碲镉汞微台面红外探测芯片的光敏感元列阵成形方法 【技术领域】
本发明涉及光电探测器制造工艺技术，具体是指HgCdTe红外焦平面探测器微台面芯片光敏感元列阵加工的高占空比成形方法。
背景技术
红外焦平面列阵器件是既具有红外信息获取又具有信息处理功能的先进的成像传感器，在空间对地观测、光电对抗、机器人视觉、搜索与跟踪、医用和工业热成像、以及导弹精确制导等军、民用领域有重要而广泛的应用。由于其不可替代的地位和作用，世界上的主要工业大国都将碲镉汞红外焦平面列阵器件制备技术列为重点发展的高技术项目。
在高级红外应用系统的大力驱动下，红外探测技术已进入了以大面阵、小型化和多色化等为特点的第三代红外焦平面探测器的重要发展阶段，见S.Horn，P.Norton，T.Cincotta，A.Stoltz，et al，“Challenges for third-generation cooledimagers”，proceeding of SPIE，Vol.5074，2003，P44-51。随着光敏感芯片结构的不断复杂，传统的平面结探测器芯片工艺已经很难满足新一代红外焦平面探测器的发展。由于垂直集成的双色、多色光敏感元列阵需要在空间上进行电学隔离，而大面阵、小型化焦平面探测器也需要进行物理隔离来减小高密度光敏感元之间的电学串扰。为此，各个光敏感元采用物理隔离的深为10-30μm、大小为10×10-80×80μm2的深微台面列阵芯片是发展新一代HgCdTe红外焦平面探测器的必然途径，而深微台面列阵芯片加工的关键技术主要有深微台面芯片光敏感元列阵的高占空比成形、复合介质膜均衡钝化与欧姆接触金属化等。
其中，深微台面芯片光敏感元列阵的高占空比成形是在光敏感元列阵相互之间形成高深宽比隔离沟槽，以实现红外焦平面微台面芯片的光敏感元列阵分离。这要求隔离沟槽将原位掺杂p-n结材料完全被深沟槽隔断成光敏感元光电二极管微台面列阵，还需要确保微台面光敏感元列阵的公共基区层仍然保持连通，以形成分离的光敏感元列阵与公共电极之间的电学接触。这些光敏感元光电二极管列阵不仅相互之间是独立的、分离的，而且它们的公共基区又是相连的。同时，光敏感元列阵成形的隔离沟槽还必须有高深宽比，以确保深微台面列阵芯片光敏感元的高占空比。
虽然，等离子体干法刻蚀技术具有很好的各向异性，用以隔离深微台面列阵芯片可获得很高的光敏感元占空比。但是，干法刻蚀技术易导致在深微台面列阵芯片隔离沟槽侧壁产生电学损伤，从而对深微台面红外焦平面探测器电极接触以及电学性能造成不良影响。而且，常规湿化学腐蚀方法是各向同性的，存在严重的横向腐蚀。它即使不会引起隔离沟槽侧壁电学损伤，但严重的横向腐蚀使其不能满足深微台面列阵芯片的光敏感元高占空比隔离的要求。
【发明内容】
基于上述已有深微台面芯片光敏感元列阵的成形方法存在的问题，本发明的目的是提供一种操作方便、深度可控与均匀、无电学损伤和无需昂贵装置的深微台面芯片光敏感元列阵的高占空比成形方法。
为了达到上述目的，本发明采用先于HgCdTe红外焦平面探测芯片表面制作用于形成深微台面列阵芯片隔离沟槽的光刻胶掩蔽膜图形，然后利用旋转涂敷的方法往光刻胶掩蔽膜构成的沟槽图形内填充一定数量的碲镉汞材料的溴与氢溴酸混合腐蚀液，并通过控制光刻胶掩蔽膜形成的隔离沟槽图形的深度和腐蚀时间来控制深微台面列阵芯片所需的隔离沟槽深度的技术方案。
本发明在深微台面列阵芯片隔离沟槽的湿化学腐蚀过程中，巧妙地应用了碲镉汞腐蚀液自身存在重量的特性和在腐蚀过程中腐蚀液不断损失的客观规律。这是由于腐蚀液因自身的重量在湿化学腐蚀过程中其液面不断下降，致使已腐蚀的碲镉汞列阵芯片沟槽侧壁随着湿化学腐蚀的继续而不断地露出碲镉汞腐蚀液的液面，从而不断阻止露出腐蚀液液面地隔离沟槽侧壁的横向腐蚀，进而提高深微台面芯片光敏感元列阵的占空比。而且，在隔离沟槽内的腐蚀液会随着湿化学腐蚀的不断进行而不断减小，这可避免出现顶部窄、底部宽倒“喇叭口”的隔离沟槽，有利于进一步提高深微台面芯片的光敏感元列阵占空比和光电探测性能。于是，通过合理地控制腐蚀时间和光刻胶掩蔽膜形成的隔离沟槽图形的深度，可方便地实现高均匀性和无工艺诱导损伤的深微台面芯片光敏感元列阵的高占空比成形。
