軟脆碲鋅鎘襯底的新型化學(xué)拋光技術(shù)研究

侯曉敏,張瑛俠,鞏 鋒

(華北光電技術(shù)研究所,北京 100015)

1 引 言

碲鋅鎘(CdZnTe)襯底是液相外延碲鎘汞(HgCdTe)薄膜的最佳襯底材料[1]。襯底表面的缺陷、機械損傷和表面粗糙度可以延伸至外延層,影響外延層的結(jié)晶完整性,進而導(dǎo)致探測器組件盲元和暗電流的增加。因此,建立CdZnTe襯底超精密加工表面完整性體系,突破高質(zhì)量襯底表面加工技術(shù),獲得高質(zhì)量的CdZnTe襯底表面對于提升紅外探測器的性能具有十分重要的意義[2]。

然而針對軟脆CdZnTe材料表面加工,除日本的Nippion公司技術(shù)水平接近Epi-ready級Si wafer表面質(zhì)量外,包括美國(美國購買日本CdZnTe襯底,為此美國分析人士認(rèn)為如此重要的戰(zhàn)略物資受制于人,建議提高經(jīng)費投入進行研制)在內(nèi)的其他各國的各研究機構(gòu)都沒有在CdZnTe襯底表面加工質(zhì)量上取得突破。如何獲得高質(zhì)量的CdZnTe襯底表面一直是困擾碲鎘汞紅外探測器整個行業(yè)的技術(shù)難題。

當(dāng)前國內(nèi)CdZnTe襯底表面加工后的晶片表面質(zhì)量同國外先進水平有較大的差距。日本Nippion公司代表了目前國際上在CdZnTe襯底表面加工技術(shù)領(lǐng)域的最高水平,其加工后的CdZnTe襯底表面粗糙度Ra為0.2～0.25 nm,而國內(nèi)外幾家主要研究機構(gòu)的CdZnTe襯底加工后的表面粗糙度Ra基本在0.5～1 nm[3-4]。

本文主要介紹了一種針對軟脆CdZnTe襯底的新型化學(xué)拋光技術(shù)——NH化學(xué)拋光,利用微分干涉顯微鏡檢測表面形貌及光學(xué)輪廓儀測試表面粗糙度Ra,并與傳統(tǒng)的溴-甲醇化學(xué)拋光工藝進行了對比。

2 實 驗

2.1 原 理

化學(xué)拋光是一種化學(xué)腐蝕的拋光方法,在拋光過程中,化學(xué)腐蝕的作用占據(jù)了主導(dǎo)地位,機械磨削作用微乎其微,可以忽略不計。拋光時晶片與拋光盤之間布滿了不含研磨劑的純化學(xué)試劑,直接與晶片表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成相對容易去除的氧化層,該氧化層通過晶片與拋光墊的相對運動被去除?；瘜W(xué)拋光工藝是整個CdZnTe表面加工過程中的最后一步,對于能否獲得高質(zhì)量的表面起著至關(guān)重要的作用。

目前,用于CdZnTe襯底的化學(xué)拋光工藝幾乎都采用溴甲醇作為腐蝕液[5]。然而采用溴甲醇化學(xué)拋光工藝加工后的CdZnTe襯底表面橘皮較重,表面粗糙度也較大。這是由于溴作為氧化劑,其氧化性強,與CdZnTe反應(yīng)較快,反應(yīng)方程式如下:

Br2+CdZnTe→0.9CdBr2+0.1ZnBr2+Te

反應(yīng)產(chǎn)物中CdBr2和ZnBr2都易溶于甲醇,而Te則留在晶片表面,同時Br2還會與表面的Te緩慢反應(yīng)生成少量不溶于甲醇的TeBr4,也留在CZT表面。這就會造成表面橘皮較重,并且粗糙度與拋光時間成正比。同時經(jīng)過溴甲醇腐蝕后的表面有一定量的懸掛鍵或畸變,表面吸附能較高,極易吸附環(huán)境中的分子或原子,因此拋光后的CdZnTe表面極易產(chǎn)生亮點。

根據(jù)化學(xué)原理,Cd和Te的二價氧化物具有兩性,分別溶于酸和堿[6]。因此,選用一種堿性腐蝕溶液——NH腐蝕液,其中的氧化劑比溴的氧化性弱,該腐蝕液與CdZnTe反應(yīng)后的產(chǎn)物基本都溶解于腐蝕液中,少量沉積產(chǎn)物通過晶片表面與拋光墊的相對運動被帶走。并且拋光后的表面吸附能低,使得拋光后的表面不容易吸附環(huán)境中的分子或原子。

