碲锌镉衬底表面处理研究

江先燕，丛树仁，宁 卓，起文斌，刘 燕，宋林伟，孔金丞

〈材料与器件〉

碲锌镉衬底表面处理研究

江先燕，丛树仁，宁 卓，起文斌，刘 燕，宋林伟，孔金丞

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

主要从碲锌镉表面处理工艺及表面位错缺陷揭示两个方面对碲锌镉衬底的表面处理研究进行了详细介绍。从表面处理机理和工艺参数对衬底表面的影响两个方面介绍了机械研磨、机械抛光、化学机械抛光以及化学抛光4种表面处理工艺。同时，介绍了能揭示碲锌镉不同晶向表面的位错缺陷的Everson、Nakagawa及EAg三种化学腐蚀液。

碲锌镉（CZT）；表面处理；位错揭示

0 引言

碲锌镉（CZT）单晶材料作为碲镉汞（MCT）红外焦平面探测器的首选衬底材料，其表面质量的优劣将直接影响碲镉汞薄膜材料的晶体质量以及成品率，故生产出外延级别的碲锌镉衬底表面是极其重要的。众所周知，单晶硅（Si）是半导体行业的鼻祖，其大尺寸、高单晶率生长技术以及晶片表面处理技术都已相当的成熟[1-7]，半导体行业中的很多半导体单晶材料生长技术及晶片表面处理技术都借鉴于单晶硅，碲锌镉单晶的生长及表面处理也不例外[8-13]。表1为碲锌镉（Cd0.96Zn0.04Te）与单晶硅的基本物理性质对比，如表所示，与单晶硅相比，碲锌镉材料是三元化合物且热导率低于单晶硅，这意味着相比于只由一种元素组成的单晶硅的生长，大尺寸、高单晶率的碲锌镉单晶的生长会更加困难，如目前已生产的单晶硅直径可达到18in（450mm）[3]，而国内外已报道的碲锌镉单晶尺寸仅为5in，6in单晶生长技术还处于突破阶段[14-16]。另外，从表中可以看到，碲锌镉的弹性模量及泊松比都低于单晶硅，说明碲锌镉单晶很脆，在加工过程中易出现裂片、崩边、磨料嵌入等问题，故其表面加工难度会比单晶硅的表面加工更加困难。因此，如何通过优化现有工艺进一步获得一个无损伤、表面粗糙度低以及洁净、光亮的碲锌镉衬底表面一直是碲锌镉表面处理技术主要的发展方向。

目前，碲锌镉单晶片的主要表面加工处理技术包含机械研磨、机械抛光、化学机械抛光、化学抛光以及表面清洗。其中，机械研磨、机械抛光以及化学机械抛光工艺都会存在磨料残留、磨料嵌入、表面划痕较多、粗糙度较高等一系列问题[17]，要解决这些问题需要对相应的表面处理技术进行了解和掌握，包括表面处理技术的基本原理以及影响因素。本文将从碲锌镉表面处理工艺和揭示碲锌镉表面位错的腐蚀液种类两个方面对碲锌镉表面处理技术进行简要介绍。

1 表面处理工艺

碲锌镉单晶作为生长外延碲镉汞薄膜材料的首选衬底材料，要求其表面不能存在机械损伤及缺陷密度大于105cm－2的微观缺陷，如线缺陷、体缺陷等。衬底表面的机械损伤可通过后期的表面处理工艺进行去除[18]，而微观缺陷只能通过提高原材料的纯度以及合理调控晶体的生长过程方能得到有效改善。经垂直梯度凝固法或布里奇曼法生长出的低缺陷密度的碲锌镉体晶会先被切割成具有固定方向（如（111）方向）和厚度的碲锌镉晶片，然后再经过一系列的表面处理工艺才能用于碲镉汞薄膜的生长。通常情况下，碲锌镉晶片会经历机械研磨、机械抛光、机械化学抛光及化学抛光等表面处理工艺，通过这些工艺处理后的晶片才能达到外延级水平，因此本部分主要详细介绍上述4种表面处理工艺。