上述技术方案的光敏感元列阵成形方法如下：
A.采用传统的光刻技术，在HgCdTe红外焦平面探测芯片表面制作用于形成深微台面列阵芯片隔离沟槽的光刻胶掩蔽膜图形，掩蔽膜厚度为1-6μm，掩蔽膜图形开口宽度为1-8μm。
B.采用类似于旋转涂敷光刻胶的方法，往光刻胶掩蔽膜的沟槽图形内填充腐蚀碲镉汞材料的溴(Br2)与氢溴酸(HBr)腐蚀液，Br2与HBr的体积配比为0.1-1％∶1，旋转涂敷的转速为1000-4000转/分钟，旋转涂敷时间为10-40秒。
C.通过控制腐蚀时间来达到控制HgCdTe微台面芯片隔离沟槽的腐蚀深度，腐蚀时间为5-150秒。
D.腐蚀完用去离子水清洗碲镉汞红外焦平面探测芯片光敏感元列阵隔离沟槽内残余的腐蚀液，再用丙酮去除深微台面芯片光敏感元列阵表层的光刻胶掩蔽膜图形，最终完成深微台面芯片光敏感元列阵的高占空比成形。
本发明的最大优点是：利用碲镉汞腐蚀液自身存在重量特性和在腐蚀过程中腐蚀液不断损失的客观规律，并通过合理地控制腐蚀时间和光刻胶掩蔽膜构成的隔离沟槽图形的深度，可方便地实现深微台面芯片光敏感元列阵的高占空比成形，具有与HgCdTe探测芯片常规工艺完全兼容、低成本、高可控性、高均匀性和无工艺诱导电学损伤等特点。
【附图说明】
图1是本发明完成高占空比深微台面芯片光敏感元列阵成形的工艺流程与原理示意图。(a)图为由常规光刻技术获得的光刻胶掩蔽膜图形情况；(b)图为利用常规旋转涂敷的方法往光刻胶掩蔽膜沟槽图形内填充完溴与氢溴酸混合腐蚀液的情况；(c)图为隔离沟槽在腐蚀过程中露出腐蚀液的情况；(d)图为清洗掉深微台面芯片光敏感元列阵隔离沟槽内腐蚀液的情况；(e)图为去除完光刻胶掩模图形后深微台面芯片光敏感元列阵的情况。
图2是：常规湿化学腐蚀方法获得的深微台面芯片光敏感元列阵的形貌图。
图3是：本发明湿化学腐蚀方法获得的深微台面芯片光敏感元列阵的形貌图。
【具体实施方式】
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明：
A.采用传统的光刻技术和商用光刻胶AZ4620，在碲镉汞红外焦平面探测芯片1表面制作用于形成深微台面列阵芯片隔离沟槽的光刻胶掩蔽膜图形2，掩蔽膜厚度为3μm，掩蔽膜图形开口宽度为5μm，掩蔽膜正方形图形2大小为45μm2，掩蔽膜正方形图形之间中心距为50μm。
B.采用类似于旋转涂敷光刻胶的方法，往光刻胶掩蔽膜的沟槽图形内填充腐蚀碲镉汞材料的溴(Br2)与氢溴酸(HBr)腐蚀液3，Br2与HBr的体积配比为0.5％∶1，旋转涂敷的转速为2000转/分钟，旋转涂敷时间为20秒。
C.在旋转涂敷完湿化学腐蚀液后，进行HgCdTe微台面芯片隔离沟槽的湿化学腐蚀，腐蚀时间为120秒。
D.腐蚀完用去离子水清洗碲镉汞红外焦平面探测芯片光敏感元列阵隔离沟槽103内残余的腐蚀液3，再用丙酮去除深微台面芯片光敏感元列阵表层的光刻胶掩蔽膜图形2，最终完成深微台面芯片光敏感元列阵的高占空比成形。
图2是常规湿化学腐蚀方法获得的深微台面芯片光敏感元列阵的形貌图。如图2所示，深微台面列阵隔离沟槽的宽度很大，深微台面顶部面积很小。这不仅会增加在深微台面顶部制备光敏感元电极和信号引出铟柱的难度，而且还会造成深微台面列阵芯片占空比的损失，从而引起探测器的响应率和探测率的降低。
图3是本发明湿化学腐蚀方法获得的深微台面芯片光敏感元列阵的形貌图。如图3所示，深微台面列阵隔离沟槽的宽度很小。虽然图2和图3样品的光刻工艺、光刻胶掩模图形和湿化学腐蚀所用腐蚀液都是相同的，但本发明的湿化学腐蚀方法明显减小了深微台面列阵隔离沟槽的宽度，即提高了深微台面列阵芯片的占空比。由图2和图3的试验数据可以计算得到，本发明获得的中心距为50μm深微台面列阵芯片占空比为52％，是常规湿化学腐蚀方法的2倍。因而，本发明的湿化学腐蚀方法基本能满足深微台面芯片光敏感元列阵隔离的成形工艺要求。
由于本发明与深微台面芯片列阵加工工艺完全兼容，且获得的隔离沟槽具有深度可控和均匀，以及深微台面芯片光敏感元列阵具有较高的占空比，表明本发明的湿化学腐蚀方法是可行的、合理的。