SiO?包覆3C-SiC基底的研磨过程与亚表面损伤：分子动力学研究

《Vacuum》：Grinding Process and Subsurface Damage of SiO 2-Coated 3C-SiC Substrate: A Molecular Dynamics Study

　　

摘要 3C-SiC作为一种关键的第三代半导体材料，因其卓越性能而在高温和高频应用领域占据重要地位。然而，在极端工况下产生的表面氧化层给精密加工过程带来了重大挑战。本研究采用分子动力学模拟方法，系统比较了磨削深度对3C-SiC基板和SiO?覆膜3C-SiC基板纳米磨削行为的影响。研究重点聚焦于磨削力的演化、亚表面损伤形貌、亚表面缺陷、冯·米塞斯应力分布及热力学响应。结果表明，SiO?覆膜作为表面改性层，在材料去除和损伤演化过程中发挥着显著的调控作用。与3C-SiC基板相比，SiO?覆膜凭借其优越的弹塑性变形能力，不仅大幅降低了磨削力振幅和横向屑料堆积，还通过覆膜界面有效阻断了亚表面位错的成核，从而显著降低了残余应力分布。此外，热力学分析揭示了覆膜独特的隔热机制，有效阻断了热传导并抑制了深层热损伤。本研究揭示了覆膜与基板的原子尺度变形响应，为理解覆膜3C-SiC在纳米磨削过程中的阶段依赖型材料去除和亚表面缺陷演化提供了见解。

引言 碳化硅（SiC）是一种具有独特晶体结构的宽带隙半导体材料[1]、[2]，凭借其卓越的物理化学性能[3]而备受关注。这些特性使SiC在高温、高功率和恶劣环境应用中极具吸引力。基于这些性能，SiC有望成为下一代高性能计算电源和射频（RF）器件领域的重要竞争材料[4]、[5]。在技术快速发展的背景下，SiC材料的扩展应用有望推动系统成本降低，从而确立SiC作为未来高科技产业支撑的关键平台材料[6]、[7]、[8]、[9]。

为实现SiC材料的原子尺度加工，不仅需要理解其内在结构特性，还必须系统地阐明加工参数演化与材料响应之间的结构-性能关系[10]、[11]、[12]、[13]。在此前沿领域，纳米磨削作为一种关键技术，在实现超精密和原子级制造方面具有巨大潜力[14]、[15]。Wu等人[16]对6H-SiC纳米磨削的研究揭示了磨料排列方式和间距如何影响塑性变形（包括非晶化和位错）、磨削力及最终表面形貌。他们的研究表明，优化磨料配置可有效控制加工表面完整性和亚表面损伤。Zhao等人[17]研究了随机分布的四面体磨料（不同尺寸和切削刃高度）对3C-SiC纳米磨削的影响，发现通过控制关键磨料的切削深度，可实现以表面非晶化但不产生位错损伤为特征的高质量加工。Liang等人[18]考察了工具划痕方向对4H-SiC的影响，发现采用较小前角加工可降低亚表面损伤和切削力，确定其为高质量塑性去除的关键参数。此外，Wang等人[19]探索了纳米流体（石墨烯/多壁碳纳米管）在SiCf/SiC复合材料纳米磨削中的润滑机制，发现石墨烯基纳米流体可有效降低磨削力、提高表面质量并抑制刀具磨损。Wu等人[20]研究了冰水润滑对多晶3C-SiC粗糙表面纳米磨削的影响，表明该润滑方式可有效减少晶界处的位错和应力集中，抑制裂纹扩展，从而显著提高表面质量。Zhang等人[21]利用纳米划痕实验揭示了C/SiC复合材料的去除机制随切削深度和纤维取向变化，进而影响表面形貌和损伤特征。综合来看，这些研究为优化SiC加工以实现高表面完整性和低亚表面损伤的精密加工提供了重要的理论基础。

