干摩擦和水潤滑條件下單晶硅的摩擦磨損性能研究

周海蘭 趙永武 陳曉春 王永光

江南大學(xué)，無錫，214122

0 引言

單晶硅是當(dāng)今集成電路制造中的重要材料之一，隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，硅片表面要求具有納米級面型精度和亞納米級表面粗糙度，同時保證表面和亞表面無損傷，但由于單晶硅材料硬而脆，加工中極易產(chǎn)生裂紋和脆斷，這就使得硅片的加工技術(shù)面臨著前所未有的挑戰(zhàn)［1－3］。目前，化學(xué)機械拋光技術(shù)（chemical mechanical polishing，CMP）已普遍地應(yīng)用于硅片的超精密加工中，是制造平整光潔芯片的核心技術(shù)之一［4－6］。

CMP被公認(rèn)為是目前最好的材料全局平坦化方法且已經(jīng)成為一種廣泛應(yīng)用的技術(shù)［7］。CMP工藝的實質(zhì)是機械和化學(xué)之間的相互作用規(guī)律［8－9］。然而，研究 CMP中機械和化學(xué)的耦合作用，進(jìn)而控制化學(xué)作用，一直是科研工作者研究的重要科學(xué)問題：Hickenboth等［10］研究發(fā)現(xiàn)，機械能可以促進(jìn)、控制化學(xué)反應(yīng)；Wang等［11］的CMP研究表明，當(dāng)磨粒具有的機械能大于表面原子具有的去除結(jié)合能時，材料將被去除。以上均表明：可以通過研究CMP中機械作用對化學(xué)反應(yīng)的控制影響規(guī)律，進(jìn)而調(diào)整機械參數(shù)控制CMP中化學(xué)反應(yīng)的作用。但是如何采用試驗手段的方法揭示機械作用對化學(xué)反應(yīng)的控制影響還有待深入和系統(tǒng)的研究。同時，傳統(tǒng)CMP的拋光液中包含了大量的化學(xué)物質(zhì)，如氧化劑、緩蝕劑和螯合劑等，對環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染。隨著人們對環(huán)境保護(hù)和安全健康兩大主題的關(guān)注與日劇增，以綠色拋光液代替?zhèn)鹘y(tǒng)拋光液成為未來研究的熱點［12］。本文在干摩擦和水潤滑條件下，對單晶硅進(jìn)行摩擦磨損試驗，并分析其摩擦磨損機理，以探索采用綠色拋光液——水來研究CMP中機械作用對化學(xué)反應(yīng)的控制影響規(guī)律。

1 試驗

在 UMT－2微摩擦試驗機（center of trobology，USA）上進(jìn)行單晶硅（100）的摩擦磨損試驗。對摩偶件為φ4mm的Si3N4小球，下試樣為單晶硅（100）芯片，每次試樣在安裝固定前都在超聲清洗機中用酒精清洗；采用的對偶方式為往復(fù)式，載荷 為30～ 110mN， 滑 動 速 度 為5.33～10.66mm/s，摩擦磨損時間為2min。水潤滑條件下的摩擦磨損試驗采用去離子水為介質(zhì)，將單晶硅片完全浸沒在去離子水中，然后進(jìn)行摩擦磨損試驗，摩擦因數(shù)直接由試驗機自動記錄。之后用Phase Shife MicroXAM－3D 三維白光干涉表面形貌儀測量磨痕長度、寬度和凹陷深度三維參數(shù)，從而獲得材料的磨損率和單次劃痕的深度；用掃描電子顯微鏡（SEM）對試件磨損表面形貌進(jìn)行觀測和分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 載荷對摩擦因數(shù)和磨損率的影響

