多场耦合作用下CeO2纳米针尖与SiO2表面微观摩擦及作用机理研究

CMP is the most widely used ultra-smooth surface processing technology for getting atomic flatness. However, the further development of this technology is restricted for the lack of deeply investigation of the polishing mechanism of signal nano abrasive particle. For better understanding of the mechanisms such as the contact, friction and formation of defects, a new method based on in-situ study of the crystal structure, mechanical properties and formation mechanism of oxygen vacancy of the CeO2 nanoparticles is proposed. The homemade CeO2 nanotips with controllable crystal structure and size will be used to mimic the CeO2 abrasives in the CMP processing. Also the microcosmic dynamic between the CeO2 nanotips and SiO2 surface under multi-field coupling effect (stress field, temperature field and chemical field) will be explored. The functional relation between friction force and various parameters can be obtained. In addition, the contact and friction force models of the friction interface will be obtained respectively. Based on analyzing the microcosmic variation of friction interface, the mechanism of the deformation of SiO2 during the nano friction will be further clarified. At last, the relationship among the “crystal structure”-“mechanical properties”-“mechanical behavior of contact and friction” of CeO2 will be established which provides a theoretical basis for revealing the ultra-precision polishing mechanism of SiO2 by CeO2 grinding particles under multi-field coupling effect.

化学机械抛光(CMP)是目前应用最广的获取原子级平面度的超光滑表面加工技术，由于缺乏对单个纳米研磨颗粒抛光机理的深入探索，限制了CMP的进一步发展。针对抛光界面的接触、摩擦及缺陷形成机理等问题，在原位研究单个CeO2纳米颗粒晶体结构、力学性质和表面氧空位形成机理的基础上，阐明铈离子的化学价态与表面氧空位的内在联系，并设计和制备出晶体结构和尺寸可控的CeO2纳米针尖。利用自制的纳米针尖模拟CMP中的纳米研磨颗粒，探索CeO2纳米针尖对SiO2表面在多场耦合(力学、温度及化学场)作用下的微观动态作用过程，考察摩擦系数与各工作参数之间的函数关系，构建摩擦界面的接触及摩擦力学模型；研究摩擦界面的微观形变过程，探索摩擦力学及材料力学行为间的物理模型关系；建立CeO2的“晶体结构”-“力学性质”-“接触与摩擦力学行为”的内在联系，为揭示CeO2研磨颗粒对SiO2的超精密抛光机理提供理论依据。

化学机械抛光(CMP)是目前应用最广的获取原子级平面度的超光滑表面加工技术，由于缺乏对单个纳米研磨颗粒抛光机理的深入探索，限制了CMP的进一步发展。针对抛光界面的接触、摩擦及缺陷形成机理等问题，本项目利用自制的纳米针尖模拟CMP中的纳米研磨颗粒，在原位研究单个CeO2纳米颗粒晶体结构、力学性质和表面氧空位形成机理的基础上，阐明了铈离子的化学价态与表面氧空位的内在联系，揭示了CeO2研磨颗粒对SiO2的超精密抛光机理。. 系统地研究了熔盐法制备CeO2颗粒过程中的工艺参数对颗粒的影响。结果表明：焙烧温度超过熔盐的共晶点后，晶体生长速率显著提升。熔盐浓度对产物的粒径有较大影响，熔盐浓度从1:2提升至1:14，CeO2颗粒粒径先增大后减小，在KCl-NaCl熔盐体系中，当铈盐-熔盐浓度比为1:10时达到最佳值。. 分别通过还原气氛烧结和离子掺杂，对CeO2颗粒进行表面缺陷构筑，以进一步增加其反应位点，增强在抛光过程中的反应活性。表面缺陷分析表明，随着还原气氛的增强，磨料的形貌由球形转变为八面体，CeO2磨料表面产生了更多的氧空位和Ce3+。CeO2-Air、CeO2-Ar和CeO2-Ar/H2磨料在SiO2衬底上的MRR分别为337.60、578.74和691.28 nm/min。分别采用Y3+，La3+和Pr3+对CeO2颗粒进行掺杂改性，结果表明：随着掺杂量的增加，磨料的形貌由球形变为八面体，掺杂后CeO2磨料表面Ce3+浓度增加。密度泛函理论计算表明，掺杂降低了CeO2体系的空位形成能。CMP实验表明， Y3+、La3+和Pr3+掺杂CeO2磨料的MRR较纯CeO2磨料分别提高了56 %、40 %和44 %。. 借助FIB制备了120 nm、180 nm和270 nm三个尺寸的纳米压头，采用PI85原位压缩测试系统，研究了CeO2纳米颗粒在CMP过程中的受力过程，原位测试了一系列不同粒径纳米颗粒在压应力下的受力及微观形变过程，以及颗粒尺寸对微观摩擦性能的影响。研究结果表明，随着CeO2压头半径的增大，划痕残余深度和COF均减小;其中，粘接阶段后尺寸效应更为显著，在切削阶段尺寸效应较为稳定。同时我们发现，颗粒越小，有效模量越大，说明磨料颗粒的力学性能也受到尺寸效应的影响。