CN115128054B - 一种活性金属氧化物磨粒与金刚石晶圆衬底界面摩擦化学反应的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种活性金属氧化物磨粒与金刚石晶圆衬底界面摩擦化学反应的检测方法，通过磁控溅射法，在纳米压痕划痕仪用的金刚石压头表面包覆一层厚度均匀可控的活性金属氧化物磨粒壳层，通过与金刚石晶圆衬底的划擦实验来控制活性金属氧化物磨粒与晶圆之间的界面作用关系，再通过扫描探针显微拉曼光谱仪对金刚石晶圆衬底表面的相互作用区域进行化学成分检测，从而明确活性金属氧化物磨粒与晶圆衬底的界面摩擦化学反应机理，其操作简单，在半导体晶圆衬底的高效超精密加工领域具有良好的应用前景。

Description

一种活性金属氧化物磨粒与金刚石晶圆衬底界面摩擦化学反 应的检测方法

技术领域

本发明属于半导体晶圆的超精密加工领域，具体涉及一种活性金属氧化物磨粒与金刚石晶圆衬底界面摩擦化学反应的检测方法。

背景技术

电子信息时代的来临极大地推动了半导体产业的发展，而半导体材料的更新换代则是电子信息产业可持续发展的关键所在。随着以单晶硅为代表的传统半导体功率器件逐渐达到其材料发展的极限，难以满足半导体器件对于高频、高温、高功率、高能效、耐恶劣环境以及轻便化小型化的新需求。以碳化硅、氮化镓、金刚石等为代表新型半导体材料凭借其优异属性，已经成为未来半导体器件的主要发展方向。

然而，上述这些新型半导体材料具有硬度高、脆性大和化学性能稳定的特性，因此被视为典型的难加工材料。而其超精密抛光技术仍然沿用传统硅晶圆的抛光方式，即化学机械抛光技术。由于这些新型半导体材料制成的晶圆的硬度远高于硅晶圆，必然导致其加工效率低，加工成本高，晶圆的表面质量难以满足要求。因此，深入分析磨粒与晶圆的界面作用过程，有助于掌握新型半导体晶圆的磨粒抛光去除机理，进而实现新型半导体材料制成的晶圆的高效超精密无损伤加工。

目前界面摩擦化学反应的方案设计与检测主要针对不同材料在宏观接触体系中的相互作用。如：CN 112147040 A公开了一种检测水合物单体和沉积物之间界面摩擦力的装置和方法；CN 104677783 A公开了一种利用电化学的方法，用以检测铝和碳反应后的Al₄C₃生成物，从而定量确定铝-碳界面反应程度；“Chemical modification of theinterfacial frictional properties of vanadium carbide through ethanoladsorption”(乙醇吸附对碳化钒界面摩擦性能的化学改性)公开了一种利用原子力显微镜，用以检测乙醇吸附条件下碳化钒界面摩擦性能的变化。上述现有技术的测试方法存在的问题在于：(1)所研究的界面摩擦化学反应都是宏观条件下发生的，难以分析原子级层面所发生的界面摩擦作用；(2)只能检测特定的材料之间所发生的的界面摩擦化学反应，不具备普适性；(3)当界面摩擦化学反应非常微弱时，上述方法可能会失效。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提供一种活性金属氧化物磨粒与金刚石晶圆衬底界面摩擦化学反应的检测方法。

