鍺晶片的拋光工藝研究進(jìn)展

周鐵軍 馬金峰 廖彬 王金靈 宋向榮 唐林鋒

摘 要：鍺單晶晶片作為一種重要的外延層襯底材料被廣泛應(yīng)用于航天航空領(lǐng)域。襯底外延生長(zhǎng)要求鍺晶片表面有極低的表面粗糙度、無表面/亞表面損傷和殘余應(yīng)力等，需要通過對(duì)鍺表面進(jìn)行拋光去除表面缺陷、提高表面質(zhì)量，從而滿足外延生長(zhǎng)。本文綜述了鍺單晶襯底拋光的技術(shù)進(jìn)展，分析了拋光液組分、pH值、離子強(qiáng)度、拋光工藝參數(shù)等對(duì)鍺片拋光質(zhì)量的影響，闡述了鍺晶片的化學(xué)拋光機(jī)理，指出了目前鍺拋光技術(shù)中存在的問題并對(duì)其未來發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：鍺;化學(xué)機(jī)械拋光;拋光機(jī)理

鍺（Ge）是重要的間接躍遷型半導(dǎo)體材料，其具有很高的空穴遷移率和電子遷移率，被廣泛應(yīng)用于航天航空領(lǐng)域。相比傳統(tǒng)的硅和砷化鎵襯底上外延的太陽能電池，鍺單晶襯底上外延的砷化鎵太陽能電池具有耐高溫、抗太空輻射能力強(qiáng)、光電轉(zhuǎn)換效率高、可靠性強(qiáng)和壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)[1]。

作為半導(dǎo)體襯底，單晶鍺晶片需要經(jīng)過單晶生長(zhǎng)、晶棒加工、切片、倒角、研磨、化學(xué)腐蝕、拋光、清洗和鈍化等過程。單晶鍺屬于脆性材料，在加工過程中容易產(chǎn)生一些機(jī)械損傷及表面缺陷，需要通過拋光工藝減少位錯(cuò)密度、去除表面/亞表面損傷并降低表面粗糙度[2]。常見的拋光方法有機(jī)械拋光、化學(xué)拋光、化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）、磁流變拋光、彈性發(fā)射拋光、流體拋光、低溫拋光等[3]。目前，鍺半導(dǎo)體材料主要采用化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）方法進(jìn)行拋光。本文闡述了鍺單晶晶片的化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）機(jī)理和拋光工藝，總結(jié)了拋光液組成和工藝參數(shù)對(duì)拋光效果的影響。

一、鍺拋光方法

化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）是化學(xué)腐蝕作用和機(jī)械去除作用相結(jié)合使晶片獲得表面局部平整度、表面粗糙度極低的光亮“鏡面”的一種加工技術(shù)，具有加工效率高、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)。在拋光過程中，鍺單晶晶片表面被拋光液中的氧化劑氧化成可溶的氧化物，同時(shí)在機(jī)械壓力作用下利用拋光墊、晶片和磨料之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)將晶片表面的軟質(zhì)腐蝕層去除。當(dāng)化學(xué)作用和機(jī)械作用達(dá)到平衡時(shí)，鍺單晶晶片形成表面粗糙度極低的光亮的“鏡面”。

2008年，趙權(quán)[2]采用次氯酸鈉作為氧化劑，采用單面粘蠟拋光工藝，研究了氧化劑濃度、拋光盤轉(zhuǎn)速、拋光布、拋光速率、拋光頭和拋光盤轉(zhuǎn)速對(duì)超薄鍺晶片平整度和表面質(zhì)量的影響，當(dāng)拋光速率為1-1.6μm/min，拋光頭和拋光盤的轉(zhuǎn)速為40/70RPM時(shí)，拋光片TTV和表面質(zhì)量最佳。劉春香[4]等人通過研究在添加拋光助劑條件下鍺片在SiO2膠體磨料與H2O2混合液中的化學(xué)機(jī)械拋光速率變化，分析了拋光助劑比例對(duì)化學(xué)機(jī)械拋光過程的影響。研究結(jié)果表明：隨著拋光助劑濃度的逐漸升高，拋光液的pH逐漸升高，鍺片的拋光速率逐漸增大，鍺片的表面質(zhì)量逐漸提高，當(dāng)助劑濃度達(dá)到11%以上時(shí)，拋光速率可以達(dá)到1.3-1.5μm/min，拋光片表面的腐蝕坑消失、無霧、無劃痕。當(dāng)拋光助劑恒定時(shí)，隨著研磨液濃度的增大，拋光速率增加，但是達(dá)到一定的拋光速率后，拋光速率趨于定值。

2011年，Shivaji Peddeti[5]等人考察了膠體二氧化硅顆粒、氧化劑（H2O2）和pH對(duì)Ge去除率的影響。研究結(jié)果表明：在不同pH條件下，二氧化鍺的反應(yīng)式如下：

當(dāng)3.58），GeO2反應(yīng)生成可溶性的氫氧化鍺水溶物，因此具有較高的溶解率和去除率;當(dāng)pH=10時(shí)，在拋光液（由10wt%膠體二氧化硅顆粒和1wt%雙氧水組成）的作用下，去除率可以達(dá)到1000nm/min。J.B.Matovu[6]等人通過使用不同的類型的電解質(zhì)（KNO3，KCl，NaNO3和NaSO4），研究了其對(duì)雙氧水和二氧化硅等組成的拋光液離子強(qiáng)度的影響，同時(shí)研究了離子強(qiáng)度變化對(duì)Ge的去除率的影響。研究結(jié)果表明：當(dāng)pH=9時(shí)，由3wt%膠體二氧化硅顆粒和1wt%H2O2組成拋光液的離子強(qiáng)度由0.003M增加到0.2M，去除率由300nm/min增加到610nm/min。當(dāng)pH>6時(shí)，鍺的溶解速率也會(huì)隨著離子強(qiáng)度的增強(qiáng)而增加。在拋光液中再加入0.1M十六烷基三甲基溴化銨或溴代十六烷基吡啶，鍺的溶解率為0nm/min，但是其去除率為450nm/min，且鍺晶片表面的平整度較好。

