一种晶圆级超薄单晶锗薄膜的减薄溶液及湿法制备工艺

本发明属于半导体材料加工，具体涉及一种晶圆级超薄单晶锗薄膜的减薄溶液及湿法制备工艺。

背景技术：

1、这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

2、单晶锗薄膜是一种重要的半导体材料，大量应用在红外光学器件、微电子芯片技术、柔性太阳能电池等多个领域。满足清洗、后续加工要求，可实现批量生产的晶圆级超薄单晶锗薄膜的制备是非常重要的。现有制备单晶锗薄膜的方法有衬底外延生长单晶锗薄膜、绝缘体上锗的选择性腐蚀释放锗薄膜、icp-rie干法刻蚀减薄等技术。衬底外延生长技术需要衬底与锗单晶晶格适配，成本高，且后续无法释放锗薄膜。绝缘体上锗(geoi)的选择性腐蚀释放技术工艺复杂、成本高、锗薄膜厚度不可控。icp-rie干法刻蚀减薄技术是将厚锗晶圆片干法刻蚀减薄成锗薄膜，但锗薄膜存在粗糙度高、表面损伤、需要额外衬底支撑等问题。

技术实现思路

1、为了克服现有技术中锗薄膜工艺复杂、成本高、厚度过低、厚度不可控、粗糙度高、表面损伤等问题，本发明提供一种晶圆级超薄单晶锗薄膜的减薄溶液及湿法制备工艺，该制备工艺的单晶锗薄膜的厚度可控、结晶度高、粗糙度低且无损伤。

2、为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

3、第一方面，本发明提供一种晶圆级超薄单晶锗薄膜的减薄溶液，组成如下：氟化氨1-5％；双氧水2-8％；氢氟酸0.5-3％；溶剂为水，％为质量百分数。

4、单晶锗的湿法化学腐蚀原理是先用氧化剂将单晶锗氧化，后利用腐蚀剂将氧化物溶解掉，如此反复，实现单晶锗晶圆的表面层均匀去除。

5、氟化氨起到缓冲剂的作用，腐蚀分为氧化和溶解两步，双氧水起氧化作用，氢氟酸起溶解氧化锗的作用，控制其中一步即可控制溶液对锗片的腐蚀减薄速率。未加氟化氨的溶液，溶液有效成分浓度随腐蚀时间增长而降低，导致减薄速率也会随时间增长而降低。溶液加入氟化氨，氟化氨会电离补充消耗掉的氢氟酸，保证氢氟酸浓度的相对稳定，进而保证锗片腐蚀减薄速率的稳定。稳定的腐蚀减薄速率对控制最终锗薄膜的厚度很重要。

6、在一些实施例中，所述减薄溶液中，氟化氨、双氧水和氢氟酸的质量比为2-3:4-5:1-3；优选为3:4-5:2。

7、第二方面，本发明提供一种晶圆级超薄单晶锗薄膜的湿法制备工艺，包括如下步骤：

8、将锗晶圆片清洗后，置于所述减薄溶液中进行减薄；

9、减薄完成后，经过清洗、吹干，即可。

10、在一些实施例中，减薄之前，将锗晶圆片的环形边缘进行保护处理，使其屏蔽减薄溶液。通过对锗晶圆片的环形边缘进行保护，使锗晶圆片的中部区域暴露，只对中部区域进行减薄，形成的刚性环状结构可以对锗薄膜起到支撑的作用，便于移动和加工。

11、优选的，所述保护处理为采用环形夹具对锗晶圆片的边缘进行环形夹持。

12、进一步优选的，浸入减薄液前，对锗晶圆片进行清洗，然后按丙酮、异丙醇、乙醇、去离子水的顺序进行清洗；采用环形夹具对锗晶圆片进行夹持固定后，再次用去离子水进行清洗。

13、丙酮、异丙酮和乙醇用于清洗锗片上的有机污染物，去离子水可以将残留的有机清洗液清洗干净。

14、为避免夹具及夹持过程中引入污染(污染主要是灰尘颗粒)，采用环形夹具对锗晶圆片进行夹持固定后，需要再次用去离子水进行清洗，若清洗不干净，则可能导致锗晶圆片表面腐蚀出点状凸起。

15、优选的，所述保护处理为在锗晶圆片的边缘设置耐腐蚀掩膜。

16、在一些实施例中，减薄过程中，减薄溶液的温度为20-40℃，优选为20-30℃。

17、减薄温度影响腐蚀减薄速率和成品锗薄膜表面质量。温度过高，一方面会促使双氧水分解，产生的气泡会导致锗薄膜表面腐蚀出点状凸起，使成品锗薄膜表面质量差。另一方面会提高腐蚀减薄速度，而减薄速度较快时，会影响减薄的均匀性，进而不利于提高成品锗薄膜的质量。

18、此外，发明人还发现，减薄溶液的温度过高时，如高于室温较多，由于减薄溶液不同区域的散温速率不同，导致减薄溶液整体存在温度不均匀分布的情况，对提高锗薄膜的质量产生不利影响。而减薄溶液温度越接近室温，溶液温度不均匀导致的额外影响也会减小。

