半導體行業需要具有超成品表面和無損傷地下的矽晶片。因此，瞭解單晶矽在表面處理過程中的變形機制一直是研究重點。分子動力學分析表明，在兩體接觸滑動過程中發生了無晶形層的形成，但在三體拋光中可以避免。同時，實驗研究表明，矽的相變是複雜的，並且與許多因素，如應力狀態的靜力和偏差特性以及表面過程中的載入/解除安裝速率有關。
我們探討了無化學新增劑無損傷拋光的可能性並確定了機理。利用高解析度電子顯微鏡和接觸力學，該研究得出結論，無化學物質的無損傷拋光過程是可行的。所有形式的損傷，如非晶態矽、位錯和平面位移，都可以透過避免在拋光過程中矽的b錫相的啟動來消除。當使用50nm磨料時，確保達到無損傷拋光的標稱準備量為20kPa。
透過對奈米/微壓痕和抓痕的廣泛研究，人們已經瞭解到，磨料顆粒對矽施加的力的大小對地下表面的微觀結構變化至關重要。較小的力會引起非晶形相變和一些堆積斷層，但較大的力會進一步引入位錯、R8/BC8相和開裂。理論上已經發現，在磨料載入過程中，矽的b-tin相在的微觀結構形成中起著關鍵作用。在兩體接觸情況中，即當磨料在與矽晶片的相互作用中沒有旋轉運動時，如果磨料載荷引起的應力可以小於b錫形成的閾值，則磨料顆粒離開後不會發生矽的地下損傷。在三體接觸的情況下，即當磨料具有旋轉和平移運動時，材料去除的粘附模式將留下一個完美的矽下表面。這些理論研究表明，如果我們可以在拋光過程中控制磨料和矽之間的相互作用應力，以確保b-錫相沒有被啟動，那麼如果不使用CMP過程中的化學物質，無損傷拋光是可能的。
這封信透過實驗探討了不使用任何化學物質的單晶矽無損傷拋光的可能性。實驗在商用（100）矽晶片上進行，使用羅技PM5自動片圈精密捕獲/拋光機。磨料為氧化鋁，平均粒徑分別為15lm、300nm和50nm。表1總結了所使用的拋光條件。當磨料尺寸較大時，當拋光漿中磨料的重量百分比相同時，拋光單位面積內的磨料的平均數量較少。因此，當使用較大的磨料進行拋光時，磨料矽的相互作用力較大，反之亦然。
實驗在商用（100）矽晶片上進行，使用自動片圈精密捕獲/拋光機。磨料為氧化鋁，平均粒徑分別為15lm、300nm和50nm。表1總結了所使用的拋光條件。當磨料尺寸較大時，當拋光漿中磨料的重量百分比相同時，拋光單位面積內的磨料的平均數量較少。因此，當使用較大的磨料進行拋光時，磨料矽的相互作用力較大，反之亦然。
表一 拋光條件總結
我們使用高解析度透射電子顯微鏡，研究了拋光後樣品地下的微觀結構。所有的透射電子顯微鏡研究都是在橫截面檢視樣品上進行的。<110>橫截面透射電鏡樣品採用三腳架改進技術製備。在樣品製備過程中，溫度保持在100℃以下，以避免任何結構的改變。此外，使用改進的通用摩擦計，在20kPa壓力和1mm/s滑動速度下對50nm磨料進行不同拋光時間後，測量了磨料與矽之間的摩擦係數。
圖1顯示了磨料尺寸對拋光後矽地下微觀結構變化的影響。很明顯，非晶態轉化的深度隨著磨料尺寸的增加而增加，即隨著單個磨料上的力的大小的增大而增大。
圖1 在標稱壓力37kPa下，使用(a) 15 μm、(b)300nm和(c)50nm磨料進行拋光矽的橫截面HRTEM影象
這與理論預測是一致的。此外，在使用15μm和300nm磨料拋光後，也可以觀察到其他型別的應力致對矽晶體的損傷。
當負載減少時，介面上方的結構變得完全無定形。如圖1c所示，用50nm磨料拋光產生光滑、均勻的非晶層。這得出結論，與大磨料拋光不同，奈米磨料拋光不會產生R8/BC8相和脫位，這證實了單個磨料上的力的減小幅度降低了地下損傷的程度。
當磨料-矽相互作用力的大小減小時，透過使用50nm磨料降低標稱磨壓力到25kPa，如圖2a，非晶層幾乎消失，只有少數孤立的非晶袋。透過進一步降低壓力到20kPa，我們實現了不需要任何化學新增劑所需要的無損傷拋光，如圖2b。
圖2 由於不同壓力而引起的橫截面HRTEM影象：(a) 25 kPa和(b)20kPa。
上述無損傷拋光的機理可以用矽中應力相關的相變活動來解釋。如果磨矽接觸區附近的八面體剪下應力搖桿在4.6GPa以上，但相應的流體靜力應力保持在8GPa以下，則在不形成矽b-tin相的情況下進行材料去除。因此，當磨料滑動時，矽基底將完全恢復到原來的晶體結構，沒有任何殘留損傷。為了驗證這一點，讓我們將拋光過程中的磨晶矽相互作用看作是帶摩擦的接觸滑動。根據接觸力學，臨界條件（搖桿>4.6GPa，流紋<8GPa）發生的位置取決於磨料與表面之間的摩擦係數μ。當μ接近0.5左右時，磨矽接觸區附近達到臨界應力條件。圖3顯示了我們在拋光過程中測量的摩擦係數(磨料尺寸50nm，拋光壓力20kPa)，這確實表明μ在臨界值附近，驗證了上述材料去除機制發生在機械無損傷拋光過程中，得到了圖2b的結果。
圖3 50nm磨料顆粒下磨料與矽的摩擦係數
在這種關鍵的磨光條件下單個磨料的載入/接觸條件，將有助於設計使用不同磨料尺寸和拋光壓力的無損拋光。
綜上所述，本文探討了採用無化學新增劑的機械工藝對單晶矽進行無損傷拋光的可能性和機理。我們得出的結論是，根據磨料尺寸和所施加的公稱壓力，文中指出的所有型別的損傷都可以透過避免b-tin的啟動來消除。
