单晶硅片化学机械抛光的表面损伤研究.pdf

2 0 1 4年 4月 第 3 9卷 第 4期 润滑与密封 LUBRI CAT I ON ENGI NEERI NG Ap r 2 01 4 Vo l _ 3 9 No 4 DO I ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 0 2 5 4 0 1 5 0 2 0 1 4 0 4 0 0 4 单 晶硅片化学机械抛光 的表面损伤 研究 陈晓春赵永武王永光 ( 江南大学机械工程学院江苏无锡 2 1 4 1 2 2 ) 摘要 ：通过模拟化学机械抛光 的工况条件 ，对不 同化学作用 的单晶硅 片表 面进行纳米划痕实验 ，利用 现代分析仪 器与技术，对抛光后单晶硅片的表面和亚表面损伤进行研究。结果表明：在一定的工况参数条件下，机械作用和化学 作用匹配时，可以获得高的材料去除率和无表面层及亚表层损伤的高质量的抛光表面。在化学机械抛光过程中，机械 作用的加强可以提高材料去除率 ，但作用力增至一定值之后 ，抛光后表层和亚表层损伤将逐 渐加 大；化学作用可 以增 加机械作用下的材料去除率，但抛光表面在化学反应作用下会产生表面损伤。通过调整机械参数如压力和速度等可以 控制摩擦化学反应中的反应热 ，从而实现机械作用对摩擦扩散化学的控制 ，调控单 晶硅 片的超精 密抛 光中化学物质的 使用 ，实现环保型绿色抛光 。 关键词 ：化学机械抛光 ；化学作用 ；机械作用 ；材料去除 ；损伤 中图分类号：T H 1 1 7 1 文献标识码 ：A文章编号 ：0 2 5 4 0 1 5 0 ( 2 0 1 4 ) 4 0 1 5 8 S t ud y o n S u r f a c e Da m a g e o f Si n g l e Cr y s t a l l i n e S i l i c o n W a f e r d ur i ng Che mi c a l M e c ha n i c a l Po l i s hi n g Ch e n Xi a o c h u n Zh a o Yo n g wu Wan g Yo n g g u a n g ( S c h o o l o f Me c h a n c i E n g i n e e r i n g ， J i a n g n a n U n i v e r s i t y ，Wu x i J i a n g s u 2 1 4 1 2 2，C h i n a ) Abs t r ac t：A s e rie s o f na no s c a l e s c r a t c hi n g e x pe rime n t s o n t h e s u r f a c e o f s i ng l e c r y s t a l l i ne s i l i c o n wa f e r wa s de s i g n e d t o s i mu l a t e t he p r o c e s s o f C h e m i c a l M e c h a n i c a l P o l i s h i n g ( C MP ) ，a n d t h e d a m a g e o f s u r f a c e a n d s u b s u rf a c e o f s i n g l e c r y s t al l i n e s i l i c o n w a f e r a ft e r w a s s t u d i e d b y t he mo d e r n a n a l y s i s i ns t r u me n t s a n d t e c h n o l o g y Th e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t ，un d e r c e r t a i n Wo r ki n g c o n d i t i o n wi t h t h e p r o p e r pa r a me t e r s wh e n t h e me c h a ni c a l e f f e c t s ma t c hi n g t he c h e mi c a l e f f e c t s，t h e o p t i mi z e d ma t e ria