铝氮化镓单晶化学机械抛光中表面凹坑缺陷的多尺度形成机制与调控研究

为解决AlN单晶化学机械抛光(CMP)过程中表面凹坑缺陷影响器件可靠性的问题，研究人员通过多尺度关联模型揭示了机械载荷-应力松弛-位错演变的协同作用机制。结合原位纳米压痕、Abaqus有限元模拟和原子力显微镜(AFM)划痕实验，发现残余应力释放主导缺陷形貌演化，ZrAl -VN 复合缺陷通过化学机械协同作用加剧发射峰展宽。该研究为宽禁带半导体超精密加工损伤控制提供了新范式。

　　

在半导体器件制造领域，铝氮化镓(AlN)因其6.2 eV的超宽带隙特性，成为高温、高功率应用的理想材料。然而，化学机械抛光(CMP)过程中产生的表面凹坑缺陷如同"隐形杀手"，会引发器件提前失效。传统研究多聚焦于氮化镓(GaN)或碳化硅(SiC)，对AlN这种更脆性材料在CMP中的损伤机制却鲜有触及。更棘手的是，现有单物理场分析方法难以解释机械载荷与化学腐蚀的协同效应，导致缺陷控制如同"盲人摸象"。

针对这一挑战，国内某研究团队在《Surfaces and Interfaces》发表的研究中，创新性地构建了从纳米到微米尺度的全链条分析模型。研究采用自主生长的AlN单晶为样本，通过"三步走"技术路线：首先用纳米压痕仪模拟抛光压力，结合激光共聚焦显微镜(LSCM)捕捉形貌演变；接着通过Abaqus软件重构磨粒压入时的三维应力场；最后采用原子力显微镜(AFM)探针实现单磨粒划痕实验，同步采用光致发光光谱(PL)检测Zr_Al
-V_N
缺陷复合体的光学特征。

机械载荷对AlN单晶的影响章节揭示，当载荷从2 mN增至10 mN时，压痕深度呈现非线性增长，在保载阶段出现明显的蠕变行为。这暗示着AlN的弹塑性转变存在临界阈值，超过该值会导致不可逆损伤。通过晶圆解理实验验证的有限元模型显示，磨粒边缘会形成高达2.3 GPa的拉应力集中区，成为凹坑萌生的"策源地"。

应力松弛与位错演化部分通过电子背散射衍射(EBSD)观察到<0001>晶面的优先滑移现象。有趣的是，AFM划痕实验捕捉到"台阶-平台"结构的解离过程，证实基底原子沿(11-20)面的定向迁移是位错增殖的主要途径。这种晶格畸变会引发多米诺骨牌效应，使局部应变能累积形成微米级凹坑。

最关键的发现出现在化学-机械协同效应分析中。PL光谱在3.82 eV处检测到异常展宽的发射峰，经第一性原理计算证实，这是磨料嵌入形成的Zr_Al
(锆替代铝)-V_N
(氮空位)复合缺陷所致。就像"化学胶水"般，这些缺陷会锚定磨粒碎片，加速二次损伤的形成。

该研究首次建立了CMP过程中机械-化学耦合作用的完整图谱，其创新性体现在三方面：一是发现残余应力释放是凹坑形核的初始驱动力；二是阐明位错滑移诱导的晶格畸变主导缺陷扩展；三是揭示磨料-基底化学键合对缺陷演变的催化作用。这些结论为开发低损伤AlN抛光工艺提供了理论基石，特别对5G射频器件等需要原子级平整度的应用具有重要指导价值。未来研究可进一步探索不同晶面取向与抛光液化学成分的协同优化策略。