鍺單晶片邊緣損傷影響因素分析

楊洪星，王雄龍，何遠(yuǎn)東

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所，天津，300220)

鍺單晶片邊緣損傷影響因素分析

楊洪星，王雄龍，何遠(yuǎn)東

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所，天津，300220)

新一代太陽(yáng)電池所需的鍺片厚度僅為140 μm，在加工過(guò)程中更容易出現(xiàn)邊緣破損，因此，鍺片的邊緣質(zhì)量控制更為迫切。從單晶質(zhì)量控制、滾圓及參考面制作出發(fā)，對(duì)鍺片邊緣質(zhì)量的影響因素進(jìn)行了分析，并提出相應(yīng)的解決措施，提升了超薄鍺片的邊緣完整性。

鍺；邊緣損傷；圓度；晶向偏離度

由于鍺與砷化鎵具有極好的晶格匹配，鍺具有良好的機(jī)械性能，可以切割成更薄、質(zhì)量更輕的襯底，而且它具有優(yōu)良的抗輻射性能，大大提高太陽(yáng)電池組件的功率、質(zhì)量比，可以有效降低衛(wèi)星的體積和質(zhì)量，是空間太陽(yáng)電池理想的襯底材料[1-5]。對(duì)于GaAs/Ge太陽(yáng)電池的研究，國(guó)際上已取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展[5]。特別以此為基礎(chǔ)的GaInP2/GaAs/Ge疊層電池，理論轉(zhuǎn)換效率大于34%(AM1.5)，目前已取得30%以上的效率[6]。目前，國(guó)際上主流鍺單晶拋光片有(175±15)μm和(140±15)μm等兩種厚度規(guī)格產(chǎn)品，并且呈現(xiàn)出(140±15)μm逐步增多的趨勢(shì)。

隨著鍺單晶片厚度的逐步降低，晶片更容易發(fā)生扭曲、變形，同時(shí)，在晶片加工過(guò)程中，晶片邊緣更容易出現(xiàn)破損現(xiàn)象，從而導(dǎo)致鍺片的成品率顯著降低。另一方面，在三結(jié)太陽(yáng)電池制備過(guò)程中，需要先在鍺片上生長(zhǎng)一層砷化鎵薄層，由于鍺和砷化鎵之間存在晶格失配，晶片邊緣損傷容易在外延層邊緣形成滑移線缺陷，從而導(dǎo)致外延成品率的顯著降低。因而，鍺片的邊緣質(zhì)量控制顯得尤為重要。

本文從鍺片制備的原始單晶質(zhì)量控制以及滾圓工序出發(fā)，研究了晶向偏離度、夾持方式、參考面制作等對(duì)鍺片邊緣損傷的影響，并提出了相應(yīng)的解決措施，提高了鍺片的邊緣強(qiáng)度，降低了鍺片在加工過(guò)程中的碎片率。

1 鍺片邊緣質(zhì)量控制模型

在整個(gè)晶體加工過(guò)程中，滾圓工序是決定鍺單晶片邊緣質(zhì)量的基礎(chǔ)工序，同時(shí)，鍺單晶的原始晶向?yàn)?100>偏<111>9°±3°，而最終產(chǎn)品的晶向?yàn)?100>偏<111>9°±0.5°，原始鍺單晶的邊緣晶向偏離度對(duì)切片后晶片的圓度也存在著一定的影響，因此，在模型設(shè)計(jì)中將原始單晶的參數(shù)也一并考慮，建立了表1所示的邊緣質(zhì)量控制模型。本文選取表1中的晶向偏離度、夾持方式以及參考面制作進(jìn)行了具體分析。