2.2 實驗

實驗中采用的拋光設(shè)備是英國Logitech公司的CP3000化學(xué)拋光機,表面形貌檢測采用的是Olympus MX61檢測顯微鏡,放大倍數(shù)為100倍,而表面粗糙度測試采用BRUKER WYKO GT-X8光學(xué)輪廓儀,測試范圍均為126 μm×95 μm。

實驗選取<111>晶向的CdZnTe襯底,面積為20 mm×25 mm,表面依次經(jīng)過研磨-機械拋光-化學(xué)機械拋光工藝。采用NH溶液作為化學(xué)拋光的腐蝕液。

在化學(xué)拋光工藝中,腐蝕液的pH值對于拋光后的表面質(zhì)量起著決定性的作用,經(jīng)過反復(fù)試驗得出:如果腐蝕液的pH值低于10,在化學(xué)拋光的過程中腐蝕液對碲鋅鎘幾乎沒有腐蝕作用,以至于晶片承受過大的來自拋光墊的機械作用而產(chǎn)生大量劃痕。如果腐蝕液的pH值高于12,會造成工藝過程控制難度加大,并且在化學(xué)拋光的過程中極易將碲鋅鎘晶片的表面嚴(yán)重氧化。因此,將腐蝕液的pH值選定為10～12為最佳。拋光后的CdZnTe襯底表面粗糙度Ra為0.3 nm左右,最低可到0.28 nm,如圖1所示。

圖1 新技術(shù)加工后的CdZnTe襯底表面粗糙度測試結(jié)果(126 μm×95 μm)Fig.1 Surface roughness value of CdZnTe substrate after new technology processing

另外,該腐蝕液與碲鋅鎘反應(yīng)后的產(chǎn)物基本都溶解于腐蝕液中,少量沉積產(chǎn)物通過晶片表面與拋光墊的相對運動被帶走。另外,拋光后的晶片表面吸附能低,使得拋光后的晶片表面不容易吸附周圍環(huán)境中的分子或原子,因此拋光后的碲鋅鎘晶片表面的粗糙度低,晶片表面光亮潔凈無粘污。

2.3 實驗結(jié)果對比

目前,用于CZT襯底的表面加工工藝采用溴甲醇化學(xué)拋光,拋光后的表面粗糙度Ra為0.5 nm左右,而采用NH腐蝕液的新技術(shù)加工后的表面粗糙度Ra則為0.3 nm左右。圖2和圖3為新老工藝加工后襯底的測試結(jié)果對比。

圖2 新技術(shù)與傳統(tǒng)工藝加工后表面粗糙度對比(126 μm×95 μm)Fig.2 The comparison of surface roughness value after new technology processing and traditional processing (126 μm×95 μm)

圖3 新技術(shù)加工后襯底與傳統(tǒng)工藝加工后CdZnTe襯底表面形貌對比(×100)Fig.3 The surface morphology comparison of CdZnTe after new technology processing and traditional processing (×100)

2.4 應(yīng)用

通過液相外延工藝在表面生長碲鎘汞薄膜后,經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)采用新技術(shù)加工后的CdZnTe襯底外延后的表面形貌明顯優(yōu)于傳統(tǒng)工藝加工后的CdZnTe襯底外延后的表面形貌,由于在后續(xù)的器件工藝中對材料的平面度有著很高的要求,因此,采用新技術(shù)加工后的CdZnTe襯底也將為后續(xù)的器件工藝奠定一個良好的基礎(chǔ)。

3 結(jié) 論

采用新技術(shù)加工后的CdZnTe襯底表面粗糙度Ra約為0.3 nm,最低可到0.28 nm,該技術(shù)指標(biāo)與代表目前國際上最高水平的日本Nippion公司相當(dāng),達到了國內(nèi)一流、國際領(lǐng)先的水平。

與傳統(tǒng)的溴甲醇化學(xué)拋光工藝相比,拋光后的CdZnTe襯底表面粗糙度顯著降低,表面質(zhì)量明顯優(yōu)于溴甲醇化學(xué)拋光后的表面。同時,采用新技術(shù)加工后的CdZnTe襯底表面非常光亮、干凈,表面無亮點等粘污,而溴甲醇化學(xué)拋光則一直存在拋光后表面有少量亮點的問題,并且多年來無法從根本上解決。因此該技術(shù)同時解決了襯底表面粗糙度和表面亮點兩個困擾多年的技術(shù)難題,同時對于外延后的表面形貌有著顯著的提升,為后續(xù)的器件工藝也奠定了良好的基礎(chǔ)。

軟脆CdZnTe襯底高質(zhì)量表面加工技術(shù)的成功突破能夠直接提升液相外延的HgCdTe薄膜質(zhì)量,作為碲鎘汞紅外探測器組件一項核心共用技術(shù),該技術(shù)的突破對整個碲鎘汞紅外焦平面探測器組件性能進一步提高有巨大推動作用。