2014年，楊浩鹍[7]等人對(duì)研究了拋光液組分配比對(duì)鍺單晶拋光后表面微粗糙度的影響，通過分析了不同拋光液組分對(duì)拋光速率和表面質(zhì)量的影響而優(yōu)化了拋光液組分配比，得出一組高速率、低粗糙度的拋光液組合：硅溶膠20%、氧化劑（雙氧水）1%、螯合劑1%、有機(jī)胺堿1.5%、活性劑3%。在最佳配比下，采用小粒徑、低分散度（99%<82.2nm）的硅溶膠磨料配制拋光液，得到表面粗糙度為1.81nm的鍺襯底片。

2015年，趙研[8]等人通過研究鍺晶片在不同溫度下去除速率的變化，提出了自銳型低溫拋光工藝——基于醚類輔助拋光液的拋光工藝，研究了低溫條件下單晶鍺片的脆塑轉(zhuǎn)變機(jī)理和冰凍微納米磨料拋光盤的磨損機(jī)理，結(jié)合仿真結(jié)果為冰凍固結(jié)磨料拋光提供了一定的理論依據(jù)，開辟了研究冰凍固結(jié)磨料拋光單晶鍺片的新途徑。

2017年，陳亞楠[9]采用拋光墊夾持鍺片進(jìn)行拋光，通過對(duì)比采用不同拋光液配比、施加不同拋光壓力、選用不同型號(hào)的拋光布對(duì)拋光速率和晶片表面質(zhì)量的影響，從而確定鍺晶片的拋光工藝。研究結(jié)果表明：隨著拋光壓力的增大、NaClO在拋光液中占比的逐漸增大，鍺片的拋光速率也逐漸增大，但是拋光片表面質(zhì)量逐漸降低，劃傷和腐蝕缺陷均較淺，可以通過再次拋光去除缺陷。

2018年，湯蘇揚(yáng)[10]提出冰粒固結(jié)磨料墊拋光單晶鍺片的創(chuàng)新工藝，分析加工環(huán)境溫度對(duì)單晶鍺研磨片表面質(zhì)量（表面及亞表面損傷層）的影響，研究了各工藝參數(shù)對(duì)晶片表面粗糙度的影響，探究冰粒固結(jié)磨料低溫拋光單晶鍺片的機(jī)理。冷智毅[11]基于非接觸模型理論采用仿真的方法分析拋光過程中固-液兩相流作用對(duì)鍺晶片的去除速率和表面質(zhì)量的影響，在理論分析與仿真模擬的基礎(chǔ)上，利用已建立的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)單晶鍺片進(jìn)行拋光實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了仿真的有效性。

綜上所述，通過化學(xué)機(jī)械拋光可以有效提高鍺單晶襯底的表面質(zhì)量，減少表面機(jī)械損傷和缺陷，其拋光效果與鍺單晶的性能、拋光墊的種類、拋光液的組分配比及加工工藝參數(shù)密切相關(guān)，磨料粒徑的大小、拋光液的離子強(qiáng)度、活性劑和螯合劑等均對(duì)拋光速率有較大影響。今后，我們可以利用仿真模型分析結(jié)合化學(xué)機(jī)械拋光試驗(yàn)分析各工藝參數(shù)對(duì)鍺拋光的影響，促進(jìn)鍺化學(xué)機(jī)械拋光的理論研究。

二、結(jié)語

鍺是太陽能電池發(fā)展領(lǐng)域中非常重要的襯底材料，其表面質(zhì)量直接決定了外延層的質(zhì)量，并最終影響太陽能電池的質(zhì)量和電性能參數(shù)。目前主要通過化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）獲得高質(zhì)量高平整度的鍺襯底表面。本文針對(duì)鍺單晶的化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）機(jī)理、拋光加工工藝參數(shù)進(jìn)行綜述，對(duì)研究鍺的拋光有一定的幫助。但是目前鍺的拋光研究仍存在一定的不足，需要進(jìn)行深入的系統(tǒng)研究以獲得更優(yōu)化的鍺晶片加工工藝，從而提高拋光效率、降低生產(chǎn)成本。同時(shí)，也應(yīng)該在設(shè)備的研發(fā)和加工方法方面進(jìn)行一定的創(chuàng)新，以提供高精度、智能化的新型加工方法和設(shè)備，從而提高人工效率、降低人工成本。

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[11]冷智毅.單晶鍺固液兩相流研磨拋光仿真及實(shí)驗(yàn)研究[D].

項(xiàng)目：本項(xiàng)目受國家工信部2019年工業(yè)強(qiáng)基-超薄鍺單晶實(shí)施方案（編號(hào)：TC190A4DA/34）項(xiàng)目資助

作者簡(jiǎn)介：周鐵軍（1981— ），男，漢族，北京人，本科，高級(jí)工程師，廣先導(dǎo)先進(jìn)材料副總經(jīng)理，長(zhǎng)期從事砷化鎵、鍺、磷化銦等化合物半導(dǎo)體材料加工工作，已發(fā)表論文數(shù)篇，獲取多篇授權(quán)專利。