5英寸锑化铟晶片加工及表征

赵 超,孔忠弟,董 涛,吴 卿,折伟林,王小龙,徐鹏艳,李 乾,李 达,李聪聪

(华北光电技术研究所，北京 100015)

0 引 言

锑化铟(InSb)材料因其在77 K时的禁带宽度约为0.18 eV，对3～5 μm波段红外光有着极高的量子效率，常被用于制备制冷型中波红外探测器[1-4]。随着超大面阵InSb中波红外探测器的发展以及对低成本InSb红外探测器的需求，其对大尺寸InSb材料的需求日益提高。正是如此，国内外InSb材料研究机构对大尺寸InSb晶体生长以及加工展开了一系列的研究[5-19]。

红外探测器件对InSb晶片总厚度变化(total thickness variation， TTV)、翘曲度(Warp)、表面粗糙度、抛光表面质量等指标要求较高。随着探测器芯片尺寸的增加，TTV、Warp会直接影响光刻、倒装焊、台面腐蚀这几个探测器制备极其重要工艺的质量，从而影响探测器的性能[19]。表面粗糙度过高会导致器件漏电流增加[20-22]。抛光片表面的宏观缺陷会直接影响InSb光电器件的性能和成品率[19-20]。所以在需要大尺寸的InSb晶片材料的同时也需要提升大尺寸晶片几何参数、表面质量。

图1 5英寸InSb晶体照片Fig.1 Photo of 5 inch InSb crystal

该InSb晶体使用直拉(Czochralski， Cz)法进行生长，生长完成后加工成抛光晶片。一般来说，InSb材料的加工过程首先使用内圆切割机进行切割定向，然后使用多线切割机进行切片，切片完成后进行割圆倒角、研磨、抛光等工艺，最后完成InSb晶片材料的制备[23]。5英寸(1英寸=2.54 cm)InSb晶片相较于4英寸晶片来说其加工主要有以下几个难点：(1)因其生长方向为方向，且临界剪切应力小，生长温度仅为500 ℃，0.1 ℃的温度波动即会对晶体直径造成影响，这些原因导致5英寸InSb晶体不仅长度长，而且晶体截面并非圆形、方形等规则形状，整根晶体直径变化较不平滑，如图1所示。现有的切割工艺及设备仅能勉强加工4英寸InSb晶体，无法对这种外形的5英寸晶体进行定向切割。(2)InSb晶体材料本身性质软脆，而且5英寸晶片相较于4英寸晶片在厚度不变的情况下，前者表面积为后者的1.56倍，质量增加了50%以上，所以在研磨过程中极易因晶片与游轮片碰撞发生裂片。(3)由于晶片表面积增加，晶片粘贴在陶瓷载盘上的平整度劣化，使得抛光晶片的几何参数无法满足使用要求。(4)5英寸InSb晶片要求的表面质量更高，要求表面粗糙度Ra≤2 nm。以上因素使得5英寸InSb材料的外形、表面质量更难控制，加工难度增加。正是因为5英寸InSb晶片加工难度大，所以国内尚未实现该尺寸InSb材料的加工。本文通过对5英寸InSb晶片加工进行研究，最终制备出了5英寸InSb晶片材料，并对其进行了表面粗糙度等几何参数、表面质量参数的表征。

1 实 验

1.1 晶片加工

5英寸InSb晶体为直拉法生长出的晶体，晶体晶向为<211>，晶体长度约为70 cm。使用单线切割机配合晶体定向仪对晶体进行定向以及断段，将晶体加工成长度不大于300 mm，端面为(111)面的晶体段，然后使用多线切割机切片。切片完成后，通过定制的倒角机对不规则形状的5英寸InSb晶片进行割圆倒角，将晶片外形修整为圆形，同时将边缘侧面修整为弧角。然后使用双面研磨机进行研磨，去除晶片切割损伤层。通过贴片工序将晶片粘贴在陶瓷盘上，使用单面抛光机对晶片进行抛光，最终获得 5英寸InSb抛光片。

