鍺晶片的拋光工藝研究進展

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用于航天航空領域。襯底外延生長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力等，需要通過對鍺表面進行拋光去除表面缺陷、提高表面質量，從而滿足外延生長。本文綜述了鍺單晶襯底拋光的技術進展，分析了拋光液組分、pH值、離子強度、拋光工藝參數等對鍺片拋光質量的影響，闡述了鍺晶片的化學拋光機理，指出了目前鍺拋光技術中存在的問題并對其未來發展方向進行了展望。

關鍵詞：鍺;化學機械拋光;拋光機理

鍺（Ge）是重要的間接躍遷型半導體材料，其具有很高的空穴遷移率和電子遷移率，被廣泛應用于航天航空領域。相比傳統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、光電轉換效率高、可靠性強和壽命長等優勢[1]。

作為半導體襯底，單晶鍺晶片需要經過單晶生長、晶棒加工、切片、倒角、研磨、化學腐蝕、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生一些機械損傷及表面缺陷，需要通過拋光工藝減少位錯密度、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械拋光、化學拋光、化學機械拋光（CMP）、磁流變拋光、彈性發射拋光、流體拋光、低溫拋光等[3]。目前，鍺半導體材料主要采用化學機械拋光（CMP）方法進行拋光。本文闡述了鍺單晶晶片的化學機械拋光（CMP）機理和拋光工藝，總結了拋光液組成和工藝參數對拋光效果的影響。

一、鍺拋光方法

化學機械拋光（CMP）是化學腐蝕作用和機械去除作用相結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，具有加工效率高、生產成本低等優點。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，同時在機械壓力作用下利用拋光墊、晶片和磨料之間的相對運動將晶片表面的軟質腐蝕層去除。當化學作用和機械作用達到平衡時，鍺單晶晶片形成表面粗糙度極低的光亮的“鏡面”。

2008年，趙權[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、拋光盤轉速、拋光布、拋光速率、拋光頭和拋光盤轉速對超薄鍺晶片平整度和表面質量的影響，當拋光速率為1-1.6μm/min，拋光頭和拋光盤的轉速為40/70RPM時，拋光片TTV和表面質量最佳。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混合液中的化學機械拋光速率變化，分析了拋光助劑比例對化學機械拋光過程的影響。研究結果表明：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，鍺片的表面質量逐漸提高，當助劑濃度達到11%以上時，拋光速率可以達到1.3-1.5μm/min，拋光片表面的腐蝕坑消失、無霧、無劃痕。當拋光助劑恒定時，隨著研磨液濃度的增大，拋光速率增加，但是達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Ge去除率的影響。研究結果表明：在不同pH條件下，二氧化鍺的反應式如下：

當3.58），GeO2反應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pH=10時，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，去除率可以達到1000nm/min。J.B.Matovu[6]等人通過使用不同的類型的電解質（KNO3，KCl，NaNO3和NaSO4），研究了其對雙氧水和二氧化硅等組成的拋光液離子強度的影響，同時研究了離子強度變化對Ge的去除率的影響。研究結果表明：當pH=9時，由3wt%膠體二氧化硅顆粒和1wt%H2O2組成拋光液的離子強度由0.003M增加到0.2M，去除率由300nm/min增加到610nm/min。當pH>6時，鍺的溶解速率也會隨著離子強度的增強而增加。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]等人對研究了拋光液組分配比對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拋光速率和表面質量的影響而優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變機理和冰凍微納米磨料拋光盤的磨損機理，結合仿真結果為冰凍固結磨料拋光提供了一定的理論依據，開辟了研究冰凍固結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行拋光，通過對比采用不同拋光液配比、施加不同拋光壓力、選用不同型號的拋光布對拋光速率和晶片表面質量的影響，從而確定鍺晶片的拋光工藝。研究結果表明：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[10]提出冰粒固結磨料墊拋光單晶鍺片的創新工藝，分析加工環境溫度對單晶鍺研磨片表面質量（表面及亞表面損傷層）的影響，研究了各工藝參數對晶片表面粗糙度的影響，探究冰粒固結磨料低溫拋光單晶鍺片的機理。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-液兩相流作用對鍺晶片的去除速率和表面質量的影響，在理論分析與仿真模擬的基礎上，利用已建立的實驗系統對單晶鍺片進行拋光實驗研究，驗證了仿真的有效性。

綜上所述，通過化學機械拋光可以有效提高鍺單晶襯底的表面質量，減少表面機械損傷和缺陷，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密切相關，磨料粒徑的大小、拋光液的離子強度、活性劑和螯合劑等均對拋光速率有較大影響。今后，我們可以利用仿真模型分析結合化學機械拋光試驗分析各工藝參數對鍺拋光的影響，促進鍺化學機械拋光的理論研究。

二、結語

鍺是太陽能電池發展領域中非常重要的襯底材料，其表面質量直接決定了外延層的質量，并最終影響太陽能電池的質量和電性能參數。目前主要通過化學機械拋光（CMP）獲得高質量高平整度的鍺襯底表面。本文針對鍺單晶的化學機械拋光（CMP）機理、拋光加工工藝參數進行綜述，對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，需要進行深入的系統研究以獲得更優化的鍺晶片加工工藝，從而提高拋光效率、降低生產成本。同時，也應該在設備的研發和加工方法方面進行一定的創新，以提供高精度、智能化的新型加工方法和設備，從而提高人工效率、降低人工成本。

參考文獻：

[1]Blondeel A，Clauws P，Depuydt B.Lifetime measurements on Ge wafers for Ge/GaAs solar cells-chemical surface passivation[J].Materials ence in Semiconductor Processing，2001，4（s1-3）：301-303.

[2]趙權.鍺拋光片拋光清洗技術研究[D].天津大學.

[3]孫世孔，路家斌，閻秋生.磷化銦的化學機械拋光技術研究進展[J].2018

[4]劉春香，楊洪星，呂菲，等.鍺晶片化學機械拋光的條件分析[J].中國電子科學研究院學報，2008，3（001）：101-104.

[5]Peddeti S，Ong P，Leunissen L H A，et al.Chemical Mechanical Polishing of Ge Using Colloidal Silica Particles and H2O2[J].Electrochemical and Solid-State Letters，2011，14（7）：H254.

[6]Matovu J B，Penta N K，Peddeti S，et al.Chemical Mechanical Polishing of Ge in Hydrogen Peroxide-Based Silica Slurries：Role of Ionic Strength[J].Journal of the Electrochemical Society，2011，158（11）：H1152-H1160.

[7]楊浩鹍，劉玉玲，等.航空太陽能電池用超薄鍺單晶的精密拋光[J].2014.

[8]趙研.冰凍固結磨料拋光單晶鍺薄片的機理與工藝研究[D].

[9]陳亞楠.雙拋鍺工藝研究[J].城市建設理論研究（電子版），2017，19（No.228）：114-115.

[10]湯蘇揚.單晶鍺片低溫研拋機理及工藝研究[D].

[11]冷智毅.單晶鍺固液兩相流研磨拋光仿真及實驗研究[D].

項目：本項目受國家工信部2019年工業強基-超薄鍺單晶實施方案（編號：TC190A4DA/34）項目資助

作者簡介：周鐵軍（1981— ），男，漢族，北京人，本科，高級工程師，廣先導先進材料副總經理，長期從事砷化鎵、鍺、磷化銦等化合物半導體材料加工工作，已發表論文數篇，獲取多篇授權專利。