何艳;苑泽伟;段振云;张幼军
【摘 要】氨基酸水解为改善现有碳化硅抛光方法存在的效率低、有污染、损伤大等问题,提出采用机械研磨与光催化辅助化学机械抛光组合工艺抛光单晶碳化硅晶片.光催化辅助化学机械抛光利用纳米二氧化钛在紫外光照射下生成羟基自由基的强氧化作用原子级去除碳化硅.通过L9(33)正交试验研制光催化辅助化学机械抛光抛光液,采用对碳化硅晶片表面粗糙度跟踪检测的方法确定优化加工工艺.甲基紫有机显剂静态氧化试验结果表明:光催化剂对抛光液氧化性的影响最大,其次是电子俘获剂,再次是分散剂;较好的抛光液配方为二氧化钛0.5g·L－1、过氧化氢1.5mol·L－1、六偏磷酸钠0.1g·L－1.确定的优化抛光工艺为:采用5μm和2μm金刚石微粉分别研磨单晶碳化硅晶片30min,材料去除率分别为8.72μm/h和4.56μm/h;然后采用光催化辅助化学机械抛光单晶碳化硅去除机械研磨带来的损伤,粗抛光选用0.5μm氧化铝微粉抛光60min,精抛光选用0.05μm氧化铝微粉抛光50min,粗抛光和精抛光的材料去除率分别为1.81μm/h和1.03μm/h.用该工艺抛光单晶碳化硅,获得的表面粗糙度约为0.47nm,基本能满足单晶碳化硅高效、超光滑、低损伤的抛光要求. 捆扎胶带
【期刊名称】《哈尔滨工业大学学报》
给皂器【年(卷),期】2019(051)001
【总页数】7页(P115-121)
【关键词】碳化硅;抛光液;机械研磨;光催化辅助化学机械抛光;抛光工艺
【作 者】何艳;苑泽伟;段振云;张幼军
【作者单位】沈阳工业大学 机械工程学院,沈阳110870;沈阳工业大学 机械工程学院,沈阳110870;沈阳工业大学 机械工程学院,沈阳110870;沈阳工业大学 机械工程学院,沈阳110870
【正文语种】中 文行线槽
【中图分类】TH161逗号刮刀
目前，国内外学者研究了许多碳化硅衬底平坦化技术，如机械研磨[1-2]、磁流变抛光[3]、离子束抛光[4-5]、化学机械抛光[6-7]等. 为了获得一定的形状，一般采用数控研抛技术对碳
化硅反射镜进行研磨，其材料去除机理为机械破碎去除，会对工件造成一定的微损伤[1-2]. 王芳杰等[3]进行6H-SiC单晶片的磁流变抛光工艺实验，最终获得的加工表面粗糙度Ra为0.5 nm，亚表面破坏层深度为1.5 nm. Deng等[4-5]提出等离子体辅助抛光单晶碳化硅的方法，借助大气压下水蒸气等离子体辐射进行表面改性并使用CeO2磨料抛光，获得无损伤和原子级平坦化的碳化硅表面，但抛光前需要对表面进行适当的改性处理. Chen等[6]采用硅溶胶对机械研磨后的碳化硅衬底进行化学机械抛光，获得表面粗糙度RMS为0.096 nm的超光滑表面. 为提高化学机械抛光的材料去除率，Lagudu等[7]研究抛光液中的离子强度对材料去除率的影响，采用二氧化硅磨料、KNO3浓度为50 mmol/L、H2O2浓度为1.47 mol/L、pH为8时，材料去除率为2 100 nm·h-1，表面粗糙度RMS为0.28 nm.
近年来，越来越多的研究表明，采用CrO3、KMnO7、KNO3、H2O2、Fe2O3等化学试剂[6-10]对碳化硅进行化学机械抛光可以获得超光滑低损伤的表面，但这些试剂容易分解，且对人体有害，排放的废液对环境具有较大的污染. 为此本课题组苑泽伟等[11]提出了采用光催化辅助化学机械抛光的方法加工碳化硅，借助光催化氧化作用实现对碳化硅材料的氧化. 抛光后碳化硅表面没有明显划痕和腐蚀坑. 本文提出采用机械研磨与光催化辅助化学机械抛光结合的方法抛光单晶碳化硅，一方面实现碳化硅衬底的高效超光滑抛光，避免对人员和
环境的危害；另一方面为氮化硅等其他硬脆材料的抛光提供一定的理论和应用价值.