表1 碲锌镉（Cd0.96Zn0.04Te）与单晶硅（Si）的基本物理性质对比

1.1 机械研磨

机械研磨工艺的研磨机理为：加工工件与研磨盘上的磨料或研磨剂接触时，工件表面因受到形状不规则磨料的挤压而产生破裂或裂纹，在加工工件与研磨盘的相互运动下，这些破裂的碎块会随着不规则磨料的滚动而被带离晶片表面，如此反复，从而达到减薄晶片厚度及获得低损伤表面的加工目的，机械研磨装置及磨削原理示意图如图1所示。

碲锌镉体晶切割成一定厚度的晶片后首先经历的表面处理工艺是机械研磨工艺。机械研磨的主要目的是去除机械切割对晶片表面造成的损伤层，从而获得一个较低损伤的晶片表面。表面处理工艺中，机械研磨还可细分为机械粗磨和机械细磨，两者的主要区别在于所使用的磨料粒径不一样，粗磨的磨料粒径大于细磨的磨料粒径。机械细磨的主要目的是去除机械粗磨产生的损伤层[18]，同时减少抛光时间，提高工艺效率。研究报道，机械研磨产生的损伤层厚度通常是磨料粒径的3倍左右[19-20]。

影响机械研磨工艺对加工工件研磨效果的因素有磨料种类、磨料粒径及形状、研磨盘类型、磨料与溶剂的配比、磨料滴速、研磨盘转速、工件夹具转速以及施加在加工工件上的压力等。磨料种类一般根据加工工件的物理及化学性质（如强度、硬度、化学成分等）进行合理选择[21]。常用于机械磨抛的磨抛料有MgO、Al2O3[22-24]、SiC及金刚石[25]等，其中，为了避免在碲锌镉衬底上引入其他金属杂质，MgO和Al2O3这两种研磨剂很少在碲锌镉表面处理工艺上进行使用，使用最多的是SiC和金刚石两类磨料。李岩等人采用莫氏硬度不同的金刚石（C）、SiC及Al2O3三种磨料对CZT进行机械研磨，以此研究磨料种类对晶片表面质量和材料去除速率的关系，同时作者还选择了粒径分别为10mm、5mm和2.5mm的同种磨料来研究磨料粒径对晶片去除速率和表面质量的影响[8]。结果表明，金刚石磨料具有最快的材料去除速率，但表面粗糙度大，表面损伤最严重，这是因为金刚石最硬；Al2O3磨料产生最小的表面粗糙度，损伤最小，但材料去除速率最慢，如图2(a)～(b)所示；粒径为10mm的磨料具有最快的材料去除速率，但对晶片表面造成的机械损伤最大；粒径为2.5mm的磨料对晶片表面产生最小的损伤，表面粗糙度最低，但材料去除速率最慢，如图2(c)～(d)所示。因此，磨料硬度越大、粒径越大，材料去除速率越快，但表面质量最差，反之，材料去除速率越慢，表面质量越好。

图1 机械研磨装置及研磨机理示意图

磨料的形状可分为规则（如球状、棒状、长方体等）和不规则（如多面体形状）两类，如图3所示。通常情况下，磨料形状越不规则，材料去除速率越快，同时造成的表面损伤也大，反之，磨料越规则，去除速率越慢，但造成的表面损伤也越小。毛晓辰等人研究了不规则状Al2O3（Logitech）、光滑板片状Al2O3（国产）和棱角度较高的板片状Al2O3（国产）这3种不同形状磨料对碲锌镉衬底机械研磨的影响[23]。研究发现，在这3种磨料中，材料的去除速率为棱角度较高的板片状Al2O3＞不规则状Al2O3＞光滑板片状Al2O3，表面质量为光滑板片状Al2O3＞棱角度较高的板片状Al2O3＞不规则状Al2O3。毛晓辰等人认为，当磨粒形状为板片状时，材料的去除模型将不再遵从李岩等人提出的“不规则磨料研磨去除模型”，即三体磨粒去除模型，如图4(a)所示[8]，而是会发生变化。基于此，毛晓辰等人提出了如下的去除模型，即：当磨粒为板片状时，磨粒以一定的倾斜角度平躺于磨盘表面，如图4(b)所示，当加工工件（晶片）与磨盘发生相互运动时，磨粒被短暂的固定在磨盘表面，形成二体磨粒，板片状磨粒便以其片状边缘对加工工件表面进行磨削，最终实现去除材料的目的。

图2 磨料种类及磨料粒径与表面粗糙度和材料去除速率的关系[8]