l r e mo v a l r a t e c a n be o b t a i n e d wi t h t h e b e s t p o l i s h e d s u r f a c e q uali t y，t h a t i s，t h e mi ni mi z e d d a ma g e o f s urfa c e a n d s ub s u rfa c e T he ma t e ria l r e mo v a l r a t e i s r a i s e d wi t h t h e e n ha n c e me nt o f me c h a n i c a l e f f e c t s ，b u t t h e d a ma g e o f t h e s u r f a c e a n d s u b s u rfa c e i s i n c r e a s e d a f t e r t h e me c h a n i c al e f f e c t s r e a c h a c e r t a i n l e v e l ；t h e c h e mi c a l e f f e c t s i mp r o v e t h e ma t e ria l r e mo v a l r a t e b y t h e me c h a n i c a l e f f e c t s ，bu t t h e po l i s hi n g s u rfa c e ma y b e d a ma g e d b y t h e c he mi c a l e f f e c t s B y a d j u s t i n g m e c h a n i c a l p a r a m e t e r s o f p r e s s u r e a n d s p e e d t h e h e a t f r o m t h e t r i b o l o g i e al c h e mi c a l r e a c t i o n c a n b e c o n t r o l l e d ， s 0 a s t o r e a l i z e t h e c o n t r o l o f t h e t r i b o l o g i c a l d i f f us i n g c he mi c al r e a c t i o ns b y t he me c h a n c i a l e f f e c t s ，d e c r e a s e t h e u s e o f c he mi c a l s i n t h e s u pe r p r e c i s i o n p o l i s h i n g o f t he s i ng l e c rys t a l l i ne s i l i c o n wa f e r a n d r e a l i z e t he g r e e n p o l i s h i ng Ke y wo r d s：c h e mi c a l me c ha ni c al p o l i s h i n g；c h e mi c a l e f f e c t ；me c ha ni c a l e f f e c t ；ma t e r i a l r e mo v al；d a ma g e 在微电子工业领域 ，单 晶硅、锗、砷化镓晶体、 蓝宝石 、碳化硅 和氮化 硅等半导体材料被广泛地应用 于集成电路微电子元器件的制造加工中。为了保证在 集成 电路元器件 的制造 过程 中的产品性能合格 ，要求 基金项目：国家 自然科学基金项 目( 5 1 0 0 5 1 0 2 ) ；清华大学摩 擦学国家重点实验室开放基金项 目( S K L T K F 1 0 B 0 4 ) ；中央高校 基本科研业务费专项资金项目( J U D C F 1 3 0 2 8 ) ；教育部留学 回国 人员科研启动基金项 目( 2 0 1 1 1 1 3 9 ) ；江苏省普通高校研究生科 研 创新 计划 项 目( C X Z Z 1 3 0 7 3 8) 收 稿 日期 ：2 0 1 30 92 1 作者简介 ：陈晓春( 1 9 6 6 一 ) ，博士研究生 ，研究方 向为摩擦学 与 表面工 程 E ma i l ：x e h e n j i a n g n a n e d u c n 前道 工艺的产品晶 圆具有无表面损伤和无亚表层缺陷 的高质量超 光滑基 材表面 。