SiC襯底精密拋光分子動力學模擬研究進展

AbstractObjectives： Si₃N₄ ceramic cylindrical rollers show excellent service performance in extreme working conditions，buttheirhardnessbritlenesothercharacteristicsleadtodificulties inmachining.Torealizehighquality highly flexible machining manufacturing Si₃N₄ ceramic cylindrical rollers，a diamond abrasive belt superfinishing machining method for Si₃N₄ ceramic cylindrical rollers is proposed.Methods：By buildingan ultra precision machining experimental platform with a diamondabrasive belt，designing orthogonal experiments，conducting horiZontal response analysis ANOVAon the experimental data， the influences abrasive particle size in the diamond abrasive belt，abrasive belt linear velocity，abrasive belt pressure guide roller speed on the surface roughness R_a the material removal rate R_MRR Si₃N₄ ceramic cylindrical roller workpieces （? 10mm× 12mm） are studied. Results：The effects abrasive grain size inthe diamond abrasive belt onboth surface roughness materialremoval rate the workpiece arethe most significant.The effects diamond abrasive belt pressre onthe surface roughess the workpiece are largercompared to thosediamondabrasive belt linear speed guiderolerrotational speed，while the effectsdiamond abrasive belt linear speed on materialremoval rateare larger compared to those diamond abrasive belt pressure guide roler rotational speed.The minimum value surface roughness the workpiece is （20號 0.0452μm when the grain size code the diamond belt is P3ooo，the linear speed the diamond belt is 10m/s ，the pressure the diamond belt is 94N ， the rotational speed the guide roller is 300r/min ；the minimum surface roughness the workpiece is also 0.0452μm when the grain size code the diamond belt is P2ooo， the linear speed the diamond belt is 20m/s ，the pressure the diamond belt is 94N ，the rotational speed the guide roller is 200r/min When the rotational speed is 200r/min ， the maximum material removal rate is 1.07531μm/min . Conclusions： The surface quality Si₃N₄ ceramic cylindrical rolers can be effectively improved by using the superfinishing method with a diamond abrasive belt.

Key words Si₃N₄ ceramic cylindrical roller; diamond abrasive belt; surface roughness; ultra-precision machining

摘要化學機械拋光（chemical mechanical polishing，CMP）是SiC襯底平坦化的關鍵技術，目前針對CMP工藝已有大量研究，但磨粒、溶液介質與SiC表面協同作用的機理并不明確。分子動力學（molecular dynam-ics，MD）模擬是基于牛頓運動定律和量子力學原理，用于揭示物質微觀結構和性質之間相互作用的模擬方法，目前被廣泛應用于SiC表面去除機理研究。首先分析SiC精密拋光MD模擬常用的勢函數，并總結其應用領域，然后對現有的 SiC化學機械拋光MD模擬研究進行整合分析。結果表明：Tersf勢函數在機械行為方面的研究中應用較多，而研究SiC表面化學反應和吸附行為使用ReaxFF較多。SiC襯底精密拋光的MD模擬主要分為3類：SiC材料性能、磨粒磨削、SiC表面化學反應。目前大部分研究集中于磨粒與SiC表面的機械行為作用，而對化學反應機理的研究相對較少。未來研究的重點在于利用ReaxFF通過MD模擬研究SiC在各種條件下的反應機理，構建更多勢函數以適應不同拋光條件，建立綜合模型考慮多種因素對表面相互作用的影響。

關鍵詞碳化硅；分子動力學模擬；化學機械拋光；去除機理；輔助增效中圖分類號 TN305.2 文獻標志碼 A文章編號 1006-852X（2025）04-0504-13

DOI碼 10.13394/j.cnki.jgszz.2024.0070 收稿日期 2024-04-17 修回日期 2024-06-14

碳化硅（SiC）作為寬禁帶第三代半導體材料[1，在5G通信電源、新能源汽車充電樁、特高壓輸電功率器件、航空航天和國防等多個關鍵領域都扮演著核心材料的角色。SiC的晶體結構主要分為2種，分別為 β. SiC（低溫穩定立方晶系，又稱3C-SiC）和 a -SiC（高溫穩定六方晶系），它們均由共價鍵合的四面體基本單元組成[2]。此外，SiC存在多種 α_a -SiC的變體，如4H、6H等，盡管它們的密度相近，但在不同溫度下的穩定性存在差異。SiC作為一種襯底材料，其表面質量和加工精度對電子器件的性能有著直接影響。精密電子產品要求晶圓表面必須具有極高的平整度，然而SiC較高的硬脆性和較差的化學穩定性導致對其表面進行超精密加工異常困難，加工成本居高不下，嚴重限制了SiC在高端器件中的應用和發展。目前對于SiC精密加工的研究有很多，而化學機械拋光（chemicalmech-anicalpolishing，CMP）被認為是解決上述核心問題的關鍵策略之一[3-4]。目前研究人員已經對CMP工藝進行了大量的實驗研究，但其去除機理尚不完全明確，需要利用分子動力學（moleculardynamics，MD）模擬SiC拋光中的材料去除行為，以揭示其作用機理。