图3 不规则磨料及规则磨料的扫描电镜图

常见的研磨盘类型可简单分为开槽和不开槽两类，如图5所示，开槽和不开槽研磨盘对晶片研磨效果的影响如表2所示。在相同的加工条件下，当晶片尺寸为3英寸及以上尺寸时，开槽研磨盘较不开槽研磨盘具有更高的材料去除速率。研磨盘转速、工件夹具转速以及施加在工件上的压力也是影响材料去除速率快慢和表面质量优劣的主要因素[8]，转速和压力对去除速率的影响呈抛物线趋势，即随着转速和压力的增加，去除速率先增加后降低。这主要是因为在转速和压力都增加到一定程度后，进入工件与研磨盘之间的磨料进给量降低，减弱了工件表面与磨料的相互作用导致的。另外，高梅等人从力学角度出发理论上研究了研磨压力与加工工件表面粗糙度的关系，理论分析表明，研磨压力增加到一定程度后，工件表面的粗糙度几乎不随压力的增大而发生变化[26]。磨料与溶剂的配比以及磨料滴速对材料去除速率的影响较小，从经济效益和加工质量效果两方面出发，选择合适的配比和滴速即可。综上所述，影响研磨效果的因素很多，实际工艺过程中需要根据实际情况进行调控。

图4 不规则磨料及板片状磨料去除机理示意图[23]

图5 磨盘示意图

表2 开槽和不开槽研磨盘对晶片研磨效果的影响

注：*表示该数据是本单位实际测试数据。

Note: *The data tested in this work.

1.2 机械抛光

机械抛光工艺的抛光机理为：加工工件与柔性抛光垫上的抛光粉或抛光颗粒接触后，工件表面将受到形状不规则的抛光颗粒的挤压而产生破裂或裂纹，在加工工件与抛光盘的相互运动下，这些破裂的碎块会随着不规则抛光颗粒的滚动而被带离晶片表面，反复如此，从而达到降低加工工件表面粗糙度和获得光亮、平整表面的目的。抛光粉是一种形状不规则且粒径很小的微纳米级颗粒，故而对加工工件造成的表面损伤较小且加工后的工件表面像镜面一样光亮。抛光垫的柔韧性削弱了抛光颗粒与加工工件表面的相互磨削作用，从而进一步降低了抛光颗粒对工件表面的损伤。机械抛光装置及抛光原理示意图如图6所示。

机械抛光的主要目的是去除机械研磨工艺对晶片表面造成的损伤层，同时降低晶片表面粗糙度和减少表面划痕，获得光亮、平整的表面。影响机械抛光工艺对加工工件表面抛光效果的因素有抛光粉种类或者抛光液种类、抛光粉粒径大小及形状、抛光垫种类、抛光盘转速、工件夹具转速、施加在工件上的压力、抛光液滴速以及抛光时间等。抛光粉通过与溶剂以及有关添加剂（如表面活性剂、分散剂等）相互混合组成抛光液。即使是同种成分的抛光粉制备出的抛光液，在相同的机械抛光条件下，不同生产厂家生产出的抛光液的使用效果却相差很大，这主要与参与抛光液配置的溶剂和添加剂种类等有关。图7所示为碲锌镉晶片经不同厂家生产的同种抛光液机械抛光后的表面形貌图，如图所示，在相同的抛光条件下，不同厂家生产的抛光液的抛光效果差别较大。因此，机械抛光工艺中对抛光液的合理选择是极其重要的。

抛光粉的粒径大小和形状主要影响加工工件的表面质量和材料去除速率，通常，粒径越大以及形状越不规则，则材料的去除速率越快，表面质量也越差，如表面粗糙度大、划痕多等；反之，则去除速率慢，表面质量好。Brovko A.等人研究了CZT晶片表面经不同粒径大小的Al2O3抛光液抛光后对CZT电性能的影响[27]，作者指出，随着Al2O3抛料粒径的降低，晶片表面的粗糙度逐渐降低，如图8所示，且材料去除速率也随着抛料粒径的降低而降低，0.3mm和5mm抛光液的去除速率分别为2mm/min和18mm/min。

图6 机械抛光装置及抛光原理示意图

图7 不同厂家生产的同种抛光液的机械抛光表面

图8 不同粒径的抛料抛光后的CZT平均表面粗糙度[27]

