詳細(xì)介紹碲鋅鎘襯底的表面處理研究

碲鋅鎘（CZT）單晶材料作為碲鎘汞（MCT）紅外焦平面探測(cè)器的首選襯底材料，其表面質(zhì)量的優(yōu)劣將直接影響碲鎘汞薄膜材料的晶體質(zhì)量以及成品率，故生產(chǎn)出外延級(jí)別的碲鋅鎘襯底表面是極其重要的。目前，碲鋅鎘單晶片的主要表面加工處理技術(shù)包含機(jī)械研磨、機(jī)械拋光、化學(xué)機(jī)械拋光、化學(xué)拋光以及表面清洗。其中，機(jī)械研磨、機(jī)械拋光以及化學(xué)機(jī)械拋光工藝都會(huì)存在磨料殘留、磨料嵌入、表面劃痕較多、粗糙度較高等一系列問題，要解決這些問題需要對(duì)相應(yīng)的表面處理技術(shù)進(jìn)行了解和掌握，包括表面處理技術(shù)的基本原理以及影響因素。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，昆明物理研究所的科研團(tuán)隊(duì)在《紅外技術(shù)》期刊上發(fā)表了以“碲鋅鎘襯底表面處理研究”為主題的文章。該文章第一作者為江先燕，通訊作者為叢樹仁高級(jí)工程師，主要從事紅外材料與器件方面的研究工作。

本文主要從碲鋅鎘表面處理工藝及表面位錯(cuò)缺陷揭示兩個(gè)方面對(duì)碲鋅鎘襯底的表面處理研究進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

表面處理工藝

碲鋅鎘單晶作為生長(zhǎng)外延碲鎘汞薄膜材料的首選襯底材料，要求其表面不能存在機(jī)械損傷及缺陷密度大于10? cm?2的微觀缺陷，如線缺陷、體缺陷等。襯底表面的機(jī)械損傷可通過后期的表面處理工藝進(jìn)行去除[18]，而微觀缺陷只能通過提高原材料的純度以及合理調(diào)控晶體的生長(zhǎng)過程方能得到有效改善。經(jīng)垂直梯度凝固法或布里奇曼法生長(zhǎng)出的低缺陷密度的碲鋅鎘體晶會(huì)先被切割成具有固定方向（如（111）方向）和厚度的碲鋅鎘晶片，然后再經(jīng)過一系列的表面處理工藝才能用于碲鎘汞薄膜的生長(zhǎng)。通常情況下，碲鋅鎘晶片會(huì)經(jīng)歷機(jī)械研磨、機(jī)械拋光、機(jī)械化學(xué)拋光及化學(xué)拋光等表面處理工藝，通過這些工藝處理后的晶片才能達(dá)到外延級(jí)水平，因此本部分主要詳細(xì)介紹上述4種表面處理工藝。

機(jī)械研磨

機(jī)械研磨工藝的研磨機(jī)理為：加工工件與研磨盤上的磨料或研磨劑接觸時(shí)，工件表面因受到形狀不規(guī)則磨料的擠壓而產(chǎn)生破裂或裂紋，在加工工件與研磨盤的相互運(yùn)動(dòng)下，這些破裂的碎塊會(huì)隨著不規(guī)則磨料的滾動(dòng)而被帶離晶片表面，如此反復(fù)，從而達(dá)到減薄晶片厚度及獲得低損傷表面的加工目的，機(jī)械研磨裝置及磨削原理示意圖如圖1所示。

圖1 機(jī)械研磨裝置及研磨機(jī)理示意圖

碲鋅鎘體晶切割成一定厚度的晶片后首先經(jīng)歷的表面處理工藝是機(jī)械研磨工藝。機(jī)械研磨的主要目的是去除機(jī)械切割對(duì)晶片表面造成的損傷層，從而獲得一個(gè)較低損傷的晶片表面。表面處理工藝中，機(jī)械研磨還可細(xì)分為機(jī)械粗磨和機(jī)械細(xì)磨，兩者的主要區(qū)別在于所使用的磨料粒徑不一樣，粗磨的磨料粒徑大于細(xì)磨的磨料粒徑。機(jī)械細(xì)磨的主要目的是去除機(jī)械粗磨產(chǎn)生的損傷層，同時(shí)減少拋光時(shí)間，提高工藝效率。研究報(bào)道，機(jī)械研磨產(chǎn)生的損傷層厚度通常是磨料粒徑的3倍左右。

