Влияние включений на механизм удаления полированного Si методом МД

Почему крошечные дефекты в кремнии имеют значение

От смартфонов до солнечных панелей — многие современные устройства зависят от кремниевых кристаллов, отполированных настолько гладко, что даже малейшие неровности могут привести к проблемам. Однако реальный кремний никогда не бывает идеальным: в нём встречаются твёрдые вкрапления других материалов, называемые включениями, зарытые под поверхностью. В этом исследовании с помощью компьютерного моделирования на атомном уровне задаётся практический вопрос с большим технологическим значением: когда мы полируем кремний с такими скрытыми вкраплениями, они тихо помогают процессу или тайно повреждают наши чипы?

Заглядывая в полировку по одному атому

Исследователи построили виртуальный эксперимент по полировке, используя молекулярную динамику — метод, отслеживающий движение сотен тысяч атомов шаг за шагом. Они смоделировали блок монокристаллического кремния с одним круговым включением из карбида кремния — очень твёрдого соединения, часто встречающегося как дефект в реальных пластинах. Над этим блоком поместили жёсткую алмазную частицу, которая скользит и вращается по поверхности, имитируя наномасштабную полировку, используемую для получения ультра-плоских и ультра-гладких компонентов.

Настройка размера скрытых вкраплений

Чтобы выяснить, как влияет размер дефекта, команда изменила в своих моделях только одно: диаметр кругового включения — от 3 до 5 нанометров (нанометр — это миллиардная часть метра). Затем они отслеживали набор показателей во время полировки: силы, действующие на алмаз, трение между инструментом и кремнием, локальную температуру, энергию, накопленную в кристалле, а также образование и исцеление дефектов под поверхностью. Поскольку модель следила за отдельными атомами, исследователи могли наблюдать, как упорядоченная решётка кремния деформируется, ломается и в некоторых случаях восстанавливается по мере прохождения абразива.

Как включения изменяют повреждения и трение

Моделирование выявило тонкую картину. Более крупные включения концентрировали больше напряжений в окружающем кремнии, создавая более глубокую зону подсурфейсных повреждений и сильнее нарушая исходную алмазоподобную атомную структуру материала. Они также повышали силы полировки и нормальные силы, что, в свою очередь, увеличивало трение. Однако эти твёрдые вкрапления существенно не изменяли общую температурную картину процесса, поскольку большая часть тепла по‑прежнему выделялась при трении и сжатии между алмазом и поверхностью кремния в целом.

Неожиданная помощь от мелких дефектов

В то же время наличие включений меняло типы образующихся дефектов. Многие атомы переходили в слегка искажённое состояние с пятикоординной структурой, которое имеет склонность к кластеризации вокруг и под включением. Более крупные включения давали больше таких атомов, но, что удивительно, — меньше сильно сжатых, сильно искажённых состояний, которые обычно связывают с плохим качеством поверхности. В некоторых условиях мелкие включения около 3 нанометров вовсе не повышали трение по сравнению с бездефектным кристаллом и даже демонстрировали более благоприятное скольжение. Моделирование также обнаружило модель «аннигиляции — регенерации» в крошечных дислокационных линиях — нитевидных дефектах в кристалле — которые сначала исчезали по мере упругого восстановления поверхности, а затем снова появлялись по мере продвижения полировки, особенно при больших включениях.

Баланс между гладкостью и скрытым напряжением

В целом исследование показывает, что зарытые твёрдые вкрапления в кремнии не всегда являются плохой новостью. Крупные включения действительно углубляют скрытые повреждения и сильнее нарушают кристалл, но они также могут ограничивать наихудшие состояния высокого давления и способствовать восстановлению некоторых дефектов после полировки. Мелкие включения способны сохранять хорошее качество поверхности и приемлемое трение, что позволяет предположить: целенаправленное управление размером и распределением таких дефектов может стать новым «регулятором» для инженеров. Раскрывая, как включения направляют напряжения, трение и повреждения на атомном уровне, эта работа даёт рекомендации по разработке процессов полировки, которые обеспечивают более гладкие и надёжные кремниевые компоненты несмотря на неизбежные в них несовершенства.

Цитирование: Yue, H., Tang, S., Chen, X. et al. Effect of inclusions on polished Si removal mechanism via MD. Sci Rep 16, 12106 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42219-2

Ключевые слова: полировка кремния, молекулярная динамика, кристаллические дефекты, включения карбида кремния, ультраточная обработка