抛光垫具有贮存抛光液及去除抛光过程产生的残留杂质等作用，抛光垫的种类（或材质）也是影响工件抛光效果的主要因素之一[9]。市场或工业上常见的抛光垫有聚氨酯抛光垫、阻尼布抛光垫、人造植绒抛光垫、无纺布抛光垫及聚四氟乙烯抛光垫等。其中，无纺布抛光垫及聚四氟乙烯抛光垫材质较硬，具有较快的材料去除速率，但加工后会在表面引入较多的划痕，晶片表面质量差；聚氨酯抛光垫和阻尼布抛光垫材质较软，相对于无纺布等硬质抛光垫，其材料去除速率较慢，但加工后的晶片表面质量较好，是目前碲锌镉衬底表面处理工艺中最常用的抛光垫；人造植绒抛光垫材质较聚氨酯等抛光垫硬，手感粗糙，加工后的晶片表面出现较多划痕。

魏昕等人对抛光垫的材料种类、抛光垫表面结构以及抛光垫硬度、弹性模量、剪切模量、可压缩性等物理性能对抛光效果的影响等进行了介绍[28]，作者总结到，通过增大抛光垫的可压缩性、对抛光垫进行合理开槽以及修正抛光垫提高其表面粗糙度等手段都可以有效提高抛光垫的去除速率，使晶片表面的不均匀性得到改善。另外，曹威等人对近年来研究者们对抛光垫基体、抛光垫结构及抛光垫表面纹理的研究进行了总结[29]。图9为目前一些常见抛光垫的表面纹理及根据仿生学理论研究设计的抛光垫表面纹理图，主要包括放射状纹理、栅格状纹理、同心圆状纹理、放射同心圆复合状纹理、螺旋状纹理及葵花籽状纹理。其中，抛光液在螺旋状抛光垫和特定角度的葵花籽状抛光垫上分布更均匀，流动性也更好，加工的晶片表面粗糙度也更低；其次是放射同心圆复合状抛光垫，最后依次是放射状、同心圆状和栅格状抛光垫。在材料去除速率上，另有研究表明，抛光液在抛光垫上的流动性好会限制化学反应，从而会降低材料的去除速率[29]，故螺旋状等抛光垫的材料去除速率会低于放射状等抛光垫的去除速率。曹威等人还介绍了抛光过程及修正过程对抛光垫的影响、抛光垫修整器结构及抛光垫自修整技术的研究进展等。

图9 抛光垫表面纹理图[29]

抛光盘转速、工件夹具转速以及施加在工件上的压力大小等因素都对工件的表面去除速率和质量产生很大的影响[11]，随着转速或压力的增大，材料的去除速率增加，这是因为工件与抛光颗粒的相互磨削作用增强，但随着转速或压力的进一步增大后，材料的去除速率反而降低，这是因为在较大的转速或压力下，进入到工件与抛光盘之间的抛光液减少，削弱了工件与抛光颗粒之间的作用力。抛光时间的长短主要影响研磨损伤层是否完全去除，抛光时间短，则损伤层的去除不完全，反之，则可以完全去除研磨损伤层。

1.3 化学机械抛光

化学机械抛光工艺的抛光机理为：加工工件表面与抛光垫上的抛光液接触后，将同时受到来自抛光液中的不规则抛光颗粒的挤压作用和强氧化剂的腐蚀作用，即工件表面同时受到机械作用和化学作用。强氧化剂将加工工件的表面氧化成一层极薄的疏松多孔的软化层，不规则抛光颗粒则对这层软化层进行挤压，致使其破裂或产生微小裂痕，当工件与抛光盘相互运动后，这些破裂的碎片将随着抛光颗粒的滚动而被带离工件表面[30]。反复如此，从而达到磨削工件表面，获得光亮、低损、平整表面的目的。化学机械抛光中，抛光颗粒的粒径大小通常在纳米量级，远小于机械研磨和机械抛光中所用磨料颗粒的粒径大小，故对工件表面造成的损伤也很小，再结合化学腐蚀的作用，整个化学机械抛光工艺对工件表面造成的损伤就更小了，因此获得的表面也会更加平整和光亮。化学机械抛光的装置以及抛光原理与机械抛光的类似，如图6所示，两者主要的区别是前者所用的抛光液中含有强氧化剂，而后者则没有。

