2024年10月13日发(作者：帛灵松)

锗晶片的抛光工艺研究进展

发布时间：2022-05-23T01:56:58.668Z 来源：《科技新时代》2022年4期 作者： 贾程 王云彪

[导读] 锗晶片被广泛应用于半导体领域和航空航天领域，由于锗晶体自身的结构特点，需要对锗晶体表面进行抛光处理。目前使用最广泛

的锗晶片的抛光工艺是化学机械抛光（CMP）法，借助晶片机械压力和抛光液与锗晶片之间的化学反应，通过降低表面损伤，提高表面光

滑度来保证较高光电转化率。本文主要围绕着化学机械抛光（CMP）法，涉及的抛光原理，抛光液成分以及新型抛光工艺展开综述性论

述，以探究各种工艺因素对锗晶片机械抛光工艺的影响，并对后续工艺的发展进行展望。

贾程 王云彪

（中国电子科技集团公司 第四十六研究所，天津300220）

摘要：锗晶片被广泛应用于半导体领域和航空航天领域，由于锗晶体自身的结构特点，需要对锗晶体表面进行抛光处理。目前使用最

广泛的锗晶片的抛光工艺是化学机械抛光（CMP）法，借助晶片机械压力和抛光液与锗晶片之间的化学反应，通过降低表面损伤，提高表

面光滑度来保证较高光电转化率。本文主要围绕着化学机械抛光（CMP）法，涉及的抛光原理，抛光液成分以及新型抛光工艺展开综述性

论述，以探究各种工艺因素对锗晶片机械抛光工艺的影响，并对后续工艺的发展进行展望。

关键词：锗晶片；抛光工艺；抛光机理

锗（Ge）最早发现在十七世纪六十年代中期，但直到二战期间才被广泛使用。随着人们对晶体管的需求增加，锗晶片开始广泛应

用于半导体领域，一直占据通统治地位。直到二十世纪六十年代，随着硅元素的出现，锗晶片在半导体材料中应用才逐渐被取代。作为一

种间接半导体材料，锗目前被广泛应用于航空航天工业的太阳能电池，与传统的硅和砷化镓基片电池相比，锗晶具有耐高温能力强，能过

承受空间的辐射，具有极高的光电转化效率，此外锗晶片还具有能耗低、使用寿命长，续航能力强的优点。但是由于锗晶体自身的结构特

点，单体的锗晶体质地较脆，在工艺加工中极易出现断裂和表面损伤的情况，影响后续的应用效果。因此，需要对锗晶体表面进行抛光处

