Efeksi Kecepatan Geser terhadap Keausan Tribokimia Silikon Tanpa Oksida
Abstrak
Memahami bagaimana kecepatan geser mengatur keausan tribokimia silikon kristal tunggal tanpa oksida sangat penting untuk mengoptimalkan finishing permukaan ultra-presisi. Kami melaporkan nanoausan bergantung kecepatan silikon yang baru dietch terhadap mikrosfera SiO2 di udara lembap (60 % RH) dan air deionisasi. Ketika tekanan kontak tidak cukup untuk memicu yield silikon, kehadiran molekul air memfasilitasi reaksi tribokimia yang secara progresif mengurangi volume ausan secara logaritmik seiring meningkatnya kecepatan, hingga akhirnya mencapai plat. Mikroskop elektron transmisi dan spektroskopi Raman mengungkapkan bahwa pemecahan dan pembentukan dinamis ikatan Sisubstrate–O–Sitip di antarmuka mendasari perilaku ini.
Latar Belakang
Keausan material dapat bersifat mekanis—retakan, deformasi plastis, atau alur viskus—atau tribokimia, yang didorong oleh pemecahan ikatan yang diinduksi stres dan terkadang korosi kimia. Silikon kristal tunggal adalah sumbu manufaktur semiconductornya, dan pemolesan kimia mekanis (CMP) tetap menjadi metode paling efektif untuk mencapai substrat yang licin secara atomik. Dalam CMP, pengosongan material sebelum silikon yield terutama bersifat tribokimia.
Karena CMP melibatkan campuran kompleks dari lapisan, slurry, beban, dan kecepatan, banyak studi menyederhanakan sistem dengan memeriksa silikon terhadap satu mikrosfera SiO2. Kerja sebelumnya telah mengidentifikasi jalur tribokimia di mana ikatan antarmuka mentransfer energi mekanis ke substrat silikon, mempromosikan pengosongan atom. Namun, studi ini sebagian besar menggunakan silikon dengan lapisan oksida asli, yang secara signifikan mengubah perilaku ausan. Sedikit penelitian yang telah membahas silikon yang benar-benar tanpa oksida, keadaan yang relevan untuk CMP setelah penghapusan oksida.
Tujuan kami adalah untuk menjelaskan bagaimana kecepatan geser mempengaruhi keausan tribokimia silikon tanpa oksida di udara lembap dan air deionisasi, memberikan wawasan yang dapat meningkatkan efisiensi CMP.
Metode
Kami menggunakan wafer Si(100) tipe p, menghapus lapisan oksida asli dengan HF 40 % selama 2–3 menit diikuti pembersihan ultrasonik dalam metanol, etanol, dan air DI. Permukaan yang dihasilkan, yang diakhiri dengan Si–H, memiliki kekasaran RMS 0,12 ± 0,02 nm pada area 500 × 500 nm dan sudut kontak air statis 82 ± 2°, yang menunjukkan hidrofobisitas sederhana.
Menggunakan AFM (SPI3800N, Seiko), kami menggeser mikrosfera SiO2 berjari-jari 1,25 µm yang dipasang pada kantilever (k = 10,5–13,8 N/m) terhadap permukaan silikon pada suhu ruangan, beban 2 µN, amplitudo cakar 200 nm, dan 100 siklus per tes. Kecepatan geser bervariasi dari 0,08 hingga 50 µm/s, di bawah 60 % RH atau dalam air DI.
Setelah tes, luka aus diimaging dengan ujung Si3N4 yang tajam (R ≈ 10 nm) dalam vakum (<10−3 torr). Analisis TEM lintasan (Tecnai G2, FEI) dan Raman (RM2000, Renishaw) mengukur kerusakan di bawah permukaan dan perubahan kimia, masing-masing.
Hasil dan Pembahasan
Nanoausan Bergantung Kecepatan Geser di Lingkungan Akuatik
Gambar AFM (Fig. 1a,b) menunjukkan pengosongan material yang jelas setelah 100 siklus baik di udara lembap maupun air DI. Volume ausan menurun secara logaritmik dengan kecepatan dan mencapai plat pada ~2 × 104 nm3 di udara dan ~5 × 104 nm3 dalam air di luar ~8 µm/s.