常用的半导体材料质地硬 且脆 ，加工 中极 易产生脆 裂而导致裂纹 。目前 ，化 学 机械抛光技术已经普遍应用于集成电路芯片的超精密 加工中，是获取平整光洁表面的芯片的核心技术之 一 。然而，传统的化学机械抛光需要使用大量的 抛光 液 ，而抛光液 中的磨 料磨粒 ，无论 是单个 磨粒尺 寸偏大时还是因磨粒的团聚现象而产生磨粒胶团时， 当其在抛光界面上的相互作用力较大时则会造成抛光 表面的划伤，甚至引起亚表层晶格缺陷，从而无法有 效地控制抛光表面和亚表面 的损伤及其变化 。为 了 满足 日益发展的集成电路技术对半导体硬脆晶体材料 1 6 润滑与密封 第 3 9卷 高精度超光滑表面的新要求，克服传统平坦化加工技 术 中的上述短板问题 ，探索和研究新一代的适应微 电 子技术发展要求的超精密抛光工艺技术成为半导体行 业 中科研人员 的一项 紧迫任务 。 无表面 和亚表 面损伤 的化学机械抛光是单 晶硅抛 光技术发展的核心，也是电子行业中集成电路电子元 器件稳定工作和不断 向微纳规模发展 的关键基础之 一 。近年来，在提高化学机械抛光材料去除速率的同 时，随着集成电路芯片特征尺寸的减小 ，芯片表面和 亚表 面的损伤成 为制 约集成 电路技术跨入 0 0 3 m 的 关键 因素之一 。B i s w a s 等 的研究发现 ，抛光 液 中的 磨粒在抛光过程 中的聚集会造成抛光表 面的划 伤 ，缩 短抛光 时问可减少磨粒 的聚合 ，减小抛光表 面的划痕 损伤 ；提高抛光过程的材料去除速率可以同时减少抛 光表面 的损伤。基于 S m o l u c h o w s k i 理论 ，C h a n d r a 等 建立了预测硅片抛光表面划痕损伤的数理模型， 揭示 了抛光 垫和硅 片硬度 对划 痕损伤的影响规 律。研 究发 现 ，硬质抛光 垫和硬脆性二 氧化硅 晶圆片发生划 痕损伤 的概 率是 软 质抛 光 垫和 软质 表 面铜 抛光 片 的 3 4 倍。因此 ，化学机械抛光中氧化剂的使用不仅可 以增 加材料 抛光速率 ，还 可 以改变抛 光片表 层特 征 ， 从 而减 少 表 面 损 伤。基 于 塑 性 变 形 的 理 论 ，S a k a 等 也建立了预测抛光片表面划痕损伤的模型 ，指出 仅仅 通过减 小抛光压力并不能减少抛光片表面的划痕 损伤 ，而采用软质抛光垫和小粒径的磨粒则是可行方 案。康仁科等 亦发现 ，抛光垫和化学作用对 Mg O 抛光片表面的划痕均具有重要的影响作用 。针对 4种 不同特性 的抛光片，L e e等 研究 了化学机械抛光 中 ，机械与化学协调效应对抛光片表面损伤的影响规 律。对于硅和二氧化硅等晶圆片来讲，使用软质磨粒 如二氧化铈磨粒可 以获得无表面损伤 的抛光片 。 相对于硅片表面划痕损伤 的广泛研究而言 ，单 晶 硅抛光片的亚表层损 伤和微 观结构 变化 的研究甚 少 ， 尚需深入和系统土研究 。x u等 的研 究认 为 ，超精 密抛光过程是纳米磨粒撞击抛光片表面而去除材料的 微观加工过程。当磨粒撞击硅片3 0 s 时，发现硅片亚 表层产生 了位 错 和微 晶现象 ；当 冲击 时 间为 1 0 ra i n 时，硅片的亚表层出现了严重的非晶层和划痕损伤。 硅片的纳米压痕研究也表明，在不同的压力条件下， 硅片会产生非晶相 、B相、微晶相和晶格相等不同的 相态 。同时 ，由于压力施加和移除 的过程不 同 ，各相 态之 问还存 在 着一 定 的相互 转化 的 内在关 系。Wa n g 等 的研究发现 ，当抛 光压 力大 于 2 5 k P a时 ，硅片 亚表层 产生 了非 晶层 损伤 ，而 当抛 光压 力 为 2 0 k P a 时 ，则可 以获得无亚表层 缺陷的抛光结果 。同时该研 究也证实 了 ，通过调控抛光压力 可以获得无表 面损伤 和亚表层损 伤的单 晶硅抛 光片。这 是因为 ，在 不同的 压力 条件下 ，硅晶体产生不同的相变。当硅片和磨粒 接触 区域的八面剪切 应力 大于 4 6 G P a ，同时静水 压 力小于 8 G P a时 ，硅片抛光过 程 中产生 的非 晶层 ，则 会在磨粒离开硅片表面后转变为晶格状态 ，从 而实现 了无损伤的超精密抛光。然而，抛光压力过低则使得 材料研磨去除速率偏低 。