本发明的技术方案如下：

一种活性金属氧化物磨粒与金刚石晶圆衬底界面摩擦化学反应的检测方法，包括如下步骤：

(1)在纳米压痕划痕仪的金刚石压头的针尖表面采用磁控溅射法包覆一活性金属氧化物磨粒层；

(2)将具有活性金属氧化物磨粒层的金刚石压头安装于纳米压痕划痕仪上，使该金刚石压头在金刚石晶圆衬底的表面进行划擦，获得划擦后的晶圆衬底；

(3)将上述划擦后的晶圆衬底置于扫描探针显微拉曼光谱仪上，对划擦后的晶圆衬底的划痕区进行化学成分检测。

在本发明的一个优选实施方案中，所述磁控溅射法的的靶材包括铜、铁、锌、钴、镍和锰，通入的反应气体为氧气

进一步优选的，所述磁控溅射法中将固定于工作腔内的所述金刚石压头加热至300-600℃，溅射时间为4-6min。

在本发明的一个优选实施方案中，所述划擦的润滑介质为去离子水，温度为40-90℃。

进一步优选的，所述划擦的温度为50℃。

进一步优选的，所述划擦中，所述金刚石压头的载荷为1-30mN，划擦的速度为1-10μm/s。

在本发明的一个优选实施方案中，所述金刚石压头的曲率半径为1-50μm。

进一步优选的，所述金刚石压头的曲率半径为25μm。

在本发明的一个优选实施方案中，所述活性金属氧化物磨粒层中的活性金属氧化物包括氧化铜、氧化铁、氧化锌、氧化钴、氧化镍和氧化锰。

进一步优选的，所述活性金属氧化物磨粒层中的活性金属氧化物为氧化铜。

本发明的有益效果是：本发明通过磁控溅射法，在纳米压痕划痕仪用的金刚石压头表面包覆一层厚度均匀可控的活性金属氧化物磨粒壳层，通过与金刚石晶圆衬底的划擦实验来控制活性金属氧化物磨粒与晶圆之间的界面作用关系，再通过扫描探针显微拉曼光谱仪对金刚石晶圆衬底表面的相互作用区域进行化学成分检测，从而明确活性金属氧化物磨粒与晶圆衬底的界面摩擦化学反应机理，其操作简单，在半导体晶圆衬底的高效超精密加工领域具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例1中的具有活性金属氧化物磨粒层的金刚石压头的示意图和扫描电镜照片。

图2为本发明实施例1和对比例1至3中活性金属氧化物磨粒在金刚石晶圆衬底的表面的划痕示意图。

图3为本发明实施例1中氧化铜磨粒在金刚石晶圆衬底的表面划痕处的拉曼检测结果图。

图4为本发明实施例1中氧化铜磨粒在金刚石晶圆衬底的表面非划痕处的拉曼检测结果图。

图5为本发明实施例1中的金刚石晶圆衬底的划痕处的XRD检测结果。

图6为本发明对比例1中的活性金属氧化物磨粒不同粘附方式下的划擦结果。

具体实施方式

以下通过具体实施方式结合附图对本发明的技术方案进行进一步的说明和描述。

实施例1

(1)使用磁控溅射法在金刚石压头的针尖表面包覆一层氧化铜活性磨粒。具体来说：选择纯度为99.99％的单质金属铜作为靶材，然后将曲率半径为25μm的金刚石压头固定于工作腔室内，磁控溅射镀膜机的本底真空度为6.0×10^-5Pa，通入的反应气体为纯度99.99％的氧气，工作气压为0.5Pa，靶和金刚石压头的间距为5cm。随后，对金刚石压头进行加热，温度控制在450℃，选择射频功率为100W，溅射时间为5min。如此即可成功的在金刚石压头表面包覆一层厚度均匀的氧化铜磨粒，包覆有氧化铜磨粒壳层的金刚石压头形貌如图1所示。

(2)将步骤(1)获得的包覆有氧化铜磨粒壳层的金刚石压头安装在纳米压痕划痕仪(KLA，型号为Nano Indenter G200)上，划擦载荷为10mN，划擦速度为5μm/s，划擦的润滑条件为中性的去离子水，pH值为7，润滑介质的温度为80℃。按以上参数，参照图2对金刚石晶圆衬底进行划痕实验。