MD模擬是研究SiC制備及加工機理的一種高效方便的分析方法，其基于牛頓運動定律，可以依據當前分子體系的位置、速度和動能等信息，推測該體系未來的位置、速度和動能，從而揭示分子運動的規律。通過模擬SiC材料的表面結構、原子間相互作用以及拋光過程中的原子位移和應力分布等情況，可以深入理解SiC拋光機理和影響因素，優化拋光工藝，提高拋光效率和表面質量。此外，MD模擬還可以預測SiC拋光過程中可能出現的缺陷和損傷，為改進拋光工藝提供指導。本研究中綜述多種SiC表面CMP協同增效技術工藝及其作用機理的研究現狀，分析SiC精密拋光常用的勢函數及其研究的側重點，并總結SiC表面CMP的MD模擬研究進展，最后展望其發展方向。

1SiC表面CMP技術發展

SiC表面CMP技術是目前實現SiC晶圓表面平坦化最常用的方法。其主要原理是通過拋光液的化學反應和機械去除協同作用來去除SiC表面材料[5-]，其中涉及的增效技術包括Fenton反應、拋光前激光預處理[8-9]、光催化輔助[1]、電場輔助[11-13]、超聲振動[14-15]、磁流變技術[6-18]等。這些技術的應用使得在SiC表面CMP過程中可以獲得更高的材料去除率和更好的表面質量。研究人員往往會將多種不同的增效方式協同作用于SiC表面，具有代表性的協同增效方式如表1所示。

這些新技術的引入進一步提高了SiC表面CMP的效率和質量。在優化SiC精密拋光工藝的研究中，主要問題集中于如何平衡化學反應與機械去除之間的關系。為此，研究人員采用MD模擬的方法深入研究CMP過程中原子尺度下的表面相互作用機制和材料去除機理，從而優化拋光工藝、改善表面質量，為制備高性能SiC器件提供科學依據。

2SiC精密拋光MD模擬常用勢函數

在MD模擬中，原子間勢函數是描述分子系統中原子之間相互作用的數學函數，包括鍵能、角能、二面角能等鍵合作用，以及范德華力和庫侖力等非鍵相互作用。通過勢函數，可以計算出分子體系的總勢能，并據此模擬分子在不同條件下的結構和行為，為研究分子運動、相變行為等提供重要理論支持。

2.1Tersf勢函數

Tersf勢函數[2是一種在材料科學中廣泛應用的原子間相互作用勢函數。該勢函數可以描述半導體、金屬和碳等材料的電子結構和物理性質，已被廣泛用于 SiC 物理性能的模擬研究，如拉伸[27]、剪切[2]和沖擊[2]等力學行為。Tersf勢總能量的函數形式如下：

V_ij=f_C（r_ij+δ）[f_R（r_ij+δ）+b_ijf_A（r_ij+δ）]

式中： E 為系統的總能量，是由Tersf勢能和 V_ij 計算的所有原子間鍵能的總和； f_R 是一個雙體勢能，代表斥力并包括當原子波函數重疊時的正交化能量； f_A 是與鍵合相關的吸引力， b_ij 表示連接原子 i 和 j 的鍵序，f_A 和 b_ij 的乘積是三體勢能； f_c 是一個截斷函數，用于限制勢能的范圍，使得2個原子之間的相互作用在一定距離上平滑地趨向于 0;R 為截斷距離的中間值， D 為截斷的平滑過渡區間寬度； A，B 為排斥和吸引的強度參數； λ₁，λ₂ 為排斥和吸引的衰減速率； ζ_ij 為局域環境因子，描述其他原子 k 對 鍵的影響；3為鍵長差異影響的衰減因子， m 為鍵長差異的冪次； r_ij 是原子 i 和 j 之間的距離； δ 為位移參數； r_ik 是原子 i 和原子 k 之間的距離; g（θ） 為角度依賴函數; γ_ijk 為角度項的全局強度系數； θ_ijk 為原子 i，j，k 的鍵角; c，d，β，n 為材料相關參數，與材料性質有關。

