分子束外延用碲锌镉衬底预处理方法
技术领域
本发明涉及外延衬底预处理技术领域领域，尤其涉及一种分子束外延用碲锌镉衬底预处理方法。
背景技术
碲镉汞材料是高性能红外焦平面探测器的首选材料，通过调节镉的组分，碲镉汞的带隙可以实现在0～1.6eV之间连续变化，而其所对应的波长能够完全覆盖短波(1.7～3μm)、中波(3～5μm)、长波(8～10μm)和甚长波(＞12μm等整个红外波段。
现阶段，世界各国大力发展以大面阵、甚长波、双多色甚至多波段、低成本为代表的第三代红外焦平面探测器。第三代红外焦平面探测器对碲镉汞材料的面积、性能、可靠性等参数提出了更高的要求。分子束外延技术是在超高真空条件下，将构成晶体各组分和掺杂原子按照一定比例和一定热运动速度，喷射到一定温度的衬底表面上进行的薄膜外延技术。与其他外延技术相比，分子束外延技术具有“柔性制造”特点，外延结构灵活可控，组分厚度精确可调且均匀性良好；外延尺寸大，能够保证外延大面积材料的要求；可以外延生长多层复杂结构以及实现原位掺杂，为器件制备台面结提供可能。因此分子束外延碲镉汞技术成为制备大规模、双多色等第三代红外焦平面探测器最有希望的主流技术。
采用分子束外延方法外延生长碲镉汞材料，其衬底的性能在很大程度上决定了碲镉汞外延材料的性能。目前常用的碲镉汞外延用衬底包括碲锌镉(CdZnTe，CZT)、硅(Si)、砷化镓(GaAs)、锗(Ge)和蓝宝石(Sapphire)衬底(Al2O3)。
碲锌镉材料和碲镉汞材料晶体结构相同，通过调整锌组分(Cd1-xZnxTe中x≈0.04)，两者之间能在晶格上实现完全匹配，实现准同质外延，相对于其他衬底其外延生长晶格失配小，由晶格失配形成的位错等缺陷密度小；它与碲镉汞材料理化特性相近，使得碲锌镉衬底上外延生长碲镉汞材料制备的红外探测器的稳定性更好。由于碲锌镉材料的上述优点，碲锌镉材料至今仍是制备高性能碲镉汞红外焦平面探测器最佳的衬底材料。
但是由于在碲锌镉衬底在制备过程中需要经过切磨抛等过程，所以在衬底表面存在损伤层、氧化层和沾污等情况，如果采用溴甲醇作为抛光液，衬底表面还会存在富碲层，所以碲锌镉衬底很难做到即开即用(Epi-Ready)。正是由于上述表面问题，使得衬底在正式生长碲镉汞之前必须经过湿化学处理、高温热处理或者回旋共振等离子体处理等衬底表面预处理工艺，使得生长碲镉汞之前形成干净、平滑以及近化学计量比的衬底表面。尤其是分子束外延技术，它对衬底表面状态极其敏感。
当前国外常用的分子束外延用碲锌镉衬底晶面为(211)B晶面，其常用的衬底预处理方法为直接湿化学腐蚀处理方法，通常采用0.5～2％vol％溴甲醇(溴与甲醇的体积比为0.5～2％)腐蚀10～30秒，其目的是去除表面损伤层以及氧化层等，同时保持衬底表面粗糙度低于1nm。
然而传统的湿化学预处理方法存在如下问题：第一、衬底常规湿化学预处理之后表面粗糙度大。采用0.5～2％vol％溴甲醇腐蚀10～30秒，衬底表面粗糙度(RMS)大于3nm，即使腐蚀1秒，其衬底表面粗糙度大于3nm，无法达到国际上公认的分子束外延碲镉汞材料的衬底表面粗糙度要求(小于1nm)；同时其反射式高能电子衍射图样(RHEED)呈点状，RHEED图样反映衬底表面原子排列，这说明衬底表面呈三维岛状，不利于分子束外延碲镉汞过程中形成台阶流生长模式。第二、衬底湿化学预处理后表面状态重复性差。各衬底实际损伤层及氧化层等厚度不同，采用相同湿化学预处理之后，表面粗糙度及富碲层护照那个太不一致，导致RHEED图样不重复，不利于后期碲镉汞分子束外延工艺的使用。
发明内容
本发明实施例提供一种分子束外延用碲锌镉衬底预处理方法，用以解决现有技术中存在的碲锌镉衬底预处理后表面粗糙度大的问题。
第一方面，本发明实施例提供一种分子束外延用碲锌镉衬底预处理方法，所述方法包括如下步骤：
