納米 CeO2拋光液對硅片拋光性能分析

將球形納米氧化鈰粉體配成水基納米 CeO2 拋光液 ,研究了其拋光硅片的性能與機理 ,并與納米 SiO2 拋光液作對比。結果表明 ,粒度在 100 nm以下的 CeO2 對硅片具有良好的拋光效果 ,拋光后硅片表面形貌有很大改觀 ,表面劃痕被拋掉 ,在面積 172μm ×128μm的范圍內得到了表面粗糙度 Ra 為 0. 689 nm的超光滑表面。

目前 ,硅片 CMP普遍使用粒徑為 50～70 nm的球形 SiO2 為磨粒 。作為一種高效拋光粉 ,納米 CeO2 已廣泛應用于超大規模集成電路， SiO2 介質層和隔離溝槽的化學機械拋光 ,具有高拋光效率和高表面質量等優點。有研究表明 ,將球型納米 CeO2 用于單晶硅片的化學機械拋光時 ,其拋光效率比球形 SiO2 高。

納米 CeO2 的拋光性能：

采用拋光速率和表面粗糙度兩個指標來評價納米 CeO2 拋光單晶硅片的性能。兩種磨料對硅片的拋光效果可看出 , CeO2 磨料比  SiO2 磨料拋光硅片的速率快。拋光后硅片表面粗糙度也有差別 ,在面積 172μm ×128μm范圍內 , CeO2 拋光液拋光后的輪廓算術平均偏差 (Ra )、輪廓均方根偏差 (Rq )值較低 , SiO2拋光液拋光后的微觀不平度十點高度 (Rz )值較低。從拋光后硅片的表面形貌看出:與精拋前相比, 經 CeO2和 SiO2 拋光液拋光后 ,硅片表面形貌有很大改觀 ,表面劃痕被拋掉, 表面比較平整, 兩者均可對硅片進行超精密拋光。但納米 CeO2 比納米 SiO2 拋光速率更快。其原因可能是: 前者比后者更易腐蝕硅片表面, 化學作用更勝一籌。此外 ,也可能是 CeO2 的作用使得腐蝕層硬度更小 ,更易被拋除。

納米 CeO2 拋光硅片機理分析：納米 CeO2 對硅片進行化學機械拋光 首先是源于拋光液的化學腐蝕作用 ,根據摩擦化學的相關理論,拋光過程中 ,磨粒與硅片局部接觸點處會產生高溫高壓 ,這會導致一系列復雜的摩擦化學反應。與熱化學反應相比,摩擦化學反應所需要的自由能僅為熱化學反應活化自由能的 1% ～10% ,在某些極端的摩擦狀況下甚至可以觀察到熱化學反應條件下所不能進行的摩擦化學反應。

結 論：

1) 納米 CeO2 可對硅片進行超精密拋光 ,拋光后在面積 172μm ×128μm范圍內硅片的表面粗糙度 Ra 為 0. 689 nm。

2)  納米 CeO2 磨料比納米 SiO2 磨料拋光硅片速率快的原因可能是 :納米 CeO2 比納米 SiO2 更易腐蝕硅片表面, 化學作用更勝一籌;腐蝕層莫氏硬度更小也可能是一個影響因素。

3) 納米CeO2 拋光硅片是化學腐蝕和機械作用相結合的過程 ,在硅片表面不同高度的各點存在拋光速率梯度,該梯度會隨著拋光的進行逐漸消失 ,當 dV = 0 時 ,即可獲得拋光鏡面。