1.2 性能测试与表征

使用丹东射线仪器厂的X射线晶体定向仪进行晶片的晶向及偏差测量。射线源为Cu靶，测试精度为±15″，测试晶向为<111>，2θ为23.8°。

使用Nikon MM800显微镜的暗场模式对晶片抛光表面宏观质量进行测试，主要针对划痕、亮点等表面缺陷。显微镜倍率为100倍。

使用非接触电容式晶片几何参数测试仪对晶片厚度(Thinkness， Thk)、TTV、Warp这几个几何参数进行测试。测试仪的测试精度为±0.5 μm。

使用原子力显微镜(atomic force microscope， AFM)进行晶片表面粗糙度的测试。纵向噪音水平均方根小于30 pm，测试范围为10 μm×10 μm。测量点取晶片中心1点，距离边缘1 cm处4点。取Ra值作为表面粗糙度测试值。

使用X射线衍射(X-ray diffraction， XRD)仪对晶片表面进行了摇摆曲线测试，测试点为晶片中心位置，射线源为Cu靶，Kα线，λ=0.154 178 nm，对(333)晶面进行ω扫描。扫描范围：-100″～100″，扫描步长：2.0″。

2 结果与讨论

2.1 5英寸InSb晶体切割定向

针对5英寸InSb晶体的定向切割难点，使用优化后的石墨托进行晶体粘接。通过延长石墨托一侧的支撑边同时将另外一侧的支撑边由圆弧形改变为直角形，较完美地匹配了晶体外形。将晶体稳定地固定在石墨托上，使其在粘接胶固化过程中不发生位移，保证了后续定向的精度。优化前后粘接效果如图2所示。使用精确调节双方向角度的单线切割机配合晶体定向仪能够精确将晶体端面定向，克服了现有内圆切割机无法处理5英寸InSb晶体的难题。同时由于晶体呈圆锥形，头尾直径相差大，如果直接使用多线切割机切片，切割到末端时在头部的切割线会切到石墨或者粘接胶，尾部尚在切割晶体，而切割不同材质会导致切割线产生抖动，极易引起断线等故障，导致晶体损坏。采用单线切割定向+单线切割断段+多线切割切片的工艺替代常用的内圆切割定向+多线切割切片的工艺，完成了5英寸InSb晶体的定向及切割。

图2 优化前后石墨托与晶体粘接效果对比图Fig.2 Comparison of bonding effect between graphite tray and crystal before and after optimization

将试样沿基准面法线以同一方向分别旋转90°、180°、270°，测量射线衍射强度最大时对应的测量仪读数ψ1、ψ2、ψ3、ψ4，按照公式(1)进行晶向偏差的计算。

(1)

式中：θ为被测表面对于晶面的偏离度；ψ1、ψ2、ψ3、ψ4为测量仪显示器上的读数。

从表1的测试数据中可以看到，最终获得的晶片晶向偏差小于0.5°，满足使用要求，说明使用优化改良后的石墨托能够稳固地粘接5英寸InSb晶体。同时使用单线切割定向工艺能够解决内圆切割机无法对5英寸InSb晶体进行定向的问题，而且还能够将晶体断段为适配普通多线切割机的尺寸，最终实现了5英寸InSb晶体的定向切片。

表1 5英寸InSb晶片晶向及偏差Table 1 Crystal orientation and deviation of 5 inch InSb wafer

2.2 5英寸InSb晶片研磨

研磨前的晶片倒角工艺不佳会给晶片边缘带来裂纹等损伤。在后续的双面研磨过程中晶片与游轮片边缘碰撞，这些边缘裂纹会向内延伸，最终导致5英寸InSb晶片在研磨过程中碎裂。随着晶片直径、质量的增加，裂片问题更为严重。为解决该问题，将之前的单粒径砂轮倒角工艺改进为采用800#、2 000#两种不同粒径砂轮结合的倒角工艺进行5英寸InSb晶片倒角，如图3所示。优化后的晶片边缘显微照片如图4所示，可以看到边缘损伤明显降低。在双面研磨工艺中，放置在游星轮内的晶片随游星轮一起在太阳轮和齿圈的差动作用下做行星运动，上下研磨盘对其两个表面同时进行加工[23]，如图5所示。根据对晶片行星式研磨运动的轨迹研究[24]，晶片上某点P在x、y方向上的运动速度如式(2)所示。可以看到随着晶片直径以及研磨盘相对角速度的增加，晶片运动的速度加快，晶片边缘与游星轮内圈发生剧烈碰撞，导致晶片碎裂。所以在双面研磨工艺方面通过降低研磨机下盘旋转速度，减少晶片与游轮片的碰撞概率，顺利完成了5英寸InSb晶片的研磨。