理，以保证其性能优势，通过降低表面损伤，提高表面光滑度来保证较高光电转化率。锗晶片的抛光工艺主要有机械抛光、化学抛光以及

流体抛光和弹性抛光等，这些抛光工艺在成本和操作技术上各不相同。考虑到经济成本和工艺难度，目前市面上最常见的锗晶片抛光工艺

为化学-机械抛光（CMP），本文也将选取该种工艺作为主要研究对象，以探究不同抛光成分和工艺参数的影响。

1 锗抛光方法

化学机械抛光（CMP）顾名思义，是将机械抛光和化学氧化腐蚀相结合，达到锗晶体表面抛光的工艺，该项工艺可以达到极高的

表面光亮度，大幅度改善锗晶片表面的粗糙程度和磨损程度。目前化学机械抛光是锗晶片抛光使用最为广泛的工艺，主要原理是借助晶片

机械压力和抛光液与锗晶片之间的化学反应，以达到对晶体表面材料的去除效果，该类化学机械抛光技术工艺简单，工艺造价相对低廉，

并可以取得良好的表面抛光效果，具有众多工艺优势。锗晶片的抛光工艺涉及的化学反应为氧化反应，晶片表面的锗晶体被氧化到抛光液

中，成为可溶性氧化物，而硅片表面的软腐蚀层则被抛光剂之间的相对运动所侵蚀。在机械压力的作用下，垫子、晶片和磨料被移除。当

化学和机械效应达到平衡时，锗单晶硅片就会形成一面明亮的“镜面”，表面粗糙度非常低。

赵权（2008年）在研究中采用NaClO作为锗晶片抛光液中的氧化剂成分，研究氧化剂浓度以及抛光速度、转速对抛光效果的影响，实

验结果表明1-1.6μm/min的抛光速度可以达到最佳的抛光效果，此时锗晶片的平整度以及表面质量条件都能达到最佳效果。刘春香（2008

年）指出，二氧化硅和过氧水在添加作为抛光助剂后，两者在抛光液中的配置比例对锗晶片的抛光工艺中化学反应速度的影响根据研究结

果，增加抛光剂浓度和抛光液浓度后，锗晶片抛光质量明显提高。当保证抛光液中助磨剂成分一定，单纯增加浓度并不能进一步提高锗晶

片的抛光效果。Shivaji Peddeti和同事们（2011年）指出胶体形态的SiO2和过氧水浓度以及抛光液中的PH值，对锗晶片表面锗晶体的去除效

果影响明显根据他们的研究结果，在不同的pH条件下，二氧化锗的反应方程为：

Ge+ 2H2O2→GeO2 + 2H2O

GeO2 +H2O?Ge(OH)4C （aq）(pH <8)

