晶面及液體環(huán)境對氧化鎵研磨過程摩擦學(xué)特性的影響研究

馮偉，周海，黃傳錦，徐曉明，徐彤彤，夏斯偉，趙雪雅，盧文壯

（1.鹽城工學(xué)院 機械工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051；2.南京航空航天大學(xué) 江蘇省精密與微細制造技術(shù)重點實驗室，南京 210016）

β-Ga2O3晶體材料由于具有良好的射頻性能、導(dǎo)電性能以及高功率、低成本等特點，可作為主流電子產(chǎn)品的基板，在光電子器件領(lǐng)域、航空航天領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景[1-3]。其具有大的禁帶寬度，可以制作成高耐壓、低損耗功率的器件，彌補了現(xiàn)有半導(dǎo)體材料的不足[4-5]。在應(yīng)用初期，氧化鎵材料的形態(tài)一般是粉末狀。近年來，研究人員利用提拉法、光學(xué)伏區(qū)法、薄膜生長法等制備出氧化鎵晶棒[6-9]。氧化鎵晶棒的加工包括定向、切割、研磨及拋光等工藝過程，一般只有經(jīng)過這些加工工藝處理后，才能用于后期的薄膜外延及器件制作[10]。在光電子領(lǐng)域，對晶片的表面質(zhì)量要求非常高，晶片表面質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響后期外延薄膜以及器件的質(zhì)量[11]。由于氧化鎵晶體屬于單斜晶系，高溫易分解，在加工過程中容易發(fā)生解理現(xiàn)象[12-13]，因此如何實現(xiàn)高效、高質(zhì)量的加工是其得以廣泛應(yīng)用迫切需要解決的問題。

現(xiàn)如今，國內(nèi)外學(xué)者針對氧化鎵晶體的研究主要集中在氧化鎵晶體的生長、制備加工及應(yīng)用領(lǐng)域[14-17]。在氧化鎵晶體加工方面，為研究精加工造成的氧化鎵缺陷及變形，GAO Shang 等[18]采用納米壓痕實驗及透射電鏡，研究了單晶β-Ga2O3在納米磨削加工過程中的表面形貌變化以及變形特征。發(fā)現(xiàn)氧化鎵晶體納米磨削加工缺陷出現(xiàn)的順序與硅、鍺等材料不同，當(dāng)磨削能顯著提高時，在其他缺陷出現(xiàn)后才發(fā)現(xiàn)非晶態(tài)相。Wu 等[19]研究了β-Ga2O3晶體在納米壓痕下的形變，發(fā)現(xiàn)當(dāng)壓痕載荷增加時，會產(chǎn)生沿101 晶面的位錯，同時有晶格彎曲和開裂的現(xiàn)象產(chǎn)生。宋放等[20]對氧化鎵晶體兩個主要晶面（(100)晶面和(010)晶面）的納米力學(xué)性能進行了研究，發(fā)現(xiàn)兩個晶面都有“pile-up”現(xiàn)象，在刻劃過程中期，兩個晶面均出現(xiàn)了塑性域加工特征，(100)和(010)晶面的塑性域加工切削深度分別是96.5～576.8 nm 和84.6～421.6 nm。以上研究均采用納米壓痕實驗法，模擬單顆金剛石顆粒在研磨及拋光過程中與工件材料之間的微觀相互作用，討論氧化鎵晶體的微觀變形特點，得到晶體納米力學(xué)特性及加工缺陷類型。在氧化鎵晶片精加工工藝方面，黃傳錦等[21]采用游離磨料對氧化鎵晶片進行化學(xué)機械拋光，并對其拋光機理進行了討論，發(fā)現(xiàn)H3PO4制備的漿料比NaOH 制備的漿料更適合于Ga2O3的化學(xué)機械拋光。該方法使拋光效率提高20%左右，且表面質(zhì)量較高。由上述研究可知，國內(nèi)外關(guān)于氧化鎵晶體的研磨、拋光加工，尤其是加工工藝方面的相關(guān)研究較少。固結(jié)磨料研磨一直是業(yè)界公認的一種晶體材料高效、精密加工的方法，研究者利用該方法，針對氧化鎵晶體的加工展開了深入研究，對推廣氧化鎵材料的應(yīng)用具有重要意義。自支撐CVD 金剛石厚膜的硬度接近天然金剛石，具有優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)等性能，本人前期的研究是將CVD 自支撐金剛石厚膜作為工具來研磨藍寶石晶片，獲得了較高的研磨效率和優(yōu)良的研磨質(zhì)量[22]。在本研究中，將自支撐金剛石厚膜作為工具對氧化鎵晶片進行研磨，研究了氧化鎵晶體晶面及液體環(huán)境對其研磨過程中摩擦學(xué)特性的影響，對不同晶面的氧化鎵晶體的精密加工起到借鑒與指導(dǎo)作用，為氧化鎵精密加工工藝及方法提供新的研究思路。