图3 优化后的倒角砂轮示意图Fig.3 Schematic diagram of optimized chamfer grinding wheel

图4 优化前后晶片边缘显微照片Fig.4 Photomicrographs of wafer edges before and after optimization

图5 双面研磨各部件运动示意图Fig.5 Schematic diagram of movement of all parts in double-sided grinding

(2)

式中：νPx为P点在x方向上的速度；νPy为P点在y方向上的速度；ρ∈[0，ρP]，ρP为晶片最大直径；β∈[0,2π]，为P点的随机角；ω2为研磨盘的相对角速度；ω3为游星轮的相对角速度；L为游星轮中点到研磨盘中点的距离；t为某一时间点[23]。

2.3 5英寸InSb晶片抛光

InSb晶片经过研磨后，虽然切割晶片的厚度一致性、TTV等几何参数得到了优化，但是如果抛光工艺控制不佳，则会导致几何参数质量急剧劣化。研磨完晶片表面粗糙度仍为微米数量级，无法达到微观平坦的镜面表面要求，需要进行下一步的抛光工艺。这些问题在5英寸InSb晶片加工时更加凸显。

对于5英寸InSb晶片几何参数难以控制的问题，针对抛光工艺的贴片工艺进行改进，具体措施有:(1)根据晶片表面积的增加量，提高粘结蜡的量；(2)增加甩蜡最高转速以及该转速下的甩蜡时间，优化后的甩蜡程序如图6所示，提高粘接蜡在大尺寸晶片上的分布均匀性；(3)增加缓冲压片时间，将晶片与陶瓷盘之间的气泡尽量赶出，晶片中心区域以及边缘区域能够与陶瓷盘之间达到平整稳固粘结的效果。最终经过三点式千分表的测量，晶片与陶瓷盘粘贴后的五点平整度由优化前的2.1 μm降低至0.8 μm，如图7所示，确保了最终抛光后的晶片几何参数质量。针对5英寸InSb晶片表面质量难以控制的问题，通过调整抛光液中pH值以及氧化剂的比例，平衡物理化学作用，最终获得镜面表面的5英寸InSb抛光片，如图8所示。

图6 甩蜡转速程序优化前后对比图(n1为优化前，n2为优化后)Fig.6 Comparison diagram before and after wax throwing speed program optimization (n1 is before optimization, n2 is after optimization)

图7 贴片工艺优化前后粘贴完晶片表面平整度Fig.7 Surface flatness of the pasted wafer before and after the patch process optimization

图8 5英寸InSb抛光片照片Fig.8 Photo of 5 inch InSb polished wafer

根据X射线衍射动力学理论可知，存在损伤的晶体完整性下降，X射线衍射峰宽化，并且随着晶体损伤程度增加而加剧。所以根据X射线衍射的摇摆曲线对单晶片表面加工损伤的敏感性，在实验中多利用其半峰全宽(full width at half maximum， FWHM)的变化来研究损伤的大小和损伤的深度[25]。

优化前后的摇摆曲线测试结果如图9所示。可以看到FWHM由优化前的24.8″降低至8.3″，说明晶片表面晶格质量提高，表面损伤层薄。这也证明了5英寸InSb晶片研磨工艺能够降低大尺寸晶片的碎片率，减少晶片裂纹损伤，同时研磨、抛光工艺能够充分地去除上一步加工工艺带来的表面损伤层，最终获得表面质量优异的5英寸InSb晶片。

图9 优化前后X射线摇摆曲线Fig.9 X-ray rocking curves before and after optimization

几何参数测试结果如表2所示，5英寸InSb晶片的TTV、Warp等几何参数与4英寸InSb晶片的基本一致。说明经过改进后的贴片工序能够较为平整地将5英寸InSb晶片粘贴到抛光基板上，保证晶片基底面平整，通过机械化学抛光作用对晶片表面进行修整，最终获得几何参数质量较优的5英寸InSb晶片材料。该几何参数质量可以提高倒装互连的连通率以及光刻图形的准确性，满足大面阵InSb红外焦平面芯片的要求。

