纳米 CeO2抛光液对硅片抛光性能分析

将球形纳米氧化铈粉体配成水基纳米 CeO2 抛光液 ,研究了其抛光硅片的性能与机理 ,并与纳米 SiO2 抛光液作对比。结果表明 ,粒度在 100 nm以下的 CeO2 对硅片具有良好的抛光效果 ,抛光后硅片表面形貌有很大改观 ,表面划痕被抛掉 ,在面积 172μm ×128μm的范围内得到了表面粗糙度 Ra 为 0. 689 nm的超光滑表面。

 

 

目前 ,硅片 CMP普遍使用粒径为 50～70 nm的球形 SiO2 为磨粒 。作为一种高效抛光粉 ,纳米 CeO2 已广泛应用于超大规模集成电路， SiO2 介质层和隔离沟槽的化学机械抛光 ,具有高抛光效率和高表面质量等优点。有研究表明 ,将球型纳米 CeO2 用于单晶硅片的化学机械抛光时 ,其抛光效率比球形 SiO2 高。

 

纳米 CeO2 的抛光性能：

采用抛光速率和表面粗糙度两个指标来评价纳米 CeO2 抛光单晶硅片的性能。两种磨料对硅片的抛光效果可看出 , CeO2 磨料比  SiO2 磨料抛光硅片的速率快。抛光后硅片表面粗糙度也有差别 ,在面积 172μm ×128μm范围内 , CeO2 抛光液抛光后的轮廓算术平均偏差 (Ra )、轮廓均方根偏差 (Rq )值较低 , SiO2抛光液抛光后的微观不平度十点高度 (Rz )值较低。从抛光后硅片的表面形貌看出:与精抛前相比, 经 CeO2和 SiO2 抛光液抛光后 ,硅片表面形貌有很大改观 ,表面划痕被抛掉, 表面比较平整, 两者均可对硅片进行超精密抛光。但纳米 CeO2 比纳米 SiO2 抛光速率更快。其原因可能是: 前者比后者更易腐蚀硅片表面, 化学作用更胜一筹。此外 ,也可能是 CeO2 的作用使得腐蚀层硬度更小 ,更易被抛除。

 

纳米 CeO2 抛光硅片机理分析：纳米 CeO2 对硅片进行化学机械抛光 首先是源于抛光液的化学腐蚀作用 ,根据摩擦化学的相关理论,抛光过程中 ,磨粒与硅片局部接触点处会产生高温高压 ,这会导致一系列复杂的摩擦化学反应。与热化学反应相比,摩擦化学反应所需要的自由能仅为热化学反应活化自由能的 1% ～10% ,在某些极端的摩擦状况下甚至可以观察到热化学反应条件下所不能进行的摩擦化学反应。

 

 

结 论：

1) 纳米 CeO2 可对硅片进行超精密抛光 ,抛光后在面积 172μm ×128μm范围内硅片的表面粗糙度 Ra 为 0. 689 nm。

2)  纳米 CeO2 磨料比纳米 SiO2 磨料抛光硅片速率快的原因可能是 :纳米 CeO2 比纳米 SiO2 更易腐蚀硅片表面, 化学作用更胜一筹;腐蚀层莫氏硬度更小也可能是一个影响因素。

3) 纳米CeO2 抛光硅片是化学腐蚀和机械作用相结合的过程 ,在硅片表面不同高度的各点存在抛光速率梯度,该梯度会随着抛光的进行逐渐消失 ,当 dV = 0 时 ,即可获得抛光镜面。