摘要

納米晶金剛石(NCD)可以保留單晶金剛石的優(yōu)越楊晶模量(1100GPa)，以及在低溫下生長(zhǎng)的能力(<450C)，這推動(dòng)了NCD薄膜生長(zhǎng)和應(yīng)用的復(fù)興。然而，由于晶體的競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)，所產(chǎn)生的薄膜的粗糙度隨著薄膜厚度的增加而變化，阻止了NCD薄膜在需要光滑薄膜的器件中達(dá)到其全部潛力。為了減少這種粗糙度，薄膜已經(jīng)使用化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)進(jìn)行了拋光。羅技摩擦聚光拋光工具配備聚氨酯/聚酯拋光布和堿性膠體硅拋光液已被用于拋光NCD薄膜。用原子力顯微鏡、掃描電子顯微鏡和x射線光電子光譜法對(duì)所得薄膜進(jìn)行了表征。在25lm2時(shí)，均方根粗糙度值從18.3nm降低到1.7nm，在0.25lm2時(shí)，粗糙度值低至0.42nm。一種表面濕氧化、附著二氧化硅顆粒和隨后剪切碳的拋光機(jī)制也被提出。

介紹

納米晶金剛石(NCD)在低成本的單晶金剛石的大面積晶石封裝，以及由于低溫下生長(zhǎng)(<450C)增長(zhǎng)的可能性，推動(dòng)了薄金剛石薄膜研究的復(fù)蘇。高楊氏模量為1100GPa，所有材料的最高相速度為12000m/s，其導(dǎo)熱率高達(dá)2000W/mk，應(yīng)用包括微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)、表面聲波(SAW)設(shè)備、熱管理和摩擦學(xué)涂層。然而，金剛石并不在硅上外延生長(zhǎng)，需要晶圓在生長(zhǎng)之前植入納米金剛石顆粒。隨后，這些納米晶體競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)成合并的NCD薄膜，導(dǎo)致表面粗糙度隨薄膜厚度演變，超過(guò)了裂解的單晶金剛石。NCD薄膜粗糙度的增加可能對(duì)其許多關(guān)鍵應(yīng)用有害，如在MEMS和SAW應(yīng)用中AlN作為壓電的集成，降低MEMS器件的Q，以及增強(qiáng)摩擦涂層中的摩擦。
       本文報(bào)道了在室溫下使用硅基拋光液和聚酯/聚氨酯拋光墊對(duì)NCD薄膜的CMP處理。值得注意的是，在墊片或漿液中都沒(méi)有使用金剛石基產(chǎn)品，不像之前的研究使CMP后去除拋光材料變得更簡(jiǎn)單。利用掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)薄膜進(jìn)行了形態(tài)學(xué)研究，原子力顯微鏡(AFM)推斷了粗糙度，而x射線光電子光譜(XPS)則解釋了拋光機(jī)理。

實(shí)驗(yàn)

XPS實(shí)驗(yàn)使用VGESCALabXPS光譜儀在1X10-9Torr下進(jìn)行，使用在10kV陽(yáng)極下的AlKa輻射源(1486.3eV)，發(fā)射電流為10mA。采用固定分析器傳輸(FAT)模式獲得光譜，分別使用50eV或25eV的通量能量進(jìn)行測(cè)量和“窄”XPS掃描。所有峰值擬合均使用XPSPeakFit(v. 4.1) 軟件完成。根據(jù)對(duì)c1s峰的校準(zhǔn)，報(bào)告的結(jié)合能誤差為±為0.25eV。利用原子靈敏度因子將峰面積歸一化為f1s光電子信號(hào)的XPS橫截面。元素比由歸一化峰面積計(jì)算，誤差約為15-20%。

