lnSb半导体材料的抛光液研究发表时间：2019-11-18 16:13 lnSb半导体材料的抛光液研究 摘要：InSb薄膜被广泛应用于光电元件、磁阻元件、霍尔元件以及晶体管结构器件之中。研究了一种应用于的抛光液，在一定压力、温度、转速下，以有机碱替代无机碱，通过添加螯合剂、活性剂降低产品表面粗糙度，减少划伤，表面污染小。 关键词：锑化铟；抛光液；抛光；划伤；粗糙度 1 引言 InSb是一种具有闪锌矿结构的III—V族化合物半导体材料…，该材料具有较窄的禁带宽度和较高的电子迁移率，在77 K温度下，禁带宽度为0．227eV，电子迁移率在10万到100万cm2／V·s之间，能够吸收易于透过大气的红外光波。随着信息社会的不断进步，传感器的发展日益成为众人瞩目的焦点，而起着决定性因素的敏感材料和敏感薄膜制备技术愈发引起人们的极大关注。Insb薄膜以狭窄的禁带宽度和高电子迁移率等特点，被广泛应用于光电元件、磁阻元件、霍尔元件以及晶体管结构器件之中。 其中InSb抛光片表面的划伤、粗糙度及平整度很大程度上影响了InSb器件的性能。因为InSb材料比较软，所以容易产生划伤且粗糙度比较大，成为国内外InSb器件的主要问题。本文研究了一种半导体材料锑化铟化学机械抛光液：在一定压力、温度、转速下，以有机碱替代无机碱，通过添加螯合剂、活性剂降低产品表面粗糙度，减少划伤，表面污染小的锑化铟化学机械抛光液。 2实验过程 研究中使用的是Logitech抛光机。抛光液选用的是由河北工业大学微电子所提供的SiO2水溶胶，粒径为20～40 nm。氧化剂为H202。实验抛光液所用辅料(有机碱、螯合剂、活性剂)均为河北工业大学微电子所研制，实验晶片Insb抛光片，温度为2 5℃，观测仪器为原子力显微镜。 由表1的实验结果可以看出抛光工艺条件对表面划伤状况的影响：抛光液中氧化剂的浓度过低会使表面划伤有所增加；加入辅料的抛光液浓度增加减少了划伤的程度。 表1不同抛光条件下的晶片表面划伤 序 压力／ 加入辅料的 氧化剂 号g．Cm2) 抛光液浓度／％ 浓度／％ 划伤程度 l lOO l O O．6 划伤严重 2 lOO 20 O．6 200倍明场下观察划伤较多 3 100 30 0．6 200倍暗场下观察划伤较多 4 100 40 0．6 暗场观察大划伤很少，小划伤较多 5 100 40 O．9 暗场观察大划伤没有，小划伤较多 6 100 40 1．3 暗场观察大划伤没有，小划伤减少 7 100 40 1．5 暗场观察大划伤没有，小划伤很少 由表2的实验结果可以看出抛光工艺条件对表面粗糙度状况的影响：(1)在一定条件下，抛光时加到晶片上的压力过高会造成表面粗糙度增大；(2)加入辅料的抛光液浓度的增加可以降低表面粗糙度，(3)抛光液中氧化剂的浓度过高或过低都会使表面粗糙度有所增大，这是由于表面化学反应的不均匀性所致。 表2不同抛光条件下的晶片表面粗糙度 样品 压力／ 加入辅料的 氧化剂 粗糙度 序号 g．cm2 抛光液浓度／％ 浓度／％ ／nm 1 1000 l O O．1 20 2 500 25 3 l O 3 100 30 1 1 4 70 40 O．5 O．9 图1即为在原子力显微镜下观察4号样品抛光后InSb表面。图1中评定轮廓的算术平均偏差R。即得 到的面粗糙度为0．90 nm。 3分析 3．1化学作用 3．1．1氧化 H2O2是一种不稳定的试剂，会发生分解放出初生态氧，即原子氧[O】，化学反应式为： H202一H2O+[O] 原子氧有很强的氧化作用，InSb晶片尽管经研磨或抛光，其表面不平整度仍为微米数量级，表面锑和 铟的悬挂键能与原子氧结合组成In—O键和Sb—O键，形成锑或铟的氧化物。