无化学添加剂的单晶硅晶片的无损抛光

半导体行业需要具有超成品表面和无损伤地下的硅晶片。因此，了解单晶硅在表面处理过程中的变形机制一直是研究重点。分子动力学分析表明，在两体接触滑动过程中发生了无晶形层的形成，但在三体抛光中可以避免。同时，实验研究表明，硅的相变是复杂的，并且与许多因素，如应力状态的静力和偏差特性以及表面过程中的加载/卸载速率有关。

我们探讨了无化学添加剂无损伤抛光的可能性并确定了机理。利用高分辨率电子显微镜和接触力学，该研究得出结论，无化学物质的无损伤抛光过程是可行的。所有形式的损伤，如非晶态硅、位错和平面位移，都可以通过避免在抛光过程中硅的b锡相的启动来消除。当使用50nm磨料时，确保达到无损伤抛光的标称准备量为20kPa。

通过对纳米/微压痕和抓痕的广泛研究，人们已经了解到，磨料颗粒对硅施加的力的大小对地下表面的微观结构变化至关重要。较小的力会引起非晶形相变和一些堆积断层，但较大的力会进一步引入位错、R8/BC8相和开裂。理论上已经发现，在磨料加载过程中，硅的b-tin相在的微观结构形成中起着关键作用。在两体接触情况中，即当磨料在与硅晶片的相互作用中没有旋转运动时，如果磨料载荷引起的应力可以小于b锡形成的阈值，则磨料颗粒离开后不会发生硅的地下损伤。在三体接触的情况下，即当磨料具有旋转和平移运动时，材料去除的粘附模式将留下一个完美的硅下表面。这些理论研究表明，如果我们可以在抛光过程中控制磨料和硅之间的相互作用应力，以确保b-锡相没有被启动，那么如果不使用CMP过程中的化学物质，无损伤抛光是可能的。

这封信通过实验探讨了不使用任何化学物质的单晶硅无损伤抛光的可能性。实验在商用（100）硅晶片上进行，使用罗技PM5自动片圈精密捕获/抛光机。磨料为氧化铝，平均粒径分别为15lm、300nm和50nm。表1总结了所使用的抛光条件。当磨料尺寸较大时，当抛光浆中磨料的重量百分比相同时，抛光单位面积内的磨料的平均数量较少。因此，当使用较大的磨料进行抛光时，磨料硅的相互作用力较大，反之亦然。

实验在商用（100）硅晶片上进行，使用自动片圈精密捕获/抛光机。磨料为氧化铝，平均粒径分别为15lm、300nm和50nm。表1总结了所使用的抛光条件。当磨料尺寸较大时，当抛光浆中磨料的重量百分比相同时，抛光单位面积内的磨料的平均数量较少。因此，当使用较大的磨料进行抛光时，磨料硅的相互作用力较大，反之亦然。

​表一 抛光条件总结

我们使用高分辨率透射电子显微镜，研究了抛光后样品地下的微观结构。所有的透射电子显微镜研究都是在横截面视图样品上进行的。<110>横截面透射电镜样品采用三脚架改进技术制备。在样品制备过程中，温度保持在100℃以下，以避免任何结构的改变。此外，使用改进的通用摩擦计，在20kPa压力和1mm/s滑动速度下对50nm磨料进行不同抛光时间后，测量了磨料与硅之间的摩擦系数。

图1显示了磨料尺寸对抛光后硅地下微观结构变化的影响。很明显，非晶态转化的深度随着磨料尺寸的增加而增加，即随着单个磨料上的力的大小的增大而增大。

图1 在标称压力37kPa下，使用(a) 15 μm、(b)300nm和(c)50nm磨料进行抛光硅的横截面HRTEM图像

这与理论预测是一致的。此外，在使用15μm和300nm磨料抛光后，也可以观察到其他类型的应力致对硅晶体的损伤。

当负载减少时，界面上方的结构变得完全无定形。如图1c所示，用50nm磨料抛光产生光滑、均匀的非晶层。这得出结论，与大磨料抛光不同，纳米磨料抛光不会产生R8/BC8相和脱位，这证实了单个磨料上的力的减小幅度降低了地下损伤的程度。

当磨料-硅相互作用力的大小减小时，通过使用50nm磨料降低标称磨压力到25kPa，如图2a，非晶层几乎消失，只有少数孤立的非晶袋。通过进一步降低压力到20kPa，我们实现了不需要任何化学添加剂所需要的无损伤抛光，如图2b。

图2 由于不同压力而引起的横截面HRTEM图像：(a) 25 kPa和(b)20kPa。

上述无损伤抛光的机理可以用硅中应力相关的相变活动来解释。如果磨硅接触区附近的八面体剪切应力摇杆在4.6GPa以上，但相应的流体静力应力保持在8GPa以下，则在不形成硅b-tin相的情况下进行材料去除。因此，当磨料滑动时，硅基底将完全恢复到原来的晶体结构，没有任何残留损伤。为了验证这一点，让我们将抛光过程中的磨晶硅相互作用看作是带摩擦的接触滑动。根据接触力学，临界条件（摇杆>4.6GPa，流纹<8GPa）发生的位置取决于磨料与表面之间的摩擦系数μ。当μ接近0.5左右时，磨硅接触区附近达到临界应力条件。图3显示了我们在抛光过程中测量的摩擦系数(磨料尺寸50nm，抛光压力20kPa)，这确实表明μ在临界值附近，验证了上述材料去除机制发生在机械无损伤抛光过程中，得到了图2b的结果。

图3 50nm磨料颗粒下磨料与硅的摩擦系数

在这种关键的磨光条件下单个磨料的加载/接触条件，将有助于设计使用不同磨料尺寸和抛光压力的无损抛光。

综上所述，本文探讨了采用无化学添加剂的机械工艺对单晶硅进行无损伤抛光的可能性和机理。我们得出的结论是，根据磨料尺寸和所施加的公称压力，文中指出的所有类型的损伤都可以通过避免b-tin的启动来消除。
 

　　审核编辑人：鄢梦凡