锗单晶片的表面化学腐蚀研究

摘要

锗单晶材料由于性能独特被广泛应用于红外技术、辐射探测、太阳电池、微电子技术等多个领域。化学腐蚀加工过程对锗产品质量及锗器件成品率有着重要影响。半导体材料腐蚀加工中应用最为广泛的是以HNO3/HF为基的酸腐蚀体系和以NaOH/H2O2为基的碱腐蚀体系。化学腐蚀机理分析是材料腐蚀加工过程控制及工艺改进的理论基础,而目前关于锗单晶酸碱化学腐蚀特性及条件控制方面的报道还比较少,因此有必要进行深入的研究。
　　 论文在系统阐述锗的发展与应用及锗单晶材料的化学腐蚀技术背景和现状的基础上,研究了锗单晶材料的表面酸碱化学腐蚀特性。首先,分别设计酸碱腐蚀体系的正交试验,对锗单晶的表面酸碱腐蚀特性进行初步探索。正交试验表明,在锗单晶片的化学腐蚀过程中,腐蚀液温度、配比、腐蚀环境均会对腐蚀结果产生重要影响。根据正交试验的结果设置不同腐蚀条件进行锗单晶的酸碱腐蚀实验,深入研究锗片腐蚀机理,分析腐蚀过程控制条件,为锗单晶材料腐蚀工艺改进提供实验依据。
　　 实验表明,在锗片酸碱腐蚀过程中,温度是影响其腐蚀速率的重要因素。不论是酸腐蚀还是碱腐蚀,溶液配比均会改变锗片腐蚀速率,同时对锗片表面形貌产生极其重要的影响。
　　 在酸腐蚀过程中,相同配比条件下,温度仅仅起到加快腐蚀速率的作用。随着醋酸比例增加,锗片腐蚀速率减小,表面粗糙度增大,在乙酸体积分数达到一定值时,锗片表面很难再达到抛光的效果。锗片在未加乙酸的溶液中腐蚀后表面更光亮,但普遍存在小丘状凸起,在溶液中加入一定比例的乙酸能够消除这些凸起。超声波在溶液中的作用主要表现为热效应及空化效应,不同温度条件下,表现为不同作用形式。低温条件下,超声主要表现为空化效应。
　　 在碱腐蚀过程中,由于溶液中的过氧化氢随温度升高迅速分解,锗片腐蚀速率呈先增后减趋势。若保持溶液中过氧化氢的含量,即在腐蚀过程中不断加入过氧化氢,则锗的碱腐蚀过程为非择优腐蚀抛光过程。在锗单晶的非择优碱腐蚀抛光过程中,锗片腐蚀速率随着氢氧化钠浓度的增加呈先增后降趋势,表面粗糙度变化趋势与之相反;而随着过氧化氢单位时间加入量的增加,锗片腐蚀速率增加,粗糙度减小。这是由于过氧化氢浓度越大分解产生的氧离子越多,其中绝大部分结合成氧气从溶液中释放,从动力学角度促进了反应的抛光效果。采用较小容量的反应容器也是由于增加了溶液单位体积的气体压力促进了这一过程的进行,从而影响了最终的腐蚀结果。