Ionenstrahlätzen zur Herstellung von ultradünnem LT für IR-Sensoren

Sensoren zur hochsensitiven Detektion von Infrarotstrahlung (IR) haben ein weites Anwendungsfeld, z. B. als Detektoren in der IR-Spektroskopie oder in der berührungslosen Temperaturmessung. Ein verbreitetes Material für diese IR-Sensoren ist das pyroelektrische Lithiumtantalat (LT).

Um eine optimale Sensorleistung zu erreichen, ist es nötig die thermische Trägheit und damit die Schichtdicke des Lithiumtantalats zu verringern. Der gewachsene Einkristall wird zunächst auf eine Dicke von etwa 300 µm geschnitten. Danach kann die Dicke mittels chemisch-mechanischen Polierens (CMP) weiter auf etwa 25 µm reduziert werden. Ab diesem Punkt erhöht sich die Bruchwahrscheinlichkeit des Materials drastisch und eine weitere Reduzierung der Schichtdicke ist mit Polieren nicht möglich. Um die Dicke des Lithiumtantalats dennoch weiter zu reduzieren und somit die Detektivität D* zu steigern, eignet sich am besten das Ionenstrahlätzen mit Argon-Ionen (Ar⁺).

Vor dem Ätzen weist das LT-Substrat eine Dicke von 25 µm auf. Es wurde mit einer Metallschicht als untere Elektrode und einem strukturierten Fotolack als oberste Schicht beschichtet. Abbildung 1 zeigt die Integration einer geätzten LT-Probe in einem pyroelektrischen Sensor. Die obere Elektrode wurde nach dem Ätzprozess abgeschieden. Während der sensitive Bereich in der Mitte so dünn wie möglich sein sollte, ist ein dicker Rahmen für die mechanische Stabilität des Sensors nötig.

Durch Ionenstrahlätzen wird das LT mit einer Rate von circa 1 µm/h abgetragen. Vor dem Einschleusen in die Prozesskammer müssen die Substrate präpariert und maskiert werden. Durch die effiziente Heliumrückseitenkühlung des Substrats wird dessen Temperatur gering gehalten und eine Nutzung von Fotolack möglich. Für die gewünschte Reduktion der LT-Dicke ist ein langzeitstabiler Prozess über mehrere Stunden nötig. Die Leistungsregulierung über die Ionenstrahlquelle sorgt für einen konstanten Ionenstrom und somit einen präzisen Abtrag über zehn und mehr Stunden. Zusätzlich werden die zur Prozessintegration benötigten glatten Ätzkanten geschaffen.

Der Langzeitstabilitätstest wurde evaluiert durch dreiminütiges Ätzen eines Referenzwafers mit thermisch oxidiertem SiO2. Danach wurden dessen Ätzprofil und Homogenität bestimmt. Anschließend folgte ein zwölfstündiges Ätzen eines 150 mm- Siliziumwafers mit einer strukturierten Fotolack-Maske bei einer Substratrotation von 3 U/min. Die Homogenitätsmessungen erfolgten durch mehrere Line-Scans mit einem Profilometer. Abbildung 2 zeigt die Verteilung des abgetragenen Materials auf dem Siliziumwafer. Eine Homogenität von ± 0,7 % (Sigma/Mittelwert) über 150 mm wurde bei einer durchschnittlichen Ätzrate von 1,3 μm/h erreicht. Der Vergleich mit dem Referenzwafer zeigt, dass beide eine Übereinstimmung von Homogenität und Ätzprofil aufweisen. Dies bestätigt die Langzeitstabilität der Ionenstrahlquelle.

Um den Einfluss des Ionenstrahlätzens auf die IR-Sensorqualität zu untersuchen, wird die spezifische Detektivität D* betrachtet. D* ist ein Ausdruck für das Signal-zu-Rausch-Verhältnis eines pyroelektrischen Detektors und sollte maximiert werden. In Abbildung 3 ist der Vergleich von D* vor (25 µm) und nach (5 µm) dem Ionenstrahlätzen dargestellt. Die Verbesserung von D* um einen Faktor zwei ist deutlich sichtbar. Dafür war eine weitere Reduktion der LT-Dicke erforderlich, die jenseits der Möglichkeiten von CMP liegt.

Wir danken der DIAS Infrared GmbH für die zur Verfügung gestellten Daten. Sie nutzen eine scia Mill 150 für die IR-Sensorproduktion.