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我们通过考虑Si和二氧化硅在磨损过程中之间的化学反应来研究摩擦相互作用的起源。使用原子力显微镜(AFM)，这是一个强大的工具的原子尺度磨损分析。4-6磨损试验是通过在氢氧化钾溶液中在不同pH值下用SiAFM尖端在硅片上划伤热氧化的二氧化硅薄膜来进行的。通过磨损试验比较摩尔中硅与二氧化硅的去除体积，研究了硅与二氧化硅之间的化学反应，以阐明原子尺度上的硅去除机理。
本实验使用了带有封闭玻璃流体单元的商业式AFM，将溶液注入电池后，将Si尖端带到二氧化硅薄膜上，划伤薄膜表面进行磨损试验。在1~6mN的正常载荷下，连续3、8、18和38个循环，尖端扫描速度为20mm/s，划伤了10 310 mm的区域，然后，在约0.2mN的正常载荷下，使用相同的Si尖端，观察到较大的二氧化硅表面积为20 320 mm来成像磨损标记，二氧化硅去除体积由划痕面积（100mm2）和磨损标记的观测深度的乘积得到。为了澄清表面氧化，我们用透射电镜（透射电镜）观察了硅尖端，由于尖半径小于10nm，没有任何蚀刻处理就获得了尖尖的原子尺度图像。
图2
具有少量天然氧化物层的硅单晶的晶格平面清晰可见，在氢氧化钾溶液中划伤二氧化硅表面后的典型Si尖端的扫描电镜图像中显示（见图2），硅尖端的顶端已被均匀地去除，并在尖端的末端暴露出一个平坦的表面。在1~6mN的3、8、18和38个划伤循环下，溶液pH中摩尔的Si磨损体积的依赖性。结果表明，硅的磨损量在pH10.2-12.5处达到峰值，这一结果与实际硅CMP的抛光行为相似。
图5显示了二氧化硅表面磨损标记的深度作为pH12.5下抓痕循环次数和1.89~2.40mN的正常荷载的函数，可见磨损深度随着刮伤循环次数的增加而增加，最大深度小于30nm，比初始的二氧化硅薄膜厚度更薄。结果还表明，每个划痕的深度所有循环的长度均小于1nm。这表明，在磨损测试过程中，需要从二氧化硅表面去除原子层。
图5
利用原子力显微镜检测了氢氧化钾溶液中不同pH值下硅尖端和二氧化硅薄膜之间的磨损行为，且发现硅尖去除量与溶液的pH值有很大的关系，并在pH10.2-12.5时达到最大值。这一结果表明，硅尖端的磨损行为与硅晶圆的实际化学机械抛光行为相似。结果还发现，无论溶液的pH值如何，摩尔中的硅去除体积都近似等于二氧化硅。这个等式意味着Si-O-Si桥之间形成一个硅原子和一个二氧化硅分子磨损界面，其次是硅尖端的氧化，最后键破裂的尖端运动和硅物种包括Si-OSi桥溶解在氢氧化钾溶液中。
抛光量与硅晶圆在实际CMP中的抛光行为相似。结果表明，硅尖去除体积与二氧化硅薄膜的去除体积吻合较好。并讨论了晶尖尖端与二氧化硅表面磨损界面上的化学反应，并提出了原子尺度上的表面硅去除机制，包括硅桥界面的形成，然后是硅尖端的氧化，最后是尖端运动的键断裂，包括晶硅桥在内的硅物质溶解在氢氧化钾溶液中。这些结果表明，界面上硅桥的形成是控制原子尺度上硅表面抛光行为的一个重要因素。