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我們通過考慮Si和二氧化硅在磨損過程中之間的化學(xué)反應(yīng)來研究摩擦相互作用的起源。使用原子力顯微鏡(AFM)，這是一個(gè)強(qiáng)大的工具的原子尺度磨損分析。4-6磨損試驗(yàn)是通過在氫氧化鉀溶液中在不同pH值下用SiAFM尖端在硅片上劃傷熱氧化的二氧化硅薄膜來進(jìn)行的。通過磨損試驗(yàn)比較摩爾中硅與二氧化硅的去除體積，研究了硅與二氧化硅之間的化學(xué)反應(yīng)，以闡明原子尺度上的硅去除機(jī)理。

本實(shí)驗(yàn)使用了帶有封閉玻璃流體單元的商業(yè)式AFM，將溶液注入電池后，將Si尖端帶到二氧化硅薄膜上，劃傷薄膜表面進(jìn)行磨損試驗(yàn)。在1~6mN的正常載荷下，連續(xù)3、8、18和38個(gè)循環(huán)，尖端掃描速度為20mm/s，劃傷了10 310 mm的區(qū)域，然后，在約0.2mN的正常載荷下，使用相同的Si尖端，觀察到較大的二氧化硅表面積為20 320 mm來成像磨損標(biāo)記，二氧化硅去除體積由劃痕面積（100mm2）和磨損標(biāo)記的觀測(cè)深度的乘積得到。為了澄清表面氧化，我們用透射電鏡（透射電鏡）觀察了硅尖端，由于尖半徑小于10nm，沒有任何蝕刻處理就獲得了尖尖的原子尺度圖像。

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圖2

具有少量天然氧化物層的硅單晶的晶格平面清晰可見，在氫氧化鉀溶液中劃傷二氧化硅表面后的典型Si尖端的掃描電鏡圖像中顯示（見圖2），硅尖端的頂端已被均勻地去除，并在尖端的末端暴露出一個(gè)平坦的表面。在1~6mN的3、8、18和38個(gè)劃傷循環(huán)下，溶液pH中摩爾的Si磨損體積的依賴性。結(jié)果表明，硅的磨損量在pH10.2-12.5處達(dá)到峰值，這一結(jié)果與實(shí)際硅CMP的拋光行為相似。

圖5顯示了二氧化硅表面磨損標(biāo)記的深度作為pH12.5下抓痕循環(huán)次數(shù)和1.89~2.40mN的正常荷載的函數(shù)，可見磨損深度隨著刮傷循環(huán)次數(shù)的增加而增加，最大深度小于30nm，比初始的二氧化硅薄膜厚度更薄。結(jié)果還表明，每個(gè)劃痕的深度所有循環(huán)的長度均小于1nm。這表明，在磨損測(cè)試過程中，需要從二氧化硅表面去除原子層。

圖5

利用原子力顯微鏡檢測(cè)了氫氧化鉀溶液中不同pH值下硅尖端和二氧化硅薄膜之間的磨損行為，且發(fā)現(xiàn)硅尖去除量與溶液的pH值有很大的關(guān)系，并在pH10.2-12.5時(shí)達(dá)到最大值。這一結(jié)果表明，硅尖端的磨損行為與硅晶圓的實(shí)際化學(xué)機(jī)械拋光行為相似。結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，無論溶液的pH值如何，摩爾中的硅去除體積都近似等于二氧化硅。這個(gè)等式意味著Si-O-Si橋之間形成一個(gè)硅原子和一個(gè)二氧化硅分子磨損界面，其次是硅尖端的氧化，最后鍵破裂的尖端運(yùn)動(dòng)和硅物種包括Si-OSi橋溶解在氫氧化鉀溶液中。

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拋光量與硅晶圓在實(shí)際CMP中的拋光行為相似。結(jié)果表明，硅尖去除體積與二氧化硅薄膜的去除體積吻合較好。并討論了晶尖尖端與二氧化硅表面磨損界面上的化學(xué)反應(yīng)，并提出了原子尺度上的表面硅去除機(jī)制，包括硅橋界面的形成，然后是硅尖端的氧化，最后是尖端運(yùn)動(dòng)的鍵斷裂，包括晶硅橋在內(nèi)的硅物質(zhì)溶解在氫氧化鉀溶液中。這些結(jié)果表明，界面上硅橋的形成是控制原子尺度上硅表面拋光行為的一個(gè)重要因素。