單晶SiC基片的磁流變化學(xué)復(fù)合拋光＊

梁華卓，付有志，何俊峰，徐蘭英，閻秋生

（1.廣東技術(shù)師范大學(xué) 機電學(xué)院,廣州 510000）

（2.廣東工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院,廣州 510000）

單晶SiC 作為第三代半導(dǎo)體材料，具有禁帶寬度大、擊穿電場強度和熱導(dǎo)率高、抗輻射能力強以及化學(xué)穩(wěn)定性好等特點，適用于制作高溫、高頻、抗輻射、大功率和高密度集成的電子器件[1]。外延工藝是制備IC 半導(dǎo)體器件所必需的關(guān)鍵工藝之一，只有半導(dǎo)體襯底的表面超光滑，缺陷和表面/亞表面損傷極低且表面晶格完整才能滿足外延膜生長的要求[2]。由于SiC 材料具有硬度大、化學(xué)穩(wěn)定性高等特點，單晶SiC 的超精密加工難度很大[3-4]。

目前，SiC 基片的超光滑表面加工的主要方法為化學(xué)機械拋光。AIDA 等[5]研究了不同酸性和堿性條件對化學(xué)機械拋光SiC 材料的影響，發(fā)現(xiàn)：堿性拋光液對單晶SiC 的Si 面較為有效，但材料去除率僅為64 nm/h；而酸性拋光液對單晶SiC 的C 面加工效果較好，材料去除率為140 nm/h。為了提高SiC 材料化學(xué)機械拋光時的化學(xué)作用，SHI 等[6]使用H2O2和Fe 構(gòu)成的芬頓體系，并加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的KOH，以SiO2為磨料對SiC 進行超過10 h 的化學(xué)機械拋光，獲得了原子級臺階表面。葉子凡等[7]在化學(xué)機械拋光體系中加入紫外LED 系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)：增大紫外光功率時，4H-SiC 的材料去除率增大，最終獲得了表面粗糙度Ra為0.058 6 nm 的表面，同時材料去除率達(dá)到了352.8 nm/h。雖然化學(xué)機械拋光方法可以獲得超光滑加工表面，但加工過程效率普遍較低，且存在法向拋光壓力，被加工表面仍然存在較深損傷層。

磁流變拋光是一種柔性拋光方法，拋光墊與工件表面柔性接觸，存在磨粒的“容沒效應(yīng)”[8]，可以減少工件對磨料硬度和尺寸不均勻的敏感性，克服機械拋光和化學(xué)拋光過程存在的一些缺點。目前，有學(xué)者對硅片、銅合金和藍(lán)寶石進行了磁流變化學(xué)拋光，取得了較好的加工效果[9-11]，但其加工機理和反應(yīng)體系與化學(xué)機械拋光截然不同。

因此，結(jié)合磁流變拋光的柔性化、可控性和化學(xué)機械拋光的低損傷、高精度等特性，對SiC 材料進行磁流變化學(xué)復(fù)合拋光。采用不同組分的拋光液進行單因素試驗，探究磨粒粒徑、磨粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)、羰基鐵粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)、氧化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)、加工間隙、工件轉(zhuǎn)速和拋光盤轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù)對拋光效果的影響。

1 試驗

1.1 SiC 的磁流變化學(xué)復(fù)合拋光原理

基于芬頓反應(yīng)的SiC 磁流變化學(xué)復(fù)合拋光是利用Fe2+在H2O2溶液中發(fā)生芬頓反應(yīng)，從而與單晶SiC 產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，然后在磁流變?nèi)嵝話伖鈮|的機械去除下進行材料去除，其反應(yīng)原理如式(1)～式(3)所示。在化學(xué)反應(yīng)過程中，F(xiàn)e2+僅起催化劑的作用，不會在拋光過程中消失。因此，磁流變液中的磁性粒子(羰基鐵粉)在復(fù)合拋光過程中不會被削弱，反而由于其表面積大，能促進芬頓反應(yīng)的產(chǎn)生。

生成的SiO2反應(yīng)層在磁流變拋光墊和磨粒的作用下被去除，繼而暴露出新鮮的材料表面，該過程不斷重復(fù)，進而實現(xiàn)SiC 表面材料的連續(xù)去除。由于磁流變拋光墊的柔性，以及磨粒與工件表面的柔性接觸，磨粒在工作界面的法向方向極易屈服，不會產(chǎn)生較大的法向壓力，壓入表面材料的深度較淺，主要沿切向做功。因此，在獲得光滑表面的同時，幾乎不產(chǎn)生二次表面損傷。