影響機(jī)械研磨工藝對(duì)加工工件研磨效果的因素有磨料種類、磨料粒徑及形狀、研磨盤類型、磨料與溶劑的配比、磨料滴速、研磨盤轉(zhuǎn)速、工件夾具轉(zhuǎn)速以及施加在加工工件上的壓力等。磨料種類一般根據(jù)加工工件的物理及化學(xué)性質(zhì)（如強(qiáng)度、硬度、化學(xué)成分等）進(jìn)行合理選擇。常用于機(jī)械磨拋的磨拋料有MgO、Al?O?、SiC及金剛石等，其中，為了避免在碲鋅鎘襯底上引入其他金屬雜質(zhì)，MgO和Al?O?這兩種研磨劑很少在碲鋅鎘表面處理工藝上進(jìn)行使用，使用最多的是SiC和金剛石兩類磨料。

磨料的形狀可分為規(guī)則（如球狀、棒狀、長(zhǎng)方體等）和不規(guī)則（如多面體形狀）兩類，如圖2所示。通常情況下，磨料形狀越不規(guī)則，材料去除速率越快，同時(shí)造成的表面損傷也大，反之，磨料越規(guī)則，去除速率越慢，但造成的表面損傷也越小。

圖2 不規(guī)則磨料及規(guī)則磨料的掃描電鏡圖

毛曉辰等人研究了這3種不同形狀磨料對(duì)碲鋅鎘襯底機(jī)械研磨的影響。當(dāng)磨粒形狀為板片狀時(shí)，材料的去除模型將不再遵從李巖等人提出的“不規(guī)則磨料研磨去除模型”，即三體磨粒去除模型，如圖3(a)所示，而是會(huì)發(fā)生變化?；诖?，毛曉辰等人提出了如下的去除模型，即：當(dāng)磨粒為板片狀時(shí)，磨粒以一定的傾斜角度平躺于磨盤表面，如圖3(b)所示，當(dāng)加工工件（晶片）與磨盤發(fā)生相互運(yùn)動(dòng)時(shí)，磨粒被短暫的固定在磨盤表面，形成二體磨粒，板片狀磨粒便以其片狀邊緣對(duì)加工工件表面進(jìn)行磨削，最終實(shí)現(xiàn)去除材料的目的。

圖3 不規(guī)則磨料及板片狀磨料去除機(jī)理示意圖

常見的研磨盤類型可簡(jiǎn)單分為開槽和不開槽兩類，如圖4所示，開槽和不開槽研磨盤對(duì)晶片研磨效果的影響如表1所示。

圖4 磨盤示意圖

表1 開槽和不開槽研磨盤對(duì)晶片研磨效果的影響

機(jī)械拋光

機(jī)械拋光工藝的拋光機(jī)理為：加工工件與柔性拋光墊上的拋光粉或拋光顆粒接觸后，工件表面將受到形狀不規(guī)則的拋光顆粒的擠壓而產(chǎn)生破裂或裂紋，在加工工件與拋光盤的相互運(yùn)動(dòng)下，這些破裂的碎塊會(huì)隨著不規(guī)則拋光顆粒的滾動(dòng)而被帶離晶片表面，反復(fù)如此，從而達(dá)到降低加工工件表面粗糙度和獲得光亮、平整表面的目的。拋光粉是一種形狀不規(guī)則且粒徑很小的微納米級(jí)顆粒，故而對(duì)加工工件造成的表面損傷較小且加工后的工件表面像鏡面一樣光亮。拋光墊的柔韌性削弱了拋光顆粒與加工工件表面的相互磨削作用，從而進(jìn)一步降低了拋光顆粒對(duì)工件表面的損傷。機(jī)械拋光裝置及拋光原理示意圖如圖5所示。

圖5 機(jī)械拋光裝置及拋光原理示意圖

機(jī)械拋光的主要目的是去除機(jī)械研磨工藝對(duì)晶片表面造成的損傷層，同時(shí)降低晶片表面粗糙度和減少表面劃痕，獲得光亮、平整的表面。影響機(jī)械拋光工藝對(duì)加工工件表面拋光效果的因素有拋光粉種類或者拋光液種類、拋光粉粒徑大小及形狀、拋光墊種類、拋光盤轉(zhuǎn)速、工件夾具轉(zhuǎn)速、施加在工件上的壓力、拋光液滴速以及拋光時(shí)間等。圖6所示為碲鋅鎘晶片經(jīng)不同廠家生產(chǎn)的同種拋光液機(jī)械拋光后的表面形貌圖，如圖所示，在相同的拋光條件下，不同廠家生產(chǎn)的拋光液的拋光效果差別較大。因此，機(jī)械拋光工藝中對(duì)拋光液的合理選擇是極其重要的。