結(jié)果和討論

形態(tài)學(xué)：圖中。4顯示了生長(zhǎng)后和1-4hCMP薄膜的AFM圖像，表1顯示了每片25um2的5次掃描的平均粗糙度?？梢钥吹?，顯微圖重申了這種穩(wěn)定的拋光，顯示在25um2掃描中，粗糙度從18.3nmrms下降到1.7nmrms。圖中也顯示為藍(lán)色。4D面積較小，為0.25um2，表明CMP和所使用的參數(shù)的局部粗糙度為0.42nmrms。三種拋光薄膜的去除率約為16nm/h。
       X射線光電子光譜學(xué)：在被拋光的表面上確實(shí)形成了一系列結(jié)合相當(dāng)強(qiáng)的分子物種(因此在XPS分析之前在樣品的清洗中存活下來(lái))。拋光1h后的f1s信號(hào)出現(xiàn)意外。4小時(shí)后，該信號(hào)被降低到幾乎可以忽略不計(jì)的水平（見(jiàn)表1）。這種信號(hào)的來(lái)源很可能是用于拋光金剛石基底、化學(xué)溶液中的表面活性劑或溶劑殘留物的聚合物基墊。所有這些源都可能是Cl、S和O光電子信號(hào)的額外來(lái)源。
       討論：XPS表明，薄膜的石墨含量沒(méi)有顯著變化，這表明轉(zhuǎn)化為石墨并不是拋光的原因。依賴于轉(zhuǎn)化為石墨的典型技術(shù)利用催化材料，如鐵鈷或鎳來(lái)降低活化能，并在大約750C的溫度下工作，明顯高于廢漿的30-50C溫度。
       對(duì)于金剛石，XPS已經(jīng)表明CMP會(huì)導(dǎo)致界面區(qū)域的一般氧化；增加了表面的碳基和羥基含量。與二氧化硅拋光中的羥基鍵平行，我們認(rèn)為OH終止有助于二氧化硅顆粒與表面的鍵合，如圖所示。6.與二氧化硅CMP一樣，粗糙的墊子表面會(huì)在二氧化硅顆粒上產(chǎn)生剪切力。由于SiAO、OAC和CAC的鍵合強(qiáng)度分別為800kJ/mol、1077kJ/mol和610kJ/mol[29]，我們認(rèn)為當(dāng)施加這種力時(shí)，CAC鍵合會(huì)斷裂，拋光膜表面。或者，氧化二氧化硅顆粒可以直接附著自己，而不需要中間濕化學(xué)氧化。由于這只是一個(gè)基于二氧化硅機(jī)制提出的模型，因此需要進(jìn)一步的工作來(lái)驗(yàn)證和優(yōu)化金剛石薄膜的CMP。
       通過(guò)CMP的使用，已經(jīng)表明，彎曲的薄膜金剛石可以拋光，而不擔(dān)心薄膜開(kāi)裂。該技術(shù)消除了使用昂貴的金剛石砂礫或鑄鐵鐮刀的需要，而是使用聚酯制造行業(yè)中常見(jiàn)的聚酯/聚氨酯拋光墊。如圖所示，可以看到相當(dāng)大的行動(dòng)，而不需要提高高溫或高壓，簡(jiǎn)化了所需的設(shè)備。因此，CMP是一種很有前途的低成本實(shí)現(xiàn)低粗糙度金剛石表面的方法。

結(jié)論

本文使用聚氨酯/聚酯氈和堿性膠體二氧化硅拋光液(SytonSF-1)對(duì)NCD薄膜進(jìn)行了拋光。漿料或拋光布中均未使用金剛石基產(chǎn)品。最終在25um2以上的rms粗糙度值為1.7nm，在0.25um2以上的值低至0.42nm。所提出的拋光機(jī)制包括表面與拋光液的濕式氧化，促進(jìn)硅顆粒附著在金剛石膜上，然后由于拋光墊的力而剪切顆粒。因此，CMP憑借其低溫、操作簡(jiǎn)單、具有顯著弓形拋光的晶圓，以及已經(jīng)常見(jiàn)的CMOS行業(yè)供應(yīng)，是一種有吸引力的薄膜金剛石拋光方法。