CN114406825A - 一种碳化硅表面化学机械复合加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种碳化硅表面化学机械复合加工方法，包括以下步骤：先将磨抛工具和碳化硅分别安装在磨抛设备的机台上，所述磨抛工具包括复合而成的活性金属和磨粒，然后在外力作用下将碳化硅压向磨抛工具的表面，最后使得高速转动的磨抛工具与碳化硅发生相对运动，进而产生高速摩擦并诱导活性金属与碳化硅发生化学反应，再以磨粒与碳化硅间的机械作用去除反应层，从而形成化学‑机械复合循环的加工方式，实现碳化硅的表面研磨与抛光。本发明通过化学反应与机械去除相结合的方式，对碳化硅的去除率高，且能够得到近无损伤的碳化硅表面，实现碳化硅的高效高质去除，为碳化硅的高效精密加工提供了新的思路。
Description
技术领域
本发明涉及超精密加工技术领域，具体涉及的是一种碳化硅表面化学机械复合加工方法。
背景技术
作为第三代半导体材料，碳化硅(SiC)具有禁带宽、热导率高、热稳定性好、高饱和漂移度等优良的物理学性能，其在高频、高温、抗辐射、光电子等领域有着广泛的应用。碳化硅的工业应用对其表面质量要求极高，同时，碳化硅极高的硬度和化学惰性使其难以被加工，这些特点阻碍了其在工业领域广泛应用。
目前，单晶SiC的加工工序主要为线锯切割、磨削和化学机械抛光。化学机械抛光为碳化硅加工的最后一道工序，在适当压力的作用下，加入抛光液，利用抛光垫对碳化硅晶片的表面进行抛光，然而其面临的问题是：加工过程中的抛光液对环境容易造成污染，同时去除率较低，需要多道工序和大量的加工时间。
中国专利(授权公告号为CN101966689B)公开了一种大直径4H-SiC晶片碳面的表面抛光方法，该专利提供的酸性抛光液提升了单晶片的表面抛光效果，但是存在抛光效率低、抛光时间过长以及抛光液容易造成污染的问题。
中国专利(授权公告号为CN109702639B)公开了一种SiC单晶片的磨抛方法，该专利采用水基研磨液和抛光液对SiC单晶片进行研磨和抛光，但是依然存在去除效率低，加工时间长的问题，使用的研磨液和抛光液也容易对环境造成污染。
中国专利(授权公告号为CN108949036B)公开了一种碳化硅晶体的抛光方法，该专利虽然在一定程度上提升了抛光速率和效果，但是提升效果有限，依然存在抛光效率低、抛光时间过长以及抛光液容易造成污染的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种碳化硅表面化学机械复合加工方法，解决了现有碳化硅加工效率低、碳化硅表面及亚表面损伤大和抛光液的环境污染等问题。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种碳化硅表面化学机械复合加工方法，包括以下步骤：
先将磨抛工具和碳化硅分别安装在磨抛设备的机台上，然后在外力作用下将碳化硅压向磨抛工具的表面，最后使得高速转动的磨抛工具与碳化硅发生相对运动，进而产生高速摩擦，从而形成化学-机械复合循环的加工方式，实现碳化硅的表面研磨与抛光；
所述磨抛工具包括复合而成的活性金属和磨粒，所述化学-机械复合循环的过程为：磨抛工具中的活性金属与碳化硅的表面因摩擦诱导而发生化学反应，生成化学反应层，随后通过磨粒的机械作用刮除化学反应层，露出新鲜的碳化硅表面，再次产生化学反应生成化学反应层，进而再次被磨粒机械刮除，如此循环作用，形成所述化学-机械复合循环的加工方式。