表1CMP協同增效方式對比

Tab.1 Comparison synergistic enhancement modes in CMP

2.2 Tersf/ZBL勢函數

Tersf/ZBL勢函數是基于ZBL勢函數的短程成對修正的Tersf勢函數[3]，其可以更準確地描述SiC的平衡特性和短程原子碰撞行為。Tersf/ZBL勢函數的基本形式如下：

φ（x）=0.1818e^-3.2x+0.5099e^-0.9423x+

0.2802e^-0.4029x+0.02817e^-0.2016x

V^rersf 相關變量的含義與標準 Tersf勢函數表達式中相同。ZBL部分則分為2個部分：一個是庫侖排斥項，其中 分別是每個原子核中的質子數， e 是電子電荷， ε 為真空介電常數；另一個是ZBL通用屏蔽函數，其中 a₀ 是玻爾半徑（通常為 0.529AA ）。這個屏蔽函數應適用于大多數系統，然而它只在小間距（即小于1A）下準確。 f_F 為混合函數，控制Tersf勢函數與ZBL勢函數的過渡，其中 r_c 為混合區域的中心距離，A_F 為混合寬度，控制過渡的平滑性。

2.3 ABOP勢函數

Erhart和Albe在已開發的Tersf勢函數和鍵級勢函數的基礎上提出了基于分析鍵級勢（ABOP）形式的勢函數[31，它具有描述二體系統和多體系統性質的能力，可準確反映SiC原子間的共價鍵作用。此外，由于ABOP勢函數本質上是一個多體勢函數，它允許考慮在切削模擬過程中化學鍵的形成和斷裂，所以SiC顆粒、金剛石刀具會采用ABOP勢函數來模擬Si—Si、C—C和Si—C原子間的相互作用。ABOP勢函數的基本形式如下：

式中： f_C?f_R?f_A?b_ij?g_ik 相關變量含義與Tersf勢函數表達式中相同； x_ij 為局域環境因子； ω_ijk 為權重因子； α_ijk 為衰減/增強因子； E 是系統的總能量，表示系統內原子間吸引和排斥作用的勢能總和; D₀ 和 r₀ 是二聚體的鍵能和長度； β 和 s 是擬合控制電位對形狀的參數；g_ik（θ_ijk） 是鍵角函數。

2.4 Vashishta勢函數

Vashishta勢函數通過將斥力、屏蔽庫侖相互作用、屏蔽電荷-偶極相互作用和色散相互作用與基于Stillinger-Weber勢的鍵角能量相結合，已被廣泛應用于描述各種無機化合物[32-33]。Vashishta勢函數的基本形式如下[34]

式中： Z_i，Z_j 為原子 i 和 j 的有效電荷， H_ij?η_ij 為短程排斥項的強度和衰減指數， D_ij，λ_2，ij 為吸引項的強度和衰減長度， λ_1，ij 代表長程靜電相互作用的衰減長度，θ_ijk 為原子 i，j，k 的鍵角， θ_0ijk 為其理想鍵角， B_ijk 為三體相互作用的強度系數， γ_ik，γ_ij 為衰減因子，控制鍵長對三體項的影響。 U_ij^（2） 是雙體勢的一部分，而 U_ijk^（3） 是三體勢的一部分。在雙體勢中，第1項是立體排斥項，代表離子的空間大小效應；第2項是庫侖項，代表電荷轉移效應導致的庫侖相互作用；第3項是電荷-偶極項，代表由離子電子極化產生的電荷-偶極相互作用；第4項是范德華項，代表誘導的范德華相互作用。

2.5 ReaxFF

反應力場（reactiveforcefield，ReaxFF）是一種基于鍵級的分子力場，常用于MD模擬，通過MD模擬或蒙特卡羅方法研究介觀尺度下可能發生的化學反應，以及有關的熱力學與動力學性質。ReaxFF的優勢在于它能模擬化學反應過程中鍵的形成和斷裂，從而更好地捕捉分子間的相互作用。這種力場適用于多種物質體系，包括有機分子、無機小分子、高分子、金屬體系（含離子）、金屬氧化物等。通過ReaxFF模擬，研究人員可以更深人地研究化學反應機制、MD行為以及材料性質等[35]。ReaxFF的表達式為：

