南京航空航天大学等团队发表于《Tribology International》:纳米尺度分形粗糙硅片振动辅助梯度抛光机理
欢迎投稿交流，投稿请联系：Sykeji02(微信号）本文面向单晶硅晶圆纳米级超精密加工，基于分形粗糙表面构建分子动力学模型，对比常规线性抛光与振动辅助抛光过程中的摩擦、法向载荷、原子去除、表面形貌和亚表面损伤演化。结果表明，振动辅助抛光可降低摩擦力与法向力，使加工过程更稳定，并改善表面质量；抛光深度增大时材料去除增强，但亚表面损伤也随之加重，综合最优深度约为 2.4 nm。在 13-53 GHz 的频率范围内，33 GHz 附近表现出更优的表面质量和载荷响应。
核心指标
研究对象 | 单晶硅晶圆，分形粗糙表面 |
研究方法 | 分子动力学模拟；对比常规线性抛光与振动辅助抛光 |
抛光深度 | 1.8-3.0 nm；综合最优约 2.4 nm |
振动频率 | 13-53 GHz；最佳表现约 33 GHz |
评价指标 | 摩擦力、法向力、debris atoms、表面轮廓高度、原子位移、温度演化和亚表面损伤 |
一句话导读
在分形粗糙硅片的原子级抛光模型中，适当振动频率和抛光深度可以同时降低载荷波动、提升表面质量，并控制亚表面损伤。
作者团队与研究定位
该研究由南京航空航天大学、河海大学和南京林业大学合作完成，聚焦半导体硅片纳米尺度抛光中的原子级去除机制。论文把真实粗糙表面的分形特征、磨粒-工件相互作用、温度演化和亚表面损伤联系起来，为振动辅助精密抛光参数设计提供微观解释。
硅片表面质量直接决定集成电路、光学器件和微纳制造的可靠性，但真实加工表面并不是理想平面，而是带有多尺度峰谷的粗糙界面。宏观实验可以给出粗糙度或去除率，却很难解释磨粒接触瞬间的原子迁移、缺陷萌生和局部温升。本文把抛光过程放到分子动力学框架中，先重建分形粗糙硅表面，再观察磨粒如何改变表层与亚表层结构，从而让工艺参数与微观损伤之间建立可解释联系。图1 分形粗糙硅片与振动辅助抛光分子动力学模型。
研究没有采用过度简化的平整硅表面，而是用分形方法描述晶圆表面的随机起伏，使磨粒接触更接近真实抛光状态。模型中 SiC 磨粒沿设定轨迹作用于单晶硅，系统记录摩擦力、法向力、debris atoms、表面高度、原子位移与温度变化。这样的设计把几何粗糙、载荷响应和材料去除联系起来，也避免只从单一力学曲线判断工艺好坏，便于比较普通抛光与振动辅助抛光的机制差异。抛光深度越大，磨粒进入硅表面的程度越深，材料去除通常更充分，但代价是更强的局部挤压和更明显的亚表面损伤。论文比较 1.8-3.0 nm 梯度深度后发现，浅层加工去除不足，深层加工则会增加缺陷扩展和载荷波动。约 2.4 nm 在去除效率、表面轮廓和损伤控制之间取得较好平衡，因此被视为该模型下更合适的加工深度。这也提示纳米抛光不能简单依靠加大压入量来提高效率。图2 不同抛光深度下的力学响应、表面演化与原子分布对比。
振动辅助的核心作用不是简单叠加运动，而是改变磨粒与硅表面的接触节奏。周期性微振动让持续挤压变为间歇接触，局部应力更容易释放，原子迁移路径也更分散。模拟显示，相比常规线性抛光，振动辅助抛光能够降低摩擦力和法向力，减少表面撕裂式去除，使材料去除过程更平稳，最终有利于获得更均匀的纳米级表面。它的优势主要来自接触状态调制，而不是单纯提高运动速度。图3 常规抛光与振动辅助抛光的材料去除和亚表面损伤差异。
振动频率决定磨粒接触、脱离和再接触的时间尺度。频率过低时，振动对接触状态的调制不足，难以明显改善摩擦和表面质量；频率过高时，磨粒运动稳定性下降，可能引入额外波动。论文在 13-53 GHz 范围内比较后发现，33 GHz 附近能够更好地分散接触应力，兼顾较低载荷、较好表面轮廓和较小亚表面损伤。这个结果说明频率优化存在窗口，而不是越高越好。图4 不同振动频率下的载荷、表面质量和原子响应变化。
这篇论文的价值在于把“振动辅助是否有效”推进到“为什么有效、在哪些参数下更有效”。它用分形粗糙表面提高模型真实性，用深度和频率双参数揭示加工窗口，并把摩擦、温度、原子位移和亚表面损伤统一分析。对硅片超精密加工而言，结果提示工艺优化不能只追求去除率，还要同时约束载荷波动和隐性损伤。未来若结合实验验证，可进一步转化为可执行的抛光参数设计准则。论文信息Shao Y, Chen R, Sun Y, Zhao G, Wang X. Mechanistic study of vibration-assisted gradient polishing of silicon wafers with fractal rough surfaces at the nanoscale[J]. Tribology International, 2026, 224:112337.DOI：https://doi.org/10.1016/j.triboint.2026.112337
