磨粒振动对碳化硅CMP的微观结构演变和材料去除的影响 .pdfVIP

2024年2月第1期金刚石与磨料磨具工程Feb.2024

第44卷总第259期DiamondAbrasivesEngineering

磨粒振动对碳化硅CMP的微观结构演变和材料去除的影响

唐爱玲，苑泽伟，唐美玲，王颖

（沈阳工业大学机械工程学院,沈阳110870）

摘要针对化学机械抛光中磨料易团聚、机械和化学作用不能充分发挥等问题，采用振动辅助的方法进行

优化。通过分子动力学模拟，分析磨粒振动的频率、振幅及其压入深度、划切速度对工件表面微观原子迁移

的演变规律，揭示振动对材料去除和表面改善的促进机制；并通过振动辅助化学机械抛光工艺试验和表面

成分分析，验证振动辅助的抛光效果和去除机制。结果表明：适当增大磨粒的振动频率、振动振幅及其压入

深度、划切速度，可有效提高工件表面的原子势能和温度；磨粒振动有利于提高工件表面原子的混乱度，促

进碳化硅参与氧化反应，形成氧化层并以机械方式去除；抛光试验和成分分析也证实振动可以提高材料去

除率约50.5%，改善表面质量约25.4%。

关键词碳化硅；振动；化学机械抛光；分子动力学

中图分类号TG74;TG58;TG175文献标志码A

文章编号1006-852X(2024)01-0109-14

DOI码10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0053

收稿日期2023-03-07修回日期2023-04-09

单晶碳化硅是第三代半导体材料的典型代表，具YUAN等[15]研究了紫外光照射下碳化硅表面氧化物生

[1-4]

有高热导率、宽禁带、耐高温高压等优良性能，在半成的过程，以促进碳化硅表面氧化反应的进行。于保

[16]

导体照明、国防军工、太阳能等新兴领域具有十分广军等用振动辅助紫外光催化的方法抛光碳化硅陶瓷，

[5-7]

阔的应用前景。然而，单晶碳化硅硬度大，采用传统结果表明：振动的引入能减少光催化过程中光催化剂

[8-9]

的加工方式抛光碳化硅效率较低，表面粗糙度较高。的团聚，促进氧化反应的进行，获得的表面粗糙度均值

同时，碳化硅材料的脆性较大，在加工过程中极易产生最低，标准差最小，工件表面最平整，同时验证了振动

裂纹。目前，通过化学机械抛光（chemical-mechanical光催化复合抛光的有效性。

polishing，CMP）能够得到表面质量较高的碳化硅晶片，在碳化硅CMP的作用机理等理论方面有许多有

[10][17]

因此其常作为加工单晶碳化硅的最后一道工序。益的研究探索。罗熙淳等对单晶硅的纳米切削过程

但传统CMP中会出现磨粒团聚、分布不均匀等现进行模拟，从微观角度解释了其加工机理。MONTI等[18]

象，影响抛光效率，降低工件抛光质量。而在传统CMP用ReaxFF场对铜的抛光过程进行反应分子动力学模

[11]

中加入振动可以提高材料的去除效率，如超声振动拟，揭示了甘氨酸分子在铜（110）面上的单层和多层

[12]