综上所述 ，尽管化学机械抛 光中化学作用显著，但是 ，在本文作者查阅的文献 中，还未见到化学作用对硅片抛光亚表层相态影响 的 研究报道 ，化学机械抛光亚表层损伤的控制还停 留在 经验调控的水平 。 本文作者基于微观摩擦化学和化学诱导相变机 制 ，结合材料微观分析 表征 手段 ，在 原 子 分 子 水平 上 的亚表层微观结构和物理化学改性 的条件下 ，揭示 了化学因素与单 晶硅片亚表层微观结构的内在关系； 探索 了机械能对化学作用 的控制演变规律 。 1 纳 米划痕 实验 为 了研究在不 同抛光参数条件下 、不 同的抛 光润 滑条件下的化学机械抛光的材料去除率和抛光后表面 层及亚表层 的损伤情况 ，本文作者进行 了一系列 单晶 硅片 的表面纳米划痕实验 ，模拟化学 机械抛光的材料 去 除过程 。实验分为二组 ，一组是水 润滑条件下的纳 米划痕实验 ，一组是过氧化氢润滑条件下的纳米划痕 实验。实验后 ，借助现代精密分析仪器等手段对划痕 样 品进行 了分析 和研究 。 1 1 实验条件 选用 p S i ( 1 0 0 ) 型单 晶硅 片作为 实验材 料 。切 割 晶圆制作成 2 0 m m2 0 m m的正方形样 品 。纳米 级摩 擦 磨损 实 验 在往 复 式 的 U M T - 2摩擦 试 验 机上 进 行 。 往复行 程为 2 m m。室 温控 制 在 ( 2 01 ) q C，湿度 为 4 5 5 5 。摩擦副接触形式为球与平面接触 ，即直 径为4 m m的氮化硅陶瓷小球在2 0 m m 2 0 m m的正方 形 p S i ( 1 0 0 ) 样品硅片上做往复式划痕动作。每次实 验均使用全新的氮化硅陶瓷球。实验前，氮化硅陶瓷 球和硅 片均用丙酮超声清洗 1 0 m i n 。实验条件 ：抛光 压力分 别 为 3 0 、5 0 、7 0 、9 0 m N，滑 动 速 度 分 别 为 5 3 3 、6 6 6 、8 0 0 、9 3 3 、1 0 6 6 m m s ，实验 时 间为 2 m i n 。摩擦磨损实验分别在水润滑和过氧化氢润滑 条件下进行 ，其 中水 润滑 实验 的润滑 媒介 为 去离 子 水；过氧化氢润滑实验的润滑媒介为 3 0 ( 体积分 数 ) 的过氧化氢溶液 。 1 2数据采集和分析 采用 P h a s e S h i f t Mi c r o X A M一 3 D三维 白光干涉表面 形貌仪对不 同润滑条件下划痕实验后 的单晶硅表面层 形貌进行分析 ，并采集划痕 的长度 、宽带 和深 度等数 据；使用透射电子显微镜观察和分析单晶硅划痕的亚 表面层状态 。 为了分析纳米划痕实验后硅 片的亚表层状态 ，特 别是划痕 区域 的亚表层状 态 ，在 硅片上 的划痕 部位沿 划痕方 向纵 向剖取截 面 ，制取适合 于透 射电子显微镜 ( T r a n s m i s s i o n E l e c t r o n M i c r o s c o p y ，T E M) 观 察 和 分析 的样品，使用 T e c n a i G 2 F 2 0 S - T w i n透射电子显微镜 进行观察和分析 。 2结果与讨 论 2 1 表面形貌分析 在实验 过 程 中，随 着 载 荷 的 增 大 ，对 摩 偶 件 S i N 小球的机械能增加 ，机械去除作用增强，这就 使得去除表面键能弱化的分子的能力增强。 在过氧化氢介质润滑条 件下 ，氧化剂过氧化氢与 硅片表面最外层 的分子发 生氧化 反应 。在体积分数为 3 0 的 H ， O ， 溶液 中含水 量较 高 ，从 而 电 离 H 而呈 2 1 1 不 同抛光压 力下单 晶硅 片的表 面形貌 图 1 、2示出 了不 同抛 光压力下 单 晶硅片 的磨痕 表 面形貌 。抛 光实 验 是在保 持 滑动 速度 为 8 0 0 m m S ，在抛光压力分别 为 3 0 、5 0 、7 0和 9 0m N及 水润滑 和 H 0 润滑条件下进行的。可以看出：随着载荷的 增加 ，表面形貌 的峰值 随之增 大 ，但过 氧化氢 润滑条 件下的表面形貌峰值的增加幅度小于水润滑条件下的 峰值 的增加 幅度 。这表 明 ，随着载荷 的增 大 ，2种润 滑条件下 的划痕表面质量 均下降。当载荷为 3 0 m N 时，水润滑条件下的磨痕表面相对于过氧化氢介质润 滑条件下的划痕表面粗糙 ；当载荷为7 O和 9 0 m N时 ， 水润滑条件下的划痕表面有犁沟出现 ，而在过氧化氢 介质润滑下 的划痕 表面则比较粗糙 。 