基于导电性变化的单晶硅表面机械损伤检测方法研究

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1、国内图书分类号：TH117.1密级：公开国际图书分类号：621西南交通大学研究生学位论文基于导电性变化的单晶硅表面机械损伤检测方法研究年级二零一五级姓名刘潇枭申请学位级别工程硕士专业机械工程指导老师余丙军二零一八年五月ClassifiedIndex:TH117.1U.D.C:621SouthwestJiaotongUniversityMasterDegreeThesisSTUDYONTHEDETECTIONMETHODOFMECHANICALDAMAGEOFMONOCRYSTALLINESILICONSURFACEBASEDONTH

2、ECHANGEOFELECTRICALCONDUCTIVITYGrade:Postgraduate2015Candidate:XiaoxiaoLiuAcademicDegreeAppliedfor:MasterDegreeSpeciality:MechanicalEngineeringSupervisor:BingjunYuMay.2018西南交通大学硕士研究生学位论文第I页摘要单晶硅具有优良的物理、化学、机械及半导体性能，因此被作为基础材料广泛用于大规模集成电路、半导体器件以及光伏太阳能电池制造过程中。单晶硅资源储藏丰富、性能稳定

3、以及无毒害污染，在工业中得到大量生产。目前，单晶硅生产加工过程中的切割、磨削、抛光等步骤容易对硅片造成损伤，这类损伤将影响其余加工工序，并且残留的损伤将直接影响器件的使用性能和寿命。因此，及时检测出单晶硅片加工中产生的损伤对提高其生产效率和良品率有重要意义。常用的单晶硅损伤检测技术如化学腐蚀法、X-射线衍射法、透射电镜法及显微拉曼光谱法等检测方法各自具有其优势，但一定程度上存在着局限性，难以满足当前电子通讯技术和纳米技术发展的需求。随着扫描探针技术的发展，导电原子力显微镜的功能不断扩展精度逐渐提高，对于表征和检测纳米级材料微观性能有

4、许多优势。然而，目前关于导电原子力显微镜对单晶硅损伤检测的研究还较少，对于其检测单晶硅损伤的方法及原理还不清楚，尚需开展深入的研究。本文综合运用导电原子力显微镜、课题组自主研制的多点接触微纳米加工设备及纳米力学测试系统等仪器，系统地研究了利用导电原子力显微镜检测单晶硅划痕损伤的方法，并结合划痕区域透射电镜图像解释了单晶硅损伤导电性检测的机理；在此基础上，提出了适用于硅片抛光损伤检测的方法及验证了其应用的可行性。本论文的主要研究内容和创新点如下：（1）考察了扫描速度和扫描角度对导电原子力显微镜电流信号的影响。在利用导电原子力显微镜扫描

5、过程中，当样品表面形貌起伏较大，且扫描速度较快时，将会产生较强的干扰电流信号，这种信号并非源自材料本身特性，而扫描速度较低时则不产生此电流信号。分析表明，产生的干扰电流信号为探针-样品结构在高速扫描时形成的Maxwell位移电流，并非材料表面电流信息的反映。因此，降低扫描速度可消除位移电流，得到真实的样品表面电流情况。（2）探究了单晶硅机械划痕表面电流产生的规律。利用多点接触摩擦诱导纳米加工设备对单晶硅表面进行刻划，然后使用导电原子力显微镜检测其损伤区域。考察了不同载荷下损伤区域表面的电流分布以及相同载荷损伤区域在不同偏转电压下的电

6、流分布，结果表明，随着刻划载荷或检测偏压的增加，电流均会增大；同时，对比了单晶硅表面西南交通大学硕士研究生学位论文第II页摩擦诱导纳米凸结构和摩擦化学诱导无损去除区域表面的电流检测结果，仅在高速下（40-1000µm/s）的摩擦诱导纳米凸结构表面检测到了电流。（3）阐述了单晶硅机械损伤导电机理及其应用。通过对比摩擦诱导凸起表面的导电性结果，并进一步利用高分辨透射电镜（HRTEM）分析表明，摩擦诱导非晶化不会引起导电性增加，而刻划导致的晶格畸变是引起导电性增加的主要原因。分析表明，由于畸变层降低了电子流动的能量势垒，使得电子更易通过划

7、痕损伤区域。基于此导电性变化的原理，本文提出了针对单晶硅片表面损伤的简单快速、低成本、无损伤检测的方法。本文研究了单晶硅机械划痕表面导电性变化的规律，通过对比摩擦化学诱导无损去除区域及摩擦诱导纳米凸结构的表面导电性，并结合高分辨透射电镜（HRTEM）分析结果，揭示了单晶硅表面机械损伤导电机理。据此，提出了可用于硅片的简单快速、低成本、无损伤检测的方法，进一步丰富了硅片检测手段，为提高硅片的良品率提供了新方法。关键词：导电原子力显微镜；单晶硅；损伤检测；机械划痕西南交通大学硕士研究生学位论文第III页AbstractMonocryst

8、allinesiliconhasbeenextensivelyemployedasabasicmaterialforlargescaleintegratedcircuits,semiconductordevicesandphotovo