本文選題：磨粒結(jié)構(gòu)　切入點(diǎn)：水環(huán)境　出處：《西南交通大學(xué)》2017年碩士論文

【摘要】：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(huì)在硅基表面上產(chǎn)生位錯(cuò)、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,然而已有報(bào)道主要集中在不同載荷、速度和環(huán)境氣氛對(duì)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(duì)單晶硅表面微觀去除的影響研究。有鑒于此,本文重點(diǎn)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(cè)磨損區(qū)域形貌,并借助能量彌散X射線(EDX)和拉曼光譜對(duì)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(diǎn)如下:(1)對(duì)比研究了無孔和微孔二氧化硅小球?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?dú)w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(duì)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(duì)單晶硅摩擦化學(xué)磨損的影響機(jī)制單晶硅表面氧化層對(duì)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(huì)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(duì)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(shì)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微。(3)初步揭示了小球結(jié)構(gòu)對(duì)單晶硅摩擦化學(xué)反應(yīng)的影響機(jī)制氮?dú)猸h(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?dú)w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(duì)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(huì)直接影響接觸狀態(tài)和接觸界面的水分子數(shù)量,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(chǔ)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(shí)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學(xué)磨損與接觸狀態(tài)、環(huán)境水分以及基體表面的氧化層均有密切關(guān)系,而二氧化硅小球微觀結(jié)構(gòu)的存在會(huì)增加滑動(dòng)界面的接觸面積和水分子數(shù)量,從而促進(jìn)單晶硅表面的摩擦化學(xué)磨損。另外,單晶硅表面的氧化層也會(huì)影響摩擦化學(xué)反應(yīng),在大氣環(huán)境中其主要起到促進(jìn)作用,而在純水環(huán)境中則會(huì)起到抑制作用。本文的研究結(jié)果為單晶硅CMP工藝的優(yōu)化提供了實(shí)驗(yàn)和理論支持,同時(shí)也豐富了微納摩擦學(xué)的基礎(chǔ)理論。
[Abstract]:In this paper , the effects of porous and microporous silica spheres on the surface of monocrystalline silicon have been studied . ( 3 ) The effect of small ball structure on single crystal silicon tribochemical reaction is revealed , which indicates that the surface damage of single crystal silicon is mainly attributed to the frictional chemical wear under the participation of water molecules .

【學(xué)位授予單位】：西南交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TN304

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本文編號(hào)：1722796