极弱的酸性，削弱了硅片表面的氧化作用，且加剧了 化学腐蚀磨损。随着载荷的增大 ，对摩偶件压人单品 硅片 的深度增加 。由于表 面深度越深 ，那 里的分子键 能受化学 作 用 的弱 化 影 响 越小 。 当载荷 达 到 7 0 m N 后 ，摩擦界 面的机械能量产生足够 的热 而促进化学作 用加强 ，在 过 氧化 氢 的作用 下 ，硅表 面层 的腐蚀 加 _ 宝 &冀 | 象 衙 形M 面m 表 痕 划 的 m 下 弓 ； 荷 裁 同 不 肫 雕螂 单 & 条 。- 苎 图T w 1 8 副 ，从而使得 表 面粗糙 。而 在水 润 滑条 件下 ， 由 于其化学作用相对较弱 ，其产生 的摩擦热少 ，又 由于 水的冷却作用，因此其热量无法满足发生摩擦化学反 应所需 的能量 。因此 ，在水润滑 的条件下难 以发生摩 擦 化学 反应 。在水润滑条件下 ，机械作用 占主导地位 第 3 9卷 而将表面层 的材料去除 ，因而其表面质量较差 ，同时 带来表面形貌的峰值增加幅度相对于过氧化氢润滑条 件下 的峰值增加 幅度更 大。当载荷较 大时 ，则可能在 表面划 出“ 犁沟” 。 ( c 1 7 0mN ( d) 9 0mN 图2 在 H 0 ： 润滑条件下单晶硅片在不同载荷下的划痕表面形貌 ( = 8 0 0 ra m s ) F i g 2 Th e WO rn s u F a e e mo r p h o l o g i e s o f s i n g l e c r y s t a l l i n e s i l i c o n wa f e r a t d i ffe r e n t l o a d s u n d e r H， 0， l u b r i c a t i o n ( =8 0 0mm s ) 2 1 2 不 同抛光速度下单 晶硅 片的表 面形貌 图 3 示出了不同抛光速度下单晶硅片的表面形 貌。抛光实验是在保持施加载荷 为 7 0 m N，在滑动 速 度分别为 5 3 3 、6 6 6 、9 3 3和 l O 6 6 m m s 及水润 滑 和过氧化氢介质润滑条件下进行 的。可 以看 出：随着 滑动速度 的增加 ，表面形貌峰值增加 ，但在过 氧化氢 润滑 条件下 的形貌 峰值 的增加 幅度较小 ；当滑动速度 为5 3 3 m n r m i n时，水润滑条件下的表面较过氧化氢 介质润滑条件下的表面粗糙，但表面形貌的峰值较 小，而当滑动速度为 8 m m m i n时，过氧化氢润滑条 件下的划痕表面形貌峰值 已经小于水润滑条件下的划 痕表 面 形 貌 的 峰 值 ； 当 滑 动 速 度 继 续 增 加 达 到 9 3 3 m m s 后 ，2种 润滑 条 件下 的划 痕 表面 形貌 均更 趋于光滑 。 在实验过程 中，随着滑动速度 的增大 ，对摩偶件 S i N 。 小球 的动能增加 ，与单 晶硅 片的表 面分子 原子 接触的频率也相应增加，机械去除作用的强度和频次 均 明显增加 。而在这种情况下 ，滑动速度 的增 大意 味 着单 晶硅 片的表 面层发生化学反应 的时间将 缩短 ，有 效 的化学反 应将减 弱 ，化学反应产生 的化学 反应层的 厚度将会更 薄。 化学机械抛光过程中的化学作用主要是指抛光液 中的化学成分与抛光材料的表面分子或原子发生化学 反应，使得表层的材料在机械作用下从基材上脱落而 实现表面抛光的效果。K a u f m a n等认为抛光界面上的 化学反应使得材料 的表面上 生成 了一层 氧化 层薄 膜 ， 而机械 的 材 料 去 除 作 用 则 是 以去 除这 层 氧 化 层 为 主 。L i u等 研究 了铜 化学 机械抛 中的化 学作 用 ， 认 为化学 作用 主要是 氧化剂 以及抛 光液中的其他成分 添加剂 与铜表 面反应 生成改 性层。而且 ，抛光过程 中 的摩擦 热将有 助于化学作用的加强 。 2 0 1 4年第4期 陈晓春等： 化学机械抛光的表面损伤研究 水润滑 羁3 在水润滑和 H O ： 润滑条件下单晶硅片在不同滑动速度下的磨痕表面形貌( P= 7 0 m N ) F i g 3 Th e wo r n s u r l _a ：e mo r ph o l o g i e s o f s i n g l e c r y s t a l l i n e s i l i c o n wa f e r a t di f f e r a n d H2 O2 l u b r i c a l i o n ( b )( P：7 0 mN) l 9 润滑 与密封 在过氧化氢介质润滑条件下，氧化剂过氧化氢与 硅片表 面最外层的分子发生氧化反应 。