張文斌，郭 東，葛勱翀

( 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京100176)

碲鋅鎘（Cadmium Zinc Telluride，縮寫為CZT）晶體是一種新型三元化合物半導(dǎo)體材料。由于其電阻率高，原子序數(shù)大，而且禁帶寬度隨著鋅含量的不同在1.4～2.26 eV 范圍內(nèi)連續(xù)變化，CZT 可用于制作X/γ 高能射線探測(cè)器[1]、碲鎘汞紅外探測(cè)器的外延襯底[2]、激光窗口和薄膜太陽(yáng)能電池等。

CZT 晶片的表面狀態(tài)對(duì)其作為器件和外延襯底應(yīng)用有著重要的影響。CZT 晶錠切割后的晶片表面存在損傷層，表面損傷層內(nèi)晶格的周期性被嚴(yán)重破壞，形成空間電荷區(qū)，造成表面漏電流，從而影響了CZT 電極接觸和器件性能。外延襯底需要具有完整的超光滑表面，襯底表面的損傷層、雜質(zhì)以及微缺陷將導(dǎo)致外延生長(zhǎng)薄膜的高位錯(cuò)密度、晶格畸變等。隨著實(shí)際應(yīng)用對(duì)晶片表面質(zhì)量要求的不斷提高，需要研制專用的晶片雙面磨拋設(shè)備和選擇相應(yīng)的雙面磨拋技術(shù)。

目前，CZT 晶片的雙面磨拋方法主要包括機(jī)械雙面研磨、機(jī)械雙面拋光、化學(xué)機(jī)械拋光和化學(xué)拋光。機(jī)械雙面研磨和機(jī)械雙面拋光是晶片上下兩面在液體磨料、拋光墊及加壓作用下，采用雙面磨拋裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)CZT 晶片的研磨和拋光，去除晶片表面損傷層，提高表面平整度，降低表面粗糙度。化學(xué)機(jī)械拋光和化學(xué)拋光是在機(jī)械拋光過(guò)程的基礎(chǔ)上，加入化學(xué)腐蝕液腐蝕晶片表面，有利于減小晶片表面粗糙度，但化學(xué)機(jī)械拋光過(guò)程的機(jī)械拋光和化學(xué)腐蝕之間的平衡通常較難控制，且化學(xué)腐蝕會(huì)改變晶體表面的化學(xué)計(jì)量比，使表面富碲。因此，機(jī)械雙面研磨和機(jī)械雙面拋光是CZT晶片表面處理的基礎(chǔ)，對(duì)其進(jìn)行深入研究十分必要。CZT 晶體的莫氏硬度約為2.3，是典型的軟脆材料，雙面研磨通常采用金剛石顆粒研磨液進(jìn)行雙面研磨，可以快速減少CZT 晶片因切割造成的損傷層，有利于提高雙面磨拋速度，雙面拋光通常采用化學(xué)拋光液進(jìn)行雙面拋光，可以提高表面平整度，減小表面粗糙度。

本文旨在研究CZT 晶片雙面磨拋表面損傷層的特征、分布規(guī)律及其形成原因，提出減小晶片雙面磨拋表面損傷層深度的工藝措施。此項(xiàng)研究能夠?yàn)樘岣呔p面磨拋表面層質(zhì)量、減少后續(xù)拋光工序的拋光時(shí)間提供指導(dǎo)。從而對(duì)最終實(shí)現(xiàn)晶片的高精度、高效率、無(wú)損傷、超光滑表面的加工有著重要的指導(dǎo)意義。

1 雙面磨拋的工藝過(guò)程和原理

1.1 晶片雙面磨拋的工藝過(guò)程

CZT 晶片雙面磨拋一般分為兩步：雙面研磨和雙面拋光。在雙面研磨階段，采用底盤+玻璃研磨盤+ 金剛石顆粒液的方式，研磨壓力控制在1～500 MPa，雙面研磨去除量大，目的是迅速地去除晶片絕大部分的多余材料（加工余量的70%）；在雙面拋光階段，采用底盤+絨毛拋光布+專用拋光液的方式，主要是消除研磨時(shí)形成的損傷層，達(dá)到所要求的精度。

1.2 晶片雙面磨拋機(jī)雙面磨拋原理

雙面磨拋機(jī)用于碲鋅鎘材料的雙面精密磨拋加工工藝。其工作原理是：渦輪蝸桿減速機(jī)作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過(guò)齒輪組實(shí)現(xiàn)芯軸、小齒輪軸、內(nèi)齒輪軸和下拋光盤軸4 種軸不同速度、不同方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，使上、下研磨拋光盤和游輪片產(chǎn)生速度差以及相對(duì)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)上、下磨拋盤作相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，而晶片置于齒輪組驅(qū)動(dòng)的游輪片內(nèi)孔中，晶片在游輪片內(nèi)作既公轉(zhuǎn)又自轉(zhuǎn)的游星運(yùn)動(dòng)，晶片上下兩面在液體磨料、拋光墊及加壓作用下，達(dá)到雙面材料去除的目的，其磨拋機(jī)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 晶片雙面磨拋機(jī)構(gòu)示意圖

2 實(shí)驗(yàn)研究

研究雙面磨拋工藝參數(shù)(磨拋液粒度、拋光壓力、拋光液流量和工作臺(tái)轉(zhuǎn)速等)對(duì)損傷深度的影響規(guī)律對(duì)降低晶片損傷深度有一定的指導(dǎo)意義。為得到雙面磨拋工藝參數(shù)對(duì)晶片表面損傷深度的影響規(guī)律，實(shí)驗(yàn)用WP-301D 雙面磨拋機(jī)如圖2 所示。