1 實驗

采用熱絲化學(xué)氣相沉積（HFCVD）法制備自支撐金剛石厚膜，在實驗室熱絲化學(xué)氣相沉積設(shè)備中進行實驗，CH4和H2作為反應(yīng)氣體源，直徑0.4 mm的鎢絲作為熱源。鎢絲加熱到 2000～2200 ℃，將碳源氣體CH4分解為活性碳原子，活性碳原子在H2的刻蝕下生成金剛石結(jié)構(gòu)，冷卻后，金剛石膜從基體上脫落，形成自支撐金剛石厚膜。金剛石厚膜的表面形貌及狀態(tài)采用掃描電鏡及拉曼光譜進行觀察與分析。

為研究氧化鎵晶片在研磨加工中的摩擦學(xué)特性，將沉積好的自支撐金剛石厚膜粘結(jié)在工具夾具上，與固定在試劑盤中的尺寸為 10 mm×10 mm×0.5 mm 的氧化鎵晶片組成對磨副，在UMT 摩擦磨損試驗機上進行實驗（如圖1 所示）。摩擦磨損實驗中，壓力為1 N，線速度為6 mm/s，對磨時間為30 min，滑移單行程為5 mm。所選晶片的實驗晶面分別為(100)面以及(010)面，液體環(huán)境分別為去離子水、3%乙二醇、3%三乙醇胺。進行六組實驗，每組實驗分別進行三次，將所得摩擦系數(shù)曲線求均值進行擬合。實驗后，氧化鎵表面形貌及自支撐金剛石厚膜的磨損情況利用基恩士 VH-200 三維掃描系統(tǒng)、Nova NanoSEM 450 掃描電鏡及AZtec X-MaxN80 能譜儀進行檢測。

圖1 實驗儀器及安裝照片F(xiàn)ig.1 Laboratory equipment and installation photos

2 結(jié)果分析與討論

2.1 金剛石厚膜材料分析

圖 2 為制備的自支撐金剛石厚膜材料的表面SEM 形貌，可見金剛石晶粒交錯分布，晶粒分布較為均勻，單顆晶粒尺寸在100 μm 左右，呈尖塔狀向外凸出。圖3 為金剛石厚膜材料的表面拉曼光譜，在1332 cm–1左右，出現(xiàn)了強度峰值，此為典型的金剛石峰的特性[23]。由此可見，按照上述參數(shù)制備的為金剛石材料且品質(zhì)優(yōu)良，可將其作為研磨氧化鎵晶體材料的工具。

圖2 金剛石厚膜表面形貌SEM 照片F(xiàn)ig.2 SEM image of diamond thick film surface morphology

圖3 金剛石厚膜拉曼光譜圖Fig.3 Raman spectra of diamond thick film

2.2 摩擦學(xué)特性分析

圖4 為不同液體環(huán)境下自支撐金剛石厚膜與氧化鎵晶片對磨時的摩擦系數(shù)曲線。可見六條曲線均呈現(xiàn)先增大后減小，之后逐漸趨于平穩(wěn)的趨勢?？紤]到摩擦學(xué)實驗開始階段運行不完全平穩(wěn)，這個增大的過程即為切入“run-in”階段。

