銻化銦的電極因三維特性易產(chǎn)生側(cè)壁斷裂問題，互聯(lián)的銦柱會(huì)侵入電極內(nèi)部，影響銻化銦芯片的可靠性。銻化銦紅外探測(cè)器的電極常采用離子束沉積方法、熱蒸發(fā)方法等進(jìn)行制備。制備時(shí)采用剝離工藝，即銻化銦芯片除電極孔與部分鈍化層外，其余部分均被光刻膠覆蓋（見圖1）；進(jìn)行整片電極沉積后，通過濕化學(xué)處理將多余電極剝離去除。因?yàn)殡姌O孔存在垂直坡度，電極與鈍化層側(cè)壁的接觸覆蓋尤為關(guān)鍵，電極側(cè)壁的斷裂會(huì)使互聯(lián)的銦柱侵入電極內(nèi)部，嚴(yán)重影響芯片的可靠性。

圖1 銻化銦電極制備示意圖

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，華北光電技術(shù)研究所和中國人民解放軍93160部隊(duì)的科研團(tuán)隊(duì)在《紅外》期刊上發(fā)表了以“銻化銦紅外探測(cè)器的三維電極成型技術(shù)”為主題的文章。該文章第一作者為張澤群助理工程師，主要從事紅外探測(cè)器方面的研究工作。

本文通過對(duì)不同設(shè)備、不同條件下制備的銻化銦電極的三維覆蓋情況進(jìn)行表征，探究可行的銻化銦電極制備方式。

實(shí)驗(yàn)方案

通過對(duì)銻化銦單晶材料進(jìn)行高溫?zé)釘U(kuò)散處理來制備p-n結(jié)。經(jīng)正面減薄后，p型層的厚度減小。采用濕法腐蝕法制備臺(tái)面，隨后通過化學(xué)氣相沉積設(shè)備在銻化銦表面形成鈍化層，并使用濕法腐蝕得到電極接觸孔。接著利用離子束沉積設(shè)備、熱蒸發(fā)設(shè)備、磁控濺射設(shè)備分別進(jìn)行相同電極體系的制備。電極制備完成后，通過FIB與SEM表征金屬電極在銻化銦上的三維覆蓋情況。表1列出了5組樣品的電極制備方式及工藝設(shè)備信息。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

熱蒸發(fā)制備

熱蒸發(fā)方法通過對(duì)金屬材料進(jìn)行加熱，使其蒸發(fā)氣化并在芯片表面冷卻沉積，最終形成金屬薄膜。使用國產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行電極的熱蒸發(fā)制備。銻化銦芯片有光刻膠覆蓋，因此在工藝過程中不對(duì)樣品盤進(jìn)行加熱。

完成熱蒸發(fā)電極制備后，在進(jìn)行電極剝離工藝時(shí)會(huì)出現(xiàn)大部分電極脫落的情況。隨機(jī)選取兩個(gè)電極未脫落處正常像元的電極，并對(duì)其進(jìn)行FIB處理。通過SEM表征電極的三維覆蓋情況（見圖2）。可以看出，金屬電極的三維覆蓋情況較好，未出現(xiàn)側(cè)壁斷裂的現(xiàn)象。

圖2 通過熱蒸發(fā)制備的電極經(jīng)FIB處理后的SEM圖像

與磁控濺射方法和離子束沉積方法相比，用熱蒸發(fā)方式制備的電極薄膜致密度相對(duì)較差，且制備時(shí)未對(duì)樣品盤進(jìn)行加熱處理，加劇了電極金屬的脫落。因此，熱蒸發(fā)方式不適于用濕化學(xué)剝離法的銻化銦電極制備。

磁控濺射制備

使用多靶磁控濺射設(shè)備進(jìn)行銻化銦的電極制備。制備完成后，在進(jìn)行電極剝離工藝時(shí)，出現(xiàn)大范圍電極剝離殘留的現(xiàn)象。隨機(jī)選取兩處正常像元的電極進(jìn)行FIB處理，并通過SEM表征電極的三維覆蓋情況（見圖3）。可以看出，金屬電極的三維覆蓋情況較好，未出現(xiàn)側(cè)壁斷裂的現(xiàn)象。

圖3 通過磁控濺射制備的電極經(jīng)FIB處理后的SEM圖像

但用磁控濺射法制備的電極剝離時(shí)存在殘留。在后續(xù)的器件工藝中，當(dāng)銻化銦芯片與硅讀出電路互聯(lián)時(shí)，殘留的金屬電極會(huì)與互聯(lián)使用的銦結(jié)合，造成部分像元互聯(lián)失敗等異常問題，存在較大的可靠性隱患。因此，磁控濺射不適于用濕化學(xué)剝離方法的銻化銦電極制備。

