拋光墊及拋光液對(duì)固結(jié)磨料拋光氧化鎵晶體的影響＊

吳 成， 李 軍， 侯天逸， 于寧斌， 高秀娟

（1.南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院, 南京210016）

（2.航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 檢驗(yàn)檢測(cè)部，成都 610073）

氧化鎵(β-Ga2O3)晶體具有超寬禁帶、高擊穿電場強(qiáng)度、短吸收截止邊、耐高壓以及物化性質(zhì)穩(wěn)定等諸多優(yōu)勢(shì)，是最具代表性的第四代半導(dǎo)體材料之一，廣泛應(yīng)用于日盲紫外光電探測(cè)器件、高電壓設(shè)備及高頻、高功率電子器件等領(lǐng)域，具備廣闊地應(yīng)用潛力[1-2]。應(yīng)用于這些器件的氧化鎵晶體需要較高的表面質(zhì)量[3]。

BLEVINS等[4]研究了拋光液和拋光墊對(duì)氧化鎵晶體拋光的影響，結(jié)果表明：堿性硅溶膠拋光液和毛氈拋光墊能夠得到光滑的表面。HOSHIKAWA等[5]采用游離磨料拋光氧化鎵晶體（100）面，（100）面極易產(chǎn)生解理破碎，結(jié)果表明：游離磨料難以實(shí)現(xiàn)（100）面的高質(zhì)量無損加工。龔凱等[6]對(duì)比了不同拋光墊對(duì)化學(xué)機(jī)械拋光氧化鎵晶體的表面質(zhì)量和材料去除率的影響，結(jié)果表明：LP57聚氨酯拋光墊拋光后的表面形貌較好，材料去除率為22.6 nm/min。徐世海等[7]使用酸性硅溶膠拋光液化學(xué)機(jī)械拋光氧化鎵晶體（100）面，結(jié)果表明：酸性溶液可以腐蝕氧化鎵晶體表面，材料去除率為360 nm/h。HUANG等[8]研究了堿性和酸性拋光液對(duì)氧化鎵晶體拋光的影響，結(jié)果表明：酸性拋光液作用于晶體表面會(huì)生成溶于水的鎵鹽，有利于提高拋光效率，材料去除率為831.5 nm/h。探索氧化鎵晶體高效率、高表面質(zhì)量的拋光方法是現(xiàn)有研究的熱點(diǎn)。

固結(jié)磨料拋光技術(shù)是將磨粒固結(jié)在拋光墊中，磨粒的分布和運(yùn)動(dòng)軌跡確定；同時(shí)，磨粒固定，通過控制壓力可以調(diào)整磨粒切入工件表面的深度，即磨粒運(yùn)動(dòng)及切深可控，能避免游離磨粒隨機(jī)分布造成的刻劃損傷，且磨粒利用率高，可有效提高工件的材料去除率，被廣泛應(yīng)用于脆性材料的拋光加工中。明舜等[9]探究了固結(jié)磨料拋光墊的磨粒粒徑和基體硬度對(duì)拋光YAG晶體表面質(zhì)量和材料去除率的影響，當(dāng)固結(jié)磨料拋光墊基體硬度適中，磨粒粒徑為3～5 μm時(shí)，材料去除率為255 nm/min，工件表面粗糙度Sa為1.79 nm，實(shí)現(xiàn)了晶體的高效高質(zhì)量拋光。LI等[10]研究了固結(jié)磨料拋光墊的磨粒類型、粒徑及基體硬度對(duì)拋光CaF2晶體的材料去除率以及表面質(zhì)量的影響，采用3～5 μm金剛石磨料和軟基體的固結(jié)磨料拋光墊加工，材料去除率為192 nm/min，得到了表面粗糙度Sa為7.27 nm的高表面質(zhì)量的CaF2晶體。黃建東等[11]研究了拋光液酸堿性對(duì)固結(jié)磨料拋光硫化鋅晶體的影響，結(jié)果表明：檸檬酸拋光液可以獲得高表面質(zhì)量和高加工效率，工件表面粗糙度Sa為4.22 nm，材料去除率為437 nm/min。

