表面活性剂在P型锗片磨削工艺中的应用

陆 峰，杨洪星，刘春香，赵 权

(中国电子科技集团公司第四十六研究所，天津 300220)

近年来，随着科学技术的发展，锗单晶成为了一种新的清洁能源材料。锗单晶抛光片已成功地用于太阳能电池领域。在锗衬底上通过外延GaAs层而制造的Ge/GaAs太阳能电池与硅太阳能电池相比具有转换效率高、耐辐射、寿命长、温度敏感性小等特点，另外Ge/GaAs太阳能电池相对于传统的GaAs/GaAs太阳能电池来讲具有质量轻、成本低等优点[1，2]。

空间辐射环境由地球辐射带、太阳宇宙射线和银河宇宙射线组成。地球辐射部分为范艾伦辐射带和人工辐射带。人工辐射带的内辐射带和外辐射带主要由质子和电子构成，当太阳耀斑发生时，伴随有大量高能带电粒子的发射，所发射的高能带电粒子称之为太阳宇宙射线。这此带电粒子大部分由质子组成。银河宇宙射线是来自银河各个方向的高能带电粒子，绝大部分是质子[3]。

相对于N型锗单晶片，P型锗单晶片的耐辐射性能更强，同时P型锗单晶片主要用于制作P-Ge/GaAs/Al-GaAs多结太阳电池，具有较高的光电转换效率，因此，P型锗单晶片的研究受到了广泛地关注。

本文研究了表面活性剂在P型锗片磨削过程中的作用，减少了砂轮阻塞的现象，降低砂轮修整的频率，提高了锗磨削片的表面质量。

1 试验

1.1 样品

本试验所用锗片的参数见表1。

表1 样品参数表

1.2 试验

在传统的磨削设备中，仅用去离子水作为清洗剂，不能有效去除磨削过程中产生的各种颗粒，容易造成砂轮阻塞现象。

图1 锗片磨削示意图

在本试验中，在去离子水管路中加入了一路表面活性剂管路，如图1所示，将是否使用表面活性剂作为对比条件进行工艺试验。整个磨削过程如：

(1)锗片通过真空管路吸附于工作台上，并在一定的转速下旋转，同时沿直线运动逐步接近砂轮；

(2)主轴以一定的转速旋转，并在垂直方向运动，逐步接近锗片；

(3)程序自动控制去离子水管路、表面活性剂管路接通(对于不使用表面活性剂的试验，此管路为常闭状态)，稀释的表面活性剂从管路中流出；

(4)当砂轮与锗片互相接触时，开始对锗片进行磨削；

(5)当锗片厚度达到预定值时，主轴向上运行到初始位置，程序控制去离子水管路、表面活性剂管路进入断开状态，工作台退回到初始位置并停止转动；

(6)用去离子水冲洗锗片；

(7)用甩干机甩干锗片。

1.3 试验结果

1.3.1 砂轮阻塞频率

表2给出了不同工艺条件下的阻塞频率。

表2 阻塞频率表

1.3.2 显微镜观察结果

图2为显微镜下锗磨削片的观察结果。

图2 显微镜下锗磨削片的观察结果

2 讨论

2.1 表面活性剂的作用机理

表面活性剂物质具有吸附、润湿、渗透、分散、增溶等特性，表面活性剂降低液体表面张力的根本原因是通过吸附作用使水表面形成定向吸附层，以分子间吸引力较弱的疏水基(碳氢基)代替分子间作用力较强的水分子使空气和水的接触面积减少，从而使水的表面张力急剧下降[5]。表面活性剂的润湿渗透作用的强弱是由亲水基和憎水基种类不同、分子量大小和结构的差异引起的。通常分为离子型与非离子型，在微电子行业，多用非离子型表面活性剂。非离子表面活性剂具有如下优点：①它在水溶液中以分子状态存在，稳定性好，不受强电解质存在的影响，也不受酸碱的影响；②在固体表面难以发生强烈吸附；③有较好的相容性。

2.2 表面活性剂对砂轮阻塞现象的影响

砂轮在一定的压力作用下与锗片接触进行磨削，在磨削过程中产生的碎屑吸附于锗片表面、砂轮表面，同时有一部分被磨削液带走。

在常规工艺中，由于仅采用去离子水作为磨削液，仅能带走一小部分磨削碎屑，剩余的大部分碎屑吸附于锗片表面以及砂轮表面，随着加工的晶片数量增多，聚积于砂轮表面的碎屑将造成砂轮的阻塞，若继续磨削晶片，晶片表面的磨削纹将发生变化，同时，由于砂轮被阻塞，也影响了砂轮的磨削效率，此时，必须利用修整轮对砂轮进行修整。

在去离子水中加入表面活性剂作为磨削液，首先，磨削过程中产生的碎屑与磨削液中的表面活性剂接触，并被表面活性剂分子包围(如图3所示)，更容易被磨削液带走；其次，表面活性剂分子在锗片表面、砂轮表面分别形成一层保护膜，对碎屑有阻挡作用，从而可延长砂轮的有效工作时间，降低砂轮阻塞现象发生的频率。从表2可以看出，增加表面活性剂后降低了砂轮阻塞频率。

图3 显微镜下锗磨削片的观察结果

3 结论

在锗片的的磨削工艺中引入表面活性剂，可有效减少砂轮阻塞现象，降低砂轮修整的频率，降低锗片的划伤率，提高了锗磨削片的表面质量。

[1] 刘春香，杨洪星，吕菲，赵权.锗片化学机械抛光特性分析[J].中国电子科学研究院学报，2008，3(1):101-104.

[2] 吕菲，刘春香，杨洪星.锗单晶片的碱性腐蚀特性分析[J].半导体技术，2007，32(11):967-969.

[3] 邓志杰，郑安生，半导体材料[M].北京：化学工业出版社，2004.30.

[4] 张新辉.GaAs/Ge太阳电池抗电子辐射研究[J].电源技术，2004，28(1):17-21.

[5] 郑忠.表面活性剂的物理化学原理[J].广州：华南理工大学出版社，1995.