圖4 實驗?zāi)Σ料禂?shù)曲線Fig.4 Experimental friction coefficient curve

自支撐金剛石厚膜在水環(huán)境、3%乙二醇、3%三乙醇胺中研磨(100)晶向的氧化鎵晶片時，平穩(wěn)后的摩擦系數(shù)均值分別約為0.65、0.35、0.22。金剛石厚膜在水環(huán)境、3%乙二醇、3%三乙醇胺中研磨(010)晶向的晶片時，平穩(wěn)后的摩擦系數(shù)分別約為0.28、0.2、0.09。由此可見，氧化鎵晶體的兩個晶面與自支撐金剛石厚膜對磨時，在水環(huán)境中的摩擦系數(shù)最大，乙二醇次之，三乙醇胺最小。這主要是因為在去離子水環(huán)境中，水本身沒有氧化性，在氧化鎵表面不能形成氧化膜，只是在氧化鎵表面形成一層水膜，不能改變氧化鎵原子之間的鍵能，相互作用仍然是純粹的機械作用，因此摩擦系數(shù)較大[24]。當(dāng)液體環(huán)境為乙二醇溶液和三乙醇胺溶液時，由于氧化鎵（Ga2O3）為弱酸性的兩性氧化物，容易與化學(xué)溶液中的OH–發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)，生成剪切強度更低的可溶性GaO33–（反應(yīng)機理如式（1）所示[21]），會在氧化鎵晶片與自支撐金剛石厚膜之間形成一層很薄的化學(xué)反應(yīng)膜，由于其剪切強度低而形成易滑動的界面，在摩擦過程中，該薄膜緩慢地磨去又生成新的薄膜，減少了犁溝效應(yīng)。因此，在相同基體、相同實驗參數(shù)下，添加三乙醇胺溶液和乙二醇溶液時，氧化鎵晶片與自支撐金剛石厚膜對磨的摩擦系數(shù)比在去離子水環(huán)境下對磨的摩擦系數(shù)小。

由摩擦系數(shù)差異可知，不同的研磨液種類對氧化鎵晶體的(100)晶面的摩擦學(xué)特性影響較大?？傮w來看，(100)晶面與自支撐金剛石厚膜對磨時的總體摩擦系數(shù)高于(010)晶面與金剛石厚膜對磨的摩擦系數(shù)。另外，在相同液體環(huán)境下，不同晶向的氧化鎵晶片與金剛石厚膜對磨時的摩擦系數(shù)也存在差異。對比前一段中的摩擦系數(shù)值可見，在宏觀摩擦學(xué)實驗中，(100)晶面的摩擦系數(shù)均大于(010)晶面的摩擦系數(shù)。這主要是由于(010)晶面之間的化學(xué)鍵呈三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，晶面之間容易產(chǎn)生抵抗不同方向的外力，而(100)晶面間結(jié)合力較弱，具有二維材料的性質(zhì)，(100)晶面材料更易去除[25]，在研磨過程中，較多去除的材料碎屑游離于對磨面之間，研磨時會承受更大的阻力。而本實驗選取的研磨壓力相同，因此在相同液體環(huán)境下，不考慮化學(xué)因素的影響，(100)晶面的摩擦系數(shù)大于(010)晶面的摩擦系數(shù)。

2.3 氧化鎵表面形貌及自支撐金剛石厚膜的磨損特性

實驗后，對氧化鎵表面形貌及自支撐金剛石厚膜的磨損情況進行觀察與分析。圖5 為不同液體環(huán)境下氧化鎵(010)及(100)晶面的三維表面形貌。(010)晶面在去離子水、3%乙二醇、3%三乙醇胺中的粗糙度（Ra）均值分別為1.372、1.897、0.136 μm，而(100)晶面對應(yīng)的Ra分別為1.728、0.085、0.414 μm?？梢娫谙嗤瑝毫把心ニ俣认拢谌ルx子水環(huán)境中，(100)晶面的表面粗糙度均值最大。這與上述在水潤滑條件下，自支撐金剛石厚膜片與氧化鎵晶體對磨的摩擦系數(shù)最大所反映的現(xiàn)象相一致。在相同的正壓力下，其摩擦力最大，產(chǎn)生大量的熱量，導(dǎo)致晶片與水膜之間的液體變少，不能起到很好的潤滑和散熱作用，容易產(chǎn)生局部溫度梯度，導(dǎo)致研磨不均勻，容易產(chǎn)生研磨缺陷[26]。

圖5 研磨后氧化鎵晶片表面三維形貌圖Fig.5 Three-dimensional surface topography of gallium oxide wafer after lapping: a) (010) crystal face in water Environment; b)(100) crystal face in water Environment; c) (010) crystal face in ethylene glycol solution; d) (100) crystal face in ethylene glycol solution; e) (010) crystal face in triethanolamine solution; f) (100) crystal face in triethanolamine solution