E=E_bond+E_VdWals+E_Coulomb+E_under+E_over+

E_lp+E_val+E_tors+E_conj+E_pen

式中： E_bond 為鍵能， E_VdWaals 為范德華作用能， E_Coulomb 為庫侖作用能， E_under 為欠配位的能量矯正項， E_over 為過配位的能量矯正項， E_lp 為孤對電子項， E_val 為鍵角能，E_tors 為二面角能， E_conj 為共軛能， E_pen 為共價鍵修正能。ReaxFF試圖提供一種具有普適性的表達式，以滿足多種化學環境的需要，因而在其發展過程中主要遵循以下準則：勢能和作用力表達式均是連續函數；每種元素只分配一種力場種類，如金屬氧化物中的氧原子力場等同于有機物中的氧原子力場；不預先定義可能發生的反應，完全遵循化學反應的內在發生機理。2012年，NEWSOME等[3利用高精度DFT計算的結果開發了Si/C/H/O系統的ReaxFF，然后使用開發的ReaxFF成功地對具有周期性邊界條件的SiC板氧化過程進行了MD模擬。

2.6各勢函數對比與應用

綜上，針對SiC材料已經開發了一系列的Tersf勢函數版本。Tersf勢函數在SiC材料的制備和性能研究中得到了廣泛的應用，并顯示出優異的仿真效果，已成為SiC材料MD模擬中最受歡迎的一類勢函數。Tersf/ZBL勢函數在Tersf勢函數的基礎上引入了ZBL勢函數，從而增強了短程相互作用，能夠更加精確地描述短程原子碰撞。ABOP勢函數在Tersf勢函數的基礎上允許考慮化學鍵的形成和斷裂，更適合應用于模擬磨損行為。Vashishta勢函數非常適合精確模擬3C-SiC中離子鍵和共價鍵的變形，包括彎曲和拉伸，被廣泛用于SiC沖擊行為和納米壓痕的模擬。ReaxFF的優勢在于能模擬化學反應過程中鍵的形成和斷裂，適合用來模擬SiC表面發生的一些化學反應、吸附等。表2將SiC拋光常用勢函數進行了對比研究。

3SiC磨拋機械去除機制MD模擬

3.1 SiC納米壓痕MD模擬

為了消除SiC表面缺陷并提高拋光效率，在分子水平上更好地理解材料去除機制至關重要。SiC的各種力學性能，如硬度、彈性模量、強度等，都可以通過MD模擬在納米尺度上得到很好的計算和分析。納米壓痕常被應用于SiC材料機械性能的MD研究，圖1所示為3C-SiC納米壓痕的MD模型。

在納米壓痕測試中，硬度和彈性模量通常通過基于Oliver和Pharr理論或赫茲理論的載荷-深度曲線來計算。SUN等通過MD模擬對3C-SiC（111）薄膜進行納米壓痕測試，探討了納米壓痕過程中棱柱環形成的機理；SZLUFARSKA等對非晶態SiC納米壓痕進行了MD模擬;ZHU等[5對3C-SiC納米壓痕進行了MD模擬，研究了位錯環在彈性階段和演化過程中的變形行為和各向異性效應。以上研究均采用了Vashishta勢函數。TIAN等[]通過MD模擬，分別計算了4H-SiC和6H-SiC的C面和Si面在納米壓痕測試后的無定型原子數；王桂蓮等[模擬了壓力對SiC相變的影響，發現壓力能促使 β. -SiC演變為 α_a -SiC。上述研究均采用了Tersf勢函數。

模擬研究發現與Si面相比，C面的材料去除效果更好。梁杰[]通過納米壓痕實驗得出：相比Si面，C面在納米刻劃過程中更易受到脆性損傷且損傷程度更嚴重，印證了模擬結果的準確性；非晶態轉變較少，由于非晶態原子區域的劃痕界面呈臺階狀的倒三角形貌且這些微小臺階的高度約為6個原子（正好是6H-SiC晶胞的高度），得出位錯與應力集中更可能發生在6H-SiC晶胞高度的整數倍層的結論，與SHI等的實驗結果一致;并且通過MD模擬發現，除非劃痕深度超過臨界水平，否則不會發生位錯，將劃痕切削深度設置為半晶格晶體高度的整數倍更有利于去除材料，獲得具有較好亞表面質量的SiC襯底。該研究為優化實際加工過程提供了理論依據。

表2SiC拋光常用勢函數對比

Tab.2 Comparison potential functions for SiC polishing

圖13C-SiC納米壓痕的MD模型[58]Fig.1 MD model nanoindentation on 3C-SiC[58]