在滑动速度较 小时，化学反应的时间相对于高速滑动时更长，摩擦 界面的摩擦化学反应更充分，表面受化学作用的腐蚀 程度 更重 ，从 而划痕表面 的形貌更粗糙 。但也正 因为 滑动速度较低 ，对摩偶件 的接触频次较低 ，表面材料 的去除次数少，因而表面形貌的峰值小。随着滑动速 度增 加 ，材料去除更多 ，表面形貌峰值增大 ；而化学 作用相对减弱，因而表面更光滑。在水润滑条件下， 同样 由于其化学 作用相对 较弱 ，其 产生 的摩擦 热少 又由于水的冷却作用 ，因此摩擦化学反应的作用很 弱。在水润滑条件下，机械作用占主导地位而将表面 层的材料去除。当滑动速度较小 时 ，摩擦化学 反应几 乎不发生，机械作用下的材料去除使得其表面质量相 对较 差 ，表面粗糙 而且表面形貌也因为滑动速 度小所 带来的材料去除的频次少而峰值较小。但是，随着速 度的增加，在增加的摩擦热的促进下，表面层的硅分 子 原子与水发生化学反应生成 S i O ， 氧化膜，同时更 第 3 9卷 进一步在 s i ， N 小球的参与下生成剪切强度更低的 s i ( O H) 化学反应润滑膜 ，因而其划痕表面较光滑。 当滑动速度增大时，材料去除的频次增加，因而表面 形貌的峰值增加。但是 ，在 2种润滑条件下滑动速度 过大时均使得摩擦界面的化学反应时间更短，从而更 难产生化学反应膜层，这就会使得对摩偶件与硅片基 体表面直接对摩。由于基体材料 硬度较大 ，直接对摩 情况下表面材料较难去除。可以看出 ，滑动速度过大 将 会削弱机械作用与化学反应的交互作用 。同时 ，滑 动速度过大时，机械作用过大，将使对摩区域的温度 过高，这就会使硅片表面的腐蚀相对更严重，机械损 伤发生的概率大大增大，从而导致表面质量下降。 2 2 亚表层分析 2 2 1 水润滑条件 下的亚表 层分析 图 4所示 为水润 滑条件下，划痕 滑动速 度 为 8 0 0 m m s ，载荷分别为 3 O、5 O 、7 0和 9 0 m N时单 晶 硅片的划痕表面层及亚表层状态 T E M 图像 。 ( c ) 7 0mN ( d ) 9 0mN 图4 水润滑条件下单晶硅片的划痕表面层及亚表层状态 T E M图像( = 8 0 0 r a m s ) F i g 4 TEM ph o t o g r a p h i e s o f wo r n s u r f a c e a n d s u b s u rf a c e o f s i n g l e c r y s t a l l i ne s i l i c o n wa f e r u n d e r wa t e r l u b r i c a 陈晓春等 ：单晶硅片化学机械抛光的表面损伤研究 2 1 从图 中可 以看到 ，随着载荷 的增加 ，亚表层受机 械力的作用影响明显 ，晶体缺陷区域扩大。表面层的 晶体结构随着载荷的增加而晶体缺陷趋于严重。在载 荷为 3 0和 5 0 m N时 ，由于没 有足够 的摩擦 热促 进摩 擦化学反应，划痕的材料去除作用主要为机械作用 ， 晶体的表面层及亚表层结构受力的作用而产生晶体缺 陷 ，表现为表面层 的位错 、层错 、空穴等 晶格 畸变以 及亚表层的非 晶变化 、相 变 。而 当载荷 增加 至 7 0和 9 0 m N时 ，力对 晶体 的作 用进一步 加强 ，同时摩擦化 学反应亦促进划痕表 面的材料去 除 ，化学机 械协同作 用加强 ，表面 的非 晶层厚度增大并伴 随着亚表 层的晶 体缺陷 区域深度加深 。 可 以认为在化学机械抛 光过程 中 ，载荷 是单晶硅 片表面材料去除的一个重要因素。但当载荷达到一定 值后，载荷的增加并不能显著增加材料去除率。最终 化学作用 的能力加 强 ，材料 的去 除机制 发生 了变化 ， 载荷不再是决定材料去除 的主要 的直接 因素。 迄今为止 的化 学机 械抛 光 理论 和实 践 研 究均 表 明，从机械作用的机制出发提高化学机械抛光工艺过 程中的机械能可以显著改变材料的去除率。x u等 的研究发现 ，当抛光压力 由 2 5 k P a 提 高至 1 2 5 k P a时 材料去除率提高 了 3 5 倍 。然 而 ，透射 电镜 的显 微分 析发现 ：当抛光压力大于 2 5 k P a 时抛光晶片的亚表面 有非 晶损伤产生 。