锗晶片的抛光工艺研究进展

周铁军 马金峰 廖彬 王金灵 宋向荣 唐林锋

摘 要：锗单晶晶片作为一种重要的外延层衬底材料被广泛应用于航天航空领域。衬底外延生长要求锗晶片表面有极低的表面粗糙度、无表面/亚表面损伤和残余应力等，需要通过对锗表面进行抛光去除表面缺陷、提高表面质量，从而满足外延生长。本文综述了锗单晶衬底抛光的技术进展，分析了抛光液组分、pH值、离子强度、抛光工艺参数等对锗片抛光质量的影响，阐述了锗晶片的化学抛光机理，指出了目前锗抛光技术中存在的问题并对其未来发展方向进行了展望。

关键词：锗;化学机械抛光;抛光机理

锗（Ge）是重要的间接跃迁型半导体材料，其具有很高的空穴迁移率和电子迁移率，被广泛应用于航天航空领域。相比传统的硅和砷化镓衬底上外延的太阳能电池，锗单晶衬底上外延的砷化镓太阳能电池具有耐高温、抗太空辐射能力强、光电转换效率高、可靠性强和寿命长等优势[1]。

作为半导体衬底，单晶锗晶片需要经过单晶生长、晶棒加工、切片、倒角、研磨、化学腐蚀、抛光、清洗和钝化等过程。单晶锗属于脆性材料，在加工过程中容易产生一些机械损伤及表面缺陷，需要通过抛光工艺减少位错密度、去除表面/亚表面损伤并降低表面粗糙度[2]。常见的抛光方法有机械抛光、化学抛光、化学机械抛光（CMP）、磁流变抛光、弹性发射抛光、流体抛光、低温抛光等[3]。目前，锗半导体材料主要采用化学机械抛光（CMP）方法进行抛光。本文阐述了锗单晶晶片的化学机械抛光（CMP）机理和抛光工艺，总结了抛光液组成和工艺参数对抛光效果的影响。

一、锗抛光方法

化学机械抛光（CMP）是化学腐蚀作用和机械去除作用相结合使晶片获得表面局部平整度、表面粗糙度极低的光亮“镜面”的一种加工技术，具有加工效率高、生产成本低等优点。在抛光过程中，锗单晶晶片表面被抛光液中的氧化剂氧化成可溶的氧化物，同時在机械压力作用下利用抛光垫、晶片和磨料之间的相对运动将晶片表面的软质腐蚀层去除。当化学作用和机械作用达到平衡时，锗单晶晶片形成表面粗糙度极低的光亮的“镜面”。

2008年，赵权[2]采用次氯酸钠作为氧化剂，采用单面粘蜡抛光工艺，研究了氧化剂浓度、抛光盘转速、抛光布、抛光速率、抛光头和抛光盘转速对超薄锗晶片平整度和表面质量的影响，当抛光速率为1-1.6μm/min，抛光头和抛光盘的转速为40/70RPM时，抛光片TTV和表面质量最佳。刘春香[4]等人通过研究在添加抛光助剂条件下锗片在SiO2胶体磨料与H2O2混合液中的化学机械抛光速率变化，分析了抛光助剂比例对化学机械抛光过程的影响。研究结果表明：随着抛光助剂浓度的逐渐升高，抛光液的pH逐渐升高，锗片的抛光速率逐渐增大，锗片的表面质量逐渐提高，当助剂浓度达到11%以上时，抛光速率可以达到1.3-1.5μm/min，抛光片表面的腐蚀坑消失、无雾、无划痕。当抛光助剂恒定时，随着研磨液浓度的增大，抛光速率增加，但是达到一定的抛光速率后，抛光速率趋于定值。

2011年，Shivaji Peddeti[5]等人考察了胶体二氧化硅颗粒、氧化剂（H2O2）和pH对Ge去除率的影响。研究结果表明：在不同pH条件下，二氧化锗的反应式如下：

当3.58），GeO2反应生成可溶性的氢氧化锗水溶物，因此具有较高的溶解率和去除率;当pH=10时，在抛光液（由10wt%胶体二氧化硅颗粒和1wt%双氧水组成）的作用下，去除率可以达到1000nm/min。J.B.Matovu[6]等人通过使用不同的类型的电解质（KNO3，KCl，NaNO3和NaSO4），研究了其对双氧水和二氧化硅等组成的抛光液离子强度的影响，同时研究了离子强度变化对Ge的去除率的影响。研究结果表明：当pH=9时，由3wt%胶体二氧化硅颗粒和1wt%H2O2组成抛光液的离子强度由0.003M增加到0.2M，去除率由300nm/min增加到610nm/min。当pH>6时，锗的溶解速率也会随着离子强度的增强而增加。在抛光液中再加入0.1M十六烷基三甲基溴化铵或溴代十六烷基吡啶，锗的溶解率为0nm/min，但是其去除率为450nm/min，且锗晶片表面的平整度较好。