GeO2 +H2O?Ge(OH)-3 （aqJ）+ H + (8

GeO2 +2H2O?Ge(OH)22-（aqJ）+ 2H + (11

当3.5

垫与工件的摩擦来氧化。锗的氧化物只能通过抛光垫的机械作用或抛光垫与磨料之间的摩擦来去除，因此去除率非常低；锗的相互作用增

加了去除率；在pH=2时，最高去除率为420纳米/分钟。在酸性或中性条件下，由于可忽略不计的化学溶解，抛光后的晶片平整度较高。在

碱性条件下（pH>8），溶解和去除率较高，因为GeO2反应形成可溶性的氢氧化锗水溶性物质。pH=10的抛光液（由10wt%的胶体二氧化硅

组成）可以发挥作用。JB Matovu和同事们（2011年）研究了不同类型的电解质（KNO3、KCl、NaNO3、NaSO4）对由过氧化氢和二氧化

硅组成的研磨液的离子强度的影响，以及离子强度变化的影响。研究结果表明，杨浩坤（2014年）等人研究了抛光液的成分比例对锗单晶

抛光后表面微粗糙度的影响，并分析了不同抛光液成分对优化抛光的影响。根据抛光速度和表面质量方面的液体组成比例，可以得到快速

和低粗糙度抛光液的组合：20%硅溶胶、1%氧化剂（过氧化氢）、1%螯合剂、1.5%有机胺基和3%活化剂。抛光液是用具有最佳比例的硅

溶胶磨料和小的颗粒尺寸和分散度（99%<82.2纳米）来制备的，结果是锗基底的表面粗糙度为1.81纳米。赵岩（2015年）等人通过控制锗

晶片抛光过程中的抛光液温度，创造性提出了一种自磨式低温抛光工艺，该种工艺在化学-机械抛光法的基础上，添加了乙醚作为抛光液补

充成分，重点研究了低温状态下锗晶片的抛光效果。该种工艺结合实验模拟效果，为冷冻抛光提供了理论依据，证实了冷冻固定抛光法的

可行性，为化学-机械抛光法的发展开辟了一条崭新的路径。陈亚南（2017年）指出抛光液比例、抛光液压力对锗晶片的抛光效果具有显著

影响，并且抛光布的类型类型对锗晶片抛光速度的影响程度也不应忽视。并研究了晶片抛光过程对锗晶片表面质量的影响。他的研究显

示，锗晶片的抛光效果与抛光压力以及抛光液的助磨剂比例呈线性正相关，抛光后的锗晶片光滑度增加，划痕减少，质量减少，处理后的

锗晶片很大程度上延缓了磨损程度，有效增加了使用寿命。唐苏阳（2018年）提出了关于冰粒混合机械-化学抛光的改进工艺，该项工艺创

造性研究了锗晶片抛光工艺中抛光剂温度对抛光效果的影响，此外还比对了各种机械抛光工艺的优缺点，改变不同参数的比例，探析对应

锗晶片表面粗糙程度的为微观变化，并对冰粒混合机械-化学抛光工艺的运行机制和成本经济效益进行了工业化计算。

2 结论

目前，高质量和平面的锗基材表面主要是通过化学机械抛光（CMP）获得。本文回顾了锗单晶的化学机械抛光（CMP）机制和抛

光工艺参数。这对研究锗的抛光具有综述性的指导作用。但是，目前锗单晶的抛光工艺仍存在不够完善的部分，无论是抛光工艺还是抛光

液的成本，具有继续完善的空间。同时，在设备和加工方法的研发上要不断创新，提供高精度、高智能的新加工方法和设备，从而提高劳

动效率，降低劳动成本。

参考文献：

[1]赵权.锗抛光片抛光清洗技术研究[D].天津大学，2018.

[2]孙世孔，路家斌，阎秋生.磷化铟的化学机械抛光技术研究进展[J].2018

[3]刘春香，杨洪星，吕菲，等.锗晶片化学机械抛光的条件分析[J].中国电子科学研究院学报，2008，3(001):101-104.

[4]杨浩鹍，刘玉，等.航空太阳能电池用超薄锗单晶的精密抛光[J].微电子学,2014,44(04):537-541.

[5]赵权.锗晶片化学机械抛光的条件分析[J].中国电子科学研究院学报,2008(01):101-104.

作者简介：贾程 （1990.8.20）， 汉族， 北京大兴人，助理工程师， 本科 研究方向：锗晶片

2024年10月13日发(作者：帛灵松)

