HgCdTe材料的溴-甲醇抛光工艺研究

HgCdTe材料的溴-甲醇抛光工艺研究

   摘要：  碲镉汞( HgCdTe)红外探测器制备中的化学一机械抛光工艺会在碲镉汞材料表面形成一定深度的损伤层。用溴一甲醇化学机械抛光取代溴腐蚀工艺，有效地降低了抛光过程所产生的表面损伤。在溴一甲醇抛光工艺中，可变参数有溶液的浓度比、抛光时间、转盘转速等，不同的参数组合对于抛光效果有不同的影响，经过正交试验可以以较少的试验次数高效经济地得到最佳的溴一甲醇抛光工艺参数组合。以该优化参数进行抛光所得到的碲镉汞材料通过XRD测试以及Ar+刻蚀后表面形貌的测试表明，HgCdTe晶片表面剩余损伤大大减小。

   关键词：  HgCdTe;化学机械抛光；表面损伤；XRD

O  引言

   Hg1-xCdxTe红外探测器是目前应用最广的红外探测器之一，一直以来在红外探测领域发挥着十分重要的作用。随着HgCdTe红外探测器性能指标的不断提高，对碲镉汞器件的制备工艺要求也越来越高。其中碲镉汞材料的抛光作为整个器件制备流程的开始，抛光效果会直接影响最终器件的性能。

通常采用的碲镉汞材料抛光工艺为化学机械抛光，抛光后会在碲镉汞表面造成一定深度的损伤，之后的溴一乙醇腐蚀工艺只能减轻部分损伤，并且所得的表面凹凸不平，表面形态较差，影响最终器件的性能。本研究采用溴一甲醇抛光工艺来取代传统的溴一乙醇腐蚀工艺，以降低直至消除抛光工艺所造成的损伤，经过Ar+刻蚀呈现材料位错方法以及对材料进行XRD测试，结果表明经过溴一甲醇抛光工艺的HgCdTe材料中的损伤大大减小了，达到了预期效果。本文研究了溴一甲醇抛光工艺中溴浓度、抛光时间和转盘转速这三个因素对抛光结果的影响，并通过正交实验得出了最佳工艺参数。

1  实验

1.1  实验样品

   实验所采用的Hgl-xCdxTe材料采用区熔法生长。生长出的多晶材料置于约300℃的饱和Hg蒸气中退火后切割成晶片，通过红外透射谱方法测得其组分x=0. 28。霍尔测试得到77 K下材料的电子浓度为6. 44×10¹⁵ cm-3。

1.2  实验方法

   首先通过选取同一锭条的五片材料，分别编号为0#，l#，2#，3#，4#，进行溴腐蚀与溴甲醇抛光工艺的对比。之后按照正交设计确定的参数进行溴一甲醇化学机械抛光，以确定最佳的工艺参数。考虑到锭条不同位置的材料可能存在均匀性的差别，我们将0#晶片切成3等分，分别编号01，02，03。3份材料都首先进行粗抛~精抛化学机械抛光，粗抛液中的Al2O3颗粒粒度约为3～4 um，精抛液中的AL2O3颗粒粒度约为800 nm。通过正交设计确定的参数变化具体如下：第一轮溴一甲醇浓度比为1：300，01、02和03片子的抛光时间分别为5、10和15min，转盘转速分别为30、40和50 r/min。实验结束后将材料重新抛光，按照上述过程再进行粗抛一精抛一溴一甲醇抛光，溴一甲醇浓度比为1: 280，抛光时间分别为5、10和15 min，转盘转速分别为50、40和30 r/min。结束后按照上述过程再进行第三轮抛光，溴一甲醇浓度比为1: 260，抛光时间分别为5、10和15 min，转盘转速分别为50、30和40 r/min。对于1#，2#，3#，4#圆片，根据正交试验设计确定的参数组合进行XRD测试以及Ar+刻蚀，以期对参数进行验证或进一步优化。

