《Materials Science in Semiconductor Processing》：Atomic-scale insights into SiC machining: A review of molecular dynamics and reactive molecular dynamics simulations
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硅 carbide加工机理的分子动力学与反应性分子动力学模拟研究。本文系统综述了MD与Reax FF MD在SiC纳米压痕、划痕、切割及多种辅助抛光技术中的应用，揭示了塑性变形、相变、氨化及氧化机制的作用规律，指出Reax FF MD在动态键合反应模拟中的优势。未来需加强多尺度模拟、机器学习势函数开发及混合加工过程建模。
Congyue Luo|Xuelai Li|Julong Yuan
浙江工业大学机械工程学院，杭州，310023，中国
摘要
分子动力学（MD）和反应分子动力学（Reax FF MD）作为原子尺度模拟的关键方法，为研究碳化硅（SiC）的加工机制提供了必要的理论支持。本文系统地回顾了MD模拟的发展，包括原子间势能（例如Tersoff势函数）的选择及其在SiC纳米压痕、划伤、切割、研磨和辅助抛光中的应用，阐明了材料去除过程中的塑性变形、非晶化和相变机制。通过整合Reax FF MD，分析了SiC的环境氧化及其基本的化学-机械协同作用。结果表明，MD模拟能够定量描述原子级别的动态过程，而Reax FF则能有效捕捉涉及键断裂和形成的动态反应。本综述总结了当前的进展和局限性，为优化SiC加工过程和减少表面损伤提供了理论见解，并提出了未来的研究方向，强调多尺度模拟与实验验证的结合，以及机器学习原子间势能和混合过程模拟的进步，以推进高效、低损伤的SiC加工技术。这些发现为改进SiC加工技术、实现原子级精度和最小化表面缺陷提供了理论基础。
引言
碳化硅（SiC）材料具有优异的性能，包括宽禁带、高饱和漂移速度、高临界击穿电场、优异的热导率和低密度。这些特性使SiC成为第三代半导体的理想材料，超越了第一代材料（如Ge和Si）和第二代材料（如InP和GaAs）。因此，SiC广泛应用于军事防御、智能电网、通信工程、人工智能等领域[1,2]。然而，由于其出色的硬度和化学稳定性，SiC被归类为硬脆材料，这对抛光技术提出了严格要求。国内外研究人员已经完成了大量关于SiC加工技术的研究。虽然传统的机械抛光可以实现光滑无损伤的SiC晶圆表面，但加工效率较低。因此，一些研究人员提出了利用化学-机械协同效应的先进抛光技术[3]，如光催化化学机械抛光（PCMP）[4]、电化学机械抛光（ECMP）[5]、磁流变抛光（MRF）[6]和等离子辅助抛光（PAP）[7,8]。然而，由于缺乏实时追踪材料去除过程的实验检测方法，这些实验研究在探索SiC的原子尺度去除行为方面存在根本性局限。
随着理论计算和计算机技术的不断进步，模拟分析方法受到了越来越多的关注[9]。为了进一步阐明SiC反应过程中微观结构与宏观性能之间的内在联系，研究人员将分子动力学（MD）和反应分子动力学（Reax FF MD）应用于难加工材料的理论研究和计算机模拟[10]。这种方法不仅避免了实验中的高温辐射和腐蚀等危险，还消除了光谱研究中实验仪器的干扰，为硬脆材料的理论研究提供了独特优势[11]。MD模拟是一种基于牛顿运动定律和统计力学的计算模拟技术，利用计算机计算系统中粒子的运动轨迹，然后分析系统中每个组分的运动规律。它在模拟复杂分子系统的动态响应和量化整体或局部的热力学特性方面具有显著优势[12]。
本综述系统地探讨了SiC的MD和Reax FF MD模拟研究进展，特别关注其在加工过程中的应用。第2节介绍了SiC的MD模拟，首先讨论了原子间势函数及其比较分析，然后回顾了按加工过程分类的研究，包括纳米压痕、划伤、纳米切割和研磨以及各种辅助抛光技术，重点介绍了塑性变形、相变、非晶化和位错动力学等变形机制。第3节回顾了Reax FF MD模拟，介绍了Reax FF及其在氧化机制、CMP和辅助抛光过程中的应用，强调了材料去除过程中的化学-机械协同作用。第4节综合了所研究的关键发现，包括SiC的明显各向异性、氧化环境的作用以及辅助技术在减少表面损伤方面的有效性。最后，第5节概述了未来的研究方向，指出了当前的局限性，并强调了多尺度模拟框架、混合过程的动态建模、Reax FF的进步以及机器学习原子间势能（MLIP）的开发与应用。这一层次框架在图1中进行了可视化总结，该图系统地引导读者了解当前的知识状态，同时为优化SiC加工过程和减少表面损伤提供了原子级别的见解。
章节摘录
分子动力学模拟
B.J. Alder等人在美国的劳伦斯实验室率先开展了MD模拟研究，并首次提出了MD技术的概念[13,14]。至今，MD已成为应用最广泛的分子模拟技术。在70年的发展过程中，该方法将分子力学中的经典物理原理（势函数）与蒙特卡罗方法中的统计物理概念（系综）相结合。与其他分子模拟方法相比
反应分子动力学模拟
Reax FF MD方法最初由ACTV Duin等人于2001年提出[61]，最初用于模拟碳氢化合物的氧化反应[62]。该方法成功弥合了量子力学（QM）和传统MD之间的差距。如图21所示，该图展示了不同尺度下化学数值模拟方法的层次结构，Reax FF MD模拟结合了两种方法的优点，实现了更快的模拟速度，同时保持了准确性
结论
本综述系统地探讨了MD和Reax FF MD模拟在阐明SiC纳米尺度加工机制中的应用。通过弥合宏观过程性能与纳米尺度材料行为之间的差距，这些计算方法为复杂现象（如塑性变形、相变、位错动力学和化学反应）提供了不可或缺的理论见解。这些复杂现象难以捕捉，目前仍大多
未来展望
尽管现有研究为理解SiC的纳米尺度加工机制奠定了重要基础，但在将这些原子尺度见解转化为实际加工指南方面仍存在一些关键挑战。解决这些挑战需要以下方向的共同努力。
CRediT作者贡献声明
Congyue Luo：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、方法论、研究、数据分析、概念化。Xuelai Li：撰写 – 审稿与编辑、监督、概念化。Julong Yuan：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源获取、资金筹集、数据分析。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
