精細霧化拋光氮化硅陶瓷的拋光液配制參數(shù)優(yōu)化

，，

(江南大學機械工程學院，江蘇 無錫 214122)

1 前 言

新型功能陶瓷在微電子、電子、光電子和信息化技術等領域的應用，使得功能陶瓷元器件的加工質(zhì)量以及效率面臨著巨大的挑戰(zhàn)。氮化硅陶瓷材料以其耐高溫、強度高、耐化學腐蝕等優(yōu)良性能在工業(yè)和國防等領域得到廣泛應用；由于其自身的硬度高，研磨加工易在氮化硅陶瓷表面產(chǎn)生劃痕和殘余應力等表面缺陷，無法獲得高質(zhì)量的氮化硅陶瓷表面，影響零件的使用性能，因此化學機械拋光成為了對氮化硅陶瓷進行超精密加工的極佳方式[1-2]。

化學機械拋光(chemical mechanical polishing，CMP)是目前公認的可有效兼顧局部和全部平坦化的技術[3]，朱從容采用四種不同的磨料對氮化硅陶瓷進行了拋光，研究了化學機械拋光過程中磨料與工件表面的相互作用規(guī)律[4]。馮凱萍提出了一種針對氮化硅陶瓷拋光的球體雙平面拋光方法，研究了拋光速度、拋光壓力和水基二氧化鈰拋光液濃度對氮化硅陶瓷表面粗糙度的影響[5]；鄧朝暉等應用化學機械拋光在數(shù)控坐標磨床上對氮化硅陶瓷回轉(zhuǎn)曲面零件進行了超精密加工工藝實驗研究[6]。但是這些傳統(tǒng)的拋光也存在著一些問題：拋光液的成本較高，消耗較大，造成資源的浪費；未經(jīng)處理的拋光液大量排放到自然界會造成環(huán)境污染；拋光液在工件表面的團聚影響了工件表面的加工質(zhì)量[7-8]。

本課題組改進傳統(tǒng)CMP的施液方式，提出了超聲精細霧化CMP的工藝方法，其霧化拋光效果與傳統(tǒng)拋光效果接近，但拋光液用量與傳統(tǒng)拋光相比卻大幅降低[9-10]。目前幾乎沒有關于氮化硅陶瓷超聲精細霧化拋光的研究[11-14]，本文通過調(diào)節(jié)二氧化硅拋光液中的pH值和SiO2磨料濃度以及拋光液中氧化劑的含量[15]，對氮化硅陶瓷進行超聲精細霧化拋光，得到較優(yōu)的成分結(jié)果，并與傳統(tǒng)的CMP進行了比較。

2 實 驗

2.1 實驗材料

實驗選用20mm×20mm×0.65mm，表面粗糙度為10nm的氮化硅陶瓷基板作為待拋光材料，拋光液為市購二氧化硅拋光液(磨粒粒徑為100nm，磨料濃度為38.5 wt %，pH值為10.5)；氧化劑為雙氧水，硝酸和氫氧化鉀為pH值調(diào)節(jié)劑。

2.2 實驗方法

本實驗使用聚氨酯拋光墊，在UNIPOL-1502型拋光實驗機上采用超聲精細霧化CMP對氮化硅陶瓷基板進行了超精密加工；拋光壓力為10.5psi，拋光盤轉(zhuǎn)速為90r/min，CMP的拋光霧流量為10.5mL/min；與其作對比的傳統(tǒng)CMP的拋光液流量為85mL/min，拋光時間為10min。拋光裝置原理如圖1所示。

圖1 超聲精細霧化CMP設備原理圖Fig.1 Principle diagram of the ultrasound fine atomization CMP

采用硝酸與氫氧化鉀來調(diào)節(jié)拋光液的pH值，本實驗僅考慮中性和堿性拋光液，實驗條件為：SiO2的質(zhì)量分數(shù)為5wt %；H2O2質(zhì)量分數(shù)為1 wt %；pH值分別為7、8、9、10、11、12。每次實驗重復三次，取平均值。

采用去離子水來調(diào)節(jié)拋光液中磨料的含量，實驗條件為：SiO2磨料的質(zhì)量分數(shù)分別為5、10、15、20及25wt%；H2O2質(zhì)量分數(shù)為1wt%；pH值為8；拋光壓力為10.5psi；拋光盤轉(zhuǎn)速為90r/min；霧液流量為10.5mL/min。每次實驗重復三次，取平均值。

采用去離子水來調(diào)節(jié)拋光液中H2O2的含量，實驗條件為：SiO2磨料的質(zhì)量分數(shù)為5wt%；pH值為8；氧化劑H2O2的質(zhì)量分數(shù)分別為1、2、3、4及5wt%；拋光壓力為10.5psi；拋光盤轉(zhuǎn)速為90r/min；霧液流量為10.5mL/min。每次實驗重復三次，取平均值。

在相同的實驗條件下，采用相同的拋光液對氮化硅陶瓷基體分別進行超聲精細霧化拋光與傳統(tǒng)拋光，對比其材料去除率及拋光液消耗量。

2.3 拋光液性能評價指標

在拋光前后，用XS205DU型，精度為0.01mg的精密電子天平對三片氮化硅陶瓷基片進行稱重，通過式(1)計算材料去除率。

(1)

式中，MRR為材料去除率(nm/min)，M0和M1分別為拋光前、后陶瓷基板的質(zhì)量(g)，ρ為陶瓷基板的密度(g/cm3)，S1為陶瓷板表面積(cm2)，t為拋光時間(min)。