步骤一、利用化学抛光液对碲锌镉衬底表面进行化学抛光处理，获得抛光后的碲锌镉衬底；
步骤二、利用第一湿化学清洗液和第二湿化学清洗液依次对所述抛光后的碲锌镉衬底进行清洗以去除碲锌镉衬底表面的有机物；
步骤三、利用湿化学腐蚀溶液对清洗后的碲锌镉衬底表面进行湿化学腐蚀处理；
步骤四、利用第三湿化学清洗液对腐蚀处理后的碲锌镉衬底表面进行漂洗以去除碲锌镉衬底表面的残留试剂；
步骤五、对漂洗后的碲锌镉衬底表面进行干燥处理，并将经过干燥处理后的碲锌镉衬底转移至真空腔室。
可选的，所述化学抛光液为0.05％vol％～0.5％vol％溴甲醇抛光液。
可选的，所述步骤一中，进行化学抛光处理的时间为10～30秒。
可选的，所述第一湿化学清洗液为丙酮；利用第一湿化学清洗液清洗的时间为2～3分钟。
可选的，所述第二湿化学清洗液为甲醇；利用第二湿化学清洗液清洗的时间为2～3分钟。
可选的，所述湿化学腐蚀溶液为0.01％vol％～0.1％vol％溴甲醇腐蚀液。
可选的，所述步骤四中，进行湿化学腐蚀处理的时间为30～60秒。
可选的，所述第三湿化学清洗液为甲醇；利用第三湿化学清洗液对腐蚀后的碲锌镉衬底表面进行漂洗的时间为2～3分钟。
可选的，所述步骤五中，对漂洗后的碲锌镉衬底表面进行干燥处理具体为：采用氮气吹干法对漂洗后的碲锌镉衬底表面进行干燥处理。
本发明实施例通过在碲锌镉衬底进腔之前采用0.5％vol％溴甲醇抛光液进行化学抛光10～30秒，以保证衬底表面粗糙度控制在1nm以下，同时去除氧化层和部分的损伤层。之后衬底表面湿化学腐蚀处理，采用0.01％vol％溴甲醇腐蚀液腐蚀30～60秒，去除表面损伤层及新形成的氧化层。经过本发明中的方法处理后的碲锌镉，能使碲锌镉衬底表面粗糙度在1nm左右，解决了现有的经过处理后的碲锌镉衬底表面粗糙度大的问题，为后期碲镉汞分子束外延工艺提供了保证。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为碲锌镉衬底预处理方法流程图；
图2a为未经过处理的碲锌镉衬底表面的原子力显微图；
图2b为经过传统方法处理后的碲锌镉衬底表面的原子力显微图；
图2c为经过本发明方法处理后的碲锌镉衬底表面的原子力显微图；
图3a为经过处理的碲锌镉衬底表面的反射式高能电子衍射图样；
图3b为经过传统方法处理后的碲锌镉衬底表面的反射式高能电子衍射图样；
图3c为经过本发明方法处理后的碲锌镉衬底表面的反射式高能电子衍射图样。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明第一实施例提供一种分子束外延用碲锌镉衬底预处理方法，如图1所示，包括以下具体步骤：
步骤S1：利用化学抛光液对碲锌镉衬底表面进行化学抛光处理，获得抛光后的碲锌镉衬底；
本步骤中的化学抛光液为0.05％vol％～0.5％vol％溴甲醇抛光液。进行化学抛光处理的时间为10～30秒。
步骤S2：利用第一湿化学清洗液和第二湿化学清洗液依次对所述抛光后的碲锌镉衬底进行清洗以去除碲锌镉衬底表面的有机物；
具体的，第一湿化学清洗液为丙酮；利用第一湿化学清洗液清洗的时间为2～3分钟。
第二湿化学清洗液为甲醇；利用第二湿化学清洗液清洗的时间为2～3分钟。
步骤S3：利用湿化学腐蚀溶液对清洗后的碲锌镉衬底表面进行湿化学腐蚀处理；
具体的本步骤中，湿化学腐蚀溶液为0.01％vol％～0.1％vol％溴甲醇腐蚀液；进行湿化学腐蚀处理的时间为30～60秒。
步骤S4：利用第三湿化学清洗液对腐蚀处理后的碲锌镉衬底表面进行漂洗以去除碲锌镉表面的残留试剂；
本步骤中第三湿化学清洗液为甲醇；利用第三湿化学清洗液对腐蚀后处理后的碲锌镉衬底表面进行漂洗的时间为2～3分钟。