固結(jié)磨料拋光墊基體硬度、磨粒大小以及拋光液種類是影響固結(jié)磨料拋光氧化鎵晶體性能的重要因素。因此，探究固結(jié)磨料拋光墊特性及拋光液酸性添加劑種類對(duì)氧化鎵晶體材料去除率及表面質(zhì)量的影響，以實(shí)現(xiàn)氧化鎵晶體高效高質(zhì)量的固結(jié)磨料拋光。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)在如圖1所示的ZDHP-30平面精密環(huán)拋機(jī)上進(jìn)行。圖2所示為拋光氧化鎵晶體的固結(jié)磨料拋光墊。實(shí)驗(yàn)材料使用的氧化鎵晶體如圖3所示，尺寸為36 mm ×34 mm × 4 mm，拋光晶面為（100）面。固結(jié)磨料拋光墊選擇3種硬度不同的基體，基體硬度由軟到硬分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ；再分別設(shè)置磨粒濃度為60%，100%，140%，磨粒濃度定義為磨粒質(zhì)量與基體質(zhì)量的比值，研究基體硬度和磨粒濃度對(duì)氧化鎵晶體材料去除率和表面質(zhì)量的影響，得到合適的固結(jié)磨料拋光墊。

圖1 ZDHP-30平面精密環(huán)拋機(jī)Fig.1 ZDHP-30 Plane precision ring polishing machine

圖2 固結(jié)磨料拋光墊Fig.2 Fixed abrasive polishing pad

圖3 氧化鎵晶體Fig.3 Gallium oxide crystal

氧化鎵晶體屬于兩性氧化物，在室溫的條件下呈現(xiàn)出較強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性，但在酸性條件下，晶體表面易形成可溶的鎵離子，溶解于拋光液中，可以有效地提高機(jī)械去除作用，因此，將拋光液的pH值固定為4。采用pH調(diào)節(jié)劑分別為鹽酸（HCl）、草酸（C2H2O4）、乙酸（CH3COOH）和檸檬酸（C6H8O7）開展對(duì)比實(shí)驗(yàn)，4種酸的pKa值（酸度系數(shù)的對(duì)數(shù)形式，pKa值越小，酸性越強(qiáng)）大小依次為鹽酸、草酸、檸檬酸、乙酸。

實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如表1所示，為保證每次實(shí)驗(yàn)之前氧化鎵晶體初始表面一致，每次實(shí)驗(yàn)前修整拋光墊，確保拋光墊新鮮磨粒露出。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置Tab.1 Experimental parameter settings

使用ME104E精密分析天平稱量氧化鎵晶體拋光前后的質(zhì)量，通過晶體拋光前后的質(zhì)量差計(jì)算材料去除率，如式（1）所示。

其中：dMRR為材料去除率，nm/min；Δm為氧化鎵晶體加工前后的質(zhì)量差，g；h0為氧化鎵晶體加工前的初始厚度，mm；M0為氧化鎵晶體拋光前的原始質(zhì)量，g；t為拋光時(shí)間，min。

采用XJX-200型金相顯微鏡對(duì)拋光后的氧化鎵晶體表面進(jìn)行觀察，采用CSPM4000型原子力顯微鏡（AFM）測(cè)量拋光后晶體的表面微觀形貌及表面粗糙度。

2 結(jié)果與討論

2.1 拋光墊基體硬度的影響

在開展拋光墊基體硬度對(duì)比實(shí)驗(yàn)時(shí)，設(shè)置磨粒濃度為100%，拋光液為去離子水。圖4為不同硬度基體拋光墊拋光氧化鎵晶體的材料去除率。從圖4中可看出晶體的材料去除率隨基體硬度的增加而增大。

圖4 不同硬度基體拋光墊拋光氧化鎵晶體的材料去除率Fig.4 Material removal rates of polishing gallium oxide crystal with different matrix hardness polishing pads

圖5、圖6為不同硬度基體拋光墊拋光后的氧化鎵晶體表面顯微形貌和AFM形貌。當(dāng)基體硬度較軟為Ⅰ時(shí)，拋光后晶體表面較為粗糙，微觀表面凸起較多，且有一定的凹坑。當(dāng)基體硬度較硬為Ⅲ時(shí)，拋光后晶體表面最為粗糙，有許多凹坑，表面質(zhì)量最差，微觀表面有明顯的“溝壑”，凸起較高。當(dāng)基體硬度適中為Ⅱ時(shí)，拋光后晶體表面平整光滑，無明顯劃痕，微觀表面凸起較少，較為平坦，表面質(zhì)量最優(yōu)。