3.2游離磨粒磨削MD模擬

通過MD模擬，可以研究磨粒與SiC表面的相互作用機制，并揭示各種因素對拋光過程的影響，進而指導優化加工參數和磨料設計。此外，還能預測加工表面的形貌和結構特征，實現對加工品質的定量評估和調控。圖2為金剛石磨粒磨削SiC表面MD模擬示意圖。

在CMP過程中，磨粒的粒徑、成分及形狀和SiC表面的材料去除率及表面粗糙度有著密不可分的關系[65-67]。唐愛玲等[8]和DO等[54]使用ABOP勢函數對金剛石磨粒與 β -SiC表面的相互作用進行模擬分析：唐愛玲等模擬了磨粒振動對SiC表面質量的影響；DO等模擬了磨粒尺寸對拋光效果的影響，發現磨粒尺寸越大、拋光深度越深，表面粗糙度越低。BIAN等[55]采用Tersf/ZBL勢函數模擬分析了三體金剛石磨粒拋光對SiC表面的影響。

圖2多種金剛石磨粒磨削MD模擬示意圖]

Fig. 2Schematic diagram MD simulated grinding with various diamond abrasive grains[69]

HUANG等研究了不同形狀金剛石磨粒對SiC材料去除率及表面形貌的影響，以及磨料的同步與異步力扭矩條件對SiC表面加工的影響[7]。ZHOU等[71-73]研究了拋光過程中金剛石不同接觸類型、磨料移動速度和運動模式對拋光效果的影響，并建立了水環境中4H-SiC的拋光模型。GAO等[5采用MD模擬揭示了單晶4H-SiC單粒磨削過程中變形和裂紋的演變過程。MENG等[通過MD模擬計算，研究了應變速率和熱效應對SiC去除行為的影響，根據不同應變速率下加工區域的機械響應和溫度分布，詳細分析了位錯的產生與傳播、非晶化和磨粒磨損行為[74]。以上模擬均采用了Tersf勢函數。

研究表明，磨粒在SiC表面有滾動和滑動2種運動方式。隨著拋光深度的增大，SiC的去除機制逐漸由以黏附和犁溝為主轉變為以切削為主，振動能通過增大磨粒的動能，從而提高材料去除率。此外，磨粒的自旋會改變SiC材料的變形機制，所以通過調控切削深度、拋光環境以及磨粒形狀可以控制SiC的材料去除機制。

3.3固結磨粒磨削MD模擬

相較于游離磨粒，固結磨粒的加工速度更快，通常也比較容易獲得更高的尺寸精度，而其缺點是表面粗糙度較大[75-77]。圖3為固結磨粒納米磨削 MD模擬示意圖。

圖3固結磨粒納米磨削MD模擬示意圖[78]

Fig.3Schematicdiagramconsolidated abrasive nano-grinding MD simulation[78]

ZHOU等[7]利用Tersf勢函數模擬了固結雙磨粒系統對SiC晶圓表面的磨削過程，著重研究了雙磨粒共同作用時產生的干涉作用；在此基礎上，又利用ABOP勢函數對多磨粒系統在SiC晶圓表面的材料去除行為進行了模擬[80]。WU等[78]利用ABOP勢函數進行MD模擬，對固結磨粒的磨粒尺寸、突出高度的不均勻性與6H-SiC納米拋光之間的關系進行了理論分析。

研究表明，納米磨粒的作用機制可以根據其切削深度和尺寸分為無磨損、附著、壓痕和切削等，并且隨著切削深度的增大，切削和磨損引起的相變原子數增多；相鄰磨粒在相互作用區域存在干涉效應，多顆磨粒共同作用時的切削深度和磨料分布主導了SiC襯底的去除行為。梁杰[開展了SiC納米壓痕以及納米刻劃實驗，并用原子力顯微鏡進行檢測，其實驗結果證實了SiC表面存在塑脆轉變點，且與模擬結果相近。通過分析在實際加工條件下多磨粒與SiC基板之間的相互作用，可以深人理解固結磨粒磨削過程中的物理機制和影響因素，為優化磨削工藝參數、提高加工效率和精度提供理論基礎。

4SiC輔助拋光機理MD模擬

4.1基于光催化反應的SiC表面氧化機理

MD模擬和量子化學計算可以模擬SiC材料的氧化作用過程。羥基自由基（·OH）在污水中有機污染物的分解方面已經有了比較廣泛的應用，學者們希望利用其強氧化性氧化SiC表面，從而達到軟化表面的效果。但由于·OH的高氧化活性（氧化電位 2.8V ）和極短的壽命，其目前只能通過間接方式檢測，在CMP中通過實驗監測·OH的反應過程并闡明其機制極為困難。揭示氧化反應機理和速率控制規律有助于理解SiC材料在氧化過程中的化學鍵斷裂、氧原子擴散等關鍵步驟，為設計和優化SiC光催化輔助拋光工藝提供理論指導[81-83]。

