原子台阶构建揭示6H-SiC基底划痕表面形成机制：晶格结构与变形行为的原子尺度解析

针对6H-SiC超精密加工中表面缺陷控制难题，研究人员通过分子动力学模拟(MD)和高速划痕实验，揭示了不同双原子层(A/B/C/A′/C′/B′)划痕的原子台阶形成机制。发现C/B′过渡层更易引发基底面位错滑移，实现更低亚表面损伤深度和更高材料去除效率，为原子级SiC基底加工工艺优化提供理论依据。

　　

硅碳化硅(SiC)作为第三代宽禁带半导体材料，凭借超高硬度、优异热导率和抗辐射性能，在航空航天和精密仪器领域大放异彩。然而这些"超能力"却成为加工时的"阿喀琉斯之踵"——传统机械加工极易在6H-SiC基底表面留下纳米级划痕缺陷。更棘手的是，当加工精度进入原子尺度时，材料去除过程与晶格排列的量子化特性产生奇妙耦合，使得传统连续介质理论难以准确预测表面形成机制。

陕西某高校团队在《Materials Science in Semiconductor Processing》发表的研究，犹如为科学家们配备了一副"原子级显微镜"。他们创新性地以6H-SiC的六种双原子层(ABCACB′序列)为研究单元，通过分子动力学模拟(MD)结合高速划痕实验，首次捕捉到划痕表面原子台阶与晶格排列的精确对应关系。研究发现，当金刚石刀具划过C/B′这类原子取向过渡层时，材料会像"多米诺骨牌"般沿着基底面发生定向位错滑移，相较其他原子层可降低30%亚表面损伤深度，同时提升材料去除效率。这一发现为突破SiC原子级加工工艺瓶颈提供了关键理论支撑。

研究采用LAMMPS软件构建6H-SiC(0001)晶面模型，设置0.25-1.5nm划痕深度对应不同双原子层组合。通过分析切削力波动、位错演变和相变过程，结合实验观测的台阶高度与晶格常数c的定量关系，验证了模拟结果的可靠性。

Comparison of simulations and experimental results
实验观测显示划痕轮廓呈现与6H-SiC单胞高度(1.5nm)整数倍匹配的台阶特征。分子模拟进一步揭示：当划痕深度跨越C/B′过渡层时，材料通过基底面<11-20>方向的位错滑移实现塑性变形，而非其他层常见的非晶化转变。这种取向依赖性变形机制，使得C/B′层加工时切削力波动幅度降低40%。

Conclusions
研究证实6H-SiC划痕表面原子台阶源于其ABCACB′晶格堆垛序列的周期性变化。C/B′过渡层特有的原子取向突变，促使材料优先通过基底面位错滑移释放应力，这种"以柔克刚"的变形机制可显著改善加工质量。该成果为开发基于晶格取向调控的SiC原子级加工新工艺奠定基础，对推动第三代半导体器件性能提升具有重要意义。

值得注意的是，团队首次提出"原子台阶构建"加工策略——通过精确控制进给深度使划痕始终终止于过渡层，可同步实现高效率和低损伤加工。这种将量子化晶格特性转化为工艺优势的创新思路，为其他难加工材料的精密制造提供了范式参考。