化学机械抛光（CMP）是集成电路制造中的关键平面化技术，它利用化学蚀刻和机械磨损的协同作用在晶圆表面实现纳米级平滑度[1]、[2]、[3]。在浅沟隔离（STI）工艺中，由于二氧化铈（CeO2）基抛光浆料对二氧化硅（SiO2）具有优异的去除速率和对氮化硅（Si3N4）的较高选择性[4]、[5]、[6]，因此被广泛使用。随着集成电路制造技术发展到3纳米及更小尺度，对CMP后表面质量的要求日益严格。任何残留的磨料颗粒或表面缺陷都可能导致器件性能下降甚至失效。在整个抛光过程中，CeO2颗粒与SiO2表面发生化学反应，形成Ce–O–Si键，从而增强抛光效果[7]、[8]、[9]。然而，这种化学键合也使得在后续清洗阶段彻底去除CeO2颗粒变得非常困难。如果这些残留颗粒未能有效去除，它们可能在后续的薄膜沉积和光刻过程中成为缺陷源，严重影响器件的可靠性和生产产量[10]。因此，开发高效的CMP后清洗工艺，特别是针对纳米级CeO2颗粒的去除工艺，已成为当前先进制造过程中的关键挑战之一。
在传统的CMP后清洗工艺中，研究人员通常通过调整清洗溶液的成分来去除晶圆表面的残留CeO2颗粒。常用的标准清洗溶液包括SC1（NH4OH:H2O2:H2O，比例1:1:5–1:1:100，温度40–75°C）、SPM（H2SO4:H2O2，比例2:1–4:1，温度90–140°C）和稀氢氟酸（DHF，HF:H2O，比例1:10–1:200，温度25°C），通过强酸、碱或氧化剂的作用溶解晶圆表面吸附的CeO2颗粒[11]、[12]、[13]。然而，这些清洗溶液具有很强的腐蚀性，容易损坏器件结构，并且越来越面临环境和成本方面的挑战。为了提高清洗效率并减少化学品消耗，研究人员探索了在清洗溶液中添加功能性添加剂的方法。吴等人将非离子型表面活性剂脂肪醇聚氧乙烯醚（AEO）-20加入到10倍稀释的SC1溶液中，从而保持了颗粒去除效率（PRE），同时减轻了SC1对环境的影响[14]。Gowda等人使用聚乙二醇辛基苯基醚（Triton X-100）增强了碱性清洗溶液对CeO2颗粒的去除能力[15]。Song等人使用四甲基氢氧化铵（TMAH）、乙二胺四乙酸（EDTA）和disponil组成的溶液进行CMP后清洗，以去除抛光后的SiO2和Si3N4薄膜上的纳米CeO2颗粒[16]。上述改进方案的共同特点是使用含有络合剂和表面活性剂的碱性溶液。然而，涉及的化学品种类繁多，不仅导致清洗成本较高，而且由于其环境耐受性差，进一步限制了它们在半导体生产线中的大规模可持续应用。
为了减轻化学品的影响，一些学者在标准CMP后清洗工艺之前引入了预处理步骤[17]、[18]。这一步骤位于CMP和CMP后清洗之间，通过抛光继续去除静态附着在晶圆表面的颗粒。与CMP的主要区别在于使用绿色清洗化学品代替抛光浆料，通常称为抛光清洗。这种方法减轻了化学吸附颗粒的清洗负担，并解决了CMP后清洗过程中PVA刷子引起的颗粒污染问题。关于清洗工艺，Hong等人研究了抛光清洗工艺参数与氢（H2）水去除颗粒效率之间的正相关关系[19]、[20]。Jung等人报告称，较软的微图案垫子可以在预清洗步骤中提高颗粒去除效率[21]。Liu等人发现，温度（50°C）和碱性溶液在抛光清洗过程中有助于颗粒去除[22]。此外，他们提出了一种环保的抛光清洗溶液——过饱和气体溶解水，可以有效去除胶体CeO2纳米颗粒[23]。Wang等人证明了表面活性剂在抛光清洗过程中去除颗粒的有效性[24]。这些研究共同证实了抛光清洗工艺作为预处理步骤的有效性。显然，当前的抛光清洗工艺倾向于选择环保的单组分清洗溶液作为介质，旨在最小化清洗溶液中复杂化学品对环境的影响[25]。
尽管先前的研究表明预处理工艺具有潜力，但关于机械力和化学作用共同对CeO2颗粒去除影响的系统研究仍然有限。特别是，其背后的界面机制尚未得到充分阐明。为了填补这一空白，本研究在包括压力、抛光头/压盘旋转速度、液体流速和抛光时间等多种工艺条件下，研究了CeO2颗粒的清洗规律。同时，在抛光清洗过程中加入了六种典型的表面活性剂，包括非离子型（AEO，十二烷基葡萄糖苷APG）、阴离子型（十二烷基苯磺酸DBSA，脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠AES）和阳离子型（椰油酰胺丙基甜菜碱CAB，十六烷基三甲基溴化铵CTAB）。全面评估了它们对STI CMP后表面残留CeO2颗粒的清洗性能。通过实验表征和分子动力学模拟的结合，进一步阐明了不同表面活性剂在固液界面上的吸附行为和颗粒去除机制，为开发高性能、低损伤的CMP清洗溶液提供了理论指导和实际帮助。
