单晶硅作为性能优良的半导体材料,已被广泛应用于微电子集成电路。随着集成电路芯片的集成度逐步增大,特征线宽逐渐减小,工业生产中需要尽可能降低其表面粗糙度,并减小表面及亚表面的残余损伤。化学机械抛光(CMP)是当前大面积平坦化技术的最优选择之一,然而传统CMP工艺主要依赖机械与化学的协同作用,可能会在硅基表面上产生位错、微裂纹等机械损伤以及化学腐蚀雾斑,降低抛光的质量与效率。近年来以摩擦化学作用为核心的CMP机理研究得到了普遍的关注,然而已有报道主要集中在不同载荷、速度和环境气氛对单晶硅纳米磨损的影响探究,尚缺乏有关二氧化硅磨粒结构对单晶硅表面微观去除的影响研究。有鉴于此,本文重点开展了无孔及微孔二氧化硅小球对单晶硅表面微观去除的影响探究。通过三维形貌仪探测磨损区域形貌,并借助能量弥散X射线(EDX)和拉曼光谱对磨损微区进行结构和成分的表征,进而归纳总结单晶硅表面的磨损规律并揭示相关的磨损机理。本文的主要研究内容和创新点如下:(1)对比研究了无孔和微孔二氧化硅小球对单晶硅表面的微观磨损规律分别在大气环境和纯水环境中研究了无孔和微孔二氧化硅小球对原始硅表面造成的磨损规律。研究表明,两种小球作用下单晶硅的表面磨损主要归功于机械摩擦诱导的化学反应。二氧化硅小球微观结构对单晶硅磨损的影响与环境有关。在大气环境中无孔二氧化硅小球比微孔小球造成单晶硅的磨损更严重;相反,纯水环境中微孔二氧化硅小球作用下单晶硅的磨损体积更大。(2)阐明了表面氧化层及终止键对单晶硅摩擦化学磨损的影响机制单晶硅表面氧化层对材料磨损影响显著。一方面,原始硅(有氧化层)表面终止键为羟基,具有亲水性,而疏水硅(无氧化层)表面被氢键终止,表现为疏水性,因此大气环境环境中原始硅表面会吸附较多的水分子,导致的摩擦化学磨损更为严重。另一方面,水环境中由于水分子数量与表面亲疏水性无关,因此氧化层中的Si-O键对单晶硅表面磨损的影响更为明显。由于Si-O键断裂的化学反应势垒比Si-Si键大,因此水环境中原始硅表面的磨损比疏水硅轻微。(3)初步揭示了小球结构对单晶硅摩擦化学反应的影响机制氮气环境中单晶硅表面无明显损伤,这说明在给定载荷条件下其表面损伤主要归因于水分子参与下的摩擦化学磨损,且微孔和无孔小球对单晶硅造成的磨损体积与接触压力的关系均遵循化学反应中的阿伦尼乌斯公式。硅/二氧化硅配副摩擦化学反应的发生离不开机械摩擦的辅助作用,且水分子数量对单晶硅摩擦化学磨损的影响更为显著。二氧化硅小球中的微孔会直接影响接触状态和接触界面的水分子数量,从而改变单晶硅表面的摩擦化学磨损状况。一方面,在相同接触压力下,小球微孔能够增大接触面积,加剧接触界面间的摩擦化学反应;另一方面,小球微孔能够储存部分水分子进而增加单晶硅表面的摩擦化学磨损。不同条件下磨屑的Raman和EDX分析结果表明摩擦化学磨损产物中有Si-OH键,这进一步证明了磨损的实质在于水解作用的发生。另外也发现小球微孔可促进摩擦化学反应的进程,该种工况下磨屑中产生的Si-OH键更多。综上所述,单晶硅表面的摩擦化学磨损与接触状态、环境水分以及基体表面的氧化层均有密切关系,而二氧化硅小球微观结构的存在会增加滑动界面的接触面积和水分子数量,从而促进单晶硅表面的摩擦化学磨损。另外,单晶硅表面的氧化层也会影响摩擦化学反应,在大气环境中其主要起到促进作用,而在纯水环境中则会起到抑制作用。本文的研究结果为单晶硅CMP工艺的优化提供了实验和理论支持,同时也丰富了微纳摩擦学的基础理论。