三結砷化鎵太陽能電池外延層表面拋光技術研究

李穆朗

中國電子科技集團公司第四十六研究所 天津 300022

0 引 言

隨著太陽能電池技術的發展，三結砷化鎵（GaAs）太陽能電池充分發揮了其在光電轉化效率方面的優勢，被廣泛應用在航天航空領域。為解決外延生長晶格失配材料時晶格缺陷多等問題，通常會采用鍵合技術，提高了對外延層生長質量的要求，主要涉及兩方面內容，即每一片襯底外延層的均勻性和外延層的表面粗糙度。

1 原理分析與試驗設計

1.1 測試儀器

表面粗糙度測試：BRUKER原子力顯微鏡。

表面顆粒度測試：WM-7S表面分析儀。

外延層厚度均勻性測試：RPM-Blue型PL測試儀。

1.2 優化前外延層表面狀態分析

1.2.1 襯底外延層均勻性分析

目前MOCVD 設備多為德國AixtronAG 或美國Veeco制造，采用氣相外延技術。根據外延工藝特點，襯底外延時需放在片槽內，片槽直徑約為101 mm，而外延過程中會有沉積物留在片槽內和外延盤上，使得片槽變深（通常外延30 次左右會對沉積物進行1 次處理）。由于外延生長速率受Ⅲ族元素的原子擴散到固相表面的量控制［1］，導致外延過程中Ⅲ族元素的原子在襯底邊緣無法形成均勻的氣流，造成聚集，使襯底邊緣外延層比中心厚，如圖1 所示。在鍵合過程中，外延層邊緣厚度大于中心時會出現環狀氣泡區，如圖2 邊緣位置，極大地降低產品利用率。

圖1 襯底外延后PL譜分布圖Fig.1 Distribution of substrate epitaxial PL spectrum

圖2 邊緣環狀氣泡區Fig.2 Annular bubble area at edge

1.2.2 外延層的表面顆粒度、粗糙度

氣相外延廣義上是化學氣相沉積的一種外延方式，外延后晶片的表觀直接反映材料生長的質量，這是判斷外延表面是否合格的關鍵因素［2］，其中表面顆粒度和表面粗糙度兩項會直接影響鍵合效果。選用WM-7S表面分析儀和BRUKER原子力顯微鏡分別對外延片的表面顆粒度和表面粗糙度進行測試，結果如圖3 所示。

圖3 外延片表面顆粒度測試圖Fig.3 Test diagram of epitaxial surface particle size

由圖3 可知，外延表面粒徑達0.2 μm以上的顆粒187 顆，粒徑為0.1 μm的顆粒1 343 顆，這主要是外延腔體內部和外部環境引入的灰塵或沾污。

外延表面任意取2 個區域測試，得到的粗糙度分別為1.14、1.18 nm，這主要受氣相外延的特性影響，原子的沉積所生成的外延層不經過化學機械拋光（CMP）處理無法得到合適的襯底表面粗糙度。

1.3 試驗設計

有效的鍵合需要外延表面粗糙度低于1 nm［3］。三結砷化鎵太陽能電池所需要的外延層主要由Ⅲ—Ⅴ族元素構成，與砷化鎵結構相同或相似，外延層厚度從0.1～0.2 μm不等，根據化學機械拋光（CMP）技術特點，基于化學和機械綜合作用，對晶片表面進行處理，得到低粗糙度表面。可以使用化學機械拋光技術對外延表面進行納米級的定量拋光，將不平坦或帶有沾污的表層整體去除，留下適用厚度、粗糙度1 nm以下且潔凈的外延層作為鍵合表面。

進行納米級厚度的化學機械拋光時，多片操作的最低拋光去除量通常為1 μm/min，且均勻性較差，無法滿足試驗要求，因此應當選取單片處理的方式，這就要求選用一臺機械狀態穩定且適用于單片拋光的設備進行試驗。

2 試驗材料與設備

2.1 試驗材料

①試驗中使用的外延片為外延層厚度1 μm的砷化鎵外延片，外延主要元素為Ga、As、In。

②試驗所用工裝為富士紡的TP-202 型無蠟墊。

③試驗所用拋光液為氯系拋光液。

④試驗所用拋光布為富士紡的FKP500 型拋光布。

2.2 試驗設備

試驗拋光設備選取Logitech的LP50 拋光機，如圖4 所示。

圖4 LP50 拋光機Fig.4 LP50 polishing machine

3 三結砷化鎵太陽能電池外延層表面拋光工藝參數研究

利用化學機械拋光技術，對砷化鎵外延片表面進行拋光，分別對拋光壓力、拋光轉速、拋光液的有效氯含量等參數進行優化選擇和調節，以獲得適于砷化鎵外延片鍵合批量化生產的拋光工藝。