而压力 的进一步增大 ，也会导致晶 格位错等 晶体缺陷 。然而 ，本文作者 的研究发现在高 速抛光时抛光硅 片的亚表面 同样有非 晶损伤产生 ，而 且随着抛光速度的提高非晶层的厚度也在增加。可以 看出，尽管提高机械能可以提高抛光的材料去除率， 但 同时却造成 了抛光硅片 的表 面和亚表面 的不 同程度 损伤 。 2 2 2 过 氧化氢介质润滑条件下的亚表层分析 图 5所示为过氧化氢介质润滑条件下 ，划痕滑动 速度为 8 0 0 m m s ，载荷分别 为 3 0 、5 0 、7 0和 9 0 m N 时单晶硅片的磨痕亚表层状态T E M图像。 鞫5 过氧化氢介质润滑条件下单晶硅片的磨痕亚表层状态 T E N图像( t 一 8 0 0 m m s ) 从图中 可以看到 ，过氧化氢的强氧化化学作用在 划痕实验过程 中的作用明 显，划痕表面的非晶层厚度 润滑与密封 第 3 9卷 相对 于在水润 滑条件下 的非 晶层厚度增大 。在小载荷 的情况下，表现出表面层受化学反应的影响区域较 大，晶体缺陷层的厚度大且缺陷分布杂乱。同时也因 为化学反应层的化学键合能强度相对于基体材料更小 而使得亚表层受力的作用影响也较明显。载荷增加至 7 0 m N时 ，表面的 晶体缺陷层厚度趋 于稳定且 亚表层 质量达到最优 。当载荷继续增 大至 9 0 m N时亚表层 的 缺陷状况又趋于严重，机械作用对亚表层的影响增 大。在实验中发现的晶体的缺陷主要表现为位错 、层 错 、空穴 、相 变和非 晶等 。 上述研究表明：当抛光液中的磨粒具有足够的机 械能时 ，表面原子将 被去除 ，材料将被去 除。由于机 械作用和化学作用的相互制约，抛光压力的增加和抛 光速度的提高并不能一直提高材料的去除率。化学作 用参数成为提高抛光材料去除率的另一选择。当抛光 压力和抛光速度达到某种平 衡时 ，化学机 械抛光 工艺 可实现高的材料去除率并且可以获得无损伤的高质量 抛光表面 。 周海兰等 的研究表明，在水润滑条件下 ，单 晶硅的磨损率最小，仅为 1 0 Ix m s ，在载荷为7 0 m N， 滑动 速 度 为 8 m m s时，单 次 磨 痕 的深 度 仅 为 0 0 7 n r n o这可以说 明，在实验条件下 的单晶硅片表 面材料的去除为单分子层 原子层去除，即为微纳化 学机械抛光。研究表明，机械能与化学能的相互作用 在微纳材料去除 中起决定性 的作用 ，微纳条件下的材 料去除机制与宏观的材料去除机制显著不同。 上述研究表明：在实验条件下，过氧化氢是一种 最有潜在发展价值的材料去除润滑介质；当抛光的线 速度为 8 0 0 m m s 、载荷为 7 0 m N时，单晶硅材料去 除过程 中的化学能和机械能 的协 同作用效果最大 ，材 料 的去除率高且获得 的综合表面质量最优 。 3结论 ( 1 )在化学机械抛光过程 中，在一定 的工况参数 条件下使得机械作用和化学作用匹配时，可以获得最 好的抛光表面质量亦即最小的表层及亚表层损伤。 ( 2 )过氧化氢溶液可 以用作为一种优 良性能 的材 料去除工艺的润滑介质。通过化学机械抛光工艺中的 化学能和机械能的耦合作用，控制适度的化学作用， 可以实现高的材料去除率和无表面层及亚表层损伤的 高质量 的抛光表 面。 ( 3 )机械作用对化学作用具有促进作用。研究表 明 ，调整抛光压力 和速度等可 以控制摩擦化学反应 中 的热 ，从而进一步实现机械作用对摩擦扩散化学的控 制 。研究化学机械抛光过程 中机械作用 和化学作用之 间的相互关系 ，通过调整机械参数 来控制和调节化学 作用，调控单晶硅片的超精密抛光中化学物质的使用 从而降低化学物质的使用量 ，减少其对环境的污染， 达到绿色抛光的 目的 。 ( 4 )对单 晶硅化学机械抛光后 的表面损伤进行 了 研究 ，探索了新的损伤分析方法和途径 ，对于指导微 电机装置、光学玻璃和计算机硬盘等精密部件 的无 损、高效、绿色加工也具有一定的借鉴作用。 