单晶硅表面原子层状去除的行为与机理

The preceding investigation on the theory and technology of planarization of wafers has important strategic significance on improving the competitive power of the integrated circuit (IC) manufacturing industry of our country. Both the continuing decrease of IC linewidth, as well as the development of stereoscopic structure and multi-storey wiring, put forward higher requirements on the quality of chemical mechanical planarization (CMP). As a result, it is essential to explore the removal mechanism of wafer materials at atomic scale. However, the removal of single atom on wafer surface is difficult to be characterized. Therefore, this project will systemically investigate the behavior and mechanism of the atomic layer removal on monocrystalline silicon surface. Firstly, the effect of experimental conditions, environment atmosphere and counter-surface on the atomic layer removal of silicon will be studied. Through the optimization of experimental conditions, the monoatomic layer removal will be realized on silicon surface. Secondly, based on the experimental analysis and molecular dynamic simulation, the atomic layer removal mechanism involving the coupling effect of mechanics, temperature and chemistry will be explored. Finally, through the construction of the model for the controlled atomic removal on silicon surface, the new mechanism and approach will be proposed to realize the global planarization of a large area wafer surface under the condition of low contact pressure. The related research accords with the significant strategic requirement of the development of national high and new science and technology. The results can not only enrich the basic theory of the nanotribology, but also push the development of the CMP technique and IC manufacture.

开展晶圆平坦化理论与技术的前沿性研究，对提升我国集成电路（IC）制造产业的国际竞争力具有重要的战略意义。随着IC线宽的不断下降，以及结构向立体化和布线向多层化发展，对化学机械平坦化（CMP）的质量提出了更高的要求，亟待研究揭示晶圆表面原子级的可控去除机制。然而，晶圆表面的单原子去除难以表征。为此，本项目拟系统开展单晶硅表面原子层状去除的行为和机理研究。在阐明各种因素对单晶硅表面原子层状去除的影响规律的基础之上，优化参数以实现单晶硅表面的单原子层去除；进而采用试验分析与分子动力学模拟相结合的方法，深入地揭示单晶硅表面在力、温度和化学等多因素耦合作用下的原子层状去除机制，构建单晶硅表面原子级可控去除模型，提出在微小压力下实现大面积全局平坦化的新原理和新方法。相关研究符合国家高新科技发展的重大战略需求，其成果不仅可以丰富纳米摩擦学的基础理论，而且也有助于推动我国CMP技术和IC制造的发展进程。

开展平坦化理论与技术前沿性研究，对提升我国集成电路（IC）制造产业的国际竞争力具有重要的战略意义。为此，本项目系统开展了单晶硅表面原子层状去除的行为及机理研究。通过研究单晶硅表面原子层状去除行为，阐述外界能量与固体材料原子级去除之间的映射关系，最终建立在微小压力下实现大面积全局平坦化的新原理和新方法。主要研究进展包括：.(1) 阐明了单晶硅表面原子层状去除行为的影响规律。通过开展单一参数对单晶硅原子层状去除行为的影响研究，总结提出了单晶硅原子级材料去除的量化规律。相关成果获得IFToMM 2015 World Congress最佳论文奖（583篇选6篇）和The 21th International Conference on Wear of Materials最佳海报论文奖（720篇选6篇）。.(2) 实现了单晶硅表面单原子层去除。通过有效地控制扫描重叠率、湿度、载荷等试验参数，实现了较大范围内的单原子层去除，被我国制造领域著名科学家、中国工程院卢秉恒院士评价为达到了硅材料的加工极限。.(3) 揭示了多因素耦合作用下单晶硅表面的原子层状去除机制。单晶硅的磨损是伴随着机械作用和摩擦化学反应共同作用的结果，其中摩擦化学反应为主导，而机械作用起辅助作用。.(4) 基于摩擦化学磨损能量复合驱动理论，提出了单晶硅表面原子级可控去除模型及其CMP优化措施。相关研究成果被清华大学路新春教授课题组成功地应用于改进CMP抛光设备加工工艺。. 相关研究符合国家高新科技发展的重大战略需求，其成果不仅可以丰富纳米摩擦学的基础理论，而且也有助于推动我国CMP技术和IC制造的发展进程。在本项目的资助下，已发表 SCI 收录论文 26 篇，EI 收录论文 2 篇，另 2 篇会议论文获最佳研究论文或最佳海报奖；授权国家发明专利 10 项；获2014年度中国机械工业科学技术二等奖 1 项（排名第4）。作邀请报告 11 次（含国际会议 5 次）；在本项目的资助下，申请人先后入选“教育部长江学者特聘教授”和 “中青年科技创新领军人才”，海外合作伙伴入选“外专千人计划”，另外培养毕业博士 4 人，硕士 7 人，1 人获“上银”优秀机械博士论文优秀奖。