尽管已有大量原子尺度研究探索了SiC基板中的基本位错路径和非晶化现象，但建立外部刮削载荷与亚表面损伤（SSD）演化之间的全面关联仍是一个持续的挑战。这是因为先进的加工后表征技术（如SEM和TEM）受到极端时空观测窗口和高样品敏感性的固有限制，使得实际刀具-基板接触过程中原位动态的原子剪切动力学和瞬态热力学变量成为实验盲区[22]、[23]、[24]。为克服这些实验障碍，人们积极开发了多种数值和理论方法，每种方法都有其特定的物理边界。宏观连续介质方法，如有限元分析（FEA），擅长处理宏观应力和热分布，但缺乏原子精度，且严重依赖预设的本构材料模型，而这些模型对于复杂异质覆膜材料要么根本不可用，要么过于简化[25]。在光谱的另一端，量子力学第一性原理方法无需经验参数即可提供纯净的结构精度。然而，其巨大的计算扩展性限制了其有效性仅限于仅包含数十个原子的小尺度构型，使其无法应对磨料犁耕和刮削操作典型的动态大规模多体相互作用[26]、[27]、[28]。因此，大量塑性功被高效转化为热能，导致局部温度急剧上升并产生大量高温屑料，宏观连续介质假设与小尺度量子极限之间存在的关键差距，分子动力学（MD）模拟作为一种有效的方法应运而生。MD模拟独特地具备实时记录连续三维原子轨迹、可视化复杂相变以及处理动态载荷下足够大的多组分系统的能力。因此，利用高保真MD模拟研究3C-SiC的覆膜介导纳米磨削机制不仅是一种辅助工具，更是解锁界面屏蔽和亚表面损伤缓解基本物理的必要科学手段[29]、[30]、[31]、[32]。Yu等人[33]通过MD模拟发现，钻孔速度（30–90 m/s）显著影响单晶3C-SiC纳米钻孔过程中的位错交换和能量演化，从而调控亚表面缺陷形成和材料损伤程度。Nguyen等人[34]通过分子动力学模拟揭示了单颗粒磨料对6H-SiC表面抛光的微观行为，指出滑动运动主导高效材料去除，而滚动运动有利于实现高平面度和低损伤表面，同时确认机械切削深度与氧化层厚度的平衡是实现6H-SiC无损伤加工的关键。Hua等人[35]研究了无覆膜单晶3C-SiC，阐明了抛光参数对材料去除、亚表面损伤和微裂纹形成的影响。Wang等人[36]表明石墨烯/2D-SiC异质结构层与铜层的协同效应可显著提高复合材料的拉伸强度和韧性。Ning等人[37]揭示了多晶3C-SiC粗糙表面纳米磨削过程中，晶粒尺寸和应力集中是诱导亚表面脆性断裂的关键机制。然而，在极端加工条件下，刀具和被加工表面温度迅速升高，导致材料表面形成SiO?层，这为后续加工引入了不可控因素。更重要的是，在极端服役、高温摩擦或精密化学机械抛光（CMP）环境下，SiC表面不可避免地形成的纳米尺度SiO?钝化层需要严格的独立研究。该氧化膜绝非简单的工艺杂质，而是作为一个主导界面，在整个系统的力学顺应性和摩擦阻力中发挥着关键的调控作用。近期的第一性原理分子动力学模拟表明，SiO?界面在受载滑动过程中的纳米摩擦力和黏附特性极大地取决于其表面化学饱和度和氧化程度[38]。这种化学状态直接支配机械行为宏观和微观特征的强耦合特性，是其他传统材料所不具备的特征。因此，有必要对含SiO?层的SiC材料进行深入探索和研究。

从热力学角度看，SiC是一种宽带隙半导体，可通过热氧化在其表面形成致密的二氧化硅（SiO?）层[39]、[40]。该SiO?层因其优异的抗氧化和耐磨性能而被广泛研究应用，作为保护覆膜阻挡腐蚀介质，特别是在抑制金属基板高温氧化和抵抗颗粒侵蚀方面[41]、[42]。然而，在高温摩擦条件下，SiO?层可能诱发生成原位氧化，形成摩擦化学氧化层，引入微裂纹和残余应力，加速部件退化并影响长期可靠性[43]。同时，随着半导体技术的发展，SiC/SiO?系统在功率电子领域获得了广泛关注[44]。尽管4H-SiC和6H-SiC是商用功率器件的主流多型，但3C-SiC在Si兼容微纳制造领域具有独特相关性。作为SiC的立方闪锌矿型多型，3C-SiC比六方SiC具有更简单的晶体对称性和更弱的晶体各向异性。更重要的是，3C-SiC可在Si基板上异质外延生长，使其对基于Si的MEMS、集成传感器和晶圆级异质集成具有吸引力。鉴于严重的晶格失配通常在异质结构中诱发高初始缺陷密度，理解3C-SiC的纳米磨削行为和亚表面损伤演化具有独特的物理特征和高工业优先级[45]、[46]。因此，深入探究SiO?覆膜3C-SiC基板的表面和亚表面磨损机制，对于优化SiC制备工艺、提升器件性能和可靠性具有关键意义。

本研究采用分子动力学模拟方法，在0.5至3.0 nm磨削深度范围内对比了裸3C-SiC和1.2 nm SiO?覆膜3C-SiC系统。系统分析了表面形貌、磨削力、亚表面损伤、位错活动、冯·米塞斯应力和温度分布，以确定主导材料响应如何从覆膜主导变形演变为界面介导载荷传递，随后转为基板参与的塑性变形。这种分阶段对比阐明了SiO?层如何修改跨界面纳米磨削过程中的材料流动、缺陷激活、应力传递和近表面热局部化。研究结果为理解覆膜SiC的损伤演化提供了原子尺度基础，并为优化磨削条件以平衡材料去除效率和亚表面完整性提供了依据。

方法 为研究SiO?覆膜3C-SiC基板的纳米尺度变形机制和表面损伤行为，本研究利用LAMMPS软件包[47]进行了MD模拟。在多种参数下对3C-SiC基板和SiO?覆膜3C-SiC基板模型进行了模拟。模拟完成后，利用OVITO软件[48]对原子轨迹数据进行后处理和分析，以可视化计算所得的原子模拟数据。图1展示了模拟模型。

表面形貌与堆积特征 检查表面形貌以确定SiO?层如何改变磨料穿透时的材料流动。在恒定磨削速度和17 nm磨削距离下，两个系统的表面形貌随磨削深度从0.5增至3.0 nm而变化。图2展示了不同磨削深度下z方向力分布的模拟结果，其中上、下面板分别对应表面形貌的前视图和俯视图。

结论 本研究采用MD模拟方法，系统揭示了SiO?覆膜引入和磨削深度影响下3C-SiC基板材料的加工机制。对于两种材料系统，随着磨削深度增加，冯·米塞斯应力的分布范围和材料内部的塑性变形区均显著扩大，导致磨削力和SSD深度持续升级。结果表明，SiO?层作为表面...

作者贡献声明 阮心琪：软件。李瑞涵：数据管理。狄畅：撰写初稿、监督指导、软件、资源、调查、形式分析。

利益冲突声明 ? 作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

李瑞涵 | 阮心琪 | 狄畅 哈尔滨工业大学超精密光电工程仪器研究中心，中国哈尔滨 150001