步骤S5：对漂洗后的碲锌镉衬底表面进行干燥处理，并将经过干燥处理后的碲锌镉衬底转移至真空腔室。
具体的，本步骤中是采用氮气枪将衬底表面试剂溶液吹干以对碲锌镉衬底表面进行干燥处理，然后迅速转移进分子束外延设备的真空腔室中以备待用。
本发明第二实施例提供一种分子束外延用碲锌镉衬底预处理方法，包括：
首先将制备好的碲锌镉衬底固定在样品盘上，配置0.5％vol％溴甲醇抛光液，利用化学抛光机进行10秒化学抛光。
将化学抛光后的碲锌镉衬底从样品盘上取下，放入清洗夹具中，分别采用丙酮和甲醇漂洗，去除衬底表面有机物，漂洗时间各为2分钟。
将清洗后的碲锌镉衬底转入衬底腐蚀夹具中，并配置0.01％vol％溴甲醇腐蚀液，再将衬底腐蚀夹具浸入溴甲醇腐蚀液中腐蚀30秒。
使用甲醇漂洗腐蚀后的碲锌镉衬底以去除衬底表面试剂残留，漂洗时间3分钟。
甲醇漂洗之后迅速采用氮气枪将衬底表面试剂溶液吹干，然后迅速转移进分子束外延设备的真空腔室中以备待用。
本发明第三实施例提供一种分子束外延用碲锌镉衬底预处理方法，包括：
首先将制备好的碲锌镉衬底固定在样品盘上，配置0.05％vol％溴甲醇抛光液，利用化学抛光机进行30秒化学抛光。
将化学抛光后的碲锌镉衬底从样品盘上取下，放入清洗夹具中，分别采用丙酮和甲醇漂洗，去除衬底表面有机物，漂洗时间各为3分钟。
将清洗后的碲锌镉衬底转入衬底腐蚀夹具中，并配置0.1％vol％溴甲醇腐蚀液，再将衬底腐蚀夹具浸入溴甲醇腐蚀液中腐蚀60秒。
使用甲醇漂洗腐蚀后的碲锌镉衬底以去除衬底表面试剂残留，漂洗时间5分钟。
甲醇漂洗之后迅速采用氮气枪将衬底表面试剂溶液吹干，然后迅速转移进分子束外延设备的真空腔室中以备待用。
本发明第四实施例提供一种分子束外延用碲锌镉衬底预处理方法，包括：
首先将制备好的碲锌镉衬底固定在样品盘上，配置0.25％vol％溴甲醇抛光液，利用化学抛光机进行20秒化学抛光。
将化学抛光后的碲锌镉衬底从样品盘上取下，放入清洗夹具中，分别采用丙酮和甲醇漂洗，去除衬底表面有机物，漂洗时间各为2.5分钟。
将清洗后的碲锌镉衬底转入衬底腐蚀夹具中，并配置0.05％vol％溴甲醇腐蚀液，再将衬底腐蚀夹具浸入溴甲醇腐蚀液中腐蚀45秒。
使用甲醇漂洗腐蚀后的碲锌镉衬底以去除衬底表面试剂残留，漂洗时间4分钟。
甲醇漂洗之后迅速采用氮气枪将衬底表面试剂溶液吹干，然后迅速转移进分子束外延设备的真空腔室中以备待用。
采用原子力显微镜测量经过本发明实施例中的方法处理后的衬底表面，如图2c，其表面粗糙度约为1nm，满足国际上公认的分子束外延碲镉汞材料的衬底表面粗糙度要求。图2a和图2b分别为未处理和传统方法处理之后衬底表面原子力显微图，其中未处理、传统方法及此发明方法腐蚀之后衬底表面粗糙度分别约为0.5nm、3nm以及1nm。
采用反射式高能电子衍射仪观测本发明实施例中的方法处理后的衬底表面，如图3c，其衍射图样呈碲锌镉(211)晶面特征条纹状，说明衬底表面呈碲锌镉(211)晶面特征的台阶状，适宜分子束外延碲镉汞材料。附图3a和3b分别为未处理和传统方法处理之后衬底表面反射式高能电子衍射图样，其中未处理衬底表面存在氧化层及损伤层等；传统预处理方法之后衬底表面衍射图样呈三维点状，说明衬底表面呈三维岛状，不利于分子束外延碲镉汞过程中形成台阶流生长模式；而本发明方法腐蚀之后的衬底表面衍射图样呈碲锌镉(211)晶面特征条纹状，有利于分子束外延碲镉汞过程中形成台阶流生长模式。
综上所述，依照本发明的分子束外延用碲锌镉衬底预处理方法，可获得适宜分子束外延碲镉汞材料的碲锌镉(211)晶面衬底，衬底表面状态重复，且工艺难度低，容易操作。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