離子束沉積制備

離子束沉積設(shè)備通過離子源引出高能氬離子，使其撞擊金屬靶材后形成金屬粒子。金屬粒子經(jīng)過電場(chǎng)后沉積到位于樣品臺(tái)的銻化銦芯片表面。在離子束沉積金屬薄膜過程中，束壓是指從離子源射出的惰性氣體離子所攜帶的能量，束流是指單位時(shí)間、單位面積從離子源中發(fā)射的離子數(shù)量。較高的束壓與束流會(huì)對(duì)銻化銦表面造成損傷。實(shí)驗(yàn)過程中，均采用低損傷條件的束壓和束流進(jìn)行樣品制備。現(xiàn)階段有兩臺(tái)用于銻化銦電極制備的離子束沉積設(shè)備（一號(hào)機(jī)和二號(hào)機(jī)）。

一號(hào)離子束沉積設(shè)備（一號(hào)機(jī)）

一號(hào)機(jī)設(shè)計(jì)較為特殊，樣品臺(tái)處于水平位置，且其工作角度無法調(diào)整。因此金屬粒子的入射分布固定，無法進(jìn)行調(diào)節(jié)。

制備完成后，在不同位置隨機(jī)選取若干像元，通過SEM表征電極的三維覆蓋情況（見圖4）。可以看出，銻化銦側(cè)壁電極與底面電極之間存在縫隙。這是由于樣品臺(tái)的角度固定，金屬粒子在側(cè)壁的沉積分布較差，無法實(shí)現(xiàn)電極側(cè)壁的完全沉積。

圖4 用一號(hào)機(jī)制備的銻化銦電極的三維覆蓋圖

二號(hào)離子束沉積設(shè)備（二號(hào)機(jī)）

二號(hào)機(jī)樣品臺(tái)的角度能夠任意調(diào)節(jié)，故可以通過調(diào)整樣品臺(tái)的角度改變金屬粒子的入射分布。該設(shè)備通過樣品臺(tái)的自轉(zhuǎn)滿足軸向位置的均勻性，并通過修正擋板滿足徑向位置的均勻性。制備時(shí)，裝配修正擋板，設(shè)置樣品臺(tái)與水平方向的夾角為15°。

制備完成后，在不同位置隨機(jī)選取若干像元，通過SEM表征電極的三維覆蓋情況（見圖5）。可以看出，當(dāng)樣品臺(tái)與水平方向存在一定角度時(shí)，銻化銦電極的側(cè)壁覆蓋要優(yōu)于一號(hào)機(jī)樣品，但在某些像元點(diǎn)仍有部分裂隙。

圖5 用裝配修正擋板的二號(hào)機(jī)制備的銻化銦電極的三維覆蓋圖

二號(hào)機(jī)在設(shè)計(jì)中采用修正擋板。它是一塊具有特定形狀的金屬片。當(dāng)樣品臺(tái)旋轉(zhuǎn)到修正擋板下時(shí)，金屬粒子均沉積到修正擋板上。通過改變修正擋板的形狀來實(shí)現(xiàn)徑向沉積厚度的一致性。但考慮到實(shí)際工藝情況，雖然金屬沉積的總量是一致的，但在經(jīng)過固定位置的修正擋板時(shí)，位于該處電極側(cè)壁的金屬沉積減少，造成電極斷裂。且在實(shí)施工藝時(shí)，只需保證芯片位置沉積厚度的一致性即可，無需保證整個(gè)樣品盤的一致性。

在保證其他工藝條件一致的前提下，移除修正擋板后進(jìn)行樣品的制備。接著在不同位置隨機(jī)選取若干像元，通過SEM表征電極的三維覆蓋情況（見圖6）。可以看出，在相同的工藝條件參數(shù)下，用改造后的二號(hào)機(jī)制備的銻化銦電極的三維覆蓋效果得到了明顯的提升。該方法解決了電極裂縫問題，消除了芯片的工藝隱患，因此可以穩(wěn)定、批量地進(jìn)行電極制備。

圖6 用移除修正擋板的二號(hào)機(jī)制備的銻化銦電極的三維覆蓋圖

結(jié)束語

本文分別采用熱蒸發(fā)、磁控濺射和離子束沉積等方式進(jìn)行了銻化銦的電極制備，探究了不同方法、不同設(shè)備制備銻化銦三維電極的效果。結(jié)果表明，用熱蒸發(fā)、磁控濺射方式制備的電極三維覆蓋較好，但兩者分別存在電極脫落和剝離困難的問題，不適于銻化銦的電極剝離制備；使用一號(hào)離子束沉積設(shè)備進(jìn)行制備時(shí)，由于樣品臺(tái)的角度無法調(diào)節(jié)，金屬粒子的入射角度不在最優(yōu)狀態(tài)，電極的三維覆蓋較差；使用二號(hào)離子束沉積設(shè)備進(jìn)行制備時(shí)，通過移除修正擋板，解決了電極側(cè)壁斷裂的問題，實(shí)現(xiàn)了大批量銻化銦電極的穩(wěn)定制備。下一步將對(duì)采用電極刻蝕技術(shù)路線的電極制備方式進(jìn)行探究。

審核編輯：劉清