圖5 不同硬度基體拋光墊拋光后氧化鎵晶體表面顯微形貌Fig.5 Surface micro morphology of polishing gallium oxide crystal with different matrix hardness polishing pads

圖6 不同硬度基體拋光墊拋光后氧化鎵晶體表面AFM形貌Fig.6 AFM morphology after polishing gallium oxide crystal with different matrix hardness polishing pads

圖7為不同硬度基體拋光墊拋光后氧化鎵晶體的表面粗糙度。從圖7中可看出，晶體的表面粗糙度隨著基體硬度的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。

圖7 不同硬度基體拋光墊拋光后氧化鎵晶體的表面粗糙度Fig.7 Surface roughness after polishing gallium oxide crystal with different matrix hardness polishing pads

圖8為不同基體硬度下磨粒對(duì)氧化鎵晶體的作用機(jī)理。氧化鎵晶體以一定的載荷P和固結(jié)磨料拋光墊表面的磨粒接觸，磨粒對(duì)基體產(chǎn)生切入力，基體產(chǎn)生彈性變形，磨粒表現(xiàn)出一定的退讓性，由于基體的硬度不同，磨粒退讓距離d不同。

圖8 磨粒對(duì)氧化鎵晶體的作用機(jī)理Fig.8 Mechanism of action of abrasive particles on gallium oxide crystal

由于磨粒在固結(jié)磨料墊表面均勻分布，出露高度相對(duì)較高的磨粒最先和晶體接觸并分擔(dān)載荷。當(dāng)基體硬度較軟時(shí)，磨粒退讓的距離增大，共同分擔(dān)載荷切入力的磨粒就越多，單顆磨粒作用于晶體上的力就越小，切入深度就越小，去除方式以耕犁為主，導(dǎo)致材料去除率較低，且劃痕兩側(cè)易形成一定的堆積，所以表面較為粗糙，表面粗糙度較大。當(dāng)基體較硬時(shí)，基體對(duì)磨粒的把持力增大，磨粒的彈性退讓距離隨之減少，磨粒切入深度增加，相同載荷下參與微切削的有效磨粒個(gè)數(shù)增多，導(dǎo)致材料去除率增大，去除方式以刻劃為主，晶體會(huì)產(chǎn)生脆性斷裂等損傷，產(chǎn)生更大的凹坑和劃痕，導(dǎo)致晶體表面質(zhì)量變差，表面粗糙度增大。當(dāng)基體硬度適中時(shí)，基體把持力以及磨粒切入力適中，材料去除率適中，晶體表面劃痕較小，表面質(zhì)量最優(yōu)，表面粗糙度最低。

對(duì)比3種基體硬度的固結(jié)磨料拋光效果，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)基體硬度適中為Ⅱ時(shí)，晶體表面質(zhì)量最好，表面損傷較低且具備較高的材料去除率。

2.2 拋光墊磨粒濃度的影響

由前文可得，在開展拋光墊磨粒濃度對(duì)比實(shí)驗(yàn)時(shí)，選擇的基體硬度為Ⅱ，拋光液為去離子水。圖9為不同磨粒濃度的固結(jié)磨料墊拋光氧化鎵晶體的材料去除率，從圖9中可看出，晶體的材料去除率隨著磨粒濃度的增大而提高。

圖9 不同磨粒濃度拋光墊拋光氧化鎵晶體的材料去除率Fig.9 Material removal rates of polishing gallium oxide crystal with different abrasive concentrations polishing pads

圖10、圖11為不同磨粒濃度拋光墊拋光后氧化鎵晶體表面顯微和AFM形貌。當(dāng)磨粒濃度為60%時(shí)，拋光后晶體表面較為粗糙，且有微量的劃痕，微觀表面有較深的“溝壑”和微凸起。當(dāng)磨粒濃度為140%時(shí)，拋光后晶體表面相對(duì)平整，但劃痕較多，微觀表面也能看到劃痕造成的較淺的“溝壑”。當(dāng)磨粒濃度為100%時(shí)，拋光后晶體表面平整光滑，無明顯的劃痕，微觀表面的凸起和凹坑也相對(duì)較少，表面質(zhì)量最優(yōu)。

圖10 不同磨粒濃度拋光墊拋光氧化鎵晶體后的表面顯微形貌Fig.10 Surface micro morphology of polishing gallium oxide crystal with different abrasive concentrations polishing pads