光催化輔助化學機械拋光（PCMP）過程中，電子和空穴首先被激發到 TiO₂ 的導帶（CB）和價帶（VB）中，隨后擴散到 TiO₂ 的表面。 O₂ 和 H₂O₂ 作為電子捕獲劑可以有效捕獲電子，生成具有氧化活性的活性氧物種（ROS），分別為 ?O₂^- 和 ?OH ?？昭梢员?H₂O 和 OH^- 捕獲，形成高活性的 σ?OH 。2023年，YUAN等[84]利用MD模擬軟件MaterialStudo對機械作用前后不同SiC結構中單個Si原子的氧化過程分別進行了模擬，并計算出單晶SiC不同氧化階段的勢能和反應勢壘，圖4所示為納米金剛石在·OH水溶液中與SiC的相互作用模型。HE等[85]研究了納米顆粒在納米精加工過程中通過單個磨粒在SiC表面滑動促進化學反應的行為，采用機械作用和化學作用相結合的方法比較了材料氧化和材料去除效果。以上模擬均采用了ReaxFF描述原子間的相互作用。

研究發現，機械磨削能夠降低SiC的反應能壘。通過對OH與SiC表面的作用過程進行模擬，以及對磨粒磨削前提下的SiC氧化反應和表面成鍵情況進行分析，發現磨料的滑動會拉伸鍵長，導致Si和C原子以 SiO₂ 、CO、 CO₂ 的形式被去除。在機械作用下，吸附在SiC表面的H原子和O原子越多，去除的Si原子和C原子就越多。

圖4納米金剛石拋光單晶SiC的模型（OH水溶液）[84] Fig.4Model nanodiamond polishing single-crystal SiC （in OH aqueous solution） [84]

4.2基于Fenton反應的SiC表面作用機理

4.2.1 氧化物與SiC表面作用機理

Fenton反應是強氧化反應，同樣將·OH作為反應的強氧化劑氧化SiC表面，主要原理是利用 H₂O₂ 和金屬離子之間的反應[86-89]。圖5所示為6H-SiC和 H₂O₂ 溶液3D化學模型。

LI等[9]模擬了Fenton反應中 H₂O₂ 水溶液與SiC表面發生的化學反應。YANG等模擬了6H-SiC在H₂O₂ 溶液拋光中的化學效應。ZHOU等通過比較干燥環境、純水和 H₂O₂ 溶液中的拋光過程，討論了環境對化學-機械相互作用機理的影響。研究表明， H₂O₂ 分子會解離成—H、—OH和一O—，并吸附在SiC表面。SiC的表面硬度和鍵合能在與 H₂O 和 H₂O₂ 反應后降低，而鍵長增加，這有利于隨后的機械去除。

模擬結果表明， H₂O₂ 首先與SiC表面的Si原子鍵合形成過渡態，然后迅速破壞O一O鍵，釋放出一個·OH基團，而·OH基團又與SiC的相鄰表面Si反應，而不是先分解再與晶體反應。

4.2.2 溶劑分子與SiC表面作用機理

近年來，研究者在關于Fenton試劑水溶液的研究中發現，除氧化物外， H₂O 也參與了SiC表面氧化過程。MORISHITA等[3使用MD模擬證實， H₂O 分子在與H₂O₂ 溶液接觸的SiC表面的Si端（0001）和C端（0001）面上都具高反應活性。TIAN等[94-95]通過MD模擬研究發現，即使沒有任何酸性或堿性溶液，SiC和去離子水在納米級拋光過程中也會發生化學反應，且納米尺度上SiC表面的材料去除行為主要是摩擦化學去除，而不是機械去除。圖6為 H₂O /6H-SiC接觸模型示意圖。

模擬結果表明，在水體系中， H₂O 分子中的0原子首先吸附于Si表面， H₂O 分子的一個O一H鍵斷裂后，分別與周圍的Si原子形成Si—OH和Si—H鍵。然后，Si—OH中的一OH與周圍的Si原子結合形成Si—OH—Si鍵。接著Si—OH—Si鍵脫H形成Si—O—Si鍵，而—OH中的H原子與Si原子結合形成Si—H鍵。ZHANG等利用DFT計算得出了類似的結果， H₂O 分子中的O原子首先吸附于SiC表面，隨后分子脫H，從而促進SiC表面氧化行為。