(3)划痕实验结束后，取下金刚石晶圆衬底，使用扫描探针显微拉曼光谱仪(WITEC，原子力显微镜和拉曼光谱仪共联的装置)对金刚石晶圆衬底的表面的划痕区和非划痕区进行化学成分检测，如图3和4所示，从拉曼谱图中可以发现，划痕区没有明显特征信号，而非划痕区中观察到明显的金刚石特征峰(1331cm^-1)。这主要是因为氧化铜磨粒与金刚石晶圆衬底发生由机械力诱导的摩擦化学反应，氧化铜和金刚石发生置换反应，反应产生的金属单质铜附着在划痕区，金属单质没有拉曼特征峰且会掩盖其他信号峰这一现象是同行所共知的。进一步的，对划痕区化学物质做XRD分析，如图5所示，检测到明显的单质铜和金刚石的信号峰，验证了拉曼结果分析的准确性。

本领域普通技术人员可知，其他氧化物磨料(氧化铁、氧化锌、氧化钴、氧化镍、氧化锰)与氧化铜和金刚石的反应形式一样，都是置换反应，拉曼光谱的检测结果相近，均能获得相同或相近的技术效果。

对比例1

(1)利用纳米压痕划痕仪(同实施例1)自带的光学显微镜，通过502胶水将氧化铜磨粒粘附在曲率半径为25μm的金刚石压头上：将少量的502胶水均匀的滴在载破片上，载玻片固定在工作台上，移动工作台使金刚石压头的表面粘取少量的胶水，然后移动工作台到磨粒位置，调整压头高度使其粘取磨粒，接触5s后，升起压头得到粘附有氧化铜磨粒的金刚石压头。上述氧化铜磨粒的直径为50μm。

(2)将步骤(1)获得的粘附有氧化铜磨粒的金刚石压头划擦金刚石晶圆衬底：划擦载荷为10mN，划擦速度为5μm/s，划擦的润滑条件为中性的去离子水，pH值为7，润滑介质的温度为80℃。按以上参数，如图2对金刚石晶圆衬底进行划痕实验。然而，在实验过程中发现粘附的磨粒很容易受力脱落，无法对金刚石晶圆衬底进行有效的划痕实验，如图6所示。这主要是因为通过胶水粘附氧化铜磨粒这种方式，氧化铜磨粒与金刚石压头的结合强度太低，因此才需要找到一种结合强度更高更可靠的连接方式，而实施例1使用磁控溅射法在金刚石压头表面包覆氧化铜磨粒壳层的方法就是一种非常可靠实用的方式。

对比例2

(1)准备五个曲率半径为25μm的金刚石压头，在不同的溅射温度下对金刚石压头表面进行包覆氧化铜活性磨料。选择纯度为99.99％的单质金属铜作为靶材，然后将金刚石压头固定于工作腔室内，磁控溅射镀膜机的本底真空度为6.0×10^-5Pa，通入的反应气体为纯度99.99％的氧气，工作气压为0.5Pa，靶和金刚石压头的间距为5cm。分别对五个金刚石压头进行加热，温度分别控制在280、300、450、600、620℃，选择射频功率为100W，溅射时间为5min。即得到五组不同溅射温度下的包覆有氧化铜磨粒的金刚石压头。

(2)将步骤(1)获得的五组包覆有氧化铜磨粒的金刚石压头划擦金刚石晶圆衬底：划擦载荷为10mN，划擦速度为5μm/s，划擦的润滑条件为中性的去离子水，pH值为7，润滑介质的温度为80℃。按以上参数，参照图2对金刚石晶圆衬底进行划痕实验。划痕实验结束后发现，280℃时金刚石压头表面出现了氧化铜磨粒壳层局部剥落的现象，说明该温度下磨粒壳层与金刚石压头的界面结合强度不足，划擦过程中磨粒壳层受力容易剥落；当溅射温度为300℃时，金刚石压头表面没有发现壳层剥落现象，说明该温度是溅射温度的下限值；当溅射温度为450℃和600℃时，金刚石压头表面没有发现壳层剥落现象，说明壳层与金刚石基体界面结合较好；当溅射温度为620℃时，金刚石压头表面发现大面积的壳层剥落，这是因为金刚石在有氧的高温(超过600℃)环境下会产生热损伤，降低金刚石表面与磨粒壳层的界面结合强度。经过多组实验确定，300-600℃为金刚石压头溅射氧化铜磨料壳层的合适温度区间。

