稀有金属CHINEXE JOURNAL OF RARE METALS1999年7月 第23卷 第4期 vol.23 No.4 1999砷化镓晶片表面损伤层分析郑红军 卜俊鹏 曹福年 白玉柯 吴让元 惠 峰 何宏家摘 要： 采用TEM观测与X射线双晶回摆曲线检测化学腐蚀逐层剥离深度相结合的方法，分析了SI-GaAs晶片由切、磨、抛加工所引入的损伤层深度。
比较两种方法测量结果上的差异，得出了TEM观测到的只是晶片损伤层厚度，而X射线双晶回摆曲线检测化学腐蚀逐层剥离所得的深度是晶片损伤层及其形成应力区的总厚度的结论。
关键词： 砷化镓 切片 磨片 抛光片 表面损伤层Analyses of Surface Damage in SI-GaAs WafersZheng Hongjun, Bu Junpeng, Cao Funian, Bai Yuke, Wu Rangyuan,Hui Feng and He Hongjia(Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100083, China) Abstract： The surface damage Layer in the SI-GaAs wafer induced by cutting, grining and polishing was analyzed by means of transmission electron microscopy and X-ray rocking curve measurements after the wafer was chemically etched. A method for determining the depth of surface damage layer of SI-GaAs wafer according to the quantitative difference in the results obtained by the two methods is proposed.Key Words: SI-GaAs, Cutting wafer, Grinding wafer, Polishing wafer, Surface damage 许多重要的砷化镓器件及砷化镓高速数字电路、微波单片电路均在砷化镓晶片表面制造， 集成度越高，对表面的要求越严格。
所以，材料表面加工的质量直接影响着器件的性能、成品率及寿命等。
半导体材料表面因切、磨、抛加工而引入的损伤层深度一直是人们深入研究的工作。
加工后的晶片表面损伤层可能是由非晶层、多晶层、嵌镶块层和弹性畸变层等构成的多层结构［1］。
测定这些表面损伤层厚度的通常方法有恒定化学腐蚀速率法［2，3］、椭圆偏振仪［4］、透射电子显微镜［5］、光背散射［6］以及Knudsen［7］提出的X射线双晶摆动曲线观测腐蚀剥层晶片表面损伤层法。
但这些方法都有一定的局限性。
本文采用X射线双晶回摆曲线检测化学腐蚀逐层剥离损伤层深度与TEM观测相结合的方法，定量地分析了材料加工过程中 (切、磨、抛) 引入的损伤层深度。
根据两种测量结果的差异，得出了TEM观测到的只是晶片损伤层厚度，而X射线双晶回摆曲线检测化学腐蚀逐层剥离损伤层深度是晶片损伤层及其形成应力层的总厚度的结论。
1 实 验 实验所用的SI-GaAs材料是采用LEC技术生长并经常规退火热处理后加工成Φ50mm<100>±0.5°取向的晶片。
实验用晶片取自同一个锭条，切片是在进口的瑞士TS23内圆切片机上进行的，切片厚度为690μm。
将晶片在4道国产双面磨片机上进行研磨，氧化铝磨砂粒径为2～4μm，研磨片每面去除30μm厚(切片加工所引入的损伤层已全部磨去)。
研磨后的晶片经化学腐蚀(研磨片加工引入的损伤层全部腐蚀掉) 后用作抛光基片。
采用粗细两种不同的抛光布，利用SiO2胶体水溶液 (粒径为0.05～0.07μm)及相关的添加剂在国产的MutiBLE-Ⅲ单面抛光机上进行粗、细两步化学机械抛光。
将经过加工后的切、磨、抛晶片沿<110>解理成两半，将靠主定位边的半片沿中心<100>方向解理成宽1cm，长5cm的窄条作为化学跟踪腐蚀的X射线测试样品，相邻的作为透射电镜样品。
1.1 X射线检测 以H2SO4∶H2O2∶H2O=5∶1∶1为腐蚀液，在25℃下进行化学腐蚀剥离，采用光学显微测厚仪和称重相结合的方法，测其被腐蚀掉的厚度，然后利用高精度、高分辨率的日本SLX-IA双晶衍射仪进行X射线回摆曲线检测，观测X射线回摆曲线的FWHM(半峰宽)值。
逐渐增加化学腐蚀的时间， 重复前面的测量，直到X射线双晶回摆曲线FWHM值稳定为止，本实验的样品的本征FWHM值为8.8 arcsec.(对于同一优质砷化镓晶体，其本征缺陷基本相同，而不同的晶体，其本征缺陷是不一样的，X射线双晶回摆曲线的FWHM值的变化也是不同的)。
1.2 TEM观测 将透射电镜用的样品沿<110>方向解理成约1mm宽的小窄条，经研磨、减薄后，制成剖面样品，要求样品薄区大于晶片厚度600μm。
使用日本TEM-200CX分析透射电子显微镜进行观测。
通过透射电子显微镜的明场或暗场的观测，在确认后进行拍照，根据观测的放大倍数和洗印照片的放大倍数，即可确定标尺。