圖11 不同磨粒濃度拋光墊拋光氧化鎵晶體后的AFM形貌Fig.11 AFM morphology after polishing gallium oxide crystal with different abrasive concentration polishing pads

圖12所示為不同磨粒濃度拋光墊拋光后氧化鎵晶體的表面粗糙度，此時(shí)拋光液為去離子水。從圖12中可看出，晶體表面粗糙度隨著磨粒濃度的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。

圖12 不同磨粒濃度拋光墊拋光氧化鎵晶體后的表面粗糙度Fig.12 Surface roughness after polishing gallium oxide crystal with different abrasive concentrations polishing pads

當(dāng)磨粒濃度過大為140%時(shí)，單位面積上的有效磨粒數(shù)增多，參與微切削的有效磨粒數(shù)也增多，材料去除率隨之增高，同時(shí)也產(chǎn)生更多更密集的劃痕，導(dǎo)致晶體表面質(zhì)量變差，表面粗糙度較高。當(dāng)磨粒濃度過小為60%時(shí)，有效磨粒數(shù)減少，材料去除率降低，同等載荷下，單顆磨粒受力變大，切入工件表面的深度增加，更易導(dǎo)致應(yīng)力集中，形成表面損傷，表面質(zhì)量變差，表面粗糙度增大。當(dāng)磨粒濃度100%時(shí)，有效磨粒數(shù)和單顆磨粒切入力適中，此時(shí)氧化鎵晶體的表面被均勻去除，材料去除率適中，且不易產(chǎn)生表面損傷及劃痕，表面質(zhì)量最優(yōu)，表面粗糙度最低。

綜合氧化鎵晶體拋光后的表面形貌、微觀表面、材料去除率、表面粗糙度這4個(gè)指標(biāo)，確定了最合適的拋光墊參數(shù)：基體硬度適中（為Ⅱ），磨粒濃度為100%。拋光后晶體表面相對(duì)平整光滑，無明顯劃痕損傷，材料去除率相對(duì)較高，表面粗糙度值最小，表面質(zhì)量最優(yōu)。

2.3 拋光液的影響

由前文可得，在開展拋光液對(duì)比實(shí)驗(yàn)時(shí)，設(shè)置的基體硬度為Ⅱ，磨粒濃度為100%。圖13為不同酸性拋光液拋光后的氧化鎵晶體的材料去除率。隨著酸性添加劑pKa值的增大，氧化鎵晶體的材料去除率不斷提高。造成這種現(xiàn)象是因?yàn)閜Ka值越小，H+的電離程度就會(huì)越高，同等pH值的拋光液中所需添加劑量越少，溶液中殘留的分子形式的pH調(diào)節(jié)劑也就越少。隨著拋光的持續(xù)進(jìn)行，拋光液中的H+和晶體發(fā)生反應(yīng)形成易去除的軟腐蝕層，但隨著H+不斷地消耗，拋光液的化學(xué)腐蝕作用減弱，材料去除率降低。相對(duì)較弱的酸，拋光液中殘留的分子形式較多，H+產(chǎn)生消耗的同時(shí)，能電離出新的H+及時(shí)補(bǔ)充，以維持一定的化學(xué)腐蝕作用。因此，添加劑的pKa值越大，拋光消耗的H+補(bǔ)充速度越快，晶體的材料去除率越高。鹽酸的酸性最強(qiáng)，H+的電離程度最高，在拋光過程中，消耗的H+補(bǔ)充的慢，降低了拋光液的腐蝕作用，故材料去除率最低；草酸和檸檬酸的酸性接近，H+的補(bǔ)充速度相差不大，故材料去除率相差較?。灰宜岬乃嵝宰钊?，H+的補(bǔ)充速度最快，故材料去除率最高。

圖13 不同酸性添加劑拋光墊拋光氧化鎵晶體的材料去除率Fig.13 Material removal rates of polishing gallium oxide crystal with different acid additives