圖6 不同廠家生產(chǎn)的同種拋光液的機(jī)械拋光表面

拋光粉的粒徑大小和形狀主要影響加工工件的表面質(zhì)量和材料去除速率，通常，粒徑越大以及形狀越不規(guī)則，則材料的去除速率越快，表面質(zhì)量也越差，如表面粗糙度大、劃痕多等；反之，則去除速率慢，表面質(zhì)量好。

拋光墊具有貯存拋光液及去除拋光過程產(chǎn)生的殘留雜質(zhì)等作用，拋光墊的種類（或材質(zhì)）也是影響工件拋光效果的主要因素之一。圖7為目前一些常見拋光墊的表面紋理及根據(jù)仿生學(xué)理論研究設(shè)計(jì)的拋光墊表面紋理圖，主要包括放射狀紋理、柵格狀紋理、同心圓狀紋理、放射同心圓復(fù)合狀紋理、螺旋狀紋理及葵花籽狀紋理。

圖7 拋光墊表面紋理圖

化學(xué)機(jī)械拋光

化學(xué)機(jī)械拋光工藝的拋光機(jī)理為：加工工件表面與拋光墊上的拋光液接觸后，將同時(shí)受到來自拋光液中的不規(guī)則拋光顆粒的擠壓作用和強(qiáng)氧化劑的腐蝕作用，即工件表面同時(shí)受到機(jī)械作用和化學(xué)作用?；瘜W(xué)機(jī)械拋光的主要目的包括去除工件表面損傷層、降低表面粗糙度、消除或減少表面劃痕以及工件表面平坦化等。

影響化學(xué)機(jī)械拋光工藝對(duì)加工工件表面拋光效果的因素有機(jī)械作用和化學(xué)作用的協(xié)同情況、拋光粉種類、拋光粉粒徑大小及形狀、氧化劑種類及濃度、拋光墊種類、拋光盤轉(zhuǎn)速、工件夾具轉(zhuǎn)速、施加在工件上的壓力、拋光液滴速以及拋光時(shí)間等。

拋光粉的粒徑大小及形狀、拋光墊的種類（或材質(zhì)）、拋光墊的使用時(shí)長(zhǎng)、拋光盤轉(zhuǎn)速、工件夾具轉(zhuǎn)速、施加在工件上的壓力大小以及拋光時(shí)間等因素對(duì)工件拋光效果的影響原理與機(jī)械拋光工藝中所述影響原理類似。

化學(xué)拋光

化學(xué)拋光工藝的拋光機(jī)理為：當(dāng)加工工件與拋光墊上的化拋液接觸后，化拋液中的氧化劑將對(duì)工件表面進(jìn)行腐蝕，在拋光墊與工件表面的相互運(yùn)動(dòng)作用下，工件表面上的損傷層以及淺劃痕等都會(huì)被去除，得到光亮、平整且無任何劃痕及損傷的外延級(jí)襯底表面?；瘜W(xué)拋光工藝中使用的拋光液只包含氧化劑和溶劑，沒有磨料顆?；驋伖忸w粒。同時(shí)，對(duì)工件進(jìn)行化學(xué)拋光時(shí)，沒有對(duì)工件施加額外的壓力，只有拋光夾具的自身重力。因此，化學(xué)拋光工藝中幾乎不涉及到機(jī)械作用，只有純化學(xué)腐蝕作用?；瘜W(xué)拋光工藝的裝置及拋光原理如圖8所示。

圖8 化學(xué)拋光裝置及拋光原理示意圖

化學(xué)拋光的主要目的是去除化學(xué)機(jī)械拋光或機(jī)械拋光工藝對(duì)晶片表面造成的損傷層，并同時(shí)為生長(zhǎng)碲鎘汞薄膜提供新鮮、潔凈、無損的外延級(jí)表面。影響化學(xué)拋光工藝對(duì)加工工件表面拋光效果的因素有氧化劑種類及濃度、拋光墊種類、拋光盤轉(zhuǎn)速、拋光夾具自重、化拋液滴速以及拋光時(shí)間等。

