碲鋅鎘晶片雙面磨拋加工表面損傷層研究

張文斌，郭 東，葛勱翀

( 中國電子科技集團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 范圍內連續(xù)變化，CZT 可用于制作X/γ 高能射線探測器[1]、碲鎘汞紅外探測器的外延襯底[2]、激光窗口和薄膜太陽能電池等。

CZT 晶片的表面狀態(tài)對其作為器件和外延襯底應用有著重要的影響。CZT 晶錠切割后的晶片表面存在損傷層，表面損傷層內晶格的周期性被嚴重破壞，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、雜質以及微缺陷將導致外延生長薄膜的高位錯密度、晶格畸變等。隨著實際應用對晶片表面質量要求的不斷提高，需要研制專用的晶片雙面磨拋設備和選擇相應的雙面磨拋技術。

目前，CZT 晶片的雙面磨拋方法主要包括機械雙面研磨、機械雙面拋光、化學機械拋光和化學拋光。機械雙面研磨和機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現(xiàn)對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?；瘜W機械拋光和化學拋光是在機械拋光過程的基礎上，加入化學腐蝕液腐蝕晶片表面，有利于減小晶片表面粗糙度，但化學機械拋光過程的機械拋光和化學腐蝕之間的平衡通常較難控制，且化學腐蝕會改變晶體表面的化學計量比，使表面富碲。因此，機械雙面研磨和機械雙面拋光是CZT晶片表面處理的基礎，對其進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拋光液進行雙面拋光，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。此項研究能夠為提高晶片雙面磨拋表面層質量、減少后續(xù)拋光工序的拋光時間提供指導。從而對最終實現(xiàn)晶片的高精度、高效率、無損傷、超光滑表面的加工有著重要的指導意義。

1 雙面磨拋的工藝過程和原理

1.1 晶片雙面磨拋的工藝過程

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，主要是消除研磨時形成的損傷層，達到所要求的精度。

1.2 晶片雙面磨拋機雙面磨拋原理

雙面磨拋機用于碲鋅鎘材料的雙面精密磨拋加工工藝。其工作原理是：渦輪蝸桿減速機作為傳動機構，通過齒輪組實現(xiàn)芯軸、小齒輪軸、內齒輪軸和下拋光盤軸4 種軸不同速度、不同方向的轉動，使上、下研磨拋光盤和游輪片產生速度差以及相對運動，實現(xiàn)上、下磨拋盤作相反方向轉動，而晶片置于齒輪組驅動的游輪片內孔中，晶片在游輪片內作既公轉又自轉的游星運動，晶片上下兩面在液體磨料、拋光墊及加壓作用下，達到雙面材料去除的目的，其磨拋機構如圖1 所示。

圖1 晶片雙面磨拋機構示意圖

2 實驗研究

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轉速等)對損傷深度的影響規(guī)律對降低晶片損傷深度有一定的指導意義。為得到雙面磨拋工藝參數(shù)對晶片表面損傷深度的影響規(guī)律，實驗用WP-301D 雙面磨拋機如圖2 所示。

圖2 WP301D 雙面磨拋機

2.1 工藝步驟

為研究磨拋液粒度、拋光壓力、拋光液流量、工作臺轉速對晶片的表面損傷深度的影響規(guī)律，分別對它們進行試驗研究。取40 片，4 片一組，分10 組，把晶片放置在游輪片孔洞內，進行自動雙面磨拋，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 磨拋液粒度對損傷深度的影響

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

為了分析磨拋液粒度對損傷深度的影響，采用W6、W3、W1 和100 nm 的磨拋液粒度各加工4片碲鋅鎘晶片，分別對晶片的損傷深度進行檢測，檢測結果如表1 所示。

表1 不同磨拋液粒度下磨拋的損傷深度

磨拋液粒度對損傷深度的影響如圖5 所示。

圖5 磨拋液粒度對損傷深度的影響

2.3 拋光液流量、 工作臺轉速及拋光壓力對損傷深度的影響

由于W3 粒度雙面磨拋晶片的損傷檢測相對容易且誤差小，在研究拋光液流量、工作臺轉速和拋光壓力對損傷深度的影響時都選用W3 粒度雙面磨拋晶片。首先對拋光液流量、工作臺轉速和拋光壓力對損傷深度的影響進行單因素實驗分析，不同參數(shù)下加工晶片的損傷深度結果分別如表2～表4 所示。

表2 不同拋光液流量下晶片的損傷深度

表3 不同工作臺轉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。當其它參數(shù)不變時，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。因為拋光壓力增大而轉速不變時，砂輪雙面磨拋深度增大，從而對晶片表面的切削力和擠壓力也增大，單位時間內去除的材料增多，材料脆性斷裂的趨勢增大，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，但是這樣會降低材料去除率，延長了加工時間，增加成本，所以在選擇雙面磨拋參數(shù)時，要綜合權衡壓力與效率，尋求合理的解決方案。

2.4 結果分析

為了研究磨拋液粒度、拋光壓力、拋光液流量、工作臺轉速對晶片表面損傷深度的影響規(guī)律，分別對它們進行試驗研究。實驗結論如下：

（1）雙面磨拋參數(shù)對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轉速。隨著磨拋液粒度的減小，晶片的損傷深度減小。當其它雙面磨拋參數(shù)不變時，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，隨著工作臺轉速的增大而減小。

（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，在一定范圍內減小拋光壓力、增大拋光液流量和工作臺轉速。因此，在選定雙面磨拋參數(shù)時，要結合材料去除率、損傷深度、表面粗糙度等指標的具體要求，參照雙面磨拋參數(shù)對損傷的影響規(guī)律，在合適的范圍內選取恰當?shù)碾p面磨拋參數(shù)。

3 結束語

綜上所述，研究晶片雙面磨拋表面損傷層形成機理和雙面磨拋工藝參數(shù)對晶片損傷深度的影響規(guī)律，為優(yōu)化設備工藝參數(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量提供參考和借鑒。