在酸性拋光液中發(fā)生的反應(yīng)為式（2）：

圖14、圖15為使用不同酸性添加劑拋光后氧化鎵晶體的表面顯微和AFM形貌。當(dāng)添加劑為草酸時(shí)，拋光后晶體表面質(zhì)量最優(yōu)，表面光滑平坦，無明顯的劃痕及腐蝕坑，微觀表面相對(duì)平整，凸起和凹坑相對(duì)較少，化學(xué)腐蝕和機(jī)械去除有良好的協(xié)同作用，晶體表面被均勻去除。當(dāng)添加劑為鹽酸時(shí)，拋光后表面質(zhì)量最差，表面腐蝕凹坑較多，有明顯的劃痕，微觀表面有很高的凸起。當(dāng)添加劑為檸檬酸時(shí)，拋光后表面有少許的腐蝕凹坑和微小的劃痕，微觀表面有一些凸起和明顯的塑性劃痕形貌。當(dāng)添加劑為乙酸時(shí)，拋光后表面出現(xiàn)非常深的劃痕，微觀表面的劃痕數(shù)量也較多。

圖14 不同酸性添加劑拋光墊拋光氧化鎵晶體后的表面顯微形貌Fig.14 Surface micro morphology of polishing gallium oxide crystal with different acid additives

圖15 不同酸性添加劑拋光墊拋光氧化鎵晶體后的AFM形貌Fig.15 AFM morphology after polishing polishing gallium oxide crystal with different acid additives

圖16為使用不同酸性添加劑拋光氧化鎵晶體后的表面粗糙度。從圖6中可以看到：草酸獲得的表面粗糙度Sa值最低，為3.17 nm，表面質(zhì)量最優(yōu)，乙酸次之。

圖16 不同酸性添加劑拋光墊拋光氧化鎵晶體后的表面粗糙度Fig.16 Surface roughness after polishing gallium oxide crystal with different acid additives

鹽酸屬于無機(jī)強(qiáng)酸，酸性最強(qiáng)，在晶體表面形成了較深且密集的腐蝕凹坑，嚴(yán)重影響晶體的表面質(zhì)量，表面粗糙度值最大。檸檬酸獲得的表面質(zhì)量較差，表面粗糙度值也較大，可能是由于拋光液的化學(xué)作用強(qiáng)于機(jī)械作用，晶體表面腐蝕層未被及時(shí)去除，磨粒切入深度較大，晶體表面形成較多塑性劃痕。乙酸pKa值較大，拋光過程中不斷析出新的H+和晶體表面反應(yīng)，導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)腐蝕層較厚，磨粒切入深度增加，形成較深劃痕，導(dǎo)致表面質(zhì)量和表面粗糙度次于草酸的。

綜上所述，當(dāng)拋光液添加劑為草酸時(shí)，拋光所得的氧化鎵晶體表面質(zhì)量最優(yōu)，表面粗糙度Sa值最低，為3.17 nm，材料去除率為68 nm/min，具有最適合氧化鎵晶體（100）面固結(jié)磨料拋光的化學(xué)活性。

現(xiàn)有的氧化鎵晶體拋光技術(shù)基本可以達(dá)到納米級(jí)的表面粗糙度，但取得的材料去除率普遍較低，不超過25 nm/min[6-8]。本實(shí)驗(yàn)通過優(yōu)化拋光墊和拋光液參數(shù)，采用固結(jié)磨料拋光技術(shù)拋光氧化鎵晶體的材料去除率達(dá)到68 nm/min，顯著提高了氧化鎵晶體的拋光效率，同時(shí)晶體表面基本無裂紋損傷，保證了其較優(yōu)的表面質(zhì)量。

3 結(jié)論

采用固結(jié)磨料拋光氧化鎵晶體，研究了拋光墊基體硬度、磨粒濃度以及拋光液添加劑種類對(duì)氧化鎵晶體拋光的影響，得出以下結(jié)論：

（1）隨著固結(jié)磨料拋光墊基體硬度和磨粒濃度的增加，氧化鎵晶體的材料去除率增大，表面粗糙度值先增大后減小。

（2）隨著拋光液添加劑酸性的減弱，氧化鎵晶體的材料去除率不斷增大，添加草酸時(shí)表面粗糙度值最小，乙酸次之。

（3）當(dāng)基體硬度適中（為Ⅱ），磨粒濃度適中（為100%），添加劑為草酸時(shí)，拋光所得的氧化鎵晶體的表面質(zhì)量最優(yōu)，材料去除率較高，為68 nm/min，表面粗糙度Sa值為3.17 nm。

（4）采用固結(jié)磨料拋光技術(shù)可以保證氧化鎵晶體較優(yōu)表面質(zhì)量的同時(shí)，大幅提高晶體的材料去除速率，實(shí)現(xiàn)氧化鎵晶體的高效高質(zhì)量拋光。