表面位錯(cuò)揭示

與硅等幾乎無缺陷的單晶材料相比，碲鋅鎘單晶材料具有較高的位錯(cuò)密度（10?~10?/ cm?2）。目前，觀察位錯(cuò)的主要手段是化學(xué)腐蝕法，雖然透射電子顯微鏡法（TEM）也能對(duì)材料的位錯(cuò)進(jìn)行檢測(cè)，但因其具有設(shè)備成本太高、制樣非常困難、視場(chǎng)太小等原因而無法作為常規(guī)的位錯(cuò)檢測(cè)手段?；瘜W(xué)腐蝕法因具有成本低、制樣簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)單且所觀察的視場(chǎng)較大等優(yōu)勢(shì)而成為了目前主要的表面位錯(cuò)檢測(cè)手段。

碲鎘汞薄膜主要是通過在碲鋅鎘襯底的（111）面和（211）面上外延得到，因此，要求碲鋅鎘襯底表面不能存在損傷及大量的微觀缺陷。襯底表面的損傷主要來自于表面處理工藝，而微觀缺陷如沉淀物、位錯(cuò)、空位等則是在晶體生長(zhǎng)過程中產(chǎn)生的。事實(shí)上，表面損傷對(duì)應(yīng)的是晶格的周期性被破壞，即晶體表面形成大量的位錯(cuò)。所以，對(duì)于外延襯底而言，不管是損傷還是微觀缺陷，只要超過一定的數(shù)量都會(huì)直接影響碲鎘汞外延薄膜的質(zhì)量，故而需要對(duì)碲鋅鎘襯底表面的缺陷（包括損傷和微觀缺陷）進(jìn)行檢測(cè)，從而篩選出優(yōu)質(zhì)的外延級(jí)襯底。如上所述，化學(xué)腐蝕法是目前最常用的位錯(cuò)檢測(cè)手段，因此這部分主要介紹用于揭示碲鋅鎘表面位錯(cuò)缺陷的腐蝕液。

（111）A面位錯(cuò)揭示腐蝕液

1979年，K. Nakagawa等人報(bào)道了一種可用來揭示碲化鎘（111）A面位錯(cuò)缺陷的化學(xué)腐蝕液，其組分為20 mL H?O:20 mL H?O?:30 mL HF。

（111）和（211）B面位錯(cuò)揭示腐蝕液

1995年，W. J. Everson等人報(bào)道了一種可用于揭示碲鋅鎘（111）和（211）B面位錯(cuò)缺陷的化學(xué)腐蝕液，其組分為6 mL HF: 24 mL HNO?:150 mL C?H?O?（乳酸），即體積比為125。由于這種化學(xué)腐蝕液是W.J.Everson首次提出并驗(yàn)證其有效性的，所以作者將這種腐蝕液命名為“Everson腐蝕液”。

其他晶面位錯(cuò)揭示腐蝕液

1962年，M. Inoue等人報(bào)道了一種可揭示碲化鎘（CdTe）不同晶面上位錯(cuò)缺陷的EAg腐蝕液，EAg腐蝕液的組成為10 mL HNO?: 20 mL H?O : 4 g K?Cr?O? :x g AgNO?

總結(jié)與展望

本文主要從碲鋅鎘表面處理工藝及表面位錯(cuò)揭示兩個(gè)方面對(duì)碲鋅鎘襯底的表面處理工藝研究進(jìn)行了詳細(xì)介紹。表面處理工藝主要包括機(jī)械研磨、機(jī)械拋光、化學(xué)機(jī)械拋光以及化學(xué)拋光，研磨或拋光工藝中的參數(shù)選擇直接影響最終的襯底表面質(zhì)量。碲鋅鎘襯底的表面位錯(cuò)缺陷主要通過Everson或Nakagawa兩種化學(xué)腐蝕液進(jìn)行揭示，Everson腐蝕液主要揭示碲鋅鎘（111）B面的位錯(cuò)缺陷，Nakagawa腐蝕液主要揭示（111）A面的位錯(cuò)缺陷。

另外，隨著碲鎘汞紅外焦平面探測(cè)器技術(shù)的發(fā)展，碲鋅鎘襯底的尺寸逐漸增大，這意味著獲得外延級(jí)碲鋅鎘襯底表面將會(huì)更加困難，這對(duì)晶片表面平整度、晶片面型控制及表面清洗等都提出了更高的技術(shù)要求。因此，如何在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上探索出適用于大尺寸碲鋅鎘襯底的表面處理技術(shù)是至關(guān)重要的，這也是接下來亟待解決的技術(shù)問題和努力的方向。

審核編輯：劉清