专家认为，原子氧能使In-Sb键分裂。在不同程度曝氧下，由于氧的作用，Insb表面产物的化学计量是In2-x Sbx02。，即每个铟或锑原子均受1．4个氧原子的作用，故产物可写作In01.4，Sb01.4。考虑到实验的误差，可认为产物是In2O3，Sb2O3和InSbO3。氧化反应不断进行，氧化物先以岛状形式形成，然后相互连结，慢慢覆盖整个表面层。化学反应式为 2InSb+6[O]一In2O3+Sb203 由于Sb2O3不稳定，与[O]反应进一步生成Sb205，即 Sb203+2[O]一Sb205 新生态的Sb2O5和In2O3相互作用，又生成InSbO4，即 Sb205+Sb203—2 InSb04 3．1．2溶解 Sb203，sb205和In203均为偏酸性的两性氧化物，在碱性溶液中形成可溶性的亚锑酸盐、锑酸盐和 铟酸盐，其反应式为 Sb203+60H-一一2 Sb2033-十3 H20 Sb205+60H-一一2 Sb043-+3 H20 In203+60H-一一2 In033-+3 H20 InSb的氧化和溶解过程较缓慢，且不平衡，即氧化速度大于溶解速度。所以氧化物除部分溶解在溶液中外，大部分留在InSb晶片表面，这部分氧化物必须借助外界力量才能去除。 3．2机械作用 抛光时，InSb晶片表面生成的氧化物，小部分溶解在碱性溶液中，大部分则借助受压的Insb晶片表面与旋转着的抛光衬垫紧密接触并摩擦，终被带走，使InSb晶片露出新鲜表面。需要说明的是， 上述实验及化学反应产物都是在静态下获得的，即纯化学作用的产物。而实际上，抛光是动态过程H202分解出的原子氧[O]使InSb晶片表面氧化，首先生成Sb2O3和In2O3，来不及再反应，就被摩擦带走；然后又生成新的Sb2O3和In2O3，再被摩擦带走。如此循环，直到InSb晶片表面类似镜面一样光亮，抛光剂停止作用为止。 3．3辅料的作用 3．3．1螯合剂 本实验采用一种具有13个以上的螯合环、易溶于水、不含金属离子螯合剂(河北工业大学微电子所研制)，代替EDTA(含有金属离子)、EDPA(难溶于水)等螯合剂，有效地解决了抛光液中因为添加螯合剂而引入的金属离子沾污问题。 3．3．2有机碱 有机碱在抛光液中作为pH值调节剂，由于其不含金属离子，由它取代一般碱性抛光液常用的强碱如氢氧化钠(NaOH)、氢氧化钾(KOH)，可以避免碱金属离子在抛光过程中进入衬底中，引起器件局部穿通和漏电流增大等效应，从而提高芯片的可靠性；可以防止金属离子使硅溶胶产生凝胶，提高硅溶胶的稳定性；而且还可以作为pH值缓冲剂，即当抛光液局部pH值发生变化时，可以迅速释放本身的羟基，使抛光液保持稳定的pH值，提高浆料的稳定性；有机碱还可以和金属离子形成环状结构，起到螯合剂的作用。 3．3．3活性剂 非离子表面活性剂在InSb抛光中起着非常重要的作用。它影响着抛光液的分散性、颗粒吸附后清洗难易程度以及金属离子沾污等问题。本实验选择的活性剂，不仅可以提高质量传递速率，以降低InSb的表面粗糙度，而且能减小损伤层厚度，减少划伤；还可以优先吸附，形成长期易清洗的物理吸附表面，以改善表面状态。 4结论 此种InSb化学机械抛光液以有机碱替代无机碱，通过添加螯合剂、活性剂、可以有效的降低产品表面粗糙度，减少划伤。通过控制压力、流速、转速，可以达到在200倍显微镜暗场下观察基本无划伤，粗糙度0．9 nm，提高了Insb探测器芯片的灵敏度。
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