圖6 H₂O /6H-SiC接觸模型示意圖[94]

Fig. 6Schematic diagram H₂O / 6H-SiC contact model[94]

2023年，CHEN等[采用ReaxFF模擬了6H-SiC（001）表面與醇水溶劑體系的動態反應過程。SHEN等[]利用ReaxFF分別模擬了以水和甲醇為拋光液體載體進行拋光的過程，發現其對SiC晶片Si面和C面的表面反應出現了相似的現象。研究詳細揭示了非水溶劑提高材料去除率的機理，并為在SiC拋光工藝的第三代半導體中使用新型非水拋光漿提供了選擇依據。圖7為SiC在醇水溶劑體系中的接觸模型。

模擬發現， H₂O 分子在SiC表面會形成O—Si、H—Si鍵，從而削弱SiC的鍵能；對于 H₂O 與SiC表面之間的溶液界面反應，由于SiC存在懸掛鍵（一般晶體因晶格在表面突然終止，在表面最外層的每個原子將有一個未配對的電子），且0原子的電負性大于H原子的，H原子被認為具有空電子軌道，所以當 H₂O 分子靠近SiC表面時，H原子會與SiC表面的Si原子形成H—Si鍵。

圖7SiC和醇水溶劑體系模擬示意圖[97]

Fig.7Schematic diagram SiC alcohol solvent system simulation[97]

5總結

綜述了近年來SiC材料CMP及其輔助增效方式的作用機理研究，比較了SiC材料CMP的MD模擬相關的各種原子間勢函數，系統概述了SiC材料性能、磨粒作用方式以及表面反應的MD模擬研究進展。SiC拋光機理總結如表3所示。

Tersf勢函數依舊是目前SiC材料MD模擬中應用最為廣泛的一種勢函數，其被應用于模擬SiC材料CMP中的機械行為；ABOP勢函數在Tersf勢函數的基礎上考慮了鍵的形成和斷裂，適用于描述SiC材料的原子間相互作用；Vashishta勢函數更多地被用于模擬3C-SiC之間離子鍵和共價鍵的變形；ReaxFF則更多地被用來模擬SiC與其他物質之間的化學反應及表面吸附。

SiC材料CMP機械行為的MD模擬已經形成了成熟的計算方法，尤其在磨粒與SiC表面作用機制以及SiC力學性能研究方面已經取得了顯著進展，并且可以得到比較接近實際實驗的模擬結果。

ReaxFF由于能模擬不同分子間化學鍵的斷裂和形成，目前已被應用于SiC表面氧化行為的MD模擬，但目前ReaxFF中與SiC有關的勢函數資源較為匱乏，需要進一步加強對不同環境下SiC反應力場的開發，這對SiC在不同環境中表面反應的機理研究具有積極作用。

6展望

目前SiC材料的CMP機理方面還存在很多問題并不明確，利用MD模擬可以研究CMP中液體、氧化物和表面之間的相互作用機制，如電荷轉移、表面吸附等。但是，目前大多數研究只停留于磨粒磨削SiC表面模型的構建階段，對SiC表面氧化機理的探究較少，因此利用ReaxFF研究如何氧化SiC表面將是未來研究過程中的重點，并且需要進一步開發ReaxFF的勢函數文件，使其能適用于多場景下的SiC精密拋光。

在研究SiC氧化機理的MD模擬過程中，不同勢函數的應用領域并不相同，雖然ReaxFF能很好地模擬SiC表面氧化反應，但是使用Tersf勢函數模擬SiC與磨粒的相互作用更為合理。由于建立ReaxFF與其他勢函數的混合模型對研究人員的建模水平要求過高，所以研究人員往往采用ReaxFF單一分子間勢進行計算，計算過程中如果涉及氧化反應與磨粒磨削同步進行，可能無法精確描述SiC表面作用機制。因此，如何將ReaxFF與其他勢函數相結合，從而實現多因素共同作用下CMP的MD模擬，將會是未來研究的方向。

表3SiC拋光機理研究總結

Tab.3 Summary research on polishing mechanism SiC

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作者簡介

通信作者：孟二超，男，1984年生，博士，講師。主要研究方向：半導體材料精密加工、新型能源材料設計制備。

E-mail：mengec@ustb.edu.cn

通信作者：孫建林，男，1962年生，博士，教授。主要研究方向：材料成形摩擦、磨損與潤滑理論、半導體芯片磨拋液、量子化學計算及分子動力學模擬等。

E-mail：sjl@ustb.edu.cn

（編輯：趙興昊）

Advance on molecular dynamics simulations precision polishing SiC

ZHANG Jiayu1，MENG Erchao1， SUN Jianlin1， JI Jianzhong2 Science Beijing， Materials Science ，Beijing 100083， Trojan （Suzhou） Material Co.，Ltd.， Suzhou 215127，Jiangsu， ）

