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大氣電漿輔助鑽石拋光技術

刊登日期：2024/09/02

摘要

單晶鑽石被認為是下一代功率元件的理想材料。在本文中，將使用以空氣為主要氣體和過氧化氫為反應前趨物的常壓等離子體系統生成羥基改質藍寶石拋光墊，再透過拋光機下承載盤的旋轉運動，使羥基改質後的藍寶石拋光墊與單晶鑽石表面發生反應，而達到單晶鑽石拋光的效果。為了證明所提出方法的有效性，在室溫下的大氣條件下，使用藍寶石拋光墊在無和有大氣電漿處理的情況下對鑽石進行拋光測試。透過表面形貌量測儀和白光干涉顯微鏡測量和評估材料去除率和表面粗糙度。驗證使用大氣電漿的材料去除率達0.9 μm/hr比沒有大氣電漿照射的材料去除率(0.085 - 0.12 μm/hr)高大約九倍。拋光後表面粗糙度從70 nm降低到5 nm。

Abstract

Single-crystal diamond is considered an ideal material for next-generation power devices. In this article, an atmospheric plasma system using air as the main gas and hydrogen peroxide as the reaction precursor will be used to generate hydroxyl groups. The generated hydroxyl groups will then be transmitted through a sapphire polishing pad and react with the single-crystal diamond surface to achieve diamond polishing. To demonstrate the effectiveness of the proposed method, a sapphire polishing plate was used to polish diamond substrates with and without plasma irradiation under atmospheric conditions at room temperature. The surface material removal rate and roughness were measured and evaluated using a surface profiler and white light interferometric microscopy. The results verify that the material removal rate with atmospheric plasma treatment is approximately 0.9 μm/hr, which is about nine times higher than the material removal rate without atmospheric plasma exposure (0.085 - 0.12 μm/hr). The surface roughness after polishing is reduced from 70 nm to 5 nm.

前言
鑽石為寬能隙的材料，其優異的物理以及電性特性，適合取代目前的矽基材料，做為高溫操作、高功率、耐高壓的新一代半導體材料[1-3]。然而，鑽石為目前硬度最高的材料(莫氏硬度：10)，因此在晶圓加工的研磨製程中，通常需要使用添加相對堅硬的磨粒如鑽石磨粒的磨輪、或研磨液來執行平坦化的製程。然而其機制使用下壓力以及旋轉力使硬物質硬對硬對磨而達成材料移除的目標，因此在加工過程中，容易產生加工損傷層。
因此，國際上積極思考拋光的方案，其中，住友電氣工業於鑽石磨料添加強氧化劑(K₂S₂O₈)提升移除率加工效率，用以提升材料移除率。然而仍以磨料移除為主要機制，所以在研磨的過程中仍會產生加工損傷層，其解決方法為拋光製程後段(與目標厚度差距15~20 %)降低下壓力、或調製稀釋的拋光液來降低損傷層[4-5]。而熊本大學則發展紫外光誘發拋光墊氧化技術與紫外線(172 nm, 3.6 mW/cm₂)引起的光化學反應，使鑽石最表面上的碳原子被活性物質氧化局部高溫下的羥基自由基（OH自由基）和氧自由基等物種，最後反應生成CO和CO2脫離表面而達到拋光目標[6]。至於大連大學則運用特製材料砂輪，機制為通過加熱將鑽石轉化為非金剛石碳（尤其是石墨），以及鑽石與催化金屬盤的相互作用，然後通過機械摩擦，氧化和擴散將非金剛石碳去除到金屬盤中，催化金屬通過其不成對的d電子作用在金剛石表面上[7]。如果拋光板的金屬結構適合與金剛石表面上的幾個碳原子垂直鍵合，則鑽石傾向於更容易轉化為石墨而達到拋光移除效果。由上述的國際拋光解決方案，均以化學輔助的方式來加強拋光的速率，以強氧化劑、或與組成鑽石的碳元素產生化學反應的方式來達成目標。
而大氣電漿[8]，同樣是一種可產生與碳元素作用官能基的能量源，與UV光照誘發氧化反應與C元素反應的反應機制類似，但大氣電漿與UV光的不同處，在於大氣電漿為一種可使氣體產生部分離子化的能量源，藉由選擇主要產生電漿的氣體種類或於電漿主氣體外添加的前驅物種類，即可產生相對應的離子、亞穩態物種或者自由基，例如本文所需要的羥基(-OH)分子，其可選用以空氣為主的主氣體源，添加含有氫、或氫氧元素的反應前驅物(如H₂O、H₂O₂)，具有與鑽石最表面的碳原子反應而達到材料移除目的。
因此，本文提出一種以大氣電漿作為羥基裝置的輔助鑽石拋光模組，架設於拋光機台的一側，藉由電漿照射石英或藍寶石材質研磨墊，使其表面生成高濃度羥基分子鍵結，再藉由機台的轉動，使活化的藍寶石研磨墊與單晶鑽石接觸，使羥基轉移至單晶晶圓表面。透過不斷的旋轉轉移羥基分子使研磨墊以及待磨單晶鑽石表面累積足夠改質層。而後透過研磨墊與鑽石晶圓局部接觸時的高溫，促使羥基脫水縮合形成鍵結後，將碳基晶圓最表面的碳原子移除，達到材料移除平坦化效果，推估的反應則如圖1所示。