铜氧化态对唑类缓蚀剂吸附行为的影响机制：多尺度实验与理论计算研究

针对集成电路化学机械抛光(CMP)中铜线氧化腐蚀难题，中国科学院研究人员通过电化学测试、XPS分析和DFT计算，系统研究了新型缓蚀剂TT-LYK在Cu/Cu2O/CuO表面的吸附规律。发现氧含量是影响Cu-N键形成的关键因素，揭示了TT-LYK在新鲜铜表面的最优吸附性能，为开发高效环保缓蚀剂提供了理论依据。

　　

在集成电路制造领域，铜因其优异的导电性成为多层金属互连的首选材料，但化学机械抛光(CMP)过程中碱性抛光液和氧化剂会导致铜线过度腐蚀。更棘手的是，铜表面会形成Cu₂O和CuO等氧化层，这些氧化层的存在会显著改变缓蚀剂的吸附行为。目前针对不同氧化态铜表面的缓蚀剂吸附机制研究仍存在空白，特别是缺乏CuO表面的系统性研究。

为解决这一关键问题，中国科学院的研究团队选择新型环保唑类缓蚀剂TT-LYK（含多重N原子和-OH基团），通过多尺度方法探究其在Cu/Cu₂O/CuO表面的吸附规律。研究发现TT-LYK能形成疏水钝化层，其吸附强度遵循Cu > Cu₂O > CuO的顺序。该成果发表于《Applied Surface Science》，为开发通用型高效缓蚀剂提供了重要理论支撑。

研究采用电化学测试（开路电位、极化曲线、阻抗谱）、表面分析技术（EDS元素分布扫描、XPS化学态分析）、吸附等温线拟合，并结合密度泛函理论(DFT)和分子动力学(MD)模拟，构建了TT-LYK在Cu(111)、Cu₂O(111)和CuO(111)晶面的吸附模型。

Preparation of experimental materials
通过H₂O₂处理和机械抛光获得不同氧化态铜表面，XPS证实CuO表面氧原子含量达42.3%，显著高于Cu₂O(18.7%)和纯铜(3.2%)。

Open circuit potential (OCP) curve
电化学测试显示TT-LYK使所有铜电极的E_ocp发生阳极移动，10mM浓度下纯铜表面的极化电阻提升达98.7%，证实缓蚀膜的高阻抗特性。

Conclusions

1. 氧原子占据铜活性位点会阻碍Cu-N键形成，导致TT-LYK在CuO表面的吸附能(-0.38eV)显著低于纯铜(-1.52eV)
2. 纯铜表面通过Cu_cus-N键和氢键实现强吸附，接触角提升至89.2°
3. 吸附强度与表面氧含量呈负相关：纯铜(3.2%O) > Cu₂O(18.7%O) > CuO(42.3%O)

该研究首次从原子尺度阐明了氧化态对缓蚀剂吸附的影响机制，提出的"氧含量-吸附强度"负相关模型为CMP抛光液配方设计提供了量化指标。通过优选低氧环境或开发抗氧吸附缓蚀剂，可显著提升铜线腐蚀防护效果，对保障集成电路可靠性具有重要工程价值。