2  实验结果与讨论

2.1  溴一甲醇抛光工艺参数的优化

   在溴一甲醇化学机械抛光中，可调节因素有溴浓度、抛光时间、转盘转速这三个因子，采用正交试验可以得到最佳组合。

   三个可变因子：浓度比、抛光时间、转盘转速分别以A、B、C来表示。A1、A2、A3分别表示浓度比为1：300、1：280、1: 260；B1、B2、B3分别表示抛光时间为5、10、15 min；CI、C2、C3分别表示转盘转速为30、40、50 r/min。以抛光后表面单位面积划痕数作为衡量抛光结果的参数，正交试验结果见表1。

   表l  正交试验结果

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┃        ┃          ┃    试验条件                            ┃  单位面积  ┃

┃        ┃          ┣━━━━━━┳━━━━━━┳━━━━━━┫            ┃

┃试验号  ┃水平组合  ┃            ┃抛光时间／  ┃转盘转速／  ┃            ┃

┃        ┃          ┃  浓度比    ┃            ┃            ┃  划痕数    ┃

┃        ┃          ┃            ┃    mm      ┃  ( r/min)  ┃            ┃

┃    1   ┃ AIBICl   ┃ 1：300     ┃    5       ┃    30      ┃    1. 28   ┃

┃    2   ┃  AIB2C2  ┃  1 : 300   ┃    10      ┃    40      ┃    0.5     ┃

┃    3   ┃ AIB3C3   ┃ 1:300     ┃    15      ┃    50      ┃    0. 643  ┃

┃    4   ┃ A2BIC2   ┃ 1: 280     ┃    5       ┃    40      ┃    0. 214  ┃

┃    5   ┃ A282C3   ┃ 1 : 280    ┃    10      ┃    50      ┃    O．428  ┃

┃    6   ┃ A283C1   ┃  1：280    ┃    15      ┃    30      ┃    0. 286  ┃

┃    7   ┃  A3BIC3  ┃  1: 260    ┃    5       ┃    50      ┃    O．167  ┃

┃    8   ┃ A382C1   ┃ 1: 260     ┃    10      ┃    30      ┃    0.5     ┃

┃    9   ┃ A383C2   ┃ 1: 260     ┃    15      ┃    40      ┃    0       ┃

┃        ┃    I     ┃    2. 423  ┃    1- 661  ┃    2. 066  ┃            ┃

┃        ┃    Ⅱ    ┃    0. 928  ┃    1. 428  ┃    0. 714  ┃            ┃

┃        ┃    Ⅲ    ┃    0. 667  ┃    0. 929  ┃    1. 238  ┃            ┃

┃        ┃    K1    ┃  1. 211 5  ┃  0. 830 5  ┃  1. 033    ┃            ┃

┃        ┃    K2    ┃    0. 464  ┃    o．714  ┃    0. 357  ┃            ┃

┃        ┃    K3    ┃  0. 333 5  ┃  0. 464 5  ┃    0. 619  ┃            ┃

┃        ┃    R   ┃    0. 878  ┃    0. 366  ┃    0. 676  ┃            ┃

┃        ┃    S     ┃    2. 409  ┃  0. 377 7  ┃  1. 247 4  ┃            ┃

   表1中I、Ⅱ、Ⅲ分别为各对应列（因子）实验结果的估计值，其计算式足：I i(Ⅱi，Ⅲi)等于第i列对应的因子的数据和。表l中，K,为i因子数据的综合平均。极差R表示因子对结果的影响幅度，为综合平均K中最大值与最小值的差，R项中数值越大，表明该因子对实验结果的影响越大。S为变动平方和，即每列中I、Ⅱ、Ⅲ所对应数值的均方差。

   由R项可以看出，对于抛光结果的影响，浓度比的影响最大，其次是，转盘转速，再次是抛光时间。从K项中可以看出，对于浓度比，1: 260的划痕数最小，1：280其次，1: 300划痕情况最差，也即浓度比越高，抛光效果越好；对于抛光时间，15 min的划痕平均划痕数最小，10 min其次，5 min划痕情况最差，也即抛光时间越长，抛光效果越好；对于转盘转速，40 r/min的平均划痕数最小，50 r/min其次，30r/min划痕情况最差，即40 r/min是最佳转速。

   最终得出结论：A3B3C2是最佳的组合，即浓度比为1: 260，抛光时间为io min，转速为40 r/min。

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