《炬豐科技-半導體工藝》氧化劑溶液中碳化矽的摩擦化學拋光

書籍:《炬豐科技-半導體工藝》

文章:氧化劑溶液中碳化矽的摩擦化學拋光

編號:JFHL-21-1023

作者:炬豐科技

引言

當氮化矽和碳化矽在水中滑動時,磨損是摩擦化學的;透過摩擦刺激在水中的溶解來去除材料。這種現象最近被用來開發一種拋光方法,稱為摩擦化學拋光。該技術包括在合適的液體存在下,將待拋光的工件摩擦合適的硬表面。不使用研磨劑。這種簡單的方法可以克服許多表面損傷問題,得到超光滑、無損傷的氮化矽表面。碳化矽具有高硬度、高導熱性、高耐腐蝕性等優異的機械和物理效能,在許多應用領域具有巨大潛力, 其中表面拋光對其使用壽命和可靠性起著重要作用。碳化矽的光學應用,如 x 光鏡,需要幾埃數量級的表面光潔度。碳化矽比氮化矽更硬、更脆、化學惰性更強,因此更難拋光。本文研究了多晶碳化矽在不同氧化劑溶液中摩擦化學拋光的化學和摩擦學條件,並測定了所得表面的效能。

實驗

六合金多晶碳化矽被用作試驗材料。所提供樣品的孔隙率約為 2%。樣品的硬度 Hv0。3 為 2290。我們研究了碳化矽的摩擦化學拋光使用兩套實驗儀器。一種是傳統的銷盤式機器,它便於在不同的拋光條件下獲得拋光樣品的精確體積去除率:速度、負載和溶液。如圖 1a 所示,在適當的反應性流體存在下,透過摩擦旋轉拋光工具來拋光具有半球形末端(4毫米直徑)的固定碳化矽銷。選擇硬度為Hv0。3 1462 的商用氮化矽作為拋光工具。銷和板的表面與地面一樣。表面用丙酮和蒸餾水超聲清洗。在整個實驗過程中,接觸表面浸在沒有任何研磨劑的氧化劑溶液中。

實驗中使用的另一種裝置是用平板摩擦平面表面,如圖1b所示。選用氮化矽和鑄鐵兩種材料作為拋光工具。尺寸為5mm×5mm的碳化矽樣品用上述相同的商業矽氮工具進行拋光。表面直徑為2cm×2cm的樣品在鑄鐵板上拋光。拋光表面顯微鏡掃描觀察,加速器顯微鏡掃描電鏡和頂鏡。原子力顯微鏡AFM。用輪廓儀和AFM測量了表面粗糙度。用能量測定器-z測定了其化學組成。在掃描電鏡EDS中發射的x射線的化學分析。

《炬豐科技-半導體工藝》氧化劑溶液中碳化矽的摩擦化學拋光

結果和討論

氧化劑對拋光表面和拋光速率的影響:

摩擦化學拋光去除的體積與所有測試條件下所有溶液中的滑動距離成正比。在我們的測試條件下,溶液的濃度對拋光速率沒有太大影響。碳化矽在蒸餾水中的摩擦係數最高為0。28,而在5wt %時的摩擦係數最低為0。18。% KMnO4。摩擦係數在20體積% H 2 O2和3重量%之間。SiC 在不同氧化劑溶液中的拋光表面具有不同的外觀,如圖3a所示。表面非常光滑。凹坑總是出現在拋光表面上,這是由於樣品固有的多孔性。如圖3b所示,顆粒以表面為榮,比其他顆粒磨損更少。這一特點歸因於碳化矽的各向異性機械和化學效能。這在拋光後更加明顯。

速度和載荷對拋光速率和表面質量的影響:

在3wt。%三氧化鉻溶液中,進一步研究了速度和負載對拋光率和表面質量的影響,結果如圖4所示。在固定負載下,拋光速率隨著速度的增加而降低,因為流體動力潤滑降低了摩擦接觸的量。出於同樣的原因,在固定速度下,拋光速率隨著施加負載的增加而增加。隨著速度的進一步提高,將出現流體動力潤滑,這將導致非常低的拋光速率。在我們的測試條件下,在1。96牛負載下,速度超過10釐米/秒時觀察到這種現象;當表面光滑時,摩擦係數從0。3降低到小於0。05拋光停止了。放大50,000 倍後,沿著拋光表面的輪廓儀軌跡沒有發現差異。但是,透過干涉光學顯微鏡和 SEM 仔細檢查的表面質量表明,速度、載荷和表面質量之間存在相互作用。在低速和高負載下,如在負載9。8 N 和速度 1 cmrs 的情況下,在拋光表面上出現一些點蝕,甚至有時出現不均勻的晶粒拋光,類似於過氧化氫(圖3b)中獲得的。在高速度和低負荷下,表面質量總是好的。

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拋光平面:

在尺寸為5mm×5mm的碳化矽樣品的37。6N的載荷下對SiN工具進行Z拋光。碳化矽樣品的原始粗糙度為0。2mm。圖5顯示了在3wt。%三氧化鉻溶液中的典型表面拋光。在開始,粗糙表面均勻平滑,如圖5a所示,10米拋光後經過進一步的處理,表面一般會變得平滑,但是顆粒的不均勻拋光和機械劃痕仍然保留在表面上,如圖 5b 所示,拋光 50 m 後。最後,獲得拋光良好的表面。

摩擦化學拋光在機械和化學侵蝕的狹窄視窗中執行。化學反應性必須剛好低於可測量反應的閾值,以便後者僅在受到摩擦刺激時發生,僅在接觸粗糙處導致材料溶解,並且接觸應力必須低於機械磨損的閾值。速度和負載引數可用於控制機械效果。在高滑動速度或低接觸壓力下,流體動力潤滑發生,摩擦力太低而不能促進化學溶解。鉻的拋光速率非常低。在高接觸壓力和低滑動速度的另一個極端,機械磨損有助於材料去除;觀察到更高的拋光速率和更粗糙的表面。

拋光工具是 TCP 中的一個重要因素。硬度應低於樣品的硬度,以避免機械磨損,但應足夠高,以提供所需的接觸應力強度,因為在此過程中不使用磨料。當使用聚氨酯拋光墊在沒有磨料的情況下拋光碳化矽時,不會去除材料。

在蒸餾水和過氧化氫中拋光的表面形貌(圖 3b,c)顯示,一些顆粒比其他顆粒拋光得更快。該特徵可以是歸因於六方碳化矽的機械和化學各向異性。

總結

六合金多晶碳化矽在3%CrO溶液中滑抗氮化矽或鑄鐵時,被拋光到非常光滑的表面和高平面性。經過摩擦化學拋光後,100μm×100μm拋光區域的AFM分析顯示其粗糙度小於1nm。粗糙度為0。8mm截止長的RaF4nm。

在拋光過程中使用的氧化劑溶液中,CrO的拋光效果最好,拋光率高,為3-7mm3rNm。平面樣品以0。2MPa負載和8cmrs速度用鑄鐵拋光,拋光速率為0。2-0。4mmrh。

在水和過氧化氫中的摩擦化學拋光產生不同顆粒的不均勻拋光,這是由於碳化矽的各向異性的機械和化學特性。合成的粗糙度在0。1mm截止長度處增加到3nm,在0。8mm截止長度處增加到7nm。

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