摘要：为了阐明Si化学机械抛光(CMP)过程的原子机制，采用ReaxFF反应分子动力学模拟研究了二氧化硅磨料颗粒在H2O2水溶液中在Si(1 0 0)基体上的滑动过程。我们的研究结果表明，机械滑动效应在磨料颗粒和Si衬底界面引起的化学反应主导了CMP过程，并导致Si原子的去除。在磨料颗粒与硅衬底表面发生机械相互作用之前，水溶液中的H₂O₂能使Si衬底更容易被氧化。一旦它们彼此接触，由于界面上的化学反应，它们通过界面Si-O-Si桥键连接起来。在机械滑动作用下，Si衬底上的Si-Si和Si-O键会发生机械应变而断裂，导致Si原子从Si衬底上脱落。与纯水条件下的CMP工艺相比，H₂O₂水溶液条件下的CMP工艺使底物氧化程度更高，同时去除了更多的Si原子，这表明H2O2作为氧化剂的具有重要作用。此外，由于界面共价键的形成和断裂更强，双氧水体系下的CMP过程中，机械滑动摩擦力比纯H2O情况下要大。我们的研究结果在原子水平上揭示了硅原子在CMP过程中的去除机理，并为CMP浆料成分的设计提供了有效的指导。

研究背景：硅化学机械抛光(CMP)工艺在半导体工业中具有重要意义，因为它是为包括半导体芯片在内的微电子器件的进一步制造提供无缺陷和足够平坦的表面的必要和有效的方法。在硅CMP工艺过程中，由于硅片、磨粒、衬垫和浆料之间的综合相互作用，既涉及力学效应，也涉及化学反应。机械效应可由化学效应加速，后者可由机械摩擦效应诱导。磨料颗粒种类繁多，如Si₃N₄、SiO₂、Al₂O₃、CeO₂等。这些颗粒可以通过反复压痕、冲击、滚动以及滑动效应与晶圆表面相互作用，其中滑动效应在Si材料去除过程中起着最重要的作用。广泛使用的浆料含有过氧化氢(H₂O₂)，它是无污染的，并且具有高氧化能力，在过程和过程中充当硅的氧化剂，可以加快硅材料的去除过程。此外，水溶液H2O2也可用来清洗Si表面。随着半导体工业的发展，CMP需要克服晶圆尺寸的增加，需要达到亚纳米级的粗糙度，并避免表面损伤，这几乎已经达到表面制造的极限。因此，了解CMP机制对半导体工业的发展是非常重要的。在CMP过程中，压力和速度参数是主导硅CMP过程的两个最重要的力学参数。材料去除率(MRR)与这两个参数之间应用最广泛的关系是Preston方程，该方程表明表面材料的去除率与材料表面与抛光垫之间的接触压力和相对滑动速度成正比，实验结果表明，较高的压力和较高的速度均可导致较高的Si MRR。此外，H₂O₂的化学效应也被广泛研究。H₂O₂在Si CMP过程中起着非常重要的作用，H₂O₂的加入浓度会影响Si的微观表面粗糙度及其接触角，从而决定了Si的材料去除过程，导致Si MRR的差异。此外，H₂O₂还会影响磨料颗粒的性能，而后者是直接与Si表面相互作用，从而影响抛光后的表面质量。

抛光机理：利用ReaxFF分子动力学模拟研究了Si(1 0 0)表面与SiO₂磨料颗粒在H₂O₂水溶液中的CMP过程。在Si CMP工艺中，形成了连接Si衬底和磨料二氧化硅颗粒表面的Si-O-Si桥键，在滑动过程中，机械滑动效应会引起界面桥键的拉伸和Si衬底上Si-Si和Si-O键的断裂，从而导致Si原子的移除。这证明了机械滑动过程诱导了的界面处的化学反应是难以通过实验捕捉到的。此外，在机械滑动作用下，二氧化硅颗粒上的Si-O键也会解离，导致硅原子从二氧化硅颗粒上脱落，显示出二氧化硅颗粒的磨损。通过对纯水和水溶液条件下CMP工艺的比较，我们发现在含水H₂O₂条件下，衬底氧化硅比纯水条件下更容易被氧化，导致界面处形成更多的Si-O-Si桥键，从而导致了更多的Si原子从衬底以及从二氧化硅颗粒从其原始位置被移除。此外，在H₂O₂水溶液条件下，界面摩擦力更大，导致衬底和SiO₂颗粒界面处的剪切力更大。本研究成功模拟了Si CMP的动态过程，同时考虑了H₂O₂水溶液的化学效应和磨料SiO₂颗粒的机械滑动效应。在此基础上，我们还在原子水平上阐明了导致硅材料在CMP过程中去除的浆料化学和机械诱导化学反应