表2 4、5英寸InSb晶片几何参数测试结果对比Table 2 Comparison of 4 inch and 5 inch InSb wafer geometric parameters test results

对于红外探测器用InSb晶片材料，抛光表面宏观质量是衡量其表面质量的关键参数，其抛光表面宏观质量通过在100倍显微镜暗场下对亮点、划痕等表面缺陷进行检测[26]。检测结果如图10所示，可以看到在显微镜暗场下晶片表面黑色纯净，没有亮的划痕且亮点较少，说明表面抛光宏观缺陷很少。这也证明了优化后的抛光工艺能够较好地平衡物理化学作用，减少因化学作用过于强烈造成的坑点或者因机械作用过强导致的表面划道，最终获得表面缺陷较少的5英寸InSb抛光片。

图10 显微镜暗场模式下的晶片表面照片Fig.10 Wafer surface photo in dark field mode of microscope

AFM表面粗糙度测试结果如图11以及表3所示，可以看到5点的表面粗糙度较为均匀，平均粗糙度达到1.10 nm。

图11 晶片表面粗糙度测试数据(AFM)Fig.11 Wafer surface roughness test data (AFM)

表3 5英寸InSb晶片表面粗糙度五点测量值(AFM)Table 3 Five points measurement values of surface roughness of 5 inch InSb wafer (AFM)

在InSb晶片抛光工艺中，晶片表面的InSb会被抛光液中的氧化剂氧化，形成锑或铟的氧化物，氧化物先以岛状形式形成，然后相互连结，慢慢覆盖整个表面。形成的氧化物在酸性的抛光液中形成可溶性的盐类物质，在抛光料、抛光布的物理摩擦下暴露出新鲜的InSb表面，继续进行反应，如此循环。整个过程的化学反应式如式(3)～(8)所示[27]：

2InSb+6[O]→In2O3+Sb2O3

(3)

Sb2O3+2[O]→Sb2O5

(4)

Sb2O5+In2O3→2InSbO4

(5)

Sb2O3+6H+→2Sb3++3H2O

(6)

Sb2O5+10H+→2Sb5++5H2O

(7)

In2O3+6H+→2In3++3H2O

(8)

晶片尺寸增大时，由于抛光液在晶片中心以及边缘的分布不均匀性增加，所以往往难以控制晶片表面不同位置处的反应均匀性，从而影响晶片的表面粗糙度一致性。在抛光工艺优化后，抛光液能够更为均匀地分布在晶片表面，还能够在InSb晶片微观层面的表面高点优先反应并去除，从而使得晶片表面粗糙度和表面粗糙度一致性较好。AFM测试结果验证了这个结论，晶片表面达到原子级平整。

2.4 国内外厂商晶片加工参数对比

国内外InSb材料知名厂商研制的5英寸InSb晶片材料的几何参数及表面质量对比如表4所示[1,12]，从表中可以看出，本文研制的5英寸InSb晶片在晶向及偏差、抛光表面宏观质量、TTV、Warp、FWHM等参数方面与国外产品相当，但是在表面粗糙度方面略差。

表4 国内外主要厂商5英寸InSb晶片几何参数及表面质量对比Table 4 Comparison of geometric parameters and surface quality of 5 inch InSb wafers from major manufacturers at home and abroad

3 结 论

采用单线切割定向+单线切割断段+多线切割切片、割圆倒角、双面研磨、机械化学抛光等优化后的晶片加工工艺成功制备了5英寸InSb晶片材料。晶片晶向及偏差为<111>、+0.018°，抛光面宏观质量优，TTV为5.4 μm，Warp为12.1 μm，表面粗糙度为1.10 nm，X射线摇摆曲线FWHM为8.3″。本文制备的5英寸InSb晶片材料除表面粗糙度指标略差之外，其他指标均与国外同尺寸产品相当，能够满足大面阵高质量InSb红外焦平面探测器的研制。但是在晶片抛光技术方面仍需要进一步进行优化，继续提高表面粗糙度指标。