锗晶片的抛光工艺研究进展

发布时间：2022-05-23T01:56:58.668Z 来源：《科技新时代》2022年4期 作者： 贾程 王云彪

[导读] 锗晶片被广泛应用于半导体领域和航空航天领域，由于锗晶体自身的结构特点，需要对锗晶体表面进行抛光处理。目前使用最广泛

的锗晶片的抛光工艺是化学机械抛光（CMP）法，借助晶片机械压力和抛光液与锗晶片之间的化学反应，通过降低表面损伤，提高表面光

滑度来保证较高光电转化率。本文主要围绕着化学机械抛光（CMP）法，涉及的抛光原理，抛光液成分以及新型抛光工艺展开综述性论

述，以探究各种工艺因素对锗晶片机械抛光工艺的影响，并对后续工艺的发展进行展望。

贾程 王云彪

（中国电子科技集团公司 第四十六研究所，天津300220）

摘要：锗晶片被广泛应用于半导体领域和航空航天领域，由于锗晶体自身的结构特点，需要对锗晶体表面进行抛光处理。目前使用最

广泛的锗晶片的抛光工艺是化学机械抛光（CMP）法，借助晶片机械压力和抛光液与锗晶片之间的化学反应，通过降低表面损伤，提高表

面光滑度来保证较高光电转化率。本文主要围绕着化学机械抛光（CMP）法，涉及的抛光原理，抛光液成分以及新型抛光工艺展开综述性

论述，以探究各种工艺因素对锗晶片机械抛光工艺的影响，并对后续工艺的发展进行展望。

关键词：锗晶片；抛光工艺；抛光机理

锗（Ge）最早发现在十七世纪六十年代中期，但直到二战期间才被广泛使用。随着人们对晶体管的需求增加，锗晶片开始广泛应

用于半导体领域，一直占据通统治地位。直到二十世纪六十年代，随着硅元素的出现，锗晶片在半导体材料中应用才逐渐被取代。作为一

种间接半导体材料，锗目前被广泛应用于航空航天工业的太阳能电池，与传统的硅和砷化镓基片电池相比，锗晶具有耐高温能力强，能过

承受空间的辐射，具有极高的光电转化效率，此外锗晶片还具有能耗低、使用寿命长，续航能力强的优点。但是由于锗晶体自身的结构特

点，单体的锗晶体质地较脆，在工艺加工中极易出现断裂和表面损伤的情况，影响后续的应用效果。因此，需要对锗晶体表面进行抛光处

理，以保证其性能优势，通过降低表面损伤，提高表面光滑度来保证较高光电转化率。锗晶片的抛光工艺主要有机械抛光、化学抛光以及

流体抛光和弹性抛光等，这些抛光工艺在成本和操作技术上各不相同。考虑到经济成本和工艺难度，目前市面上最常见的锗晶片抛光工艺

为化学-机械抛光（CMP），本文也将选取该种工艺作为主要研究对象，以探究不同抛光成分和工艺参数的影响。

1 锗抛光方法

化学机械抛光（CMP）顾名思义，是将机械抛光和化学氧化腐蚀相结合，达到锗晶体表面抛光的工艺，该项工艺可以达到极高的

表面光亮度，大幅度改善锗晶片表面的粗糙程度和磨损程度。目前化学机械抛光是锗晶片抛光使用最为广泛的工艺，主要原理是借助晶片

机械压力和抛光液与锗晶片之间的化学反应，以达到对晶体表面材料的去除效果，该类化学机械抛光技术工艺简单，工艺造价相对低廉，

并可以取得良好的表面抛光效果，具有众多工艺优势。锗晶片的抛光工艺涉及的化学反应为氧化反应，晶片表面的锗晶体被氧化到抛光液

中，成为可溶性氧化物，而硅片表面的软腐蚀层则被抛光剂之间的相对运动所侵蚀。在机械压力的作用下，垫子、晶片和磨料被移除。当

化学和机械效应达到平衡时，锗单晶硅片就会形成一面明亮的“镜面”，表面粗糙度非常低。

赵权（2008年）在研究中采用NaClO作为锗晶片抛光液中的氧化剂成分，研究氧化剂浓度以及抛光速度、转速对抛光效果的影响，实

验结果表明1-1.6μm/min的抛光速度可以达到最佳的抛光效果，此时锗晶片的平整度以及表面质量条件都能达到最佳效果。刘春香（2008

年）指出，二氧化硅和过氧水在添加作为抛光助剂后，两者在抛光液中的配置比例对锗晶片的抛光工艺中化学反应速度的影响根据研究结

果，增加抛光剂浓度和抛光液浓度后，锗晶片抛光质量明显提高。当保证抛光液中助磨剂成分一定，单纯增加浓度并不能进一步提高锗晶

片的抛光效果。Shivaji Peddeti和同事们（2011年）指出胶体形态的SiO2和过氧水浓度以及抛光液中的PH值，对锗晶片表面锗晶体的去除效

果影响明显根据他们的研究结果，在不同的pH条件下，二氧化锗的反应方程为：

Ge+ 2H2O2→GeO2 + 2H2O

GeO2 +H2O?Ge(OH)4C （aq）(pH <8)