2014年，杨浩鹍[7]等人对研究了抛光液组分配比对锗单晶抛光后表面微粗糙度的影响，通过分析了不同抛光液组分对抛光速率和表面质量的影响而优化了抛光液组分配比，得出一组高速率、低粗糙度的抛光液组合：硅溶胶20%、氧化剂（双氧水）1%、螯合剂1%、有机胺碱1.5%、活性剂3%。在最佳配比下，采用小粒径、低分散度（99%<82.2nm）的硅溶胶磨料配制抛光液，得到表面粗糙度为1.81nm的锗衬底片。

2015年，赵研[8]等人通过研究锗晶片在不同温度下去除速率的变化，提出了自锐型低温抛光工艺——基于醚类辅助抛光液的抛光工艺，研究了低温条件下单晶锗片的脆塑转变机理和冰冻微纳米磨料抛光盘的磨损机理，结合仿真结果为冰冻固结磨料抛光提供了一定的理论依据，开辟了研究冰冻固结磨料抛光单晶锗片的新途径。

2017年，陈亚楠[9]采用抛光垫夹持锗片进行抛光，通过对比采用不同抛光液配比、施加不同抛光压力、选用不同型号的抛光布对抛光速率和晶片表面质量的影响，从而确定锗晶片的抛光工艺。研究结果表明：随着抛光压力的增大、NaClO在抛光液中占比的逐渐增大，锗片的抛光速率也逐渐增大，但是抛光片表面质量逐渐降低，划伤和腐蚀缺陷均较浅，可以通过再次抛光去除缺陷。

2018年，汤苏扬[10]提出冰粒固结磨料垫抛光单晶锗片的创新工艺，分析加工环境温度对单晶锗研磨片表面质量（表面及亚表面损伤层）的影响，研究了各工艺参数对晶片表面粗糙度的影响，探究冰粒固结磨料低温抛光单晶锗片的机理。冷智毅[11]基于非接触模型理论采用仿真的方法分析抛光过程中固-液两相流作用对锗晶片的去除速率和表面质量的影响，在理论分析与仿真模拟的基础上，利用已建立的实验系统对单晶锗片进行抛光实验研究，验证了仿真的有效性。

综上所述，通过化学机械抛光可以有效提高锗单晶衬底的表面质量，减少表面机械损伤和缺陷，其抛光效果与锗单晶的性能、抛光垫的种类、抛光液的组分配比及加工工艺参数密切相关，磨料粒径的大小、抛光液的离子强度、活性剂和螯合剂等均对抛光速率有较大影响。今后，我们可以利用仿真模型分析结合化学机械抛光试验分析各工艺参数对锗抛光的影响，促进锗化学机械抛光的理论研究。

二、结语

锗是太阳能电池发展领域中非常重要的衬底材料，其表面质量直接决定了外延层的质量，并最终影响太阳能电池的质量和电性能参数。目前主要通过化学机械抛光（CMP）获得高质量高平整度的锗衬底表面。本文针对锗单晶的化学机械抛光（CMP）机理、抛光加工工艺参数进行综述，对研究锗的抛光有一定的帮助。但是目前锗的抛光研究仍存在一定的不足，需要進行深入的系统研究以获得更优化的锗晶片加工工艺，从而提高抛光效率、降低生产成本。同时，也应该在设备的研发和加工方法方面进行一定的创新，以提供高精度、智能化的新型加工方法和设备，从而提高人工效率、降低人工成本。

参考文献：

[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]赵权.锗抛光片抛光清洗技术研究[D].天津大学.

[3]孙世孔，路家斌，阎秋生.磷化铟的化学机械抛光技术研究进展[J].2018

[4]刘春香，杨洪星，吕菲，等.锗晶片化学机械抛光的条件分析[J].中国电子科学研究院学报，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]杨浩鹍，刘玉玲，等.航空太阳能电池用超薄锗单晶的精密抛光[J].2014.

[8]赵研.冰冻固结磨料抛光单晶锗薄片的机理与工艺研究[D].

[9]陈亚楠.双抛锗工艺研究[J].城市建设理论研究（电子版），2017，19（No.228）：114-115.

[10]汤苏扬.单晶锗片低温研抛机理及工艺研究[D].

[11]冷智毅.单晶锗固液两相流研磨抛光仿真及实验研究[D].

项目：本项目受国家工信部2019年工业强基-超薄锗单晶实施方案（编号：TC190A4DA/34）项目资助

作者简介：周铁军（1981— ），男，汉族，北京人，本科，高级工程师，广先导先进材料副总经理，长期从事砷化镓、锗、磷化铟等化合物半导体材料加工工作，已发表论文数篇，获取多篇授权专利。