Влияние скорости скольжения на трибохимический износ оксид-свободного кремния

Аннотация

Понимание того, как скорость скольжения управляет трибохимическим износом оксид-свободного однонаправленного кремния, необходимо для оптимизации ультраточной финишной обработки поверхностей. Мы сообщаем о зависимости наноизноса свежего травленного кремния против микросфер SiO₂ в влажном воздухе (60% RH) и деионизированной воде от скорости. Когда контактное давление недостаточно для запуска текучести кремния, наличие молекул воды способствует трибохимической реакции, которая прогрессивно уменьшает объем износа логарифмически с увеличением скорости, в конечном счете выходя на плато. Передаточная электронная микроскопия и рамановская спектроскопия показывают, что динамическое разрыв и реформация межфазных связей Si_подложка–O–Si_кончика лежат в основе этого поведения.

Введение

Материальный износ может быть механическим — разрушением, пластической деформацией или вязким течением — или трибохимическим, вызванным напряжением-помогаемым разрывом связей и иногда химической коррозией. Однонаправленный кремний является краеугольным камнем полупроводникового производства, а химико-механическое полирование (ХМП) остается самым эффективным методом достижения атомарно гладких подложек. В ХМП удаление материала до текучести кремния преимущественно трибохимическое.

Поскольку ХМП включает сложную смесь полировального диска, шлама, нагрузки и скорости, многие исследования упрощают систему, изучая кремний против единичной микросферы SiO₂. Ранние работы выявили трибохимический путь, при котором межфазные мостики связи передают механическую энергию в кремниевую подложку, способствуя удалению атомов. Однако эти исследования в основном использовали кремний со слоем родного оксида, что заметно изменяет поведение износа. Мало исследований касалось действительно оксид-свободного кремния, состояния, актуального для ХМП после удаления оксида.

Наша цель — прояснить, как скорость скольжения влияет на трибохимический износ оксид-свободного кремния в влажном воздухе и деионизированной воде, предоставляя знания, которые могут повысить эффективность ХМП.

Методы

Мы использовали p-типные пластины Si(100), удаляя родной оксид 40% HF в течение 2–3 мин с последующей ультразвуковой очисткой в метаноле, этаноле и деионизированной воде. Полученная поверхность, терминированная Si–H, имела шероховатость RMS 0.12 ± 0.02 нм на участке 500 × 500 нм и статический контактный угол с водой 82 ± 2°, указывающий на умеренную гидрофобность.

С помощью АСМ (SPI3800N, Seiko) мы скользили микросферой SiO₂ радиусом 1.25 мкм, установленной на консоли (k = 10.5–13.8 Н/м), по поверхности кремния при комнатной температуре, нагрузке 2 мкН, амплитуде царапины 200 нм и 100 циклах на тест. Скорости скольжения варьировались от 0.08 до 50 мкм/с при 60% RH или в деионизированной воде.

После тестов следы износа изображали острым кончиком Si₃N₄ (R ≈ 10 нм) в вакууме (<10⁻³ торр). Поперечные TEM (Tecnai G2, FEI) и рамановские (RM2000, Renishaw) анализы количественно оценивали подповерхностные повреждения и химические изменения соответственно.

Результаты и обсуждение

Зависимость наноизноса от скорости скольжения в водных средах

АСМ-изображения (рис. 1a,b) показывают явное удаление материала после 100 циклов как в влажном воздухе, так и в деионизированной воде. Объем износа уменьшался логарифмически со скоростью и выходил на плато ~2 × 10⁴ нм³ в воздухе и ~5 × 10⁴ нм³ в воде при скоростях выше ~8 мкм/с.

В воздухе Si-поверхность, терминированная Si–H, может адсорбировать молекулы воды, способствуя формированию межфазных связей Si_подложка–O–Si_кончика, которые обеспечивают трибохимическое удаление. В деионизированной воде более высокая концентрация воды снижает энергетический барьер гидролиза, образуя больше групп Si–OH и, следовательно, большие объемы износа.

Зависимость наноизноса от скорости скольжения в сухом воздухе

При той же нагрузке 2 мкН контактное давление (~1 ГПа) далеко ниже напряжения текучести кремния (7 ГПа). Вместо удаления материала формировались холмики (рис. 2a), возникающие из-за напряженного аморфизирования. Объем холмиков уменьшался со скоростью, указывая на неполное кристаллическое-аморфное превращение при высоких скоростях. Это поведение отличается от трибохимического износа, наблюдаемого в влажном воздухе и воде, где доминирует удаление.

TEM-наблюдение следов износа

Высокоразрешающий TEM следов износа при 0.08 мкм/с и 50 мкм/с (рис. 3) раскрыл хорошоупорядоченные кристаллические решетки кремния под изношенной поверхностью, без аморфизации или дислокаций. Глубины следов составляли ~11 нм и ~2.3 нм соответственно, что подтверждает трибохимический механизм, где связи Si_подложка–O–Si_кончика медиают удаление атомов.

Рамановский анализ дегидратации и гидролиза

Рамановские спектры (рис. 5) изношного мусора показывают выраженные пики O–Si–O и Si–OH по сравнению с исходной поверхностью, указывая на то, что реакции дегидратации и гидролиза способствуют трибохимическому износу. Относительные интенсивности этих связей увеличивались с износом, подтверждая их роль в формировании и разрыве связей при скольжении.

Механизм трибохимического износа, зависящего от скорости скольжения

Мы предлагаем, что межфазные мостики Si_подложка–O–Si_кончика формируются под механическим напряжением и при наличии воды. При низких скоростях достаточное контактное время позволяет реформации мостиков через дегидратацию, укрепляя связь и обеспечивая удаление материала. По мере увеличения скорости уменьшенное контактное время ограничивает реформацию мостиков, ослабляя трибохимическую реакцию. При скоростях выше ~8 мкм/с динамическое равновесие между разрывом и реформацией дает постоянный объем износа.

Заключение

Мы продемонстрировали, что трибохимический износ оксид-свободного кремния против микросфер SiO₂ уменьшается логарифмически со скоростью скольжения и стабилизируется как в влажном воздухе, так и в деионизированной воде. TEM подтверждает сохранность подповерхностного слоя, а рамановская спектроскопия показывает одновременную дегидратацию и гидролиз. Наблюдаемое поведение можно смоделировать кинетикой формирования и разрыва межфазных связей Si_подложка–O–Si_кончика. Эти знания углубляют фундаментальное понимание ХМП кремния и предполагают, что контроль гидролиза (например, через pH шлама) может оптимизировать эффективность полирования.

Аббревиатуры

АСМ

Атомно-силовая микроскопия

ХМП

Химико-механическое полирование

ДИ вода

Деионизированная вода

RMS

Среднеквадратичное (Root-mean-square)

TEM

Передаточная электронная микроскопия

ToF-SIMS

Времени-полета вторионная масс-спектрометрия