化学机械抛光的主要目的包括去除工件表面损伤层、降低表面粗糙度、消除或减少表面划痕以及工件表面平坦化等。通常情况下，化学机械抛光所使用抛料粒径范围在1mm以下，故而工件表面经过化学机械抛光后，其表面粗糙度一般小于1nm[31]，如图10所示。

影响化学机械抛光工艺对加工工件表面抛光效果的因素有机械作用和化学作用的协同情况、抛光粉种类、抛光粉粒径大小及形状、氧化剂种类及浓度、抛光垫种类、抛光盘转速、工件夹具转速、施加在工件上的压力、抛光液滴速以及抛光时间等。

图10 化学机械抛光工艺后碲锌镉晶片的表面粗糙度

机械作用和化学作用的协同情况会对工件的表面质量产生较大影响，若机械作用大于化学作用，则工件表面会出现较多的浅划痕；反之，若化学作用大于机械作用，则工件表面会出现严重的橘皮现象。简言之，这两者不论谁占优势，都会造成工件表面的粗糙度增加。敖孟寒等人以SiO2为抛料、NaClO为氧化剂对碲锌镉衬底进行化学机械抛光，研究了NaClO浓度对衬底表面去除速率和粗糙度的影响[32]。研究结果表明，在其他工艺参数相同的条件下，晶片表面粗糙度Ra（Roughness arithmetic average）和表面PV（Peak-to-Valley）值随着NaClO浓度的增加呈现出先降低后升高的趋势，如图11所示。作者指出，出现这种趋势的原因是当NaClO浓度较低时，抛光过程中的机械作用大于化学作用，从而获得的表面较粗糙且容易产生划伤，随着NaClO浓度的增加，抛光过程中的化学作用与机械作用逐渐接近平衡，从而获得最好的抛光表面，而当NaClO浓度较大时，抛光过程中的化学作用大于机械作用，衬底表面出现橘皮现象，表面粗糙增大。因此，如何有效、合理地协调机械作用和化学作用这两者之间的关系是至关重要的。

图11 CZT衬底表面PV值和表面粗糙度随NaClO浓度的变化关系[32]

工业上常用的抛光粉有类多晶金刚石（C）、碳化硅（SiC）、二氧化硅（SiO2）[33]及Al2O3[34]等，对于碲锌镉衬底而言，Al2O3抛光粉含有金属元素，故工艺上不建议采用。抛光粉通过与溶剂以及有关添加剂（如表面活性剂、分散剂等）相互混合组成抛光液。常用于碲锌镉衬底化学机械抛光工艺的强氧化剂主要有过氧化氢（H2O2）[35]、次氯酸钠（NaClO）[36]以及液溴（Br2）等。其中，NaClO中的Na元素在碲锌镉材料中具有很高的扩散能力，容易污染衬底；Br2毒性较大且挥发性强，对环境和人体都会产生较大的伤害；H2O2是一种环境友好型氧化剂，它分解后的产物是水和氧气，对环境和人体没有伤害，故而在化学机械抛光工艺中是使用最多的氧化剂。

Zhang等人用硅溶胶（SiO2）作为抛光颗粒、过氧化氢（H2O2）作为氧化剂和柠檬酸作为pH调节剂共同组成了一种抛光液，并用其对碲锌镉晶片进行了化学机械抛光处理[35]。碲锌镉晶片经该抛光液抛光处理后，其表面粗糙度Ra、RMS（root-mean-square）以及PV（peak-to-valley）值分别为0.498nm、0.626nm和4.707nm（测试面积为70.6mm×53mm），如图12所示。这说明使用过氧化氢（H2O2）作为氧化剂可以获得一个更好的晶片表面状态，远优于溴基等氧化剂[37]。

抛光粉的粒径大小及形状、抛光垫的种类（或材质）[31]、抛光垫的使用时长、抛光盘转速、工件夹具转速、施加在工件上的压力大小以及抛光时间等因素对工件抛光效果的影响原理与机械抛光工艺中所述影响原理类似。

