半導(dǎo)體行業(yè)需要具有超成品表面和無損傷地下的硅晶片。因此，了解單晶硅在表面處理過程中的變形機制一直是研究重點。分子動力學(xué)分析表明，在兩體接觸滑動過程中發(fā)生了無晶形層的形成，但在三體拋光中可以避免。同時，實驗研究表明，硅的相變是復(fù)雜的，并且與許多因素，如應(yīng)力狀態(tài)的靜力和偏差特性以及表面過程中的加載/卸載速率有關(guān)。

我們探討了無化學(xué)添加劑無損傷拋光的可能性并確定了機理。利用高分辨率電子顯微鏡和接觸力學(xué)，該研究得出結(jié)論，無化學(xué)物質(zhì)的無損傷拋光過程是可行的。所有形式的損傷，如非晶態(tài)硅、位錯和平面位移，都可以通過避免在拋光過程中硅的b錫相的啟動來消除。當(dāng)使用50nm磨料時，確保達到無損傷拋光的標(biāo)稱準(zhǔn)備量為20kPa。

通過對納米/微壓痕和抓痕的廣泛研究，人們已經(jīng)了解到，磨料顆粒對硅施加的力的大小對地下表面的微觀結(jié)構(gòu)變化至關(guān)重要。較小的力會引起非晶形相變和一些堆積斷層，但較大的力會進一步引入位錯、R8/BC8相和開裂。理論上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在磨料加載過程中，硅的b-tin相在的微觀結(jié)構(gòu)形成中起著關(guān)鍵作用。在兩體接觸情況中，即當(dāng)磨料在與硅晶片的相互作用中沒有旋轉(zhuǎn)運動時，如果磨料載荷引起的應(yīng)力可以小于b錫形成的閾值，則磨料顆粒離開后不會發(fā)生硅的地下?lián)p傷。在三體接觸的情況下，即當(dāng)磨料具有旋轉(zhuǎn)和平移運動時，材料去除的粘附模式將留下一個完美的硅下表面。這些理論研究表明，如果我們可以在拋光過程中控制磨料和硅之間的相互作用應(yīng)力，以確保b-錫相沒有被啟動，那么如果不使用CMP過程中的化學(xué)物質(zhì)，無損傷拋光是可能的。

這封信通過實驗探討了不使用任何化學(xué)物質(zhì)的單晶硅無損傷拋光的可能性。實驗在商用（100）硅晶片上進行，使用羅技PM5自動片圈精密捕獲/拋光機。磨料為氧化鋁，平均粒徑分別為15lm、300nm和50nm。表1總結(jié)了所使用的拋光條件。當(dāng)磨料尺寸較大時，當(dāng)拋光漿中磨料的重量百分比相同時，拋光單位面積內(nèi)的磨料的平均數(shù)量較少。因此，當(dāng)使用較大的磨料進行拋光時，磨料硅的相互作用力較大，反之亦然。

實驗在商用（100）硅晶片上進行，使用自動片圈精密捕獲/拋光機。磨料為氧化鋁，平均粒徑分別為15lm、300nm和50nm。表1總結(jié)了所使用的拋光條件。當(dāng)磨料尺寸較大時，當(dāng)拋光漿中磨料的重量百分比相同時，拋光單位面積內(nèi)的磨料的平均數(shù)量較少。因此，當(dāng)使用較大的磨料進行拋光時，磨料硅的相互作用力較大，反之亦然。

?表一 拋光條件總結(jié)

我們使用高分辨率透射電子顯微鏡，研究了拋光后樣品地下的微觀結(jié)構(gòu)。所有的透射電子顯微鏡研究都是在橫截面視圖樣品上進行的。<110>橫截面透射電鏡樣品采用三腳架改進技術(shù)制備。在樣品制備過程中，溫度保持在100℃以下，以避免任何結(jié)構(gòu)的改變。此外，使用改進的通用摩擦計，在20kPa壓力和1mm/s滑動速度下對50nm磨料進行不同拋光時間后，測量了磨料與硅之間的摩擦系數(shù)。

圖1顯示了磨料尺寸對拋光后硅地下微觀結(jié)構(gòu)變化的影響。很明顯，非晶態(tài)轉(zhuǎn)化的深度隨著磨料尺寸的增加而增加，即隨著單個磨料上的力的大小的增大而增大。

圖1 在標(biāo)稱壓力37kPa下，使用(a) 15 μm、(b)300nm和(c)50nm磨料進行拋光硅的橫截面HRTEM圖像

這與理論預(yù)測是一致的。此外，在使用15μm和300nm磨料拋光后，也可以觀察到其他類型的應(yīng)力致對硅晶體的損傷。

當(dāng)負載減少時，界面上方的結(jié)構(gòu)變得完全無定形。如圖1c所示，用50nm磨料拋光產(chǎn)生光滑、均勻的非晶層。這得出結(jié)論，與大磨料拋光不同，納米磨料拋光不會產(chǎn)生R8/BC8相和脫位，這證實了單個磨料上的力的減小幅度降低了地下?lián)p傷的程度。

當(dāng)磨料-硅相互作用力的大小減小時，通過使用50nm磨料降低標(biāo)稱磨壓力到25kPa，如圖2a，非晶層幾乎消失，只有少數(shù)孤立的非晶袋。通過進一步降低壓力到20kPa，我們實現(xiàn)了不需要任何化學(xué)添加劑所需要的無損傷拋光，如圖2b。

圖2 由于不同壓力而引起的橫截面HRTEM圖像：(a) 25 kPa和(b)20kPa。

上述無損傷拋光的機理可以用硅中應(yīng)力相關(guān)的相變活動來解釋。如果磨硅接觸區(qū)附近的八面體剪切應(yīng)力搖桿在4.6GPa以上，但相應(yīng)的流體靜力應(yīng)力保持在8GPa以下，則在不形成硅b-tin相的情況下進行材料去除。因此，當(dāng)磨料滑動時，硅基底將完全恢復(fù)到原來的晶體結(jié)構(gòu)，沒有任何殘留損傷。為了驗證這一點，讓我們將拋光過程中的磨晶硅相互作用看作是帶摩擦的接觸滑動。根據(jù)接觸力學(xué)，臨界條件（搖桿>4.6GPa，流紋<8GPa）發(fā)生的位置取決于磨料與表面之間的摩擦系數(shù)μ。當(dāng)μ接近0.5左右時，磨硅接觸區(qū)附近達到臨界應(yīng)力條件。圖3顯示了我們在拋光過程中測量的摩擦系數(shù)(磨料尺寸50nm，拋光壓力20kPa)，這確實表明μ在臨界值附近，驗證了上述材料去除機制發(fā)生在機械無損傷拋光過程中，得到了圖2b的結(jié)果。

圖3 50nm磨料顆粒下磨料與硅的摩擦系數(shù)

在這種關(guān)鍵的磨光條件下單個磨料的加載/接觸條件，將有助于設(shè)計使用不同磨料尺寸和拋光壓力的無損拋光。

綜上所述，本文探討了采用無化學(xué)添加劑的機械工藝對單晶硅進行無損傷拋光的可能性和機理。我們得出的結(jié)論是，根據(jù)磨料尺寸和所施加的公稱壓力，文中指出的所有類型的損傷都可以通過避免b-tin的啟動來消除。
?

　　審核編輯人：鄢夢凡