综述：化学机械平坦化中的原子尺度与量子力学模拟方法研究

这篇综述系统阐述了化学机械平坦化(CMP)工艺中原子尺度(DFT)和量子力学(MD)模拟方法的最新进展，重点探讨了福井函数分析、密度泛函理论和分子动力学模拟在解决材料去除率(MRR)、表面粗糙度(<1 nm)和亚表面损伤等关键挑战中的应用，为半导体制造工艺优化提供了理论指导。

　　

化学机械平坦化(CMP)作为现代集成电路制造的关键工艺，面临着材料去除非均匀性、表面缺陷生成和复杂摩擦化学反应等核心挑战。随着半导体节点进入亚10纳米时代，对工艺控制的精度要求已达到原子尺度，这促使计算模拟方法成为揭示CMP机理的重要工具。

密度泛函理论(DFT)的电子结构分析

通过Hohenberg-Kohn定理和Kohn-Sham方程，DFT可精确计算吸附能(E_ads)和电子转移过程。在铜CMP体系中，5-甲基苯并三唑(MBTA)的HOMO-LUMO能隙(ΔE=3.749 eV)和静电势分析显示N9/N10原子是关键的电子给体位点。钴表面吸附研究表明，油酸钾(PO)的吸附能(-131.972 kJ/mol)显著优于苯并三唑(BTA)，其羧酸根基团(C=O/C-O)的福井指数(f⁺=0.226)揭示了活性位点分布规律。

福井函数的反应位点预测

局部反应性描述符f⁺和f^-可精准定位分子活性位点。在TAZ/SAS60协同抑制体系中，三唑环N3原子(f⁺=0.297)与磺酸基O15原子(f^-=0.014)形成互补吸附模式，使铜去除率(RR)达到4583 ?/min。氨基酸添加剂研究表明，精氨酸在CuO表面的吸附能(-15.01 eV)显著高于金属铜(-6.67 eV)，这种氧化态依赖性为选择性抛光提供了理论基础。

分子动力学的界面过程模拟

ReaxFF反应力场成功捕捉了CMP过程中的键断裂现象。在Cu/H₂O₂/甘氨酸体系中，剪切应力使Cu原子解离能垒降低43.37 kcal/mol。二氧化硅抛光模拟显示，铈(111)晶面通过形成五配位硅中间体实现材料去除，而水分子在Ce-O-Si键解离中起关键催化作用。缺陷工程研究发现，含30% Ce³⁺的氧化铈表面，其抛光效率提升源于硅酸盐链状结构的去除机制。

多胺类添加剂通过N-Si吸附使Si-Si键伸长7-18%，将材料去除率提升80-148%。而研磨损伤的硅表面在·OH环境中会形成更多Si-O键，证实了机械预处理对化学反应活性的增强作用。这些发现为开发新型CMP浆料提供了分子设计原则。

当前挑战与未来方向

虽然机器学习力场(MLFF)已能部分替代DFT计算，但跨尺度建模和工业参数预测仍是难点。数字孪生技术整合量子模拟与工艺数据，有望实现从埃级反应到300mm晶圆级均匀性的全程预测。随着二维材料和新型互连结构的出现，开发专用力场和增强采样算法将成为下一阶段的研究重点。

这些原子尺度的认识正在推动CMP技术从经验优化向理论指导的范式转变。通过精确调控化学-机械协同效应，计算模拟方法将为1nm节点以下的半导体制造提供关键解决方案。