1.4 化学抛光

化学抛光工艺的抛光机理为：当加工工件与抛光垫上的化抛液接触后，化抛液中的氧化剂将对工件表面进行腐蚀，在抛光垫与工件表面的相互运动作用下，工件表面上的损伤层以及浅划痕等都会被去除，得到光亮、平整且无任何划痕及损伤的外延级衬底表面。化学抛光工艺中使用的抛光液只包含氧化剂和溶剂，没有磨料颗粒或抛光颗粒。同时，对工件进行化学抛光时，没有对工件施加额外的压力，只有抛光夹具的自身重力。因此，化学抛光工艺中几乎不涉及到机械作用，只有纯化学腐蚀作用。化学抛光工艺的装置及抛光原理如图13所示。

图12 CZT经多线切割、机械研磨及化学机械抛光后的表面光学图和化学机械抛光后的表面粗糙度及形貌图[35]

图13 化学抛光装置及抛光原理示意图

化学抛光的主要目的是去除化学机械抛光或机械抛光工艺对晶片表面造成的损伤层，并同时为生长碲镉汞薄膜提供新鲜、洁净、无损的外延级表面。影响化学抛光工艺对加工工件表面抛光效果的因素有氧化剂种类及浓度、抛光垫种类、抛光盘转速、抛光夹具自重、化抛液滴速以及抛光时间等。常用于碲锌镉衬底化学抛光的氧化剂是溴（Br2），对应的溶剂是甲醇或甲醇与乙二醇的混合溶剂[38-40]。Moravec P.等人以溴＋甲醇＋乙二醇组成的溶液为抛光液对碲锌镉衬底表面进行了化学抛光，研究了不同溴浓度下材料的去除量与表面粗糙度的关系，如图14所示[40]。从图14中可以看到，溴的浓度越高，材料去除量越大，但得到的表面粗糙度也越大。此外，在同样的溴浓度下，随着材料去除量的增加，衬底表面的粗糙度也在增加。这是由于Br2的强氧化性会将表面的负二价Te氧化成不溶于溶液的Te单质，并沉积在衬底表面，Cd2＋和Zn2＋与Br-结合成可溶于溶液的CdBr2和ZnBr2[41]而离开表面，如公式(1)所示，从而在表面形成富Te层。随着抛光时间的增加，在强化学作用和外加轻微机械力（化抛夹具自重、抛光垫、旋转等外力）的作用条件下，这种现象会被加强，从而造成晶片表面粗糙度增大。

CdZnTe＋2Br2＝CdBr2＋ZnBr2＋Te (1)

Ivanits’ka V. G.等人用碘（I2）作氧化剂、甲醇作溶剂组成的溶液为抛光液对碲化镉和碲锌镉衬底进行化学抛光，研究了不同碘浓度下材料的去除速率及腐蚀后衬底表面退火后的情况，如图15所示[42]。从图15中可知，材料的去除速率随着碘浓度的增加而增加，碲锌镉经I2-甲醇化抛液（浓度为10wt%）化学抛光后的表面粗糙度为1.56nm。此外，从表3中可以得知，碲锌镉衬底经Br2-甲醇和I2-甲醇化抛液化学抛光后，其表面都是富Te态。但碲锌镉衬底经I2-甲醇化抛液化抛后的表面具有更低的Te/(Cd＋Zn)原子比，即表面原子比更接近于化学计量比，且经过高温退火后，原子比几乎为1.0，达到化学计量比水平，这表明相比于Br2-甲醇化抛液，I2-甲醇化抛液可以获得一个更佳的衬底表面。因此，化学抛光中，氧化剂及溶剂的选择是至关重要的，选择化抛液的标准之一是希望该化抛液能对工件表面进行均匀腐蚀，而非择优或选择性腐蚀，否则会造成工件表面的粗糙度增加且表面元素的化学计量比不平衡[43]。

图14 不同溴浓度下碲锌镉衬底去除量与表面粗糙度的关系[40]

图15 材料去除速率与I2浓度的关系及化抛后样品表面粗糙度（10wt% I2）[42]

表3 不同表面处理后的(211)B CdZnTe样品的XPS测试结果[42]

