二氧化硅磨粒結(jié)構(gòu)對單晶硅表面微觀去除的影響研究.pdf

1、單晶硅作為性能優(yōu)良的半導(dǎo)體材料，已被廣泛應(yīng)用于微電子集成電路。隨著集成電路芯片的集成度逐步增大，特征線寬逐漸減小，工業(yè)生產(chǎn)中需要盡可能降低其表面粗糙度，并減小表面及亞表面的殘余損傷?；瘜W(xué)機(jī)械拋光(CMP)是當(dāng)前大面積平坦化技術(shù)的最優(yōu)選擇之一，然而傳統(tǒng)CMP工藝主要依賴機(jī)械與化學(xué)的協(xié)同作用，可能會在硅基表面上產(chǎn)生位錯、微裂紋等機(jī)械損傷以及化學(xué)腐蝕霧斑，降低拋光的質(zhì)量與效率。近年來以摩擦化學(xué)作用為核心的CMP機(jī)理研究得到了普遍的關(guān)注，然而已

2、有報道主要集中在不同載荷、速度和環(huán)境氣氛對單晶硅納米磨損的影響探究，尚缺乏有關(guān)二氧化硅磨粒結(jié)構(gòu)對單晶硅表面微觀去除的影響研究。
　　有鑒于此，本文重點開展了無孔及微孔二氧化硅小球?qū)尉Ч璞砻嫖⒂^去除的影響探究。通過三維形貌儀探測磨損區(qū)域形貌，并借助能量彌散X射線(EDX)和拉曼光譜對磨損微區(qū)進(jìn)行結(jié)構(gòu)和成分的表征，進(jìn)而歸納總結(jié)單晶硅表面的磨損規(guī)律并揭示相關(guān)的磨損機(jī)理。本文的主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點如下:
　　(1)對比研究了無孔和

3、微孔二氧化硅小球?qū)尉Ч璞砻娴奈⒂^磨損規(guī)律
　　分別在大氣環(huán)境和純水環(huán)境中研究了無孔和微孔二氧化硅小球?qū)υ脊璞砻嬖斐傻哪p規(guī)律。研究表明，兩種小球作用下單晶硅的表面磨損主要歸功于機(jī)械摩擦誘導(dǎo)的化學(xué)反應(yīng)。二氧化硅小球微觀結(jié)構(gòu)對單晶硅磨損的影響與環(huán)境有關(guān)。在大氣環(huán)境中無孔二氧化硅小球比微孔小球造成單晶硅的磨損更嚴(yán)重;相反，純水環(huán)境中微孔二氧化硅小球作用下單晶硅的磨損體積更大。
　　(2)闡明了表面氧化層及終止鍵對單晶硅摩擦化學(xué)

4、磨損的影響機(jī)制
　　單晶硅表面氧化層對材料磨損影響顯著。一方面，原始硅（有氧化層）表面終止鍵為羥基，具有親水性，而疏水硅（無氧化層）表面被氫鍵終止，表現(xiàn)為疏水性，因此大氣環(huán)境環(huán)境中原始硅表面會吸附較多的水分子，導(dǎo)致的摩擦化學(xué)磨損更為嚴(yán)重。另一方面，水環(huán)境中由于水分子數(shù)量與表面親疏水性無關(guān)，因此氧化層中的Si-O鍵對單晶硅表面磨損的影響更為明顯。由于Si-O鍵斷裂的化學(xué)反應(yīng)勢壘比Si-Si鍵大，因此水環(huán)境中原始硅表面的磨損比疏水硅輕

5、微。
　　(3)初步揭示了小球結(jié)構(gòu)對單晶硅摩擦化學(xué)反應(yīng)的影響機(jī)制
　　氮氣環(huán)境中單晶硅表面無明顯損傷，這說明在給定載荷條件下其表面損傷主要歸因于水分子參與下的摩擦化學(xué)磨損，且微孔和無孔小球?qū)尉Ч柙斐傻哪p體積與接觸壓力的關(guān)系均遵循化學(xué)反應(yīng)中的阿倫尼烏斯公式。硅/二氧化硅配副摩擦化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生離不開機(jī)械摩擦的輔助作用，且水分子數(shù)量對單晶硅摩擦化學(xué)磨損的影響更為顯著。二氧化硅小球中的微孔會直接影響接觸狀態(tài)和接觸界面的水分子數(shù)量

6、，從而改變單晶硅表面的摩擦化學(xué)磨損狀況。一方面，在相同接觸壓力下，小球微孔能夠增大接觸面積，加劇接觸界面間的摩擦化學(xué)反應(yīng);另一方面，小球微孔能夠儲存部分水分子進(jìn)而增加單晶硅表面的摩擦化學(xué)磨損。不同條件下磨屑的Raman和EDX分析結(jié)果表明摩擦化學(xué)磨損產(chǎn)物中有Si-OH鍵，這進(jìn)一步證明了磨損的實質(zhì)在于水解作用的發(fā)生。另外也發(fā)現(xiàn)小球微孔可促進(jìn)摩擦化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)程，該種工況下磨屑中產(chǎn)生的Si-OH鍵更多。
　　綜上所述，單晶硅表面的摩擦化