1.2 試驗裝置及條件

試驗采用自制的磁流變拋光裝置，如圖1所示。拋光盤整體由拋光盤主軸帶動旋轉(zhuǎn)，小磁鐵位于拋光盤下。以羰基鐵粉、磨料顆粒、分散劑、穩(wěn)定劑、過氧化氫和去離子水等組成磁流變化學(xué)拋光漿液，將其加注到拋光盤表面上。在外加磁場的作用下，磁流變化學(xué)拋光漿液中的磁性顆粒形成鏈串結(jié)構(gòu)，夾持或約束磨粒和固體催化劑形成柔性的磁流變效應(yīng)拋光墊。將工件安裝于機床主軸上，調(diào)節(jié)工件與拋光盤的間隙，使工件接觸柔性拋光墊并產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)對SiC 的高效加工。

圖1 磁流變拋光裝置Fig.1 Magnetorheological finishing device

試驗采用的單晶SiC 試件為北京天科合達(dá)半導(dǎo)體股份有限公司生產(chǎn)的直徑為50.8 mm，厚度為（400 ± 25）μm 的6-SiC 切割片，經(jīng)初研后，其表面粗糙度Ra約為40.00 nm，將其作為拋光試件。選取磨粒粒徑、磨粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)、羰基鐵粉（粒徑為1.9 μm）質(zhì)量分?jǐn)?shù)、過氧化氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)、加工間隙、工件轉(zhuǎn)速以及拋光盤轉(zhuǎn)速等參數(shù)作為研究對象，將加工時間設(shè)為1 h，進行磁流變化學(xué)復(fù)合拋光試驗，加工參數(shù)如表1所示。加工條件為：磨粒粒徑，1.0 μm；磨粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)，5%；羰基鐵粉粒徑，1.9 μm；羰基鐵粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)，25%；過氧化氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)，5%；加工間隙，1.0 mm；工件轉(zhuǎn)速，500 r/min；拋光盤轉(zhuǎn)速，20 r/min。在進行單因素試驗時，分別改變其中相應(yīng)變量條件。

表1 加工參數(shù)Tab.1 Machining parameters

使用測量精度為0.1 mg 的精密電子天平稱SiC 晶片拋光前后的質(zhì)量，計算得到材料去除率。通過OLS4000激光共聚焦顯微鏡觀察工件被加工表面的形貌特征。用Mahr XT20 表面粗糙度儀和泰勒霍普森CCI HD 非接觸式光學(xué)3D 輪廓儀測量加工后的表面粗糙度，試驗取5 個不同測量區(qū)域結(jié)果的平均值。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 磨粒粒徑的影響

為分析磨粒粒徑對加工效果的影響，選擇不同粒徑的金剛石對SiC 晶片進行加工，分析不同磨粒粒徑的加工規(guī)律。

圖2為磨粒粒徑對拋光效果的影響。由圖2可知：隨著金剛石粒徑的增大，材料去除率出現(xiàn)明顯增大的趨勢，但當(dāng)粒徑增大至3.0 μm 時，材料去除率略有下降；隨著金剛石粒徑的增大，表面粗糙度先減小后增大，磨粒粒徑為1.0 μm 時，表面粗糙度最低。當(dāng)使用納米級磨粒時，其與羰基鐵粉尺寸（1.9 μm）相差大，去除能力不足，并且磨粒本身的團聚嚴(yán)重影響其加工效果；而在磨粒粒徑與羰基鐵粉粒徑相當(dāng)時，加工效果較好；但當(dāng)粒徑尺寸過大時，磁流變拋光墊的“容沒效應(yīng)”受到影響，大顆粒的磨粒破壞磁流變拋光墊的性能，材料去除率略有下降，表面粗糙度反而升高。

圖2 磨粒粒徑對拋光效果的影響Fig.2 Effect of abrasive particle size on polishing

2.2 磨粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

在相同的試驗條件下，分別采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%，3%，5%，7%的金剛石磨粒對SiC 基片進行拋光，結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出：材料去除率隨著磨粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而逐漸增大；而相應(yīng)的表面粗糙度Ra則先減小后增大；當(dāng)磨粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時，表面粗糙度最低，為5.12 nm。

圖3 磨粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)對拋光效果的影響Fig.3 Effect of abrasive mass fraction on polishing effect

圖4所示為不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的磨粒加工后的表面形貌。從圖4可知：當(dāng)磨粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)過大或過小時，表面都會存在明顯的加工痕跡以及凹坑。當(dāng)磨粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小時，拋光墊去除能力較低，工件表面材料去除率低，前階段工序殘留的研磨劃痕難以去除。當(dāng)磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大時，拋光液中的磨粒增加，拋光墊的去除能力提高，拋光效果較好。當(dāng)磨粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過一定范圍時，又會影響磁性粒子對磨粒的約束能力，表面產(chǎn)生局部損傷形成凹坑，導(dǎo)致表面粗糙度略有增大。

圖4 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的磨粒拋光的SiC 表面形貌Fig.4 Surface morphology of SiC polished by abrasive particles with different mass fractions

