6H-SiC材料C面的化学机械抛光及其机理通过反应力场分子动力学方法得到阐明

《Langmuir》：Chemical Mechanical Polishing of the C-Face of 6H-SiC and Mechanisms Elucidated by Reactive Force Field Molecular Dynamics

　　

摘要

由于单晶SiC具有强Si–C共价键、高硬度和优异的化学惰性，在化学机械抛光（CMP）过程中仍面临诸多挑战，包括材料去除速率低、难以控制表面和亚表面损伤以及对化学-机械耦合机制的理解不足。本研究以6H-SiC的C面为例，结合了Fenton/Electro-FentonCMP实验与考虑初始纳米级粗糙度的反应力场分子动力学（ReaxFF-MD）模拟，探讨了·OH浓度对抛光性能和原子级去除机制的影响。实验结果表明，当·OH的总量从15158.97 μmol增加到54105.03 μmol时，材料去除速率（MRR）从1199.279 nm/h提高到2066.794 nm/h，表面粗糙度Ra从0.705 nm降低到0.321 nm；在最高·OH浓度下，MRR比最低浓度提高了72.3%，Ra降低了34.0%。ReaxFF-MD模拟揭示，·OH能够促进Si–C键的断裂，并形成Si–O–H和C_sub–O–H等含氧结构，从而在表层引发氧化反应。这破坏了强Si–C共价键，导致晶体结构非晶化，从而降低了材料表面的机械强度，使其在金刚石磨料颗粒的剪切作用下更容易被去除；界面键的变化进一步揭示了“氧化活化─界面 bonding─剪切断裂─结构重排”的动态演变机制。实验结果证明，提高·OH浓度可以增强MRR并降低Ra，而模拟结果解释了这种化学-机械耦合在原子尺度上的本质。研究表明，增加·OH浓度可以有效提高6H-SiC C面的CMP效率并改善表面平整度；然而，仍需兼顾对亚表面非晶化损伤的控制。这为优化SiC晶圆的高效、低损伤抛光工艺提供了实验依据和原子尺度的机制解释。

? 2026 美国化学学会