溫度對單晶硅水下微觀磨損的影響.pdf

1、單晶硅因其優(yōu)異的物理和化學(xué)特性被廣泛用作微納米器件的結(jié)構(gòu)功能材料，而在其化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)加工以及硅基微納米器件的使用中均存在液下微觀磨損問題。溫度是影響材料微觀磨損（尤其是摩擦化學(xué)磨損）的關(guān)鍵因素，但目前相關(guān)研究仍然欠缺。例如，單晶硅的CMP加工速率和表面質(zhì)量與溫度密切相關(guān)，但對其影響機(jī)理還鮮有研究;另外液體環(huán)境中微納米器件的運行極易受到環(huán)境溫度變化的影響，但對由溫度引起的磨損問題仍未進(jìn)行全面的研究。為了探明環(huán)境溫度對微納米器件在

2、液下磨損失效的影響機(jī)制，以及深入揭示溫度對單晶硅CMP中原子級材料去除的影響機(jī)制，需要開展不同水溫下單晶硅的微觀磨損研究。
　　有鑒于此，本文分別采用多點接觸微納米加工設(shè)備和原子力顯微鏡(AFM)重點研究了液體環(huán)境中溫度對單晶硅微觀磨損的影響規(guī)律。為了揭示液體溫度對單晶硅微觀磨損的影響機(jī)理，利用EDX和AFM對不同溫度水浴后單晶硅的表面性質(zhì)進(jìn)行了表征，并借助拉曼光譜儀(Raman)測試探明了單晶硅磨損后磨屑中Si-H和Si-OH兩

3、種基團(tuán)隨溫度的變化規(guī)律。本論文的主要研究內(nèi)容與創(chuàng)新點如下:
　　(1)揭示了液體溫度對單晶硅微觀磨損的影響規(guī)律
　　硅/二氧化硅水下微米接觸磨損包括機(jī)械磨損和摩擦化學(xué)磨損，其中摩擦化學(xué)磨損為主導(dǎo)。微觀條件下單晶硅水下的磨損體積隨著水溫升高而增加，其中機(jī)械磨損部分變化較小，液體溫升對硅/二氧化硅的摩擦化學(xué)磨損有明顯的促進(jìn)作用。
　　(2)揭示了液體溫度對單晶硅摩擦化學(xué)磨損的影響規(guī)律
　　硅/二氧化硅水下納米接觸磨損

4、由摩擦化學(xué)磨損主導(dǎo)。隨著水溫的升高，原始硅表面經(jīng)歷無明顯損傷到磨損產(chǎn)生的變化過程，且產(chǎn)生磨損后磨損深度和體積隨著溫度升高而逐漸增大。在相同的水溫范圍內(nèi)，疏水硅表面均出現(xiàn)損傷，磨損深度和體積先略微增大，在常溫25℃時達(dá)到最大值，隨后迅速減小。
　　(3)初步闡明了溫度對單晶硅水下微納磨損的影響機(jī)理
　　單晶硅的水下微米接觸磨損的磨損率與水溫滿足阿倫尼烏斯公式，同時拉曼光譜測試結(jié)果顯示磨屑中Si-H和Si-OH兩種基團(tuán)的綜合強(qiáng)度

5、隨著溫度的升高而增強(qiáng)。因此，溫度通過促進(jìn)單晶硅表面的水解反應(yīng)進(jìn)而加劇微米接觸磨損。進(jìn)一步分析表明，不同水溫下單晶硅的摩擦化學(xué)磨損可能與其表面的水接觸角即表面親疏水性密切相關(guān)。水溫升高會增強(qiáng)原始硅表面的疏水性，減小硅/二氧化硅配副間的水膜厚度，從而導(dǎo)致接觸界面間更易形成“Si-O-Si”鍵橋，加劇原始硅表面的微觀磨損。與原始硅不同，水溫升高會降低疏水硅表面的疏水性，增大接觸界面間的水膜厚度，進(jìn)而阻止配副表面間“Si-O-Si”鍵橋的形成，