2.3 羰基鐵粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

配制羰基鐵粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為20%，25%，30%，35%的拋光漿液進行試驗，研究其對拋光效果的影響，結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出：當(dāng)羰基鐵粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)從20%增大到35%時，材料去除率逐漸增大；當(dāng)羰基鐵粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%時，材料去除率達(dá)到了3.50 mg/h；隨著羰基鐵粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，拋光后的表面粗糙度先減小后增大；當(dāng)羰基鐵粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%時，表面粗糙度最低。因此，在磁流變化學(xué)復(fù)合拋光過程中，羰基鐵粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)過大或過小都會影響拋光質(zhì)量。磁流變化學(xué)復(fù)合拋光過程是化學(xué)作用與機械去除的協(xié)同過程，在一定范圍內(nèi)，羰基鐵粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，機械去除作用增大，表面加工較好。當(dāng)羰基鐵粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)過大時，其產(chǎn)生的機械去除作用遠(yuǎn)大于化學(xué)作用，磨粒劃擦作用增強，表面粗糙度反而升高。

圖5 羰基鐵粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對拋光效果的影響Fig.5 Effect of carbonyl iron powder mass fraction on polishing effect

2.4 氧化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

拋光漿液中的過氧化氫是產(chǎn)生芬頓反應(yīng)的必要條件，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)的大小決定芬頓反應(yīng)能否順利進行以及羥基自由基的生成量。因此，采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1%，3%，5%，7%的過氧化氫配制磁流變化學(xué)復(fù)合拋光漿液進行試驗，結(jié)果如圖6所示。

圖6 過氧化氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)對拋光效果的影響Fig.6 Effect of mass fraction of hydrogen peroxide on polishing effect

從圖6可以看出：當(dāng)過氧化氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時，材料去除率最低，僅為2.30 mg/h，表面粗糙度較高（6.06 nm）；當(dāng)過氧化氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在5%以內(nèi)時，隨著過氧化氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，材料去除率增大，表面粗糙度下降；當(dāng)過氧化氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時，材料去除率最大，表面粗糙度最小。當(dāng)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過5%后，材料去除率反而下降，表面質(zhì)量也變差。這是因為，當(dāng)過氧化氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小時，生成的羥基自由基未能充分與SiC 表面材料發(fā)生氧化反應(yīng)，影響拋光效果；隨著過氧化氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，羥基自由基的生成量增加，SiC 表面氧化層厚度增大，加工的材料去除率增大，表面粗糙度降低。當(dāng)過氧化氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過一定值后，活性羥基自由基會產(chǎn)生自身的猝滅反應(yīng)，同時，過量的過氧化氫會捕獲生成的羥基自由基，阻礙SiC 的有效氧化，從而導(dǎo)致拋光效果變差，具體反應(yīng)如式（4）～式（5）所示[12]。

2.5 加工間隙的影響

在磁流變化學(xué)復(fù)合拋光過程中，將拋光盤面與加工表面之間的距離定義為加工間隙，以0.6 mm，0.8 mm，1.0 mm，1.2 mm 的加工間隙進行試驗，分析加工間隙對加工效果的影響。

圖7為加工間隙對拋光效果的影響。從圖7可以看出：當(dāng)加工間隙從0.6 mm 增大至1.2 mm 時，材料去除率從3.77 mg/h 減少到1.17 mg/h，對應(yīng)的表面粗糙度則先減小再增大；當(dāng)加工間隙為1.0 mm 時，表面粗糙度最低（5.36 nm）。由此可見，選擇1.0 mm 的加工間隙進行集群磁流變化學(xué)復(fù)合拋光較為適宜。

圖7 加工間隙對拋光效果的影響Fig.7 Effect of machining gap on polishing

在磁流變化學(xué)復(fù)合加工過程中，改變加工間隙的大小將直接影響加工區(qū)域的磁場強度，進而影響工件表面的拋光壓力。隨著加工間隙的增大，磁感應(yīng)強度逐漸減弱，磁流變拋光墊對工件的加工效果減弱。然而，在過小的加工間隙范圍內(nèi)，拋光力作用較大，反而造成加工表面粗糙度增大。圖8為不同加工間隙下的工件表面形貌，從圖8可見：當(dāng)加工間隙在1.0 mm 時，加工表面質(zhì)量較好。

圖8 不同加工間隙下的SiC 表面形貌Fig.8 Surface morphology of SiC with different machining gaps

2.6 工件轉(zhuǎn)速的影響

根據(jù)Preston 方程，除了加工壓力外，工件與拋光工具的相對速度也是材料去除的重要因素。因此，選用不同的工件轉(zhuǎn)速，分析加工過程中的工件轉(zhuǎn)速對拋光效果的影響規(guī)律，結(jié)果如圖9所示。