所述磨抛工具由活性金属与磨粒按7:1～1:1的体积比热压烧结制得。
所述活性金属为与碳化硅的C面或者碳化硅的Si面发生化学反应的金属。
与碳化硅的C面发生化学反应的所述活性金属包括铁、钴、镍、锰、铬、钛、钒、锆、钼、钨、铝和铌中的一种或多种，生成的化学反应层含有金属硅化物、金属碳化物、Si和C中的至少一种。
与碳化硅的Si面发生化学反应的所述活性金属包括钴、镍、锰、铬、钛、钒、锆、钼、钨、铝和铌中的一种或多种，生成的化学反应层含有金属硅化物、金属碳化物、Si和C中的至少一种。
所述活性金属为金属单质和金属合金中的一种或者多种的组合。
所述磨粒包括氧化铝、立方氮化硼、金刚石、氮化硅和碳化硅中的一种或者多种的组合。
所述高速摩擦为干摩擦或者湿摩擦，所述高速摩擦的气体环境为空气环境、富氧环境和惰性气体环境中的至少一种，所述高速摩擦的温度为室温或者高温，所述高速摩擦的速度为1～50m/s，所述高速摩擦的压强为0.1～1Mpa。
所述磨抛设备包括高速转动平台和平动工作台，所述高速转动平台的主轴由转动机构驱动转动，所述平动工作台由传动机构驱动升降，所述磨抛工具安装在所述高速转动平台的主轴上，所述碳化硅安装在所述平动工作台的夹具上。
本发明一种碳化硅表面化学机械复合加工方法，采用的是金属摩擦诱导化学反应与机械刮除作用相结合去除碳化硅的方法，利用活性金属在高速摩擦的条件下与碳化硅发生化学反应，生成质地较软的化学反应层(金属硅化物、金属碳化物、Si和C等)，再以磨粒的机械刮除作用去除生成的化学反应层，实现碳化硅的高质高效去除。
本发明一种碳化硅表面化学机械复合加工方法，具有以下有益效果：
1、通过化学反应与机械去除相结合的方式，能够得到近无损伤的碳化硅表面，损伤程度远小于磨削；
2、本发明的碳化硅去除效率远远高于化学机械抛光；
3、本发明有效地避免了磨削、抛光工序中的废液污染问题。
附图说明
图1为本发明中磨抛设备的结构示意图，图中箭头a表示向下的压力，箭头b表示相对运动方向；
图2为本发明一种碳化硅表面化学机械复合加工方法示意图。
图中：
磨抛工具 1 碳化硅 2
化学反应层 3 主轴 101
夹具 102
具体实施方式
为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。
一种碳化硅表面化学机械复合加工方法，包括以下步骤：
如图1所示，先将磨抛工具1和碳化硅2分别安装在磨抛设备的机台上，然后在外力作用下将碳化硅2压向磨抛工具1的表面，最后使得高速转动的磨抛工具1与碳化硅2发生相对运动，进而产生高速摩擦，从而形成化学-机械复合循环的加工方式，实现碳化硅的表面研磨与抛光；
磨抛工具1包括复合而成的活性金属和磨粒，化学-机械复合循环的过程为：磨抛工具1中的活性金属与碳化硅2的表面因摩擦诱导而发生化学反应，生成化学反应层3，随后通过磨粒的机械作用刮除化学反应层3，露出新鲜的碳化硅2的表面，再次产生化学反应生成化学反应层3，进而再次被磨粒机械刮除，如此循环作用，形成化学-机械复合循环的加工方式。
磨抛工具1由活性金属与磨粒按7:1～1:1的体积比热压烧结制得。
活性金属为与碳化硅2的C面或者碳化硅2的Si面发生化学反应的金属。