AbstractSignificance： Siliconcarbide （SiC），as arepresentative material third-generation semiconductors，holds vast potential forapplications inmicroelectronics，optoelectronics，aerospace，energy.However，itsighhardness chemical stability pose significant chalenges for processing. Chemical mechanical polishing （CMP）isa crucial technology for planarizing SiC substrates.Itcan effectively remove the damaged layer impurities on the wafer surface，achieve ahigh degree planarization， thereby enhance the performance reliability SiC devices.Extensive research has been conducted on CMP processes， yet the mechanisms interaction synergy among abrasives，solu

unn mvuon the principles quantum mechanics，is asimulation method used to reveal the interactions between the microscopic structure properties mater.It iscurrently widely applied in the study SiC surface removal mechanisms. By simulating thescratching behaviorabrasives onSiCsurfaces，changes inmaterial morphology，crystal structure，temperature，cutting force， potential energycan be observed，thereby providing deeper insights into polishing mechanisms.This in-depth understing polishing mechanisms aids in optimizing polishing process parameters， improving polishing efficiency， surface quality.Meanwhile，during the SiC CMP process，certain components inthepolishing solution interact with the SiC surface，potentiall involving aseries chemicalreactions.MD simulationcanreveal the detailed mechanisms these chemicalreactions，including the reaction pathways，reactionrates，reaction products， thereby facilitating a deeper understing the material removal mechanism during the polishing process providinga theoretical basis for optimizing polishing processes.Progress：Thearticlefirstanalyzes the potential functions commonly used in MD simulations for SiC precision polishing summarizes their application fields.It then integrates analyzes existing MD simulation studies on SiC CMP.MD simulations for SiC substrate precision polishing are mainly clasified into three categories： SiC material properties，abrasive grinding， SiC surface chemical reactions.The Tersf potential function has been widely appied in the preparation properties SiC materials，demonstrating excellentsimulationresults.Ithasbecome the most popularpotential functionforMD simulations SiC materials.The Tersf/ZBL potential functionenhances the Tersf potential function by incorporating the ZBL potential， thus adding short-range interactions providing a more accurate description short-range atomiccollsions.The ABOP potential function，basedonthe Ters potentialfunction，allowsforthebreakingchemicalbonds，making it more suitable for simulating wear behavior.The Vashishta potential function is well-suited for accurately simulating the deformation ionic covalent bonds in 3C-SiC，including bending stretching. It is widely used in simulations involving impact behavior nanoindentation SiC.The advantage the ReaxFF lies in itsability to simulate the formation breaking bonds during chemical reactions，making it suitable for simulating chemical reactions，adsorption， other phenomena on SiC surfaces.Conclusions Prospects： Currently， many aspects the CMP mechanism SiC materialsremain unclear.MD simulations can be utilized to study the interactionmechanisms between liquids，oxides， surfaces during CMP，such as charge transfer surface adsorption. Most research has focusedonthe mechanical interactions betweenabrasives SiCsurfaces，withrelatively litle atention paid to chemical reaction mechanisms.Future research willemphasize using the ReaxF through MD simulations to studythereaction mechanism SiC under various conditions，developing more potential functions to accommodate different polishing conditions， establishing comprehensive models to consider the impact multiple factors on surface interactions. During MD simulations SiCoxidation mechanisms，different potential functions have distinct appication fields.Although the ReaxFF reactive force field can efectively simulate SiC surface oxidation reactions，using the Tersf potentialfunction to simulate the interaction between SiC abrasives is more reasonable.Due to the high modeling priciencyrequired to establish mixed potential function models combining the ReaxFFreactive force field with other potential functions，researcherstenadopttheReaxFFsingleintermolecular potentialforcalculations.Ifoxidationreactions abrasive grinding occur simultaneouslyduring the calculation proces， it may not accurately describe the SiC surface interaction mechanisms.Therefore，combining the ReaxFF with other potential functions to achieve MD simulation chemical mechanical polishing under the combined action multiple factors willbe a direction for future research.

Key wordssilicon carbide; molecular dynamics simulation; chemical mechanical polishing; removal mechanism; as sisting enhancement