圖9 工件轉(zhuǎn)速對拋光效果的影響Fig.9 Effect of workpiece speed on polishing

從圖9可以看出：當(dāng)工件轉(zhuǎn)速分別為300 r/min，400 r/min，500 r/min，600 r/min 時，獲得的加工表面粗糙度分別為6.48 nm，5.90 nm，5.66 nm，6.28 nm，相應(yīng)的材料去除率分別為2.30 mg/h，2.81 mg/h，3.33 mg/h，3.16 mg/h。顯然，最優(yōu)的工件轉(zhuǎn)速參數(shù)為500 r/min。這是因為，在一定范圍內(nèi)，工件與磨粒的相對速度增大，導(dǎo)致磨粒的機械作用增強，進而使材料去除率增大。但隨著工件轉(zhuǎn)速持續(xù)增大到一定程度后，工件的高速轉(zhuǎn)速會破壞磁流變拋光墊的穩(wěn)定性，使磁性粒子離心作用增大，這在一定程度上削弱了加工效果，從而使加工表面粗糙度下降。

2.7 拋光盤轉(zhuǎn)速的影響

圖10為拋光盤轉(zhuǎn)速對拋光效果的影響。從圖10可見：當(dāng)拋光盤轉(zhuǎn)速分別為10 r/min，20 r/min，30 r/min，40 r/min 時，工件材料去除率分別為2.29 mg/h，2.42 mg/h，2.23 mg/h，1.22 mg/h，而對應(yīng)的表面粗糙度分別為7.32 nm，5.66 nm，7.18 nm，8.10 nm。結(jié)果表明：隨著拋光盤轉(zhuǎn)速的增大，材料去除率先增大后減小，而表面粗糙度先減小后增大，在拋光盤轉(zhuǎn)速為20 r/min 時，加工效果最好。

圖10 拋光盤轉(zhuǎn)速對拋光效果的影響Fig.10 Effect of polishing disc speed on polishing effect

隨著拋光盤轉(zhuǎn)速的增大，工件加工表面的機械作用增強，加工效果隨之改善。而隨著拋光盤轉(zhuǎn)速進一步增大，在拋光盤轉(zhuǎn)速達(dá)到30 r/min 后，拋光盤上的工件漿液出現(xiàn)離心分離現(xiàn)象，特別是磨粒與磁流變粒子密度不同而出現(xiàn)的逃逸現(xiàn)象，造成參與拋光的有效磨粒數(shù)量減少，材料去除率下降。

2.8 優(yōu)化結(jié)果

采用以上單因素優(yōu)化的試驗條件，選擇粒徑為1.0 μm，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的金剛石粉，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的羰基鐵粉，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的過氧化氫，加工間隙為1.0 mm，工件轉(zhuǎn)速為500 r/min，拋光盤轉(zhuǎn)速為20 r/min，對表面粗糙度約為40.00 nm 的單晶SiC 進行120 min 磁流變化學(xué)復(fù)合拋光，采用泰勒霍普森CCI HD 非接觸式光學(xué)3D 輪廓儀對加工表面進行檢測，加工后的表面形貌如圖11a 所示。由圖11a 可知：加工后的表面光滑。單晶SiC 基片的表面粗糙度Ra達(dá)到 0.10 nm 以下，具體檢測結(jié)果如圖11b 所示。

圖11 優(yōu)化工藝的加工結(jié)果Fig.11 Processing results of optimized process

3 結(jié)論

（1）隨著金剛石磨粒粒徑的增大，材料去除率先增大后減小，而表面粗糙度先減小后增大；隨著磨粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，材料去除率增大，而表面粗糙度先減小后增大；當(dāng)羰基鐵粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大時，材料去除率增大，而表面粗糙度先減小后增大；隨著氧化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，材料去除率先增大后減小，而表面粗糙度先減小后增大；加工間隙對材料去除率的影響較大，加工間隙為1.0 mm 時，加工表面質(zhì)量較好；隨著工件轉(zhuǎn)速和拋光盤轉(zhuǎn)速增大，材料去除率均先增大后減小，表面粗糙度均先減小后增大。

（2）研究加工參數(shù)對拋光效果的影響規(guī)律，獲得了優(yōu)化的工藝參數(shù)為：磨粒粒徑，1.0 μm；磨粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)，5%；羰基鐵粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)，25%；過氧化氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)，5%；加工間隙，1.0 mm；工件轉(zhuǎn)速，500 r/min；拋光盤轉(zhuǎn)速，20 r/min。

（3）采用優(yōu)化的工藝參數(shù)對表面粗糙度約為40.00 nm的單晶SiC 進行120 min 的磁流變化學(xué)復(fù)合拋光，獲得了光滑平坦化加工表面，加工后的表面粗糙度Ra達(dá)到0.10 nm以下。