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我們通過考慮Si和二氧化硅在磨損過程中之間的化學反應(yīng)來研究摩擦相互作用的起源。使用原子力顯微鏡(AFM)，這是一個強大的工具的原子尺度磨損分析。4-6磨損試驗是通過在氫氧化鉀溶液中在不同pH值下用SiAFM尖端在硅片上劃傷熱氧化的二氧化硅薄膜來進行的。通過磨損試驗比較摩爾中硅與二氧化硅的去除體積，研究了硅與二氧化硅之間的化學反應(yīng)，以闡明原子尺度上的硅去除機理。

本實驗使用了帶有封閉玻璃流體單元的商業(yè)式AFM，將溶液注入電池后，將Si尖端帶到二氧化硅薄膜上，劃傷薄膜表面進行磨損試驗。在1~6mN的正常載荷下，連續(xù)3、8、18和38個循環(huán)，尖端掃描速度為20mm/s，劃傷了10 310 mm的區(qū)域，然后，在約0.2mN的正常載荷下，使用相同的Si尖端，觀察到較大的二氧化硅表面積為20 320 mm來成像磨損標記，二氧化硅去除體積由劃痕面積（100mm2）和磨損標記的觀測深度的乘積得到。為了澄清表面氧化，我們用透射電鏡（透射電鏡）觀察了硅尖端，由于尖半徑小于10nm，沒有任何蝕刻處理就獲得了尖尖的原子尺度圖像。

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圖2

具有少量天然氧化物層的硅單晶的晶格平面清晰可見，在氫氧化鉀溶液中劃傷二氧化硅表面后的典型Si尖端的掃描電鏡圖像中顯示（見圖2），硅尖端的頂端已被均勻地去除，并在尖端的末端暴露出一個平坦的表面。在1~6mN的3、8、18和38個劃傷循環(huán)下，溶液pH中摩爾的Si磨損體積的依賴性。結(jié)果表明，硅的磨損量在pH10.2-12.5處達到峰值，這一結(jié)果與實際硅CMP的拋光行為相似。

圖5顯示了二氧化硅表面磨損標記的深度作為pH12.5下抓痕循環(huán)次數(shù)和1.89~2.40mN的正常荷載的函數(shù)，可見磨損深度隨著刮傷循環(huán)次數(shù)的增加而增加，最大深度小于30nm，比初始的二氧化硅薄膜厚度更薄。結(jié)果還表明，每個劃痕的深度所有循環(huán)的長度均小于1nm。這表明，在磨損測試過程中，需要從二氧化硅表面去除原子層。

圖5

利用原子力顯微鏡檢測了氫氧化鉀溶液中不同pH值下硅尖端和二氧化硅薄膜之間的磨損行為，且發(fā)現(xiàn)硅尖去除量與溶液的pH值有很大的關(guān)系，并在pH10.2-12.5時達到最大值。這一結(jié)果表明，硅尖端的磨損行為與硅晶圓的實際化學機械拋光行為相似。結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，無論溶液的pH值如何，摩爾中的硅去除體積都近似等于二氧化硅。這個等式意味著Si-O-Si橋之間形成一個硅原子和一個二氧化硅分子磨損界面，其次是硅尖端的氧化，最后鍵破裂的尖端運動和硅物種包括Si-OSi橋溶解在氫氧化鉀溶液中。

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拋光量與硅晶圓在實際CMP中的拋光行為相似。結(jié)果表明，硅尖去除體積與二氧化硅薄膜的去除體積吻合較好。并討論了晶尖尖端與二氧化硅表面磨損界面上的化學反應(yīng)，并提出了原子尺度上的表面硅去除機制，包括硅橋界面的形成，然后是硅尖端的氧化，最后是尖端運動的鍵斷裂，包括晶硅橋在內(nèi)的硅物質(zhì)溶解在氫氧化鉀溶液中。這些結(jié)果表明，界面上硅橋的形成是控制原子尺度上硅表面拋光行為的一個重要因素。