19、优选的，减薄过程中对减薄液进行搅拌，搅拌速度为100-300rpm。

20、一方面，搅拌可以保证在腐蚀减薄过程中，使溶液成分、温度尽可能均匀，保证腐蚀减薄的均匀性。

21、另一方面，双氧水分解产生的气泡会吸附在锗片上，导致表面腐蚀出点状凸起，凸起尺寸为5-10微米。如不进行搅拌，吸附在锗片表面的微小气泡不能及时脱离，使成品锗薄膜表面出现大面积的水迹状缺陷，水迹状缺陷是由密集的点状凸起构成的。通过搅拌可以降低吸附在锗片上的气泡数量，有助于提高锗薄膜的质量。

22、在一些实施例中，减薄完成后，先进行漂洗，再用流水冲洗。以确保锗薄膜表面无减薄液残留。

23、优选的，清洗完成后，采用小流量氮气枪对锗薄膜进行吹扫，吹除残留的水。

24、在一些实施例中，若一次减薄后的锗薄膜厚度无法达到要求，则进行重复减薄。

25、上述本发明的一种或多种实施例取得的有益效果如下：

26、该晶圆级超薄单晶锗薄膜湿法制备工艺，通过环形夹具保护晶圆片边缘不受减薄液腐蚀影响，形成的刚性环形结构起到支撑锗薄膜的作用，有利于后续的移动、加工，具有极强的灵活性。通过该工艺得到的锗薄膜可实现厚度的有效控制，针对不同需求可选择不同的厚度。通过该工艺得到的锗薄膜无需进行机械研磨，无需考虑研磨带来的损伤层和应力导致的翘曲等问题。通过该工艺得到的锗薄膜具有极高的结晶度和亚纳米级的粗糙度，基本满足各类器件的需求。该工艺易于操作，可靠稳定，成本低廉，得到的锗薄膜表面质量均匀，适用于批量生产。

技术特征：

1.一种晶圆级超薄单晶锗薄膜的减薄溶液，其特征在于：组成如下：氟化氨1-5％；双氧水2-8％；氢氟酸0.5-3％；溶剂为水，％为质量百分数；

2.根据权利要求1所述的晶圆级超薄单晶锗薄膜的减薄溶液，其特征在于：所述减薄溶液中，氟化氨、双氧水和氢氟酸的质量比为2-3:4-5:1-3；优选为3:4-5:2。

3.一种晶圆级超薄单晶锗薄膜的湿法制备工艺，其特征在于：包括如下步骤：

4.根据权利要求3所述的晶圆级超薄单晶锗薄膜的湿法制备工艺，其特征在于：减薄之前，将锗晶圆片的环形边缘进行保护处理，使其屏蔽减薄溶液。

5.根据权利要求4所述的晶圆级超薄单晶锗薄膜的湿法制备工艺，其特征在于：所述保护处理为采用环形夹具对锗晶圆片的边缘进行环形夹持；

6.根据权利要求4所述的晶圆级超薄单晶锗薄膜的湿法制备工艺，其特征在于：所述保护处理为在锗晶圆片的边缘设置耐腐蚀掩膜。

7.根据权利要求3所述的晶圆级超薄单晶锗薄膜的湿法制备工艺，其特征在于：减薄过程中，减薄溶液的温度为20-40℃，优选为20-30℃；

8.根据权利要求3所述的晶圆级超薄单晶锗薄膜的湿法制备工艺，其特征在于：减薄完成后，先进行漂洗，再用流水冲洗。

9.根据权利要求3所述的晶圆级超薄单晶锗薄膜的湿法制备工艺，其特征在于：清洗完成后，采用小流量氮气枪对锗薄膜进行吹扫，吹除残留的水。

10.根据权利要求3所述的晶圆级超薄单晶锗薄膜的湿法制备工艺，其特征在于：若一次减薄后的锗薄膜厚度无法达到要求，则进行重复减薄。

技术总结本发明公开了一种晶圆级超薄单晶锗薄膜的减薄溶液及湿法制备工艺，减薄溶液，组成如下：氟化氨1‑5％；双氧水2‑8％；氢氟酸0.5‑3％；溶剂为水，％为质量百分数；将锗晶圆片清洗后，置于所述减薄溶液中进行减薄；减薄完成后，经过清洗、吹干，即可。通过该工艺得到的锗薄膜可实现厚度的有效控制，针对不同需求可选择不同的厚度。通过该工艺得到的锗薄膜无需进行机械研磨，无需考虑研磨带来的损伤层和应力导致的翘曲等问题。通过该工艺得到的锗薄膜具有极高的结晶度和亚纳米级的粗糙度，基本满足各类器件的需求。技术研发人员：郭庆磊,赵国鹏,殷爱玲受保护的技术使用者：山东大学技术研发日：技术公布日：2024/5/27