GeO2 +H2O?Ge(OH)-3 （aqJ）+ H + (8

GeO2 +2H2O?Ge(OH)22-（aqJ）+ 2H + (11

当3.5

垫与工件的摩擦来氧化。锗的氧化物只能通过抛光垫的机械作用或抛光垫与磨料之间的摩擦来去除，因此去除率非常低；锗的相互作用增

加了去除率；在pH=2时，最高去除率为420纳米/分钟。在酸性或中性条件下，由于可忽略不计的化学溶解，抛光后的晶片平整度较高。在

碱性条件下（pH>8），溶解和去除率较高，因为GeO2反应形成可溶性的氢氧化锗水溶性物质。pH=10的抛光液（由10wt%的胶体二氧化硅

组成）可以发挥作用。JB Matovu和同事们（2011年）研究了不同类型的电解质（KNO3、KCl、NaNO3、NaSO4）对由过氧化氢和二氧化

硅组成的研磨液的离子强度的影响，以及离子强度变化的影响。研究结果表明，杨浩坤（2014年）等人研究了抛光液的成分比例对锗单晶

抛光后表面微粗糙度的影响，并分析了不同抛光液成分对优化抛光的影响。根据抛光速度和表面质量方面的液体组成比例，可以得到快速

和低粗糙度抛光液的组合：20%硅溶胶、1%氧化剂（过氧化氢）、1%螯合剂、1.5%有机胺基和3%活化剂。抛光液是用具有最佳比例的硅

溶胶磨料和小的颗粒尺寸和分散度（99%<82.2纳米）来制备的，结果是锗基底的表面粗糙度为1.81纳米。赵岩（2015年）等人通过控制锗

晶片抛光过程中的抛光液温度，创造性提出了一种自磨式低温抛光工艺，该种工艺在化学-机械抛光法的基础上，添加了乙醚作为抛光液补

充成分，重点研究了低温状态下锗晶片的抛光效果。该种工艺结合实验模拟效果，为冷冻抛光提供了理论依据，证实了冷冻固定抛光法的

可行性，为化学-机械抛光法的发展开辟了一条崭新的路径。陈亚南（2017年）指出抛光液比例、抛光液压力对锗晶片的抛光效果具有显著

影响，并且抛光布的类型类型对锗晶片抛光速度的影响程度也不应忽视。并研究了晶片抛光过程对锗晶片表面质量的影响。他的研究显

示，锗晶片的抛光效果与抛光压力以及抛光液的助磨剂比例呈线性正相关，抛光后的锗晶片光滑度增加，划痕减少，质量减少，处理后的

锗晶片很大程度上延缓了磨损程度，有效增加了使用寿命。唐苏阳（2018年）提出了关于冰粒混合机械-化学抛光的改进工艺，该项工艺创

造性研究了锗晶片抛光工艺中抛光剂温度对抛光效果的影响，此外还比对了各种机械抛光工艺的优缺点，改变不同参数的比例，探析对应

锗晶片表面粗糙程度的为微观变化，并对冰粒混合机械-化学抛光工艺的运行机制和成本经济效益进行了工业化计算。

2 结论

目前，高质量和平面的锗基材表面主要是通过化学机械抛光（CMP）获得。本文回顾了锗单晶的化学机械抛光（CMP）机制和抛

光工艺参数。这对研究锗的抛光具有综述性的指导作用。但是，目前锗单晶的抛光工艺仍存在不够完善的部分，无论是抛光工艺还是抛光

液的成本，具有继续完善的空间。同时，在设备和加工方法的研发上要不断创新，提供高精度、高智能的新加工方法和设备，从而提高劳

动效率，降低劳动成本。

参考文献：

[1]赵权.锗抛光片抛光清洗技术研究[D].天津大学，2018.

[2]孙世孔，路家斌，阎秋生.磷化铟的化学机械抛光技术研究进展[J].2018

[3]刘春香，杨洪星，吕菲，等.锗晶片化学机械抛光的条件分析[J].中国电子科学研究院学报，2008，3(001):101-104.

[4]杨浩鹍，刘玉，等.航空太阳能电池用超薄锗单晶的精密抛光[J].微电子学,2014,44(04):537-541.

[5]赵权.锗晶片化学机械抛光的条件分析[J].中国电子科学研究院学报,2008(01):101-104.

作者简介：贾程 （1990.8.20）， 汉族， 北京大兴人，助理工程师， 本科 研究方向：锗晶片