圖1所示為兩種試驗條件下摩擦因數(shù)和磨損率隨載荷的變化曲線。從圖1a可以看出：干摩擦和水潤滑兩種條件下的摩擦因數(shù)均隨著載荷的增大而減小。在載荷為30mN時，水潤滑條件下的摩擦因數(shù)略小于干摩擦條件下的摩擦因數(shù)，隨著載荷的不斷增大，水潤滑條件下的摩擦因數(shù)明顯小于干摩擦條件下的摩擦因數(shù)；在載荷達(dá)到70mN前，摩擦因數(shù)隨載荷增大急劇減??；當(dāng)載荷達(dá)到70mN后，隨著載荷的繼續(xù)增大，摩擦因數(shù)趨于穩(wěn)定狀態(tài)。從圖1b可以看出：兩種試驗條件下，磨損率均隨著載荷的增大而增大：干摩擦條件下，在載荷達(dá)到70mN前，磨損率隨載荷增大而迅速增大；當(dāng)載荷達(dá)到70mN后，隨著載荷的繼續(xù)增大，磨損率增加較緩慢；水潤滑條件下，磨損率很小，且明顯小于干摩擦條件下的磨損率，在載荷為30mN時，磨損率最小為10μm3/s，磨損率隨著載荷增大只是微量地增大，在載荷為110mN時，磨損率最大為30μm3/s。

圖1 滑動速度為8mm/s時單晶硅片在干摩擦和水潤滑條件下摩擦因數(shù)和磨損率隨載荷的變化關(guān)系曲線

這是因為：干摩擦條件下，隨著載荷的不斷增大，摩擦副之間的摩擦生熱顯著增加，這樣就使得摩擦表面黏結(jié)點分子鍵的抗剪切強度降低，從而使得摩擦因數(shù)下降；同時，摩擦熱引起摩擦表面溫度升高，使得硅基體有蠕變軟化的趨勢，對摩偶件與單晶硅的接觸面積增大，磨損率增大。圖2a所示為單晶硅在干摩擦條件下的的磨損表面形貌SEM照片，可以看出：磨損表面粗糙，有不同程度的顆粒黏著和摩擦氧化跡象，其磨損機理主要表現(xiàn)為黏著磨損；當(dāng)載荷達(dá)到70mN后，隨著載荷的進(jìn)一步增大，摩擦因數(shù)趨于穩(wěn)定，這是因為對摩區(qū)域SiO2氧化層已經(jīng)形成，使得對摩偶件Si3N4小球與SiO2氧化層直接對摩，磨損逐漸進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段，從而摩擦因數(shù)和磨損率也逐漸趨于穩(wěn)定。而在水潤滑條件下，隨著載荷的增大，摩擦熱促進(jìn)硅表面生成SiO2氧化膜，同時，對摩件間的載荷和滑動速度容易促進(jìn)SiO2膜和Si3N4小球與水發(fā)生摩擦化學(xué)作用生成低剪切強度的Si（OH）4［13］，潤滑膜化學(xué)反應(yīng)如下：

同時，由于水的冷卻作用，以及水介質(zhì)在摩擦表面形成的水膜將摩擦副隔開，從而明顯減少單晶硅表面的黏著磨損［14］，有效地降低了硅片表面的摩擦因數(shù)和磨損率；但當(dāng)載荷為30mN時，摩擦因數(shù)只是略小于干摩擦條件下的摩擦因數(shù)，這是因為載荷太小，未在對摩面間發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)；當(dāng)載荷達(dá)到70mN后，隨著載荷繼續(xù)增大，機械除膜的速率大于化學(xué)成膜的速率，因此破壞了兩者間的平衡，導(dǎo)致磨損率的增量減小，同時，單晶硅水潤滑條件下，摩擦因數(shù)的大小取決于摩擦化學(xué)反應(yīng)速率，而當(dāng)載荷達(dá)到70mN后，SiO2氧化膜和Si3N4小球與水的摩擦化學(xué)速率趨于穩(wěn)定，因而使得摩擦因數(shù)趨于穩(wěn)定。水潤滑膜和摩擦化學(xué)磨損造成材料的微量去除，導(dǎo)致了磨痕表面較為光滑，磨損程度明顯比干摩擦條件輕，表面幾乎沒有黏著（圖2b）。

