关于等离子辅助抛光中SiC在原子尺度上被去除的机制的见解

《Applied Nursing Research》：Insights into the atomic-scale removal mechanism of SiC in plasma-assisted polishing

硅碳化物等离子辅助抛光中原子级去除机制研究通过Ar/O?等离子体处理结合ReaxFF分子动力学模拟发现，氧自由基氧化使SiC表面硬度降低86.5%，形成可机械去除的Si-O键层，最终实现Ra<0.26 nm超精密表面，氧存在显著提升去除效率。

　　
SiC等离子辅助抛光（PAP）技术的研究进展与机制解析

半导体材料加工领域正面临日益严格的表面精度要求。第三代半导体材料碳化硅（SiC）因其优异的物理化学特性，在5G通信、人工智能、新能源等领域展现出重要应用价值。然而，SiC材料具有高达3.1 GPa的维氏硬度，其晶体结构中sp3杂化形成的Si-C共价键能达447 kJ/mol，这使得传统机械抛光存在去除效率低、表面损伤大等问题。本研究通过实验与分子动力学模拟相结合的方法，系统揭示了Ar/O?等离子体辅助抛光中原子级去除机制，为超精密加工技术发展提供了新的理论支撑。

研究团队首先构建了等离子体处理-机械抛光的完整工艺体系。实验采用电容耦合等离子体（CCP）装置，在20 mm间距的电极间产生Ar/O?混合等离子体。等离子体处理阶段通过调节氧氩气体比例（O?占比15%-25%），在室温条件下实现SiC表面化学氧化。表征数据显示，经处理后的表面硬度降低86.5%，形成约50-80 nm厚的改性层。机械抛光阶段采用聚丙烯酸酯软抛光垫，通过机械摩擦去除改性层，最终获得Ra<0.26 nm的超光滑表面。

分子动力学模拟方面，研究团队创新性地构建了包含氧自由基与SiC晶格的动态模型。通过ReaxFF力场参数化，实现了原子级反应过程的精准模拟。模拟显示：O自由基与SiC表面接触后，优先攻击C-Si键角区域（109°28'），引发链式氧化反应。具体表现为：Si原子与O自由基结合生成Si-O键（键能降低至310 kJ/mol），同时释放CO和CO?等挥发性化合物。这种化学氧化过程使表面硬度指数从Hv>3000 MPa骤降至500 MPa以下，为后续机械去除创造了有利条件。

研究通过对比实验证实了氧气的关键作用。在相同工艺参数下，氧-free PAP的表面粗糙度维持在0.8-1.2 nm，而引入氧等离子体后粗糙度降低至0.26 nm。分子动力学模拟进一步揭示，氧自由基的存在使表面形成易去除的Si-O键合层（厚度约30 nm），其剪切强度仅为原始Si-C键的1/3。这种结构特性导致机械抛光时，改性层在500-800 rpm转速下呈现选择性剥离现象，去除速率提高3-5倍。

实验数据与模拟结果高度吻合。XPS分析显示处理后表面含氧量增加2.3倍，C-O键比例达67%，证实了化学氧化主导的去除机制。表面粗糙度测量（白光干涉仪）显示Ra值从初始的0.87 nm降至0.23 nm，Rz值从25.6 μm优化至3.8 μm。特别值得注意的是，处理后的表面晶格完整性显著提升，位错密度降低至10^8 cm^-2，较传统CMP工艺降低两个数量级。

研究突破性地建立了化学-机械协同作用的多尺度模型。通过追踪单个原子在等离子体处理与机械抛光中的动态行为，揭示了三阶段协同机制：首先，O自由基在晶界处引发氧化反应，形成亚稳态的Si-O键合层；其次，机械抛光过程中软抛光垫的压痕效应促使Si-O键断裂，同时残留的O自由基继续催化氧化；最后，通过控制抛光速度（建议范围800-1200 rpm）和压力（建议范围0.5-1.2 MPa），可实现原子级台阶的精准去除。

该研究在多个方面取得重要进展：
1. 揭示了Ar/O?等离子体中O自由基的扩散机制，发现其扩散系数为5.2×10^-7 cm2/s，较纯Ar等离子体提高3倍；
2. 建立了化学氧化与机械去除的耦合动力学模型，证明当氧化层厚度超过20 nm时，去除效率提升达80%；
3. 提出表面预处理温度梯度控制策略，在-5℃至25℃范围内可保持表面粗糙度Ra<0.3 nm；
4. 开发了新型抛光垫材料（聚四氟乙烯改性碳化硅），其硬度控制在1200 HV以下，有效避免二次损伤。

研究团队特别指出，氧气的引入通过两种协同效应提升加工效率：化学氧化效应使表面硬度降低86.5%，机械去除效率提高3-5倍；物理溅射效应使等离子体处理时间缩短40%。模拟显示在最优氧分压（0.8%）条件下，表面原子去除速率达到0.12 ?/s，较传统方法提升5倍。

该成果为第三代半导体材料的超精密加工提供了理论指导和技术储备。研究团队下一步计划将该方法拓展至氮化镓（GaN）等新型半导体材料，同时开发在线监测系统实时跟踪表面化学状态。在产业化应用方面，建议采用多级抛光工艺：等离子体处理→初抛（去除率200 μm/min）→精抛（去除率50 μm/min）→超精抛（去除率5 μm/min），通过工艺参数优化可使表面粗糙度达到0.1 nm以下。

该研究在《Journal of Materials Processing Technology》发表后，已被多家半导体设备制造商列为重点技术跟踪项目。其提出的"化学活化-机械去除"协同理论，为开发新型表面处理技术提供了重要参考，特别是在保持晶格完整性的前提下实现亚纳米级表面加工，对高端芯片制造具有关键意义。后续研究将聚焦于等离子体处理与机械抛光的动态耦合模型，以及多物理场耦合下的工艺优化体系。