不同工具方向下磷化铟表面纳米划痕形成机制的原子级解析

《Langmuir》：Atomic Understanding of the Formation Mechanism of Nanoscratches on the Surface of Indium Phosphide in Different Tool Directions

纳米划痕技术是研究材料纳米尺度力学性能和损伤机制的关键方法，在InP半导体CMP工艺中可有效抑制纳米划痕缺陷。通过分子动力学模拟与纳米划痕实验，系统分析了FF、EF、SFF三种划痕方向对InP(001)单晶表面形貌演变、力响应及材料去除机制的影响。研究表明：FF方向较EF方向显著降低划沟横向扩展（52%-55%），小棱角角下材料去除率提升8%-17%，EF方向塑性变形率最高（31%）。实验与模拟均证实不同方向下片状碎屑的形貌和分布特征具有一致性，为InP CMP工艺优化提供了理论支撑和工艺指导。

　　

纳米划痕是一种关键的实验方法，用于评估材料的机械性能、研究材料去除机制以及揭示纳米尺度下的表面损伤形成机制。在半导体、微电子和光电子行业中，InP基底表面的纳米划痕被视为致命缺陷，必须予以消除，因为它们会严重影响器件的性能和可靠性。然而，在InP的化学机械抛光（CMP）过程中，纳米划痕的形成难以避免，实现原子级光滑表面的关键在于精确控制。为应对这一挑战，本研究通过分子动力学模拟（MD）和纳米划痕实验系统地研究了Berkovich压头在三种典型划痕方向（正面朝向（FF）；边缘朝向（EF）；侧面朝向（SFF））下对单晶InP(001)基底的影响。研究重点分析了表面形态的变化、划痕力响应以及材料去除机制。结果表明，InP在纳米划痕过程中的材料去除机制表现为弹性变形和塑性变形的共存，损伤主要表现为横向微裂纹的产生和扩展以及片状碎片的积累。与EF方向相比，FF方向可以显著减少沟槽的横向延伸长度约52%–55%；在小斜率角条件下，材料去除率比大斜率角条件提高约8%–17%。EF方向的塑性变形率最高，平均为31%。实验结果与模拟结果高度一致：MD模拟的原子位移图和实验的SEM表征均显示，不同划痕方向下的碎片形态和分布特征是一致的。本研究揭示的机制为有效抑制InP CMP过程中的纳米划痕缺陷提供了重要的理论基础和工艺指导。