金刚石半导体衬底研磨抛光技术研究现状及展望(三)

DT半导体材料 2025-03-24 19:33

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3 化学机械抛光(CMP)

在满足某些条件时,金刚石能与一些气体、液体或金属氧化物发生化学反应,使金刚石中的碳转化为气体或其他物质,CMP正是利用机械研磨和氧化剂(如 NaNO3H2O2等)的复合作用与金刚石发生反应来实现材料的去除,CMP设备示意图及抛光前后表面如图7所示。



Thornton发现,在传统抛光盘上覆盖一层硝酸钾氧化剂可以增强抛光效果。在此基础上,研究人员对不同氧化剂做了大量研究,认为氧化效应在CMP过程中起着重要作用。ThomasSiO2抛光液对纳米金刚石薄膜抛光,认为CMP过程中金刚石表面被氧化,增加了金刚石表面羰基(双键)和氢氧化物(OH)的含量,而金刚石表面羟基化有助于SiO2粒与金刚石表面相结合,进而在抛光垫的剪切力作用下将C原子从金刚石表面拔除。



Shi通过分子动力学模拟在 OH 自由基环境下金刚石 CMP 过程,发现纯化学作用无法去除碳原子,OH 首先与金刚石表面的碳原子发生化学吸附,形成 C-OC-H C-OH键;其次 C-O键激活相邻的 C-C键,为后续材料去除提供先决条件;最后在C-OC-C键以及机械滑动的作用下,碳原子脱离金刚石基体表面,如图8所示。YuanH2O2溶液配合金刚石微粉模拟抛光金刚石,得出了相似的去除机理,认为金刚石表面的羟基化在去除过程中起着双重作用。由于氧化后的金刚石结构被破坏,因此单键变弱,金刚石表面的碳原子与磨料中的碳原子形成较强的单键,然后碳原子由于磨料的机械作用而被带走。





3.1 CMP的优点


由于 CMP 是通过添加氧化剂来与金刚石发生化学反应,进而通过机械作用去除材料,因此 CMP转速不高,避免了高转速对金刚石表面造成的表面损伤。Kühnle通过使用 NaNO3KNO3作为氧化剂抛光金刚石,得到了没有损伤层的原子级金刚石衬底表面,表面粗糙度可以达到 0.2 nm,证明了 CMP技术降低表面损伤的可行性。Yuan研究了8种不同氧化剂的影响,结果表明 K2FeO4KMnO4的抛光效果最佳。并发现,在相同实验参数下,有氧化剂时的材料去除率比没有氧化剂时高,证实了氧化剂的存在加速了金刚石的化学反应。通过对比 MPCMP 抛光后的表面微观形貌,发现 MP 的表面具有由磨粒引起的可见划痕,而在CMP表面上没有观察到与磨粒相关的划痕,如图 9 所示。





Yuan用双氧水作为抛光液,金刚石微粉作为磨粒,用铁板抛光SCD(100)3 h,表面也未发现明显的机械划痕,粗糙度从 21 nm 降为 0.917 nmMandal[29]3 种氧化剂 :H2O2Fe(NO3)3 KMnO4,以 及 两 种 还 原 剂 :C2H2O4 Na2S2O3,分别加入到SF1(碱性 SiO2 抛光液)中,用聚氨酯毡对金刚石薄膜进行抛光,发现草酸抛光速率最快,经 3 h 抛光,粗糙度从 25 nm 降至1.8 nm,实现了纳米级的表面粗糙度。XPS 分析结果如图10所示,使用不同抛光液抛光的样品表面氧含量差异很小,这表明添加氧化剂、还原剂不会增加金刚石表面的含氧物质浓度,而是加速了抛光液中SiO原子到金刚石表面的附着和去除过程。





3.2 CMP的缺点


由于大多数氧化剂的熔点温度较高,在CMP需要对设备进行加热,这增加了CMP 操作的复杂性。虽然 KühnleNaNO3KNO3做氧化剂抛光金刚石获得了原子级的平整表面,但高温下抛光液的挥发除了会对人体造成伤害还会影响表面质量,因此未能得到大规模的应用。而 Yuan使用 H2O2氧化剂是目前最适用的,但如何配制溶液比例、选用何种磨料制作抛光液才能达到最佳的抛光效果,仍需大量的实验探索。



其次在使用CMP时,往往需要对样品表面进行粗抛光,只有在良好的初始表面下,CMP才能发挥最大的抛光效果,这在YuanMan⁃dal实验中可以看出,在经过粗抛光获得一定的表面粗糙度后,短时间内就获得了光滑、平整、低损伤的表面。最后,目前常温下氧化剂抛光液的研究国内并未取得较大的进展,虽然 Yuan通过对比研究不同的氧化剂抛光液对抛光效果的影响,得出CMP对于CVD金刚石薄膜是有效的,但并未针对抛光液做进一步的深入研究,且抛光液的回收及处理也是需要解决的问题。



CMP 作为目前能同时满足光滑、平整、低损伤的技术,在半导体、光学原件和精密材料加工等领域具有重要的应用价值,具有表面平整性好、粗糙度低、损伤小的特点,不仅适用于金刚石,还能处理其他硬质材料。但CMP的加工过程极为耗时,尤其在要求高精度和高质量的表面时,需要多次进行工艺的调整优化,为此Xiao针对CMP工艺(如抛光液氧化剂成分、抛光板材料和抛光参数)做了细致阐述;其次高端抛光液目前还难以实现国产化,如何实现抛光液的管理回收也是需要考虑的现实问题。




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2025(第五届)碳基半导体材料与器件产业发展论坛

4月10-12日     浙江 宁波


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论坛信息

Forum Info

论坛主题:创新·融合(金刚石&"金刚石+")
论坛时间:2025年4月10-12日
论坛地点:浙江宁波  
名誉主席:邹广田,中国科学院院士
论坛主席:江南,中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员
执行主席:邬苏东,甬江实验室研究员

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论坛组织

Forum organization

主办单位:DT新材料
联合主办:
中国科学院宁波材料技术与工程研究所功能碳素实验室
甬江实验室
宁波工程学院
浙江省海外高层次人才联谊会材料与工程分会
协办单位:
宁波盈诺科技孵化有限公司
支持单位:
中国电科碳基电子重点实验室
河北工业大学先进激光技术研究中心
金刚石激光技术及应用协同创新中心
中关村天合宽禁带半导体技术创新联盟
业务指导单位:
宁波高新区组织部
支持媒体:
DT半导体、洞见热管理、Carbontech、DT新材料、DT芯材、化合物半导体、芯师爷、微纳研究院 Ideal Media

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09:00-12:00  专题报告

12:00-13:30  午餐

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