔只做一種材料薄膜沉積工藝，杜絕不同材料之間的污染。

2)配置等離子清洗功能，去除表面自然氧化層和臟污，提高基片表面活性。

3)通過高均勻性磁控濺射布局設(shè)計和基片旋轉(zhuǎn)控制實現(xiàn)8英寸范圍內(nèi)高均勻薄膜沉積。

4)梯度真空設(shè)計，從裝卸片腔、傳送腔再到濺射工藝腔，依次提高極限真空度，為濺射工藝提供良好的工藝環(huán)境。

5)高精度液體控溫，滿足-20℃～200℃寬溫區(qū)高精度控溫。

6)多片裝載，一鍵式全自動操作，減少人工操作。

2.1 整機(jī)介紹

紅外器件鈍化膜專用磁控濺射系統(tǒng)主要由裝卸片模塊、傳送模塊、清洗模塊、濺射模塊、真空系統(tǒng)、水路系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)、電控系統(tǒng)組成。整機(jī)采用集群式構(gòu)架，中心為傳送模塊，四周外接裝卸片模塊、清洗模塊和2個濺射模塊、真空、水、氣、電控系統(tǒng)連接到各模塊，實現(xiàn)系統(tǒng)整機(jī)的全自動控制。

本項目工藝鈍化膜ZnS易產(chǎn)生粉塵，故采用基片上置，濺射靶下置，自下向上濺射布局模式。在清洗模塊和濺射模塊工藝腔內(nèi)，均配置有帶自對中彈性片托的旋轉(zhuǎn)基片臺，滿足基片盤旋轉(zhuǎn)運動穩(wěn)定夾持和上置傳輸?shù)男枨蟆?/p>

2.2 部件介紹

裝卸片模塊用于設(shè)備對外裝卸片盒。通過門閥與傳送腔相連，腔內(nèi)設(shè)計有用于基片盒升降的緩存系統(tǒng)，采用伺服電機(jī)精確控制基片盒的升降，配合機(jī)械手實現(xiàn)基片或基片盤在機(jī)械手手指和片盒之間的轉(zhuǎn)移。設(shè)備采用定制專用片盒，每盒8片。片盒升降時，腔體上設(shè)計的mapping傳感器可自動檢測到片盒內(nèi)各層是否有片，用于工藝取片時準(zhǔn)確定位到待取片位置。腔室設(shè)計升降真空門，采用2套同步氣缸控制真空門升降和壓緊密封圈，自動控制啟閉，方便基片盒的取放，同時還可以兼容配置SMIF裝置自動裝載片盒。

傳送模塊為整機(jī)傳送中心，多邊形結(jié)構(gòu)，本項目根據(jù)工藝需要連接1個裝卸片腔、1個清洗工藝腔、2個濺射工藝腔，各腔室與傳送腔之間采用門閥隔離，未外接腔體的法蘭口采用玻璃觀察窗密封。腔體內(nèi)配置有高真空機(jī)械手，負(fù)責(zé)基片盤在各腔室之間的交互傳遞。通過多傳感器檢測和控制系統(tǒng)實時狀態(tài)記錄，確?；P位置、工藝狀態(tài)正確，實現(xiàn)定位準(zhǔn)確、可靠的全自動傳送。

清洗模塊用于基片濺射沉膜前的表面等離子清洗，去除表面沾污和自然氧化層，提高表面活性，有利于提高膜層附著力。

濺射模塊采用自下向上濺射方式，基片臺安裝在濺射工藝腔上方，磁控濺射靶下置，兩者水平平行相對安裝，中間設(shè)計旋轉(zhuǎn)擋板用于非工藝時隔離靶和基片。2個濺射模塊的濺射靶分別安裝ZnS靶和CdTe靶，采用射頻電源進(jìn)行工藝濺射成膜。2個濺射工藝腔各配置10英寸圓形濺射靶1套，采用磁棒組合、多圈磁體結(jié)構(gòu)磁場設(shè)計，靶材間接冷卻，固定在銅背板上。濺射靶相對基片靶基距可調(diào)，偏心距離可調(diào)，用于工藝膜厚不均勻性的調(diào)節(jié)補(bǔ)償。

基片臺的設(shè)計上，采用彈性片托技術(shù)滿足旋轉(zhuǎn)基片盤穩(wěn)定夾持和上置可靠傳輸要求?；_結(jié)構(gòu)及控溫方式上，采用硅油恒溫控制器滿足高低寬溫區(qū)控溫要求，基片臺內(nèi)部設(shè)計螺旋水道和真空隔熱夾層，提高溫度分布均勻性及溫度穩(wěn)定性。控溫方式上，采用雙熱偶閉環(huán)控溫，實時檢測控溫液體和基片臺的實際溫度，優(yōu)化控溫算法融入整體熱模型，形成閉環(huán)控制，改善溫度控制響應(yīng)速度和控制精度。

控制系統(tǒng)采用分布式網(wǎng)絡(luò)控制，3層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，頂層采用主流工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，包含上位工控機(jī)與下位機(jī)PLC控制主站。中間層采用工業(yè)級現(xiàn)場總線CCLINK IE Field構(gòu)成，由下位機(jī)PLC控制主站與遠(yuǎn)程從站組成。底層主要采用設(shè)備傳感級總線構(gòu)成，根據(jù)射頻電源、機(jī)械手、智能儀表、控溫槽等自身接口不同，綜合采用RS232、RS485、模擬量等方式。

3 工藝驗證

紅外器件鈍化膜專用磁控濺射系統(tǒng)用于紅外器件的批量生產(chǎn)工藝，需要在保證工藝薄膜質(zhì)量的同時有著高可靠性和穩(wěn)定性，設(shè)備研制出來后進(jìn)行大量工藝試驗和自動傳片驗證，連續(xù)傳片1 000片均未出現(xiàn)碰撞和碎片現(xiàn)象，基片盤上置傳輸穩(wěn)定可靠。工藝均勻性方面通過優(yōu)化濺射靶和基片的相對物理參數(shù)，實現(xiàn)了8英寸范圍內(nèi)高沉膜均勻性，膜厚不均勻性優(yōu)于±3%。膜厚測試mapping圖如圖1所示。

圖1 膜厚測試mapping圖

4 結(jié)語

紅外器件鈍化膜專用磁控濺射系統(tǒng)針對鈍化膜工藝特性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)了8英寸范圍內(nèi)高均勻薄膜沉積和基片盤可旋轉(zhuǎn)上置可靠傳輸。目前設(shè)備已在用戶單位作為主力機(jī)臺進(jìn)行工藝生產(chǎn)，系統(tǒng)運行可靠、穩(wěn)定，同時也成為示范效應(yīng)，助推了設(shè)備的行業(yè)銷售應(yīng)用，得到市場認(rèn)可。