参考文献 1 F e n g X D， S a y l e D C ， Wa n g Z L ， e t a 1 C o n v e r t i n g c e r i a p o l y h e d r a l n a n o p a r t i c l e s i n t o s i n g l e c r y s t a l n a n o s p h e r e s J S c i e n c e ， 2 0 0 6 ， 3 1 2( 5 7 7 9) ： 1 5 0 41 5 0 8 2 Z a n t y e P B， K u m a r A， S i k d e r A K C h e m i c a l m e c h a n i c a l p l a n a r i z a t i o n f o r m i c r o e l e c t r o n i c s a p p l i c a t i o n s J M a t e ri a l s S c i e nc e En g i n e e ring R： Re p o rts ，2 0 0 4， 4 5： 8 92 2 0 3 P a r k B ， J e o n g S ，L e e H， e t a 1 E x p e ri m e n t a l i n v e s t i g a t i o n o f ma t e ria l r e mo v a l c h a r a c t e ris t i c s i n s i l i c o n c h e mi c a l me c h a n i c a l p o l i s h i n g J J a p a n e s e J o u rna l o f A p p l i e d P h y s i c s ， 2 0 0 9 ， 4 8 ( 1 1 ) ：I 1 6 5 0 5 11 1 6 5 0 5 9 4 B i s w a s R， H a n Y Y ， K a r r a P ， e t a1 D i ff u s i o n l i m i t e d a g g l o m e r a t i o n a n d d e f e c t g e n e r a t i o n d u rin g c he mi c a l me c h a n i c a l p l a n a r i z a t i o n J J o u r n a l o f t h e E l e c t r o c h e m i c a l S o c i e t y ， 2 0 0 8 ， 1 5 5 ( 8 ) ： D 5 3 4一D 5 3 7 5 B a l l R C ， We i t z D A， Wi t t e n T A， e t a 1 U n i v e r s a l k i n e t i c s i n r e a c t i o n l i m i t e d a g g r e g a t i o n J P h y s i c a l R e v i e w Let t e rs， 1 9 8 7， 5 8 ( 3) ： 2 7 42 7 7 6 C h a n d r a A，K a r r a P ，B a s t a w r o s A F ，e t a 1 P r e d i c t i o n o f s c r a t c h g e n e r a t i o n i n c h e m i c M m e c h a n i c a l p l a n a r i z a t i o n J C i r p A n n a l s Ma n u f a c t u ri n g T e c h n o l o g y，2 0 0 8， 5 7( 1 )： 5 5 9 5 6 2 7 S a k a N， E u s n e r T ， C h u n J H N a n o s c a l e s c r a t c h i n g i n c h e m i c a l - m e c h a n i c a l p o l i s h i n g J C i r p A n n a l s M a n u f a c t u ri n g T e c h n o l o gy ， 2 0 0 8， 5 7( 1 ) ： 3 4 13 4 4 8 K a n g R K， Wa n g K ， Wa n g J ， e t a1 R e m o v a l o f s c r a t c h o n t h e s ur f a c e o f Mg O s i n g l e c r y s t a l s u b s t r a t e i n c h e mi c a l me