抛光垫的选择也是至关重要的，不同材质制成的抛光垫的柔韧性不同，对工件表面造成的影响也不一样，对于纯化学作用的抛光工艺而言，工件表面是很疏松的，柔韧性稍差的抛光垫可能会在工件表面产生细划痕或抛光效果不理想。另外，化学抛光工艺存在的一个主要问题是塌边现象（即边缘去除速率大于中心去除速率），这种现象在转盘速度较大、化抛时间较长以及氧化剂浓度较大等条件下会更加明显。抛光时间是影响工件抛光效果的重要因素之一，抛光时间短，不足以去除化学机械抛光工艺带来的损伤层；反之，抛光时间长，晶片表面粗糙度越大，同时加重塌边现象[40]。相对其他影响因素，化抛液的滴速对抛光效果的影响较小。

2 表面位错揭示

与硅等几乎无缺陷的单晶材料相比，碲锌镉单晶材料具有较高的位错密度（104～105/cm－2）。目前，观察位错的主要手段是化学腐蚀法，虽然透射电子显微镜法（Transmission electron microscopy，TEM）也能对材料的位错进行检测[44-46]，但因其具有设备成本太高、制样非常困难、视场太小等原因而无法作为常规的位错检测手段。化学腐蚀法因具有成本低、制样简单、操作简单且所观察的视场较大等优势而成为了目前主要的表面位错检测手段。

碲镉汞薄膜主要是通过在碲锌镉衬底的（111）面和（211）面上外延得到，因此，要求碲锌镉衬底表面不能存在损伤及大量的微观缺陷。衬底表面的损伤主要来自于表面处理工艺，而微观缺陷如沉淀物、位错、空位等则是在晶体生长过程中产生的。事实上，表面损伤对应的是晶格的周期性被破坏，即晶体表面形成大量的位错[47]。所以，对于外延衬底而言，不管是损伤还是微观缺陷，只要超过一定的数量都会直接影响碲镉汞外延薄膜的质量，故而需要对碲锌镉衬底表面的缺陷（包括损伤和微观缺陷）进行检测，从而筛选出优质的外延级衬底。如上所述，化学腐蚀法是目前最常用的位错检测手段，因此本部分主要介绍用于揭示碲锌镉表面位错缺陷的腐蚀液。

2.1 （111）A面位错揭示腐蚀液

1979年，K. Nakagawa等人报道了一种可用来揭示碲化镉（111）A面位错缺陷的化学腐蚀液[48]，其组分为20mL H2O:20mL H2O2:30mL HF。为了证实这种腐蚀液所腐蚀出的腐蚀坑确实对应材料的位错缺陷，文献[48]对发生形变后的晶体材料进行反复的抛光和腐蚀试验，并记录每次腐蚀后的腐蚀坑变化情况，如图16所示。从图中可以明显观察到，腐蚀坑与位错线具有一一对应的关系。

为了更进一步的证实腐蚀坑与位错具有一一对应关系，文献[48]采用阴极发光方法对形变样品的（111）A面进行了测试。接着，对测试结束后的该样品进行化学腐蚀并进行二次电子显微测试。两者的测试结果显示，阴极发光图中的黑点（对应位错缺陷）与二次电子显微图中看到的腐蚀坑具有非常好的对应性，即所有沿滑移面轨迹排列的黑点与位错腐蚀坑一一对应，其他黑点也是如此。故这种腐蚀液可以很好的揭示碲化镉（111）A面的位错缺陷。所以，研究者们以Nakagawa命名这种腐蚀液并将其一直用作揭示碲锌镉（111）A面位错的腐蚀液。

2.2 （111）和（211）B面位错揭示腐蚀液

1995年，W. J. Everson等人报道了一种可用于揭示碲锌镉（111）和（211）B面位错缺陷的化学腐蚀液[49]，其组分为6mL HF: 24mL HNO3:150mL C3H6O3（乳酸），即体积比为1:4:25。由于这种化学腐蚀液是W. J. Everson首次提出并验证其有效性的，所以作者将这种腐蚀液命名为“Everson腐蚀液”。