1 试验原理与方法
1.1 二氧化钛光催化氧化原理
如图1所示，纳米二氧化钛(P25)受到光子能量高于吸收阈值的紫外光照射时，处于价带的电子被激发，发生带间跃迁，即从价带跃迁到导带，二氧化钛颗粒表面会产生光生电子(e-)和空穴(h+)[12-15]. 光生空穴的标准氧化还原电位为3.20 V，比常用的氧化剂如高铁酸钾(2.20 V)、臭氧(2.07 V)、高锰酸钾(1.70 V)、过氧化氢(1.28 V)高很多，具有很强的氧化性. 光催化氧化过程中发生的主要化学反应如式(1)～(4)：
图1 二氧化钛光催化氧化原理Fig.1 Schematic diagram of titanium dioxide photocatalysis oxidation
(1)
e-+H2O2→OH+OH-，
(2)
h++H2O→H++OH，
(3)
SiC+4OH+O2→SiO2+CO2+2H2O.
(4)
光生空穴可以氧化吸附在二氧化钛颗粒表面的H2O和OH-，生成强氧化性的羟基自由基(OH标准氧化还原电位2.76 V)；若将二氧化钛颗粒表面的电子及时中和，有利于二氧化钛表面的光生空穴和羟基自由基OH氧化碳化硅. 氧化产物二氧化硅的硬度(莫氏7.0)远低于碳化硅，在抛光的机械摩擦作用下很容易去除，最终可以实现碳化硅晶体表面材料的原子级去除. 且光催化剂二氧化钛是无毒的粉末状颗粒，不会给人体和环境带来危害.
1.2 抛光液氧化性表征试验
为了验证抛光液中含有的自由基种类，试验中选用二羟基苯甲酸捕获抛光液在紫外光照射
下生成的羟基自由基·OH，当二羟基苯甲酸与·OH反应时，有紫的中间产物生成，反应式如图2所示.
图2 邻羟基苯甲酸捕获羟基自由基·OH反应式Fig. 2 Reaction of 2-hydroxy benzoic acid with ·OH radical
采用光降解染料的方法来表征抛光液的氧化能力，试验选用有机显剂为甲基紫(C25H30N3Cl ). 紫外光与TiO2作用生成的羟基自由基·OH与甲基紫发生自由基氧化反应，通过对比褪时间确定抛光液氧化性的强弱. 抛光液组成成分如表1所示，光催化剂TiO2纳米粒子粒径小，表面能大，极易发生团聚，因此将配置好的溶液用超声波振动30 min，使团聚的光催化剂纳米粒子振散，并与分散剂、电子俘获剂、pH值调节剂混合均匀.
表1 抛光液组成成分表Tab.1 Compostion of the slurry光催化剂分散剂电子俘获剂pH值调节剂TiO2(Na2PO3)6H2O2NaOH / H3PO4
抛光液氧化性检测装置如图3所示，将配置好的溶液置于防紫外线箱体内部的搅拌器上匀速搅拌，待搅拌速度稳定后，开启汞灯. 每1 min拍照一次，通过对照片颜提取、对比溶液
褪情况，拍照时佩戴好紫外光防护镜. 表2为溶液配比正交试验因素表，抛光液的pH值选择为中性，每组试验滴加等量的有机显剂甲基紫.
图3 抛光液氧化性检测装置Fig.3 Apparatus of slurry oxidation test
表2 正交试验因素Tab. 2 Orthogonal experimental parameters因素ρ(光催化剂A)/(g·L-1)ρ(分散剂B)/(g·L-1)c(电子俘获剂C)/(mol·L-1)10.250.050.520.500.101.030.750.151.5
1.3 研磨、抛光试验设计与检测方法
试验选用物理气相传输法(PVT)生长的2英寸4H-SiC晶片. 图4为初始碳化硅表面形貌，其表面非常粗糙且存在许多线切割留下的切痕及粗糙峰，采用直接抛光的方法加工碳化硅，当表面粗糙度Ra约56 nm时，表面残留大量的切痕，实现全局纳米级的粗糙度很困难. 因此，本试验首先采用研磨的方法对碳化硅表面进行粗加工.