在液體環(huán)境為三乙醇胺溶液時，(010)晶面與自支撐金剛石厚膜對磨后，表面粗糙度值最小，獲得了較好的表面質(zhì)量。比較各粗糙度值，發(fā)現(xiàn)在相同工藝參數(shù)下，(010)晶面比(100)晶面更容易獲得較好的表面質(zhì)量。如對相同的晶面進行加工，液體環(huán)境為三乙醇胺溶液時，獲得的表面粗糙度值最小。考慮到一般氧化鎵晶體在加工中的(010)面以脆性斷裂為主，并伴有少量破碎區(qū)，而(100)面以解理分層為主，可能還會產(chǎn)生塊狀解理。圖6 為實驗后氧化鎵晶片的表面形貌，圖6a 為(100)晶面，可見有沿著對磨方向的劃痕，小部分區(qū)域可見解理紋。圖6b 為相同放大倍數(shù)下(010)晶面的表面形貌，可見表面較為光滑，未見明顯解理紋路。因此，氧化鎵晶體的(010)晶面比(100)面更適合采用自支撐金剛石厚膜工具進行加工，固體磨料加工中，選擇三乙醇胺溶液作為研磨液更有利于晶體表面質(zhì)量的提高。

自支撐金剛石厚膜在與氧化鎵晶片接觸的初始階段，自支撐金剛石厚膜與氧化鎵表面發(fā)生相對運動，兩個表面的粗糙峰會直接嚙合，表層將發(fā)生機械性質(zhì)的變化，兩接觸面會產(chǎn)生擦傷或微小的犁溝痕跡，發(fā)生二體磨損。對磨一段時間之后，表面的金剛石材料經(jīng)反復(fù)的彈性變形，產(chǎn)生疲勞破壞。圖7 為實驗后自支撐金剛石厚膜的表面形貌，部分金剛石表面晶粒由原來的尖塔狀轉(zhuǎn)變?yōu)轫敹私破矫鏍睢Ａ硗?，由實驗后氧化鎵表面電子圖像及EDS 能譜（圖8）可知，氧化鎵表面有顆粒狀的物質(zhì)嵌入，發(fā)現(xiàn)除氧化鎵等基體元素外，絕大部分為金剛石C，可以推斷有少量的金剛石破損微?；烊氲窖心ヒ褐?，微粒移動于兩摩擦表面，產(chǎn)生三體磨粒磨損。因此，在自支撐金剛石厚膜工具研磨氧化鎵晶片時，先產(chǎn)生二體磨損，一段時間后會產(chǎn)生三體磨粒磨損。

圖6 研磨后的氧化鎵晶片表面形貌圖Fig.6 Surface topography of gallium oxide wafer after lapping

圖7 實驗后金剛石厚膜表面SEM 照片F(xiàn)ig.7 SEM photo of diamond thick film surface after experiment

圖8 實驗后氧化鎵表面照片及EDS 譜圖Fig.8 Surface photo of gallium oxide and EDS after experiment

3 結(jié)論

1）在不同液體環(huán)境下，氧化鎵晶體的兩個晶面與自支撐金剛石厚膜工具對磨時，在去離子水環(huán)境中的摩擦系數(shù)最大，乙二醇次之，三乙醇胺最小。氧化鎵晶體的(100)晶面在研磨過程中，受研磨液種類的影響，所產(chǎn)生的摩擦學(xué)特性差異較大。(100)晶面與自支撐金剛石厚膜對磨時的摩擦系數(shù)，高于(010)晶面與金剛石厚膜對磨時的摩擦系數(shù)。

2）相同壓力及研磨速度下，在液體環(huán)境為去離子水時，(100)晶面的表面粗糙度均值Ra為1.897 μm，為六組實驗的最大值。液體環(huán)境為三乙醇胺時，(010)晶面的表面粗糙度均值Ra為0.414 μm，為六組實驗的最小值。相同工藝參數(shù)下，(010)晶面比(100)晶面更易獲得較好的表面質(zhì)量。氧化鎵晶體的(010)晶面比(100)晶面更適于采用自支撐金剛石厚膜工具進行加工，加工中選擇三乙醇胺作為研磨液，更有利于晶體表面質(zhì)量的提高。

3）自支撐金剛石厚膜工具加工氧化鎵晶片時，兩表面的粗糙峰會直接嚙合，產(chǎn)生二體磨損，一段時間之后，表層的金剛石晶粒產(chǎn)生疲勞損壞，破損微?；烊氲窖心ヒ褐校a(chǎn)生了三體磨粒磨損。