Gambar AFM dan profil lintasan luka aus pada 0,08–50 µm/s di udara lembap (a) dan dalam air (b). Volume versus kecepatan (c). Beban = 2 µN, amplitudo = 200 nm, siklus = 100.
Di udara, permukaan Si, yang diakhiri dengan Si–H, dapat mengikis molekul air, memfasilitasi pembentukan ikatan antarmuka Sisubstrate–O–Sitip yang memungkinkan pengosongan tribokimia. Dalam air DI, konsentrasi air yang lebih tinggi menurunkan rintang energi untuk hidrolisis, menghasilkan lebih banyak grup Si–OH dan akibatnya volume ausan yang lebih tinggi.
Nanoausan Bergantung Kecepatan Geser di Udara Kering
Di bawah beban 2 µN yang sama, tekanan kontak (~1 GPa) jauh di bawah stres yield silikon (7 GPa). Alih-alih pengosongan material, timbul busa (Fig. 2a), yang berasal dari amorfisasi yang diinduksi stres. Volume busa menurun seiring kecepatan, menunjukkan transformasi kristal-ke-amorf yang tidak sempurna pada kecepatan tinggi. Perilaku ini berbeda dari keausan tribokimia yang diamati di udara lembap dan air, di mana pengosongan mendominasi.
Pembentukan busa di udara kering (a). Volume busa versus kecepatan (b). Beban = 2 µN, amplitudo = 200 nm. Inset menunjukkan penampang busa yang tipikal.
Observasi TEM pada Lintasan Aus
TEM resolusi tinggi pada luka aus pada 0,08 µm/s dan 50 µm/s (Fig. 3) mengungkapkan jaring silikon yang teratur dengan baik di bawah permukaan yang aus, tanpa amorfisasi atau dislokasi. Kedalaman luka masing-masing ~11 nm dan ~2,3 nm, mendukung mekanisme tribokimia di mana ikatan Sisubstrate–O–Sitip memediasi pengosongan atom.
TEM resolusi tinggi pada luka aus pada 0,08 µm/s (a) dan 50 µm/s (b) di udara lembap. Inset menunjukkan kedalaman luka ~11 nm dan ~2,3 nm.
Analisis Raman terhadap Dehidrasi dan Hidrolisis
Spektrum Raman (Fig. 5) dari puing aus menunjukkan puncak O–Si–O dan Si–OH yang jelas relatif terhadap permukaan asli, menunjukkan bahwa reaksi dehidrasi dan hidrolisis berkontribusi pada keausan tribokimia. Intensitas relatif ikatan ini meningkat dengan keausan, mengonfirmasi peran mereka dalam pembentukan dan pemecahan ikatan selama geser.
Spektrum Raman dari (a) Si asli dan (b) puing aus. Beban normal = 1 N, siklus = 2000.
Mekanisme Keausan Tribokimia Bergantung Kecepatan Geser
Kami mengusulkan bahwa jembatan antarmuka Sisubstrate–O–Sitip terbentuk di bawah stres mekanis dan kehadiran air. Pada kecepatan rendah, waktu kontak yang cukup memungkinkan pembentukan ulang jembatan melalui dehidrasi, memperkuat ikatan dan memungkinkan pengosongan material. Seiring meningkatnya kecepatan, waktu kontak yang berkurang membatasi pembentukan ulang jembatan, mengurangi reaksi tribokimia. Di luar ~8 µm/s, kesetimbangan dinamis antara pemecahan dan pembentukan menghasilkan volume ausan konstan.
Skematis kondisi antarmuka pada kecepatan geser yang meningkat.
Kesimpulan
Kami menunjukkan bahwa keausan tribokimia silikon tanpa oksida terhadap mikrosfera SiO2 menurun secara logaritmik dengan kecepatan geser dan stabil di udara lembap dan air deionisasi. TEM mengonfirmasi integritas di bawah permukaan, sementara Raman menunjukkan dehidrasi dan hidrolisis yang bersamaan. Perilaku yang diamati dapat dimodelkan oleh kinetika pembentukan dan pemecahan ikatan Sisubstrate–O–Sitip di antarmuka. Wawasan ini memperdalam pemahaman dasar tentang CMP silikon dan mengusulkan bahwa mengontrol hidrolisis (misalnya, melalui pH slurry) dapat mengoptimalkan efisiensi pengolesan.