圖2 單晶硅在速度為8mm/s、載荷為70mN時的磨損表面形貌SEM照片

2.2 滑動速度對摩擦因數(shù)和磨損率的影響

兩種試驗條件下摩擦因數(shù)和磨損率隨滑動速度的變化曲線如圖3所示。圖3a可以看出：干摩擦條件下，滑動速度為9.33mm/s前，摩擦因數(shù)隨著滑動速度的增大而減小，當(dāng)滑動速度達(dá)到9.33mm/s后，摩擦因數(shù)隨滑動速度的增大而增大；水潤滑條件下，摩擦因數(shù)隨滑動速度的增大而減小，但其摩擦因數(shù)一直較干摩擦條件下的摩擦因數(shù)小。兩種試驗條件下磨損率隨滑動速度的變化曲線如圖3b所示?？梢钥闯觯焊赡Σ翖l件下，滑動速度在8mm/s前，磨損率隨著滑動速度的增大而急劇增大，但滑動速度達(dá)到9.33mm/s后，磨損率隨著滑動速度增加而下降；水潤滑條件下，磨損率一直很小，幾乎接近與零，磨損率隨滑動速度增加緩慢增加。

這是由于在干摩擦條件下，滑動速度小于8mm/s時，隨著滑動速度增大，摩擦副間的摩擦熱使得滑動界面溫度升高，從而使得接觸區(qū)域氧化物的生成更加有利，同時也引起接觸區(qū)域材料軟化，這就使得真實接觸面積增大，因而導(dǎo)致摩擦因數(shù)降低和磨損率的迅速增大。滑動速度達(dá)到9.33mm/s后，隨著速度的進(jìn)一步提高，對摩區(qū)域產(chǎn)生劇烈的摩擦，導(dǎo)致摩擦表面溫度過高，材料應(yīng)變率增加，對摩偶件Si3N4小球的磨損磨屑在摩擦表面形成的一層硬質(zhì)層，這就使得摩擦因數(shù)增大，同時，由于Si3N4小球磨損，這就使得對摩偶件與硬質(zhì)層的真實接觸面積增大，因而導(dǎo)致磨損率的下降；水潤滑條件下，由于水的冷卻作用和水潤滑膜以及摩擦化學(xué)反應(yīng)膜Si（OH）4膜的潤滑作用，有效地降低了硅片表面的摩擦因數(shù)和磨損率。

由此可見，載荷與滑動速度對單晶硅的摩擦磨損性能影響不同，尤其是單晶硅在高速條件下的摩擦磨損性能以及對摩偶件Si3N4小球的磨損性能還有待于進(jìn)一步研究。

圖3 載荷為70mN時硅片在干摩擦和水潤滑條件下摩擦因數(shù)和磨損率與滑動速度的關(guān)系

2.3 單次磨痕深度分析

表1列出了干摩擦和水潤滑條件下單次磨痕深度。從表1可以得出：在載荷為70mN，滑動速度為8mm/s時，干摩擦條件下的單次磨痕深度為1.25nm，而水潤滑條件下的單次磨痕深度為0.07nm，因此水潤滑條件下材料去除可認(rèn)為是單分子層材料去除［15－16］。同時，在上述載荷和滑動速度下，水潤滑條件下磨除率僅為16μm3/s（圖1b），可以認(rèn)為硅基體表面基本無損傷。因此，水潤滑條件下的磨損機理主要表現(xiàn)為機械控制化學(xué)作用下的原子/分子去除過程。

表1 干摩擦和水潤滑條件下單次磨痕深度

3 結(jié)論

（1）干摩擦條件下的磨損機理主要表現(xiàn)為黏著磨損；水潤滑條件下，磨損機理主要表現(xiàn)為機械控制化學(xué)作用下的原子/分子去除過程。

（2）在水潤滑條件下，載荷為30～70mN之間，滑動速度為8mm/s時，對摩面間的載荷和滑動速度促進(jìn)了硅片表面發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)，生成具有潤滑作用的Si（OH）4膜，說明在載荷在30～70mN之間，滑動速度為8mm/s時，機械作用對化學(xué)反應(yīng)有促進(jìn)作用。

（3）水潤滑條件下，摩擦因數(shù)較干摩擦條件下小，磨損率最小僅為10μm3/s，在載荷為70mN，滑動速度為8mm/s時，單次磨痕深度僅為0.07nm。因此一定機械作用下（載荷和速度），水潤滑條件下具有實現(xiàn)綠色無損傷的化學(xué)機械拋光的可能性。

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