关于薄膜金刚石的化学机械抛光的研究报告

摘要

纳米晶金刚石(NCD)可以保留单晶金刚石的优越杨晶模量(1100GPa)，以及在低温下生长的能力(<450C)，这推动了NCD薄膜生长和应用的复兴。然而，由于晶体的竞争生长，所产生的薄膜的粗糙度随着薄膜厚度的增加而变化，阻止了NCD薄膜在需要光滑薄膜的器件中达到其全部潜力。为了减少这种粗糙度，薄膜已经使用化学机械抛光(CMP)进行了抛光。罗技摩擦聚光抛光工具配备聚氨酯/聚酯抛光布和碱性胶体硅抛光液已被用于抛光NCD薄膜。用原子力显微镜、扫描电子显微镜和x射线光电子光谱法对所得薄膜进行了表征。在25lm2时，均方根粗糙度值从18.3nm降低到1.7nm，在0.25lm2时，粗糙度值低至0.42nm。一种表面湿氧化、附着二氧化硅颗粒和随后剪切碳的抛光机制也被提出。

介绍

纳米晶金刚石(NCD)在低成本的单晶金刚石的大面积晶石封装，以及由于低温下生长(<450C)增长的可能性，推动了薄金刚石薄膜研究的复苏。高杨氏模量为1100GPa，所有材料的最高相速度为12000m/s，其导热率高达2000W/mk，应用包括微电子机械系统(MEMS)、表面声波(SAW)设备、热管理和摩擦学涂层。

然而，金刚石并不在硅上外延生长，需要晶圆在生长之前植入纳米金刚石颗粒。随后，这些纳米晶体竞争生长成合并的NCD薄膜，导致表面粗糙度随薄膜厚度演变，超过了裂解的单晶金刚石。NCD薄膜粗糙度的增加可能对其许多关键应用有害，如在MEMS和SAW应用中AlN作为压电的集成，降低MEMS器件的Q，以及增强摩擦涂层中的摩擦。

本文报道了在室温下使用硅基抛光液和聚酯/聚氨酯抛光垫对NCD薄膜的CMP处理。值得注意的是，在垫片或浆液中都没有使用金刚石基产品，不像之前的研究使CMP后去除抛光材料变得更简单。利用扫描电子显微镜(SEM)对薄膜进行了形态学研究，原子力显微镜(AFM)推断了粗糙度，而x射线光电子光谱(XPS)则解释了抛光机理。

实验

XPS实验使用VGESCALabXPS光谱仪在1X10-9Torr下进行，使用在10kV阳极下的AlKa辐射源(1486.3eV)，发射电流为10mA。采用固定分析器传输(FAT)模式获得光谱，分别使用50eV或25eV的通量能量进行测量和“窄”XPS扫描。所有峰值拟合均使用XPSPeakFit(v. 4.1) 软件完成。根据对c1s峰的校准，报告的结合能误差为±为0.25eV。利用原子灵敏度因子将峰面积归一化为f1s光电子信号的XPS横截面。元素比由归一化峰面积计算，误差约为15-20%。

结果和讨论

形态学：图中。4显示了生长后和1-4hCMP薄膜的AFM图像，表1显示了每片25um2的5次扫描的平均粗糙度。可以看到，显微图重申了这种稳定的抛光，显示在25um2扫描中，粗糙度从18.3nmrms下降到1.7nmrms。图中也显示为蓝色。4D面积较小，为0.25um2，表明CMP和所使用的参数的局部粗糙度为0.42nmrms。三种抛光薄膜的去除率约为16nm/h。

X射线光电子光谱学：在被抛光的表面上确实形成了一系列结合相当强的分子物种(因此在XPS分析之前在样品的清洗中存活下来)。抛光1h后的f1s信号出现意外。4小时后，该信号被降低到几乎可以忽略不计的水平（见表1）。这种信号的来源很可能是用于抛光金刚石基底、化学溶液中的表面活性剂或溶剂残留物的聚合物基垫。所有这些源都可能是Cl、S和O光电子信号的额外来源。

讨论：XPS表明，薄膜的石墨含量没有显著变化，这表明转化为石墨并不是抛光的原因。依赖于转化为石墨的典型技术利用催化材料，如铁钴或镍来降低活化能，并在大约750C的温度下工作，明显高于废浆的30-50C温度。

对于金刚石，XPS已经表明CMP会导致界面区域的一般氧化；增加了表面的碳基和羟基含量。与二氧化硅抛光中的羟基键平行，我们认为OH终止有助于二氧化硅颗粒与表面的键合，如图所示。 6.与二氧化硅CMP一样，粗糙的垫子表面会在二氧化硅颗粒上产生剪切力。由于SiAO、OAC和CAC的键合强度分别为800kJ/mol、1077kJ/mol和610kJ/mol[29]，我们认为当施加这种力时，CAC键合会断裂，抛光膜表面。或者，氧化二氧化硅颗粒可以直接附着自己，而不需要中间湿化学氧化。由于这只是一个基于二氧化硅机制提出的模型，因此需要进一步的工作来验证和优化金刚石薄膜的CMP。

通过CMP的使用，已经表明，弯曲的薄膜金刚石可以抛光，而不担心薄膜开裂。该技术消除了使用昂贵的金刚石砂砾或铸铁镰刀的需要，而是使用聚酯制造行业中常见的聚酯/聚氨酯抛光垫。如图所示，可以看到相当大的行动，而不需要提高高温或高压，简化了所需的设备。因此，CMP是一种很有前途的低成本实现低粗糙度金刚石表面的方法。

 

结论

本文使用聚氨酯/聚酯毡和碱性胶体二氧化硅抛光液(SytonSF-1)对NCD薄膜进行了抛光。浆料或抛光布中均未使用金刚石基产品。最终在25um2以上的rms粗糙度值为1.7nm，在0.25um2以上的值低至0.42nm。所提出的抛光机制包括表面与抛光液的湿式氧化，促进硅颗粒附着在金刚石膜上，然后由于抛光垫的力而剪切颗粒。因此，CMP凭借其低温、操作简单、具有显著弓形抛光的晶圆，以及已经常见的CMOS行业供应，是一种有吸引力的薄膜金刚石抛光方法。