表面活性劑在P型鍺片磨削工藝中的應用

陸 峰，楊洪星，劉春香，趙 權

(中國電子科技集團公司第四十六研究所，天津 300220)

近年來，隨著科學技術的發展，鍺單晶成為了一種新的清潔能源材料。鍺單晶拋光片已成功地用于太陽能電池領域。在鍺襯底上通過外延GaAs層而制造的Ge/GaAs太陽能電池與硅太陽能電池相比具有轉換效率高、耐輻射、壽命長、溫度敏感性小等特點，另外Ge/GaAs太陽能電池相對于傳統的GaAs/GaAs太陽能電池來講具有質量輕、成本低等優點[1，2]。

空間輻射環境由地球輻射帶、太陽宇宙射線和銀河宇宙射線組成。地球輻射部分為范艾倫輻射帶和人工輻射帶。人工輻射帶的內輻射帶和外輻射帶主要由質子和電子構成，當太陽耀斑發生時，伴隨有大量高能帶電粒子的發射，所發射的高能帶電粒子稱之為太陽宇宙射線。這此帶電粒子大部分由質子組成。銀河宇宙射線是來自銀河各個方向的高能帶電粒子，絕大部分是質子[3]。

相對于N型鍺單晶片，P型鍺單晶片的耐輻射性能更強，同時P型鍺單晶片主要用于制作P-Ge/GaAs/Al-GaAs多結太陽電池，具有較高的光電轉換效率，因此，P型鍺單晶片的研究受到了廣泛地關注。

本文研究了表面活性劑在P型鍺片磨削過程中的作用，減少了砂輪阻塞的現象，降低砂輪修整的頻率，提高了鍺磨削片的表面質量。

1 試驗

1.1 樣品

本試驗所用鍺片的參數見表1。

表1 樣品參數表

1.2 試驗

在傳統的磨削設備中，僅用去離子水作為清洗劑，不能有效去除磨削過程中產生的各種顆粒，容易造成砂輪阻塞現象。

圖1 鍺片磨削示意圖

在本試驗中，在去離子水管路中加入了一路表面活性劑管路，如圖1所示，將是否使用表面活性劑作為對比條件進行工藝試驗。整個磨削過程如：

(1)鍺片通過真空管路吸附于工作臺上，并在一定的轉速下旋轉，同時沿直線運動逐步接近砂輪；

(2)主軸以一定的轉速旋轉，并在垂直方向運動，逐步接近鍺片；

(3)程序自動控制去離子水管路、表面活性劑管路接通(對于不使用表面活性劑的試驗，此管路為常閉狀態)，稀釋的表面活性劑從管路中流出；

(4)當砂輪與鍺片互相接觸時，開始對鍺片進行磨削；

(5)當鍺片厚度達到預定值時，主軸向上運行到初始位置，程序控制去離子水管路、表面活性劑管路進入斷開狀態，工作臺退回到初始位置并停止轉動；

(6)用去離子水沖洗鍺片；

(7)用甩干機甩干鍺片。

1.3 試驗結果

1.3.1 砂輪阻塞頻率

表2給出了不同工藝條件下的阻塞頻率。

表2 阻塞頻率表

1.3.2 顯微鏡觀察結果

圖2為顯微鏡下鍺磨削片的觀察結果。

圖2 顯微鏡下鍺磨削片的觀察結果

2 討論

2.1 表面活性劑的作用機理

表面活性劑物質具有吸附、潤濕、滲透、分散、增溶等特性，表面活性劑降低液體表面張力的根本原因是通過吸附作用使水表面形成定向吸附層，以分子間吸引力較弱的疏水基(碳氫基)代替分子間作用力較強的水分子使空氣和水的接觸面積減少，從而使水的表面張力急劇下降[5]。表面活性劑的潤濕滲透作用的強弱是由親水基和憎水基種類不同、分子量大小和結構的差異引起的。通常分為離子型與非離子型，在微電子行業，多用非離子型表面活性劑。非離子表面活性劑具有如下優點：①它在水溶液中以分子狀態存在，穩定性好，不受強電解質存在的影響，也不受酸堿的影響；②在固體表面難以發生強烈吸附；③有較好的相容性。

2.2 表面活性劑對砂輪阻塞現象的影響

砂輪在一定的壓力作用下與鍺片接觸進行磨削，在磨削過程中產生的碎屑吸附于鍺片表面、砂輪表面，同時有一部分被磨削液帶走。

在常規工藝中，由于僅采用去離子水作為磨削液，僅能帶走一小部分磨削碎屑，剩余的大部分碎屑吸附于鍺片表面以及砂輪表面，隨著加工的晶片數量增多，聚積于砂輪表面的碎屑將造成砂輪的阻塞，若繼續磨削晶片，晶片表面的磨削紋將發生變化，同時，由于砂輪被阻塞，也影響了砂輪的磨削效率，此時，必須利用修整輪對砂輪進行修整。

在去離子水中加入表面活性劑作為磨削液，首先，磨削過程中產生的碎屑與磨削液中的表面活性劑接觸，并被表面活性劑分子包圍(如圖3所示)，更容易被磨削液帶走；其次，表面活性劑分子在鍺片表面、砂輪表面分別形成一層保護膜，對碎屑有阻擋作用，從而可延長砂輪的有效工作時間，降低砂輪阻塞現象發生的頻率。從表2可以看出，增加表面活性劑后降低了砂輪阻塞頻率。

圖3 顯微鏡下鍺磨削片的觀察結果

3 結論

在鍺片的的磨削工藝中引入表面活性劑，可有效減少砂輪阻塞現象，降低砂輪修整的頻率，降低鍺片的劃傷率，提高了鍺磨削片的表面質量。

[1] 劉春香，楊洪星，呂菲，趙權.鍺片化學機械拋光特性分析[J].中國電子科學研究院學報，2008，3(1):101-104.

[2] 呂菲，劉春香，楊洪星.鍺單晶片的堿性腐蝕特性分析[J].半導體技術，2007，32(11):967-969.

[3] 鄧志杰，鄭安生，半導體材料[M].北京：化學工業出版社，2004.30.

[4] 張新輝.GaAs/Ge太陽電池抗電子輻射研究[J].電源技術，2004，28(1):17-21.

[5] 鄭忠.表面活性劑的物理化學原理[J].廣州：華南理工大學出版社，1995.