表1 鍺單晶片邊緣質(zhì)量控制模型

2 晶片邊緣質(zhì)量影響因素分析

2.1 原始鍺單晶晶向偏離度對(duì)鍺單晶片邊緣的影響

原始鍺單晶的晶向通常為<100>偏<111>9° ±3°，而GB/T 5252-2006中[7]規(guī)定測(cè)試位錯(cuò)時(shí)，需要將樣品的晶向偏離度控制在小于6°才能實(shí)施位錯(cuò)密度測(cè)試，因此，需要在單晶頭尾兩端切取晶向偏離度小于6°的測(cè)試樣片。因此，在切完測(cè)試樣片后，需要對(duì)鍺單晶棒進(jìn)行回切，以保證鍺單晶的晶向偏離度以及兩個(gè)端面的平行度。

鍺單晶片的晶向?yàn)?100>偏<111>9°±0.5°，按照?qǐng)D1所示的正交分解法對(duì)鍺單晶片晶向進(jìn)行分析，AB方向應(yīng)為<100>±0.5°，而CD方向?yàn)?100>偏<111>9°±0.5°，按照GB/T 1555進(jìn)行計(jì)算，其最終晶向應(yīng)為<100>偏<111>9°±0.5°。這就要求在AB方向盡可能接近<100>晶向的理論值，而在CD方向的偏差也盡可能小。

圖1 鍺單晶片晶向正交分解示意圖

假定AB方向與<100>晶向的理論值相差為10′，CD方向的晶向偏離<100>偏<111>9°10′方向的差值按表2變化，則AB、CD兩個(gè)方向的差值如表2所示。隨著CD方向晶向偏離程度的增大，兩個(gè)方向的差值將逐步增大。經(jīng)滾圓后，單晶端面將呈現(xiàn)出一定的橢圓，通常，依據(jù)滾圓工序與倒角工序的工序設(shè)定，滾圓后的單晶應(yīng)在整個(gè)圓周范圍為倒角工序預(yù)留加工量，具體數(shù)據(jù)取決于滾圓工序與倒角工序的工藝條件，以保證整個(gè)晶片的邊緣均勻一致。從表2可以看出，當(dāng)CD方向晶向偏離小于2.5°時(shí)，AB-CD的差值不足0.1 mm，對(duì)于倒角直徑方向預(yù)留量較大的情況，可以忽略該因素對(duì)鍺片邊緣的影響；當(dāng)CD方向晶向偏離大于3.5°時(shí)，差值超過(guò)0.2 mm，對(duì)于預(yù)留量較小的情況，該因素成為影響鍺片邊緣的重要因素，將出現(xiàn)大量未倒到的情況，從而顯著影響倒角工序的成品率，或出現(xiàn)局部區(qū)域倒角去除量不足的情況，從而導(dǎo)致局部區(qū)域損傷層過(guò)深，在后續(xù)加工或器件制作過(guò)程中出現(xiàn)邊緣問(wèn)題。

表2 AB-CD差值隨CD方向晶向偏離的變化

2.2 夾持方式對(duì)鍺片邊緣損傷的影響

在滾圓過(guò)程中，需要在鍺單晶兩端施加一定的力并使用夾具進(jìn)行夾持。表3[8，9]給出了幾種常用半導(dǎo)體材料的部分性能數(shù)據(jù)，從表中可以看出，鍺材料的克氏硬度遠(yuǎn)小于硅材料，在選取夾持材料時(shí)，應(yīng)選取硬度較小的材料以降低對(duì)鍺單晶端面的影響。

表3 幾種常用半導(dǎo)體材料性能

從表3給出的三種材料力學(xué)性能可以看出，鍺的斷裂韌性低于硅材料，從而表明鍺材料的斷裂性能比硅弱，鍺材料上的裂紋更容易擴(kuò)展，從而導(dǎo)致材料斷裂。因此，本文以價(jià)格相對(duì)較為低廉的硅單晶材料對(duì)夾持力的大小進(jìn)行試驗(yàn)，以此探索鍺單晶材料接近斷裂時(shí)的夾持力。當(dāng)夾持力為0.8 MPa時(shí)，硅單晶整體開(kāi)裂，具體如圖2所示。從圖2中的斷口可以看出，紋路呈現(xiàn)出不規(guī)則分布，單晶側(cè)面的裂紋呈現(xiàn)一定的弧度。因而，當(dāng)單晶夾持力過(guò)大，但不足以使單晶開(kāi)裂時(shí)，單晶內(nèi)部將出現(xiàn)一定的損傷，從而使后續(xù)的加工成品率出現(xiàn)顯著下降。對(duì)于鍺單晶材料，夾持力應(yīng)低于0.8 MPa，以?shī)A持住單晶且不對(duì)單晶造成影響為前提，應(yīng)將夾持力設(shè)置在0.4～0.6 MPa。