圖2 WP301D 雙面磨拋機(jī)

2.1 工藝步驟

為研究磨拋液粒度、拋光壓力、拋光液流量、工作臺(tái)轉(zhuǎn)速對(duì)晶片的表面損傷深度的影響規(guī)律，分別對(duì)它們進(jìn)行試驗(yàn)研究。取40 片，4 片一組，分10 組，把晶片放置在游輪片孔洞內(nèi)，進(jìn)行自動(dòng)雙面磨拋，雙面磨拋后的碲鋅鎘晶片如圖3 所示，圖4 為晶片的SEM 照片。

圖3 雙面磨拋后的碲鋅鎘晶片

圖4 顯微鏡下的碲鋅鎘晶片

2.2 磨拋液粒度對(duì)損傷深度的影響

晶片雙面磨拋過(guò)程中通常先用粒度大個(gè)研磨液進(jìn)行研磨，以便快速地去除材料并使晶片達(dá)到一定的表面平整度，然后用粒度小的拋光液進(jìn)行拋光，以獲得較好的表層質(zhì)量，盡可能減少后續(xù)拋光工序的拋光時(shí)間，降低成本。

為了分析磨拋液粒度對(duì)損傷深度的影響，采用W6、W3、W1 和100 nm 的磨拋液粒度各加工4片碲鋅鎘晶片，分別對(duì)晶片的損傷深度進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表1 所示。

表1 不同磨拋液粒度下磨拋的損傷深度

磨拋液粒度對(duì)損傷深度的影響如圖5 所示。

圖5 磨拋液粒度對(duì)損傷深度的影響

2.3 拋光液流量、 工作臺(tái)轉(zhuǎn)速及拋光壓力對(duì)損傷深度的影響

由于W3 粒度雙面磨拋晶片的損傷檢測(cè)相對(duì)容易且誤差小，在研究拋光液流量、工作臺(tái)轉(zhuǎn)速和拋光壓力對(duì)損傷深度的影響時(shí)都選用W3 粒度雙面磨拋晶片。首先對(duì)拋光液流量、工作臺(tái)轉(zhuǎn)速和拋光壓力對(duì)損傷深度的影響進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)分析，不同參數(shù)下加工晶片的損傷深度結(jié)果分別如表2～表4 所示。

表2 不同拋光液流量下晶片的損傷深度

表3 不同工作臺(tái)轉(zhuǎn)速下晶片的損傷深度

表4 不同拋光壓力下晶片的損傷深度

僅改變拋光壓力的大小，其它參數(shù)不變，損傷深度值如表4 所示。當(dāng)其它參數(shù)不變時(shí)，晶片的損傷深度隨著拋光壓力的增大而增大，且損傷深度快速增大。因?yàn)閽伖鈮毫υ龃蠖D(zhuǎn)速不變時(shí)，砂輪雙面磨拋深度增大，從而對(duì)晶片表面的切削力和擠壓力也增大，單位時(shí)間內(nèi)去除的材料增多，材料脆性斷裂的趨勢(shì)增大，因此損傷深度也增大。為了減小晶片的損傷深度，就要在一定范圍減小拋光壓力，但是這樣會(huì)降低材料去除率，延長(zhǎng)了加工時(shí)間，增加成本，所以在選擇雙面磨拋參數(shù)時(shí)，要綜合權(quán)衡壓力與效率，尋求合理的解決方案。

2.4 結(jié)果分析

為了研究磨拋液粒度、拋光壓力、拋光液流量、工作臺(tái)轉(zhuǎn)速對(duì)晶片表面損傷深度的影響規(guī)律，分別對(duì)它們進(jìn)行試驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)論如下：

（1）雙面磨拋參數(shù)對(duì)晶片的損傷深度影響程度由大到小依次為磨拋液粒度、拋光壓力、拋光液流量和工作臺(tái)轉(zhuǎn)速。隨著磨拋液粒度的減小，晶片的損傷深度減小。當(dāng)其它雙面磨拋參數(shù)不變時(shí)，晶片的損傷深度隨著拋光壓力的增大而增大，隨著拋光液流量的增大而減小，隨著工作臺(tái)轉(zhuǎn)速的增大而減小。

（2）為了減小晶片雙面磨拋后的損傷深度，應(yīng)盡量減小雙面磨拋砂輪的粒度并提高磨拋液粒度分布的均勻性，在一定范圍內(nèi)減小拋光壓力、增大拋光液流量和工作臺(tái)轉(zhuǎn)速。因此，在選定雙面磨拋參數(shù)時(shí)，要結(jié)合材料去除率、損傷深度、表面粗糙度等指標(biāo)的具體要求，參照雙面磨拋參數(shù)對(duì)損傷的影響規(guī)律，在合適的范圍內(nèi)選取恰當(dāng)?shù)碾p面磨拋參數(shù)。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，研究晶片雙面磨拋表面損傷層形成機(jī)理和雙面磨拋工藝參數(shù)對(duì)晶片損傷深度的影響規(guī)律，為優(yōu)化設(shè)備工藝參數(shù)提供理論依據(jù)，為減小晶片損傷深度、提高晶片表面平坦度和磨拋表面質(zhì)量提供參考和借鑒。