基于HF溶液选择性刻蚀的单晶硅亚表面非晶损伤层探测方法研究

摘要

半导体产品高集成度和高性能化的快速发展，对半导体材料硅的加工表面质量提出了苛刻要求，任何超出许可范围的损伤都会降低半导体器件的性能。前期研究表明，亚表面的非晶化是单晶硅材料在超精密加工过程中的前期损伤的主要表现形式，因此非晶层特性的量化检测，对于评价单晶硅表面/亚表面损伤程度显得至关重要。目前已有的检测方法虽然可以较好地分析非晶层的力学、化学、结构等特性，但是存在诸如样品制作过程复杂、检测时间漫长、检测费用昂贵等问题，因此亟待寻求一种精确、快速、经济的检测方法。
　　研究表明，单晶硅材料的划痕损伤层能被HF溶液选择性刻蚀。根据这一特性，本文提出了一种快速检测单晶硅亚表面损伤层厚度的方法，并结合TEM检测对此方法的有效性进行了验证。进而采用此方法，对不同载荷和刻划速度下单晶硅表面的划痕损伤层厚度进行了检测，揭示了载荷和速度对单晶硅亚表面划痕损伤的影响规律。本文的主要研究结果及创新点如下:
　　(1)利用HF溶液对单晶Si(100)表面的非晶硅损伤层具有选择性刻蚀这一特性，提出了一种准确、快速地检测单晶硅亚表面非晶损伤层厚度的方法。透射电镜结果显示，HF溶液能选择性地刻蚀单晶硅划痕区域的亚表面损伤层，证实了该方法检测结果的有效性。该方法有望应用于单晶硅晶圆平坦化过程的损伤检测与控制。
　　(2)提出了一种亚表面非晶损伤层的密度测量方法。亚表面损伤层的质量可以通过对比腐蚀前后的质量差进行测定，而其体积可由软件积分的方法进行计算，从而亚表面非晶层的密度可直接由公式计算可得。
　　(3)阐述了外加载荷和滑动速度对单晶硅亚表面划痕损伤的影响。实验结果表明，当外加载荷为单晶硅临界屈服载荷的1.1倍及以下时，单晶硅亚表面的划痕损伤层厚度随刻划速度的增大而减小;当外加载荷达到临界屈服载荷的1.8倍及以上时，单晶硅亚表面的划痕损伤对刻划速度的变化不敏感。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 材料表面超精密加工

1．2．1 超精密切削技术

1．2．2 超精密磨削技术

1．2．3 超精密抛光技术

1．2．4 金刚石在超精密加工中的应用

1．3 单晶硅片超精密加工过程中的损伤

1．4 材料表面损伤检测方法

1．4．1 激光散射法

1．4．2 X射线衍射(XRD)分析

1．4．3 透射电镜(TEM)分析法

1．4．4 显微拉曼光谱分析

1．5 本文的研究意义及内容

1．5．1 研究意义

1．5．2 演技内容

第2章 实验设备及方法

2．1 实验材料

2．2 实验设备

2．2．1 原子力显微镜

2．2．2 多点接触微纳加工设备

2．2．3 其他设备

2．3 实验样品的制作

2．3．1 TEM样品制作

2．3．2 大面积线状阵列加工

2．4 表征及测量方法

2．4．1 表面形貌表征

2．4．2 微观结构表征

第3章 HF溶液对单晶硅亚表面非晶层的选择性刻蚀

3．1 划痕沟槽深度随刻蚀时间变化规律

3．2 刻蚀前后高分辨TEM观测

3．3 本章小结

第4章 基于HF溶液选择性刻蚀的单晶硅亚表面非晶硅密度测量

4．1 测量原理及方法

4．1．1 亚表面非晶硅质量的测量

4．1．2 亚表面非晶硅体积的测量

4．1．3 实验基本操作过程

4．2 非晶硅密度测量实例

4．3 本章小结

第5章 载荷与速度对非晶层厚度的影响

5．1 载荷比的确定

5．2 载荷和速度对单晶硅亚表面划痕损伤的影响

5．2．1 低载荷比下(载荷比矿η=0．39)单晶硅表面的划痕损伤

5．2．2 中等载荷比下(载荷比η=1．09、1．82)单晶硅表面的划痕损伤

5．2．3 高载荷比下(载荷比η=12．5)单晶硅表面的划痕损伤

5．3 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果