为了验证Everson腐蚀液确实可以揭示碲锌镉（111）B和（211）B面位错缺陷，作者首先采用透射电子显微镜法（TEM）对被Everson腐蚀液腐蚀并减薄处理后的高位错缺陷密度样品进行观察，结果如图17(a)所示，图中红色箭头指向的是腐蚀坑，绿色箭头指向的是位错线。从图中可以清楚地观察到，每一个腐蚀坑的一端都有一条清晰可见的位错线，因此可以确定，由Everson腐蚀液产生的腐蚀坑确实对应材料的位错缺陷。然后，作者将Everson腐蚀液产生的腐蚀坑与Nakagawa腐蚀液产生的腐蚀坑进行数量以及结构上的对比，结果如图17(b)和表4所示。从图17(b)和表4中可以得知，Everson腐蚀液产生的腐蚀坑数量与Nakagawa腐蚀液产生的腐蚀坑数量相当。综上所述，Everson腐蚀液是一种可以准确揭示碲锌镉（111）B和（211）B面位错缺陷的化学腐蚀液。因此，自Everson腐蚀液被报道以来，它受到了广泛的关注并一直用来揭示碲锌镉（111）B和（211）B面的位错缺陷[50-51]。

图16 样品反复抛光和腐蚀后得到腐蚀坑轨迹示意图及两个腐蚀阶段的腐蚀坑光学图[48]

图17 腐蚀坑TEM图和(111)A面与B面的腐蚀坑密度对比[49]

表4 两种腐蚀液得到的CdTe单晶EPDs对比[49]

图18是Everson腐蚀液在碲锌镉（111）B和（211）B面产生的腐蚀坑形貌，在（111）B产生的腐蚀坑为等边三角形形貌，而在（211）B面产生的腐蚀坑为钝角三角形。

2.3 其他晶面位错揭示腐蚀液

此外，随着Everson和Nakagawa腐蚀液的出现，研究发现，EAg腐蚀液所揭示的腐蚀坑密度远低于Everson腐蚀液和Nakagawa腐蚀液产生的腐蚀坑密度，这再次证实了EAg腐蚀液不能准确真实地反映碲化镉家族的位错密度，不过EAg腐蚀液却可以用来揭示碲锌镉其他晶面的位错缺陷，故而EAg腐蚀液在碲锌镉的损伤层厚度检测中起着极其重要的作用[53]。

图18 腐蚀坑形貌图[49]

图19 CdTe不同晶面腐蚀坑形貌图：(a) (100)晶面-EAg-1；(b) (110)晶面-EAg-1；(c) (111)晶面-EAg-1；(d) ()晶面-EAg-1；(e) (111)晶面-EAg-2[52]

3 总结与展望

本文主要从碲锌镉表面处理工艺及表面位错揭示两个方面对碲锌镉衬底的表面处理工艺研究进行了详细介绍。表面处理工艺主要包括机械研磨、机械抛光、化学机械抛光以及化学抛光，研磨或抛光工艺中的参数选择直接影响最终的衬底表面质量。碲锌镉衬底的表面位错缺陷主要通过Everson或Nakagawa两种化学腐蚀液进行揭示，Everson腐蚀液主要揭示碲锌镉（111）B面的位错缺陷，Nakagawa腐蚀液主要揭示（111）A面的位错缺陷。

另外，随着碲镉汞红外焦平面探测器技术的发展，碲锌镉衬底的尺寸逐渐增大，这意味着获得外延级碲锌镉衬底表面将会更加困难，这对晶片表面平整度、晶片面型控制及表面清洗等都提出了更高的技术要求。因此，如何在现有的基础上探索出适用于大尺寸碲锌镉衬底的表面处理技术是至关重要的，这也是我们接下来亟待解决的技术问题和努力的方向。

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Surface Processing of Cadmium Zinc Telluride Substrates

JIANG Xianyan，CONG Shuren，NING Zhuo，QI Wenbin，LIU Yan，SONG Linwei，KONG Jincheng

(,650223,)

In this study, the surface processing of cadmium zinc telluride (CZT) substrates was studied, which revealed surface dislocation defects. The surface processing mechanism and influence of the process parameters on the surface of the CZT substrates, including mechanical grinding, mechanical polishing, chemical mechanical polishing, and chemical polishing, are presented. Moreover, three types of chemical etchants, Everson, Nakagawa, and EAg, which reveal dislocation defects on the surface of CdZnTe with different crystal orientations, were also investigated.

cadmium zinc telluride (CZT), surface processing, dislocation revealing

TN213

A

1001-8891(2023)11-1242-14

2022-10-24；

2023-02-21.

江先燕（1993-），女，博士，主要从事红外材料与器件方面的研究，E-mail：jxy0709_kmwlyjs@163.cm。

丛树仁（1978-），男，博士，主要从事红外材料与器件方面的研究，E-mail: congshuren@126.com。