Effets de la vitesse de glissement sur l'usure tribologique du silicium sans oxyde

Résumé

Comprendre comment la vitesse de glissement régit l'usure tribologique du silicium monocristallin sans oxyde est essentiel pour optimiser le finissage de surface ultra-précis. Nous rapportons l'usure nanométrique dépendante de la vitesse de silicium fraîchement gravé contre des microsphères de SiO₂ dans l'air humide (60 % HR) et l'eau déionisée. Lorsque la pression de contact est insuffisante pour déclencher la déformation plastique du silicium, la présence de molécules d'eau facilite une réaction tribologique qui réduit progressivement le volume d'usure de manière logarithmique avec l'augmentation de la vitesse, jusqu'à un palier. La microscopie électronique à transmission et la spectroscopie Raman révèlent que la rupture et la reformation dynamiques de liaisons interfaciales Si_substrat–O–Si_pointe sous-tendent ce comportement.

Contexte

L'usure des matériaux peut être mécanique — fracture, déformation plastique ou écoulement visqueux — ou tribologique, pilotée par la rupture de liaisons assistée par contrainte et parfois la corrosion chimique. Le silicium monocristallin est une pierre angulaire de la fabrication des semi-conducteurs, et le polissage chimico-mécanique (PCM) reste la méthode la plus efficace pour obtenir des substrats atomiquement lisses. Dans le PCM, l'enlèvement de matière avant la déformation plastique du silicium est principalement tribologique.

Comme le PCM implique un mélange complexe de tampon, boue, charge et vitesse, de nombreuses études simplifient le système en examinant le silicium contre une seule microsphère de SiO₂. Des travaux antérieurs ont identifié une voie tribologique dans laquelle des ponts de liaison interfaciale transfèrent l'énergie mécanique au substrat de silicium, favorisant l'enlèvement d'atomes. Cependant, ces études utilisaient largement du silicium avec une couche d'oxyde native, ce qui modifie considérablement le comportement d'usure. Peu d'enquêtes ont abordé le silicium véritablement sans oxyde, l'état pertinent pour le PCM après enlèvement de l'oxyde.

Notre objectif était de clarifier comment la vitesse de glissement influence l'usure tribologique du silicium sans oxyde dans l'air humide et l'eau déionisée, fournissant des informations pour améliorer l'efficacité du PCM.

Méthodes

Nous avons utilisé des plaquettes Si(100) de type p, enlevant l'oxyde natif avec HF 40 % pendant 2-3 min suivi d'un nettoyage ultrasons dans le méthanol, l'éthanol et l'eau DI. La surface résultante, terminée par Si-H, avait une rugosité RMS de 0,12 ± 0,02 nm sur une zone 500 × 500 nm et un angle de contact à l'eau statique de 82 ± 2°, indiquant une hydrophobicité modérée.

À l'aide d'un AFM (SPI3800N, Seiko), nous avons fait glisser une microsphère de SiO₂ de rayon 1,25 µm montée sur un levier (k = 10,5-13,8 N/m) contre la surface de silicium à température ambiante, charge 2 µN, amplitude de rayure 200 nm, 100 cycles par test. Les vitesses de glissement variaient de 0,08 à 50 µm/s, sous 60 % HR ou dans l'eau DI.

Après test, les cicatrices d'usure ont été imagées avec une pointe Si₃N₄ pointue (R ≈ 10 nm) sous vide (<10⁻³ torr). Des analyses MET en coupe transversale (Tecnai G2, FEI) et Raman (RM2000, Renishaw) ont quantifié les dommages sous-superficiels et les changements chimiques, respectivement.

Résultats et discussion

Usure nanométrique dépendante de la vitesse dans les environnements aqueux

Les images AFM montrent un enlèvement de matière net après 100 cycles dans l'air humide et l'eau DI. Le volume d'usure diminue logarithmiquement avec la vitesse et se stabilise à ~2 × 10⁴ nm³ dans l'air et ~5 × 10⁴ nm³ dans l'eau au-delà de ~8 µm/s.

Dans l'air, la surface de Si terminée par Si-H peut adsorber des molécules d'eau, facilitant la formation de liaisons interfaciales Si_substrat–O–Si_pointe qui permettent l'enlèvement tribologique. Dans l'eau DI, la concentration d'eau plus élevée abaisse la barrière d'énergie pour l'hydrolyse, générant plus de groupes Si-OH et par conséquent des volumes d'usure plus élevés.

Usure nanométrique dépendante de la vitesse dans l'air sec

Sous la même charge de 2 µN, la pression de contact (~1 GPa) est bien en dessous de la contrainte de déformation du silicium (7 GPa). Au lieu d'enlèvement de matière, des bosses se forment, provenant de l'amorphisation induite par contrainte. Le volume des bosses diminue avec la vitesse, indiquant une transformation cristallin-amorphe incomplète à haute vitesse. Ce comportement diffère de l'usure tribologique observée dans l'air humide et l'eau, où l'enlèvement domine.

Observation MET des traces d'usure

Le MET haute résolution des cicatrices d'usure à 0,08 µm/s et 50 µm/s a révélé des réseaux de silicium bien ordonnés sous la surface usée, sans amorphisation ni dislocations. Les profondeurs des cicatrices étaient ~11 nm et ~2,3 nm, respectivement, soutenant un mécanisme tribologique où les liaisons Si_substrat–O–Si_pointe médiatisent l'enlèvement d'atomes.

Analyse Raman de la déshydratation et de l'hydrolyse

Les spectres Raman des débris d'usure affichent des pics O-Si-O et Si-OH prononcés par rapport à la surface pristine, indiquant que les réactions de déshydratation et d'hydrolyse contribuent à l'usure tribologique. Les intensités relatives de ces liaisons augmentent avec l'usure, confirmant leur rôle dans la formation et la rupture de liaisons pendant le glissement.

Mécanisme de l'usure tribologique dépendante de la vitesse de glissement

Nous proposons que des ponts interfaciaux Si_substrat–O–Si_pointe se forment sous contrainte mécanique et présence d'eau. À basse vitesse, un temps de contact suffisant permet la reformation des ponts par déshydratation, renforçant la liaison et permettant l'enlèvement de matière. À mesure que la vitesse augmente, le temps de contact réduit limite la reformation des ponts, diminuant la réaction tribologique. Au-delà de ~8 µm/s, un équilibre dynamique entre rupture et reformation produit un volume d'usure constant.

Conclusions

Nous avons démontré que l'usure tribologique du silicium sans oxyde contre des microsphères de SiO₂ diminue logarithmiquement avec la vitesse de glissement et se stabilise dans l'air humide et l'eau déionisée. Le MET confirme l'intégrité sous-superficielle, tandis que le Raman montre une déshydratation et une hydrolysis simultanées. Le comportement observé peut être modélisé par la cinétique de formation et de rupture des liaisons interfaciales Si_substrat–O–Si_pointe. Ces connaissances font progresser la compréhension fondamentale du PCM du silicium et suggèrent que le contrôle de l'hydrolyse (par exemple via le pH de la boue) peut optimiser l'efficacité du polissage.