纳米科技的应用,如微机电系统(MEMS)、集成电路(IC)、生物芯片、超级处理器等,离不开纳米制造等超精密制造技术。化学机械抛光(CMP)作为纳米精度表面制造中不可或缺的关键技术,极大地保障与推动了IC制造、高精度光学制造等诸多高技术领域的发展。CMP是化学作用和机械作用相互耦合的过程。IC产业中对单晶硅晶圆表面亚纳米级粗糙度的要求,亟需揭示CMP过程中机械化学耦合作用下的单晶硅微观材料去除机制。目前单晶硅的微观材料去除研究主要集中于单一因素下的微观磨损研究,鲜有涉及多因素耦合作用条件下的单晶硅微观材料去除机制研究。因此,为了全面深入地了解单晶硅的微观材料去除机理及机械化学耦合作用机制,亟需开展多因素耦合作用下的单晶硅微观材料去除机理研究。本文的研究成果不仅有助于丰富纳米摩擦学的基础理论,也有助于推动单晶硅CMP技术的发展。本文基于单晶硅/二氧化硅探针配副,在不同环境中及不同工况参数下系统地研究了单晶硅(不含自然氧化层)的机械化学微观材料去除规律及机械化学耦合作用机制。首先,在真空环境下,进行了在纯机械作用下的单晶硅微观材料去除实验,探索了单晶硅实现机械材料去除的条件;然后,利用纯化学腐蚀,实现单晶硅的微观材料化学腐蚀去除,讨论了单晶硅在不同环境中的化学腐蚀材料去除的可能性;其次,在不同相对湿度大气环境、纯水环境、KOH溶液环境中,实现了单晶硅的机械化学微观材料去除,揭示了单晶硅的机械化学微观材料去除机理,阐明了化学作用对其影响机制;再次,在纯水环境和KOH溶液环境中,通过改变机械参数,研究了机械作用对单晶硅机械化学微观材料去除的影响。最后,基于上述研究初步揭示了单晶硅机械化学微观材料去除机理与机械化学耦合作用机制。本文通过系统地研究单晶硅的机械化学微观材料去除行为与机理,得出的主要结论和创新点如下:(1)阐明了单晶硅在真空环境中的表面损伤与微观材料去除规律,揭示了单晶硅在纯机械作用下产生微观材料去除的条件。借助环境可控原子力显微镜,在真空环境中利用二氧化硅探针和金刚石探针划擦单晶硅表面,研究了纯机械作用下的单晶硅微观材料去除规律。结果表明,在远小于单晶硅的材料屈服极限的接触压力条件下,二氧化硅探针的划擦不会使单晶硅表面发生微观材料去除。利用化学惰性的金刚石针尖在不同法向载荷下划擦单晶硅表面,发现只有当接触压力达到单晶硅的材料屈服极限时,单晶硅才会产生机械去除。(2)阐明了不同pH值的KOH溶液对单晶硅纯化学腐蚀材料去除的影响规律,揭示了纯化学作用下单晶硅的纯化学腐蚀去除条件。在KOH溶液中进行了单晶硅的纯化学腐蚀材料去除实验,研究了纯化学作用下单晶硅的微观材料去除规律。实验结果表明,在纯化学作用条件(屏蔽探针的划擦作用)下,可通过KOH溶液的化学腐蚀来实现单晶硅表面的微观材料去除。然而,在pH?11的KOH溶液中,单晶硅表面基本不会发生化学腐蚀,推测在纯水环境中或潮湿大气环境中单晶硅同样不会发生化学腐蚀。(3)阐明了环境水含量、溶液pH值以及表面化学特性对单晶硅微观材料去除的影响规律,揭示了化学作用对单晶硅/二氧化硅间机械化学反应的影响机制。研究了不同环境(不同相对湿度大气、纯水以及不同pH的KOH溶液)中单晶硅的微观材料去除规律,以及单晶硅表面不同化学特性(纯水及KOH溶液中浸泡)对单晶硅微观材料去除的影响规律。揭示了含水环境中单晶硅的机械化学微观材料去除机理,重点讨论了环境水分对单晶硅微观材料去除的影响机制。实验结果表明,在化学作用因素增强的环境(相对湿度逐渐增加的大气环境到纯水环境,再到pH值增大的KOH溶液环境)中,单晶硅/二氧化硅间的机械化学反应有着明显的增强,促进了单晶硅的机械化学微观材料去除过程。另外,单晶硅表面化学特性的改变(表面Si-OH增多或者表面氧化)同样能较为显著地影响单晶硅/二氧化硅间的机械化学反应,从而改变单晶硅的机械化学微观材料去除过程。单晶硅的微观材料去除是一个机械化学耦合作用的过程。(4)阐明了接触压力、滑动速度以及滑动次数等工况参数对单晶硅机械化学微观去除的影响规律,揭示了机械作用对单晶硅/二氧化硅间机械化学反应的影响机制。在纯水环境中,分别在不同接触压力(法向载荷)、滑动速度以及滑动次数等机械作用参数条件下研究了单晶硅的机械化学微观材料去除规律。实验结果表明,当单晶硅/二氧化硅间的接触压力增大146%,单晶硅表面的微观材料去除深度增加了264%;当滑动速度增大约三个数量级,单晶硅表面的微观材料去除深度减小了约40%;当单晶硅/二氧化硅间的滑动次数增加约三个数量级,单晶硅表面每次的材料去除平均深度减小了约90%。外界机械作用的变化,主要改变单晶硅/二氧化硅间Si-O-Si键桥的形成过程,从而影响单晶硅/二氧化硅间的机械化学反应。其中,接触压力对其影响程度最大,滑动次数次之,滑动速度的影响最小。单晶硅在KOH溶液中的浸泡处理可改变其表面的化学特性,但不能改变单晶硅内部的化学特性,因此对单晶硅/二氧化硅间机械化学反应的促进程度是有限的。(5)揭示了单晶硅机械化学微观材料去除过程中机械作用与化学作用的耦合作用的机制,构建了单晶硅机械化学耦合去除模型。单晶硅的微观材料去除过程由单晶硅/二氧化硅间的机械化学反应直接导致并主导。其本质是机械作用刺激诱导下发生的化学反应,且反应的持续进行需要机械作用的不断刺激,故称为机械化学反应。环境中化学反应因素(水分子和氢氧根离子)显著影响机械化学反应的进行,机械作用则刺激诱导着机械化学反应的发生,其强度同样显著影响机械化学反应的进行。纯机械作用和纯化学作用对单晶硅的微观材料去除没有贡献。机械化学耦合作用是单晶硅机械化学微观材料去除的主导者,此时外界机械作用或化学作用的改变直接影响着单晶硅/二氧化硅间机械化学反应的进行,对单晶硅的微观材料去除有着决定性的贡献。