对比例3

(1)准备五个曲率半径为25μm的金刚石压头，在相同的溅射温度下对金刚石压头表面进行包覆氧化铜活性磨料。选择纯度为99.99％的单质金属铜作为靶材，然后将金刚石压头固定于工作腔室内，磁控溅射镀膜机的本底真空度为6.0×10^-5Pa，通入的反应气体为纯度99.99％的氧气，工作气压为0.5Pa，靶和金刚石压头的间距为5cm。随后，对金刚石压头进行加热，温度控制在450℃，选择射频功率为100W，溅射时间为5min。即得到五组相同溅射温度下的包覆有氧化铜磨粒的金刚石压头。

将步骤(1)获得的五组相同溅射温度下包覆有氧化铜磨粒层的金刚石压头划擦金刚石晶圆衬底：划擦载荷为10mN，划擦速度为5μm/s，划擦的润滑条件为中性的去离子水，pH值为7，润滑介质的温度分别设置为35℃、40℃、50℃、90℃、95℃。按以上参数，如图2对金刚石晶圆衬底进行划痕实验。然而，润滑介质温度为35℃时，划痕区域的拉曼光谱显示出非常明显的金刚石信号，说明此温度下氧化铜和金刚石没有发生置换反应；当润滑介质温度为40℃、50℃、90℃时，划痕区域的拉曼光谱没有明显的特征峰，而非划痕区的拉曼光谱显示出明显的金刚石特征峰，说明氧化铜和金刚石发生置换反应，反应产生的金属铜附着在划痕区的金刚石表面，故而造成拉曼光谱没有明显信号；当润滑介质温度为95℃时，润滑液易挥发，存在一定的安全隐患。经过多组实验确定，润滑介质温度为40-90℃为合适的划擦温度区间。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (10)

1.一种活性金属氧化物磨粒与金刚石晶圆衬底界面摩擦化学反应的检测方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)在纳米压痕划痕仪的金刚石压头的针尖表面采用磁控溅射法包覆一活性金属氧化物磨粒层；

(2)将具有活性金属氧化物磨粒层的金刚石压头安装于纳米压痕划痕仪上，使该金刚石压头在金刚石晶圆衬底的表面进行划擦，获得划擦后的晶圆衬底；

(3)将上述划擦后的晶圆衬底置于扫描探针显微拉曼光谱仪上，对划擦后的晶圆衬底的划痕区进行化学成分检测。

2.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于：所述磁控溅射法的靶材包括铜、铁、锌、钴、镍和锰，通入的反应气体为氧气。

3.如权利要求2所述的检测方法，其特征在于：所述磁控溅射法中将固定于工作腔内的所述金刚石压头加热至300-600℃，溅射时间为4-6min。

4.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于：所述划擦的润滑介质为去离子水，温度为40-90℃。

5.如权利要求4所述的检测方法，其特征在于：所述划擦的温度为50℃。

6.如权利要求4所述的检测方法，其特征在于：所述划擦中，所述金刚石压头的载荷为1-30mN，划擦的速度为1-10μm/s。

7.如权利要求1至6中任一权利要求所述的检测方法，其特征在于：所述金刚石压头的曲率半径为1-50μm。

8.如权利要求7所述的检测方法，其特征在于：所述金刚石压头的曲率半径为25μm。

9.如权利要求1至6中任一权利要求所述的检测方法，其特征在于：所述活性金属氧化物磨粒层中的活性金属氧化物包括氧化铜、氧化铁、氧化锌、氧化钴、氧化镍和氧化锰。

10.如权利要求9所述的检测方法，其特征在于：所述活性金属氧化物磨粒层中的活性金属氧化物为氧化铜。