(a)宏观单晶碳化硅晶片 (b)扫描电镜(SEM)图像图4 碳化硅晶片表面初始形貌Fig.4 Original surface morphology of SiC wafer
光催化辅助化学机械抛光原理图如图5所示.
图5 光催化辅助化学机械抛光原理Fig.5 Schematic diagram of PCMP
试验得到较好的工艺参数如下：总体试验设计分为粗磨、精磨、粗抛和精抛4道工序. 研磨试验选用玻璃抛光盘；研磨盘转数和压力分别为40 r/min和0.025 MPa. 抛光试验选用聚氨酯抛光垫；抛光盘转速和压力分别为70 r/min和0.02 MPa；紫外光波长200～400 nm；紫外光功率1 000 W.
采用Sartorius CP225D型精密电子天平测量碳化硅晶片抛光前、后的质量，获得碳化硅晶片的材料去除量；碳化硅晶片的表面形貌特征采用奥林巴斯OLS4100光学显微镜分析；采用Zygo Newview5022型表面轮廓仪测量碳化硅晶片表面粗糙度，在1/2晶片直径圆周上取3个等分点进行测量取其平均值；精抛后碳化硅表面粗糙度采用XE-200型原子力显微镜检测.
单晶碳化硅晶片的材料去除率为：
RMRR=Δm/ρSiCπr2t.
式中：Δm为碳化硅晶片抛光前后的质量差，ρSiC=3.2 g/cm3，r为碳化硅晶片半径，t为抛
光时间.
2 结果分析与讨论
2.1 抛光液氧化性表征试验结果
在光催化氧化降解甲基紫过程中，光生空穴和羟基自由基·OH将与吸附在TiO2颗粒表面和溶液中的甲基紫等有机物发生氧化还原反应，使有机显剂甲基紫直接降解成CO2和H2O，最终表现为脱现象. 试验1～9溶液氧化褪的时间分别为40、30、20、21、16、24、24、32和29 min，对试验数据分析处理选用极差分析方法，根据极差Rj大小，可以判断各影响因素的主次顺序，表3为试验结果. 由表3可知，主次排序为A>C>B,最优组合为A2B2C3.
表3 试验结果分析Tab.3 Experimental result analysis序号ρ(光催化剂A)/(g∙L-1)ρ(分散剂B)/(g∙L-1)c(电子俘获剂C)/(mol∙L-1)1#1112#1223#1334#2125#2236#2317#3138#3219#332K1958596K2617580K3857865Kp131.66728.33332Kp220.3332526.667Kp328.3332621.667极差Rj11.3343.33310.333优水平 A2 B2 C3
短信认证正交试验结果表明，光催化抛光液有较强的氧化性，可以保证抛光过程中氧化反应持续进行. 由以上分析结果可知,光催化剂对抛光液氧化性的影响最大，其次是电子俘获剂，再者是分散剂. 试验可得知本组试验的最优组合为：二氧化钛0.5 gL-1，六偏磷酸钠0.1 gL-1，过氧化氢1.5 molL-1).
2.2 极限表面粗糙度与最短加工时间的确定
采用5 μm金刚石微粉研磨单晶碳化硅晶片，并采用对表面粗糙度跟踪检测的方法获得加工过程中碳化硅表面粗糙度值Ra变化曲线，如图6所示(Zygo Newview 5022型轮廓仪Ra测量区域为700×530 μm，下同). 因为5 μm金刚石微粉硬度大、粒度大，具有大的冲击作用，研磨过程中会对碳化硅表面造成一定的损伤，因此表面粗糙度值表现出增大的趋势，但快速去除了碳化硅表面残留的线切割痕. 在本试验采用的工艺参数条件下，通过多次重复粘贴和研磨碳化硅晶片的过程证明，采用5 μm金刚石微粉研磨碳化硅晶片可以保证试验过程中粘贴工艺带来的被加工面的倾斜误差和残留的线切割波纹在30 min得到去除，获得的表面粗糙度值Ra在140 nm左右.
图6 粗研磨单晶碳化硅表面粗糙度变化Fig.6 Surface roughness of single crystal SiC wafer
varying with rough lapping time
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议