通過AFM原子力顯微鏡(RTEC)觀察氮化硅陶瓷基板的表面形貌(掃描區(qū)域為5μm×5μm)，并測量其表面粗糙度。

3 結(jié)果與討論

3.1 拋光液pH值對氮化硅陶瓷拋光速率的影響

本文考慮的是pH值7～12的拋光液對氮化硅陶瓷精細霧化拋光材料去除率的影響，其變化趨勢如圖2所示，隨著拋光液pH值的增大，材料去除率先增大后減小，當拋光液的pH值為8時，去除率最大，為107.44nm/min，當pH值為12時，去除率為18.26nm/min。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因之一是：當拋光液的pH值增大時，由于雙氧水在強堿性環(huán)境中的穩(wěn)定性較差，導致拋光液的氧化性變差，拋光過程中的化學作用亦隨之減小，因此氮化硅陶瓷的材料去除率亦隨之降低。當拋光液的pH值為8時，穩(wěn)定性最好。

圖2 材料去除率隨拋光液pH值的變化趨勢Fig.2 Material removal rate trend along with the change of pH value

3.2 SiO2磨料含量對氮化硅陶瓷拋光速率的影響

圖3 材料去除率隨磨料質(zhì)量分數(shù)的變化趨勢Fig.3 Material removal rate trend along with the change of abrasive mass fraction

使用五種不同SiO2磨料質(zhì)量分數(shù)的拋光液對氮化硅陶瓷進行精細霧化拋光，氮化硅陶瓷的材料去除率隨SiO2磨料質(zhì)量分數(shù)的變化趨勢如圖3所示。隨SiO2磨料質(zhì)量分數(shù)的不斷增大，氮化硅陶瓷的材料去除率逐漸降低，在SiO2磨料質(zhì)量分數(shù)為5wt%時，氮化硅陶瓷的材料去除率最大，約為103.82nm/min，當SiO2磨料質(zhì)量分數(shù)為25wt%時，其材料去除率為60.23nm/min。造成此結(jié)果的一個原因是：隨著磨料濃度的增加，拋光過程中的機械作用與化學作用沒有達到相對平衡，氮化硅陶瓷表面的材料還沒有來得及發(fā)生完全化學反應就被拋光過程中磨粒的機械作用給去除掉了，因而氮化硅陶瓷的拋光速率反而降低了。

3.3 氧化劑H2O2含量對氮化硅陶瓷拋光速率的影響

使用五種不同氧化劑含量的SiO2拋光液對氮化硅陶瓷進行精細霧化拋光，氮化硅陶瓷的材料去除率隨氧化劑含量的變化趨勢如圖4所示。隨著氧化劑H2O2的質(zhì)量分數(shù)的增加，氮化硅的材料去除率隨之降低；當氧化劑H2O2的質(zhì)量分數(shù)為1wt %時，氮化硅陶瓷的材料去除率最大為111.19nm/min，當氧化劑的質(zhì)量分數(shù)為4% wt時，氮化硅陶瓷的材料去除率為67.08nm/min，當氧化劑的含量為5%時，氮化硅的材料去除率為66.81nm/min；這說明，當氧化劑的含量達到4%時，隨著氧化劑含量的增加，氮化硅陶瓷的材料去除率變化不大，即拋光液的拋光效果幾乎未受氧化劑含量的影響。雙氧水的含量為1wt%時，在堿性環(huán)境中的穩(wěn)定性最好。隨著氧化劑含量的增加，拋光過程中化學作用的影響的逐漸降低是產(chǎn)生這種趨勢的原因之一。

圖4 材料去除率隨氧化劑H2O2含量的變化趨勢Fig.4 Material removal rate trend along with the change of content of oxidant

3.4 傳統(tǒng)CMP與超聲精細霧化CMP拋光效果的對比

由以上實驗得出，當拋光液中SiO2的質(zhì)量分數(shù)為5wt%，氧化劑H2O2的質(zhì)量分數(shù)為1wt%，拋光液的pH值為8時，對氮化硅陶瓷進行超聲精細霧化拋光效果最好。在除拋光液流量外的相同拋光參數(shù)下，傳統(tǒng)CMP與精細霧化CMP的拋光效果對比如表1所示。圖5為拋光前后氮化硅陶瓷的表面形貌圖。

表1 傳統(tǒng)CMP與精細霧化CMP的拋光效果對比

4 結(jié) 論

精細霧化拋光氮化硅陶瓷的材料去除率與拋光液的pH值、磨料的濃度及氧化劑H2O2的含量有關。

圖5 拋光前與拋光后氮化硅陶瓷的表面形貌 (a) 拋光前； (b) 傳統(tǒng)拋光后； (c) 精細霧化拋光后Fig.5 Surface morphology of silicon nitride ceramics before and after CMP(chemical mechanical polishing)

當拋光液二氧化硅磨粒含量為5wt%，氧化劑含量為1wt%，pH值為8時，氮化硅陶瓷超聲精細霧化拋光的材料去除率(MRR)為108.24nm/min，表面粗糙度Ra為3.39nm。在相同的條件下，對氮化硅陶瓷進行傳統(tǒng)拋光，其材料去除率為125nm/min，表面粗糙度為2.13nm。超聲精細霧化CMP的材料去除率與傳統(tǒng)CMP接近，表面粗糙度相近，但精細霧化拋光所消耗的拋光液量僅為傳統(tǒng)拋光所用拋光液的1/9左右。

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