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，無錫，214122

0 引言

單晶硅是當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，加工中極易產生裂紋和脆斷，這就使得硅片的加工技術面臨著前所未有的挑戰(zhàn)［1－3］。目前，化學機械拋光技術（chemical mechanical polishing，CMP）已普遍地應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之一［4－6］。

CMP被公認為是目前最好的材料全局平坦化方法且已經(jīng)成為一種廣泛應用的技術［7］。CMP工藝的實質是機械和化學之間的相互作用規(guī)律［8－9］。然而，研究 CMP中機械和化學的耦合作用，進而控制化學作用，一直是科研工作者研究的重要科學問題：Hickenboth等［10］研究發(fā)現(xiàn)，機械能可以促進、控制化學反應；Wang等［11］的CMP研究表明，當磨粒具有的機械能大于表面原子具有的去除結合能時，材料將被去除。以上均表明：可以通過研究CMP中機械作用對化學反應的控制影響規(guī)律，進而調整機械參數(shù)控制CMP中化學反應的作用。但是如何采用試驗手段的方法揭示機械作用對化學反應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物質，如氧化劑、緩蝕劑和螯合劑等，對環(huán)境造成了嚴重的污染。隨著人們對環(huán)境保護和安全健康兩大主題的關注與日劇增，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中機械作用對化學反應的控制影響規(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，將單晶硅片完全浸沒在去離子水中，然后進行摩擦磨損試驗，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行觀測和分析。

2 結果與討論

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)；在載荷達到70mN前，摩擦因數(shù)隨載荷增大急劇減小；當載荷達到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，在載荷達到70mN前，磨損率隨載荷增大而迅速增大；當載荷達到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；當載荷達到70mN后，隨著載荷的進一步增大，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SiO2膜和Si3N4小球與水發(fā)生摩擦化學作用生成低剪切強度的Si（OH）4［13］，潤滑膜化學反應如下：

同時，由于水的冷卻作用，以及水介質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)生摩擦化學反應；當載荷達到70mN后，隨著載荷繼續(xù)增大，機械除膜的速率大于化學成膜的速率，因此破壞了兩者間的平衡，導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反應速率，而當載荷達到70mN后，SiO2氧化膜和Si3N4小球與水的摩擦化學速率趨于穩(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磨損造成材料的微量去除，導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，當滑動速度達到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。可以看出：干摩擦條件下，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，因而導致摩擦因數(shù)降低和磨損率的迅速增大。滑動速度達到9.33mm/s后，隨著速度的進一步提高，對摩區(qū)域產生劇烈的摩擦，導致摩擦表面溫度過高，材料應變率增加，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層的真實接觸面積增大，因而導致磨損率的下降；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反應膜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了硅片表面發(fā)生摩擦化學反應，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，機械作用對化學反應有促進作用。

（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)綠色無損傷的化學機械拋光的可能性。

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