3.1 壓力對拋光的影響

拋光壓力是影響表面粗糙度的主要因素，由圖5 可知，在其他參數不變的條件下，拋光壓力從10 g/cm3提高到30 g/cm3時，表面粗糙度隨著壓力的增大而降低；35 g/cm3后表面粗糙度基本保持不變。拋光壓力主要是通過晶片對于拋光布上毛孔施加壓力，這種壓力是拋光布毛孔內的拋光液置換的動力來源。當壓力達到一定值時，毛孔內的拋光液完全置換，而拋光布對于晶片表面的機械作用效果會同時穩定下來，不會隨著壓力的增加而繼續增大，這時化學作用和機械作用會達到平衡，表面粗糙度會趨于一個穩定的值［4］。

圖5 表面粗糙度隨拋光壓力的變化Fig.5 Variation of surface roughness with polishing pressure

圖6 總厚度變化、表面粗糙度隨拋光轉速的變化Fig.6 Variation of total thickness and surface roughness with polishing speed

3.2 轉速對拋光的影響

拋光轉速是決定拋光均勻性的重要因素之一，轉速越快，晶片邊緣的去除速率越快，容易造成邊緣薄、中間厚，導致總厚度變化（TTV）增大。這主要是由于在相同的壓力下，拋光布發生彈性形變，晶片邊緣所受到的反彈力不同于晶片主面，不垂直于表面，這就在邊緣產生了斜向機械作用，拋光轉速越高，這種作用越大，從而產生邊緣過拋。但是拋光轉速太小又會降低整體的去除速率，導致晶片單位面積與拋光液進行充足的化學反應，也就無法提供足夠的機械作用進行去除，最后形成粗糙的表面［5］。試驗數據證明：在其他參數不變的情況下，隨著拋光轉速上升，TTV增大；隨著拋光轉速減小，表面粗糙度增加。因此，試驗過程選擇的拋光轉速為55 r/min，所得厚度均勻性適中，也可獲得一個合適的表面粗糙度。

3.3 有效氯含量對拋光的影響

有效氯含量對拋光的影響與拋光轉速對表面粗糙度影響的原理相似，在壓力和轉速（機械作用）不變的前提下，有效氯含量越低，表面進行的化學作用越少，表面形成的氧化層越薄，機械作用去除掉氧化層后會繼續作用在晶片表面，導致形成劃線、損傷等機械缺陷［6］。隨著有效氯含量升高后，表面的化學作用更充分，形成氧化層的速度變快，但是當氧化層形成速率超過機械去除速率時，會得到粗糙度較大的氧化表面，如圖7 所示。

圖7 表面粗糙度隨有效氯含量的變化Fig.7 Variation of surface roughness content of with effective chlorine

由圖7 可知，其他參數不變情況下，表面粗糙度在有效氯含量為3%時突然降低，說明在有效氯含量低于3%時，機械作用強于化學作用，在晶片表面形成了機械缺陷，導致產生了表面粗糙度的變化。當有效氯含量為4%時，粗糙度最低，之后開始升高，說明化學作用開始強于機械作用，在表面留下了粗糙的氧化層。有效氯含量高于7%后趨于平緩，說明化學作用遠高于機械作用，氧化層已完全覆蓋晶片表面［7］。

4 鍵合效果驗證

采用試驗設定的拋光工藝參數，對三結砷化鎵太陽能電池所需的砷化鎵外延片進行拋光，然后隨機抽樣進行鍵合，鍵合效果如圖8 所示。可以看出，拋光后鍵合效果良好，無明顯缺陷。

圖8 第二片鍵合效果圖Fig.8 Drawing of second bonding effect

5 結 語

本文依據化學機械拋光的機理，研究三結砷化鎵太陽能用砷化鎵外延片表面拋光技術，探索與之相匹配的拋光壓力、拋光轉速、有效氯含量等工藝參數，最終發現選用參數組合為拋光壓力40 g/cm3、拋光轉速55 r/min、有效氯含量為5%的拋光液后，能夠看到表面粗糙度最低，潔凈度最高的砷化鎵外延片，成品率明顯提高，后續有望將鍵合技術應用于空間用三結砷化鎵太陽能電池的批量生產中。■