2 结果及讨论2.1 X射线双晶回摆曲线检测化学腐蚀逐层剥离的损伤层深度对加工后并经化学腐蚀逐层剥离的晶片进行观测，观测其X射线双晶回摆曲线的FWHM值的变化， 得出了FWHM值与化学腐蚀深度的关系曲线。
本文定义FWHM值稳定在8.8arcsec，所对应的化学腐蚀深度为晶片损伤层深度［2］，见图1、2。
由图可知，当腐蚀厚度分别达到18μm、12μm时， FWHM值稳定在8.82arcsec，相当于无应变状态的情况，说明这一样品的切片损伤层深度为18μm左右，研磨片损伤层深度为12μm左右。
当粗抛光片的化学腐蚀深度为4μm、细抛光片的化学腐蚀深度为1.2μm时，FWHM值稳定在8.81arcsec 和8.79arcsec， 相当于处在无应变状态的情况， 说明这一样品的粗抛光片损伤层深度为4μm左右，细抛光片损伤层深度为1.2μm左右。
图1 (100) SI-GaAs切片、 磨片化学腐蚀去层厚度与X射线双晶回摆曲线FWHM值的关系图2 (100) SI-GaAs抛光晶片化学腐蚀去层厚度与X射线双晶回摆曲线FWHM值的关系 在图1、2中，切、磨、抛晶片经不同深度的化学腐蚀后，切片的X射线双晶衍射曲线的FWHM值的变化幅度最大。
磨片次之，而经粗、细化学机械抛光的晶片的FWHM值的变化很小，这与加工所引入的损伤层深度有关。
切片是晶片加工的起始阶段，又是损伤层引入的主要工序，由于切片损伤层比较深，严重地破坏了晶片表面附近原子的有序排列，即晶格常数a0发生很大的变化， 当X射线照在破坏了的原子扰乱层上而产生衍射时，在布喇格衍射角位置上将会引起X光双晶衍射曲线的FWHM值变宽，随化学腐蚀深度的增加，损伤层逐渐减小，X光双晶衍射曲线的FWHM值越来越窄，当FWHM值达到恒定值时，相当于无应变状态经研磨的晶片，平整度相对提高，X光双晶衍射曲线的FWHM值变化幅度相对切片的变化要小一些，抛光的晶片表面细腻，光洁度好，晶片表面很大程度上是弹性畸变，畸变量往往只有微米级或更小，经少许时间的化学逐层腐蚀后，X光双晶衍射曲线的FWHM值变化相对减小， 趋于稳定不变状态。
2.2 化学腐蚀与化学腐蚀速率的关系 在逐层化学腐蚀剥离实验中，得出了切、磨、抛晶片表面化学腐蚀时间与化学腐蚀速率的关系，见图3。
从图看出，切、磨、抛光晶片经不同时间的化学腐蚀后，其化学腐蚀速率出现了明显的差异，尤其是起始状态。
晶片表面的结构、起始状态、加工所引入的损伤层深度均影响化学腐蚀速率(不排除腐蚀剂本身的性质、浓度、温度等对腐蚀速率的影响)，而化学腐蚀速率又受到两种机制的限制，一种是扩散制约机制，另一种是化学反应速率制约的腐蚀机制，或两种相结合。
切磨表面粗糙、凹凸不平，与反应剂接触的有效面积增大，而腐蚀速率对表面状态是敏感的，因而材料的腐蚀速率增加，化学反应速度加快，反应剂的扩散速率相对较慢。
随着腐蚀的进行，表面的完整性、平整度提高，腐蚀速度下降。
化学机械抛光晶片的表面光洁度、平整度、晶格完整性等都比较好，恒定逐层化学剥离腐蚀时，相对的与反应剂接触的晶体表面积小，表面性质对其它性质的影响较弱，其腐蚀速率对表面不很敏感，化学腐蚀速率相对较慢。
随着化学腐蚀时间的增加，材料表面的结构状况趋于一致，进入晶格完整部位时，化学腐蚀速率与反应剂的扩散速率处于基本一致的状态，化学腐蚀速率不再随腐蚀时间变化。
此结果与X射线检测结果一致表明，切片与磨片表面的损伤最严重。
图3 (100) SI-GaAs切、 磨、 抛晶片表面化学腐蚀时间与化学腐蚀速率的关系2.3 TEM测量的损伤层厚度 采用TEM明场或暗场观测SI-GaAs材料的切、磨、抛晶片表面，样品的薄区尺寸大于晶片厚度600μm，保证能观察到晶片表面，根据TEM观测的放大倍数和洗印照片放大倍数确定的标尺，可观测出亚表面损伤层厚度，见图4。
从TEM图像可以看出，切片的界面存在着凹凸不平的3层峰谷，在第2、3层峰谷的右侧，可看见粗暗线缺陷，这可能与切割时机械震动所产生的裂纹有关。
在深度方向上可看到交织在一起的大量位错网络，其位错密度约1011cm-2(晶体中位错密度为104 cm-2)。
切片的损伤层总深度为17.5μm。
经过双磨的晶片，依然可见起伏不平的三层峰谷， 在第2、3层峰谷的中间，可看见6条相对集中且分布不均匀的向晶体内延伸的粗暗线缺陷，这可能是研磨时金钢砂颗粒 (磨砂粒度2μm范围)造成的粗糙层，也就是所谓的破碎层。
另外，随着深度的加深， 还有很多位错向体内延伸，它们｛111面<110>方向滑移所致，伯格矢量为a/2<110>，磨片的损伤层总深度为11.2μm。
从图4(c)的抛光片的TEM像仍可看出，晶片经过化学机械抛光后，界面比较清晰，易分辨，表明这是位错或缺陷密集区，图像具有明显的衬度反差，在晶体一侧还可以观察到等高或等厚条纹，有的可见黑白瓣缺陷，从照片上测得的细抛光晶片的亚表面损伤层厚度为30nm。
图4 SI-GaAs晶片表面损伤层的TEM像(a) 切片 ×5000； (b) 磨片 ×8000； (c) 细抛光片 ×10000 上述由TEM观测到的切、磨、抛晶片的表面损伤层厚度结果，相对都低于X射线双晶回摆曲线检测的化学剥离损伤层深度，这并不是测量上的误差。