圖2 硅單晶試驗(yàn)結(jié)果

2.3 參考面制作對(duì)鍺單晶片邊緣損傷的影響

通常，在滾圓工序初步制作參考面，在倒角工序形成最終要求的參考面長(zhǎng)度。圖3給出了制作參考面后鍺單晶的端面圖，根據(jù)勾股定理很容易得出鍺單晶半徑（R）、鍺單晶B直徑（D）以及參考面長(zhǎng)度（L）之間的關(guān)系，如式（1）所示。從式中可以看出，當(dāng)L減小（即滾圓時(shí)，參考面長(zhǎng)度低于工藝設(shè)計(jì)值）時(shí)，D將增大，這就意味著倒角過(guò)程中，為達(dá)到工藝設(shè)計(jì)值，參考面位置需要多加工一部分。由于倒角機(jī)制作參考面時(shí)，基本在第一圈加工時(shí)將參考面加工到工藝設(shè)計(jì)值，因此在倒角過(guò)程中，在其它參數(shù)不變的情況下，倒角機(jī)在對(duì)參考面進(jìn)行首次加工時(shí)，會(huì)形成更深的損傷層，從而容易造成參考面位置出現(xiàn)邊緣缺陷。當(dāng)L值增大時(shí)，D值將減小，存在倒角工序加工參考面時(shí)，D方面的去除量不足，造成參考面位置的損傷過(guò)大，不利于后續(xù)的器件制作工藝。因此，在制作參考面時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制參考面長(zhǎng)度與設(shè)計(jì)值的偏差，提高參考面精度，以利于后續(xù)加工工藝的控制以及器件工藝的穩(wěn)定性。

圖3 制作參考面后鍺單晶端面圖

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)鍺單晶片邊緣損傷影響因素的分析，在鍺單晶加工過(guò)程中，應(yīng)采取以下措施：

（1）滾圓前，應(yīng)保證鍺單晶的晶向偏離度，使晶向偏離度盡可能與最終產(chǎn)品要求一致，以保證產(chǎn)品的邊緣質(zhì)量。

（2）滾圓時(shí)，應(yīng)選取硬度較小的材料夾持鍺單晶，降低對(duì)鍺單晶端面的沖擊力，同時(shí)應(yīng)將夾持力控制在0.4～0.6 MPa。

（3）在參考面制作環(huán)節(jié)，滾圓、倒角兩個(gè)工序應(yīng)按照參考面中間值進(jìn)行控制，將工序加工量控制在合理的范圍內(nèi)，以降低邊緣損傷對(duì)鍺單晶片造成的成品率大幅波動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。

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Analysis of Influence Factors of Edge Damage on Germanium Crystalline Wafers

YANG Hongxing，WANG Xionglong，HE Yuandong
(The 46thResearch Institute of CETC，Tianjin 300220，China)

The germanium wafers used in next generation of solar cells have a thickness of only 140 μm and easily appear edge damage.Therefore，the quanlity control of germanium wafers'edge are quite impendent.In this article，starting from crystalline quality control，cylindrical grinding and flat grinding，an analysis of factors which effect the edge quanlity is done and corresponding measures are put forward，which could improve the edge completeness of ultrathin germanium wafers.

Germanium；Edge damage；Roundness；Orientation off

TN948.43

B

1004-4507(2017)02-0007-04

楊洪星（1974-），男，高級(jí)工程師，工學(xué)學(xué)士、工程碩士，現(xiàn)在中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所從事半導(dǎo)體材料的晶體加工工作；已發(fā)表論文20余篇。

2017-02-27