与碳化硅2的C面发生化学反应的活性金属包括铁、钴、镍、锰、铬、钛、钒、锆、钼、钨、铝和铌中的一种或多种，当高速摩擦的气体环境为惰性气体环境时，生成的化学反应层含有金属硅化物和C，或者含有金属碳化物和Si，或者含有金属碳化物和金属硅化物，当高速摩擦的气体环境含氧气时，生成的化学反应层还含有二氧化硅。
与碳化硅2的Si面发生化学反应的活性金属包括钴、镍、锰、铬、钛、钒、锆、钼、钨、铝和铌中的一种或多种，当高速摩擦的气体环境为惰性气体环境时，生成的化学反应层含有金属硅化物和C，或者含有金属碳化物和Si，或者含有金属碳化物和金属硅化物，当高速摩擦的气体环境含氧气时，生成的化学反应层还含有二氧化硅。
活性金属为金属单质和金属合金中的一种或者多种的组合。
磨粒包括氧化铝、立方氮化硼、金刚石、氮化硅和碳化硅中的一种或者多种的组合。
高速摩擦为干摩擦或者湿摩擦，高速摩擦的气体环境为空气环境、富氧环境和惰性气体环境中的至少一种，高速摩擦的温度为室温或者高温，高速摩擦的速度为1～50m/s，高速摩擦的压强为0.1～1Mpa。
如图2所示，磨抛设备包括高速转动平台和安装在高速转动平台上方的平动工作台，高速转动平台的主轴101由转动机构驱动转动，平动工作台由传动机构驱动升降，磨抛工具1安装在高速转动平台的主轴101上，碳化硅2安装在平动工作台的夹具102上。磨抛设备为本领域公知的设备。
实施例1
一种碳化硅表面化学机械复合加工方法，包括以下步骤：
步骤1、准备磨抛工具：
先将铁粉和棕刚玉(主要成分为氧化铝)按照3:2的体积比混合均匀后过100目筛，然后将得到的混合物进行热压烧结：在真空热压烧结机中以3℃/min的升温速度升温至300℃，接着以5℃/min的升温速度升温至900℃，然后保温30min，最后随炉冷却至室温，烧结成型得到磨抛工具；
步骤2、安装磨抛工具：
然后将磨抛工具安装在磨抛设备的高速转动平台的主轴上，将待磨抛的碳化硅安装在平动工作台的夹具上；
步骤3、磨抛过程：
最后在平动工作台的带动下，将碳化硅压向磨抛工具的表面，使得高速转动的磨抛工具与碳化硅发生相对运动，进而产生高速摩擦，从而形成化学-机械复合循环的加工方式，实现碳化硅的表面研磨与抛光。
在本实施例中，高速摩擦为在室温、大气环境下进行的干摩擦，高速摩擦的速度为10m/s，压强为0.2Mpa，时间为10min。
在本实施例中，化学-机械复合循环的过程为：磨抛工具中的铁粉与碳化硅的C面因摩擦诱导而发生化学反应，生成含FeSi、C和SiO2的化学反应层，随后通过磨粒棕刚玉的机械作用刮除化学反应层，露出新鲜的碳化硅表面，再次产生化学反应生成化学反应层，进而再次被磨粒机械刮除，如此循环作用，形成化学-机械复合循环的加工方式。
实施例2
一种碳化硅表面化学机械复合加工方法，包括以下步骤：
步骤1、准备磨抛工具：
先将镍粉和白刚玉(主要成分为氧化铝)按照3:1的体积比混合均匀后过100目筛，然后将得到的混合物进行热压烧结：在真空热压烧结机中以3℃/min的升温速度升温至300℃，接着以5℃/min的升温速度升温至900℃，然后保温30min，最后随炉冷却至室温，烧结成型得到磨抛工具；
步骤2、安装磨抛工具：
然后将磨抛工具安装在磨抛设备的高速转动平台的主轴上，将待磨抛的碳化硅安装在平动工作台的夹具上；
步骤3、磨抛过程：
最后在平动工作台的带动下，将碳化硅压向磨抛工具的表面，使得高速转动的磨抛工具与碳化硅发生相对运动，进而产生高速摩擦，从而形成化学-机械复合循环的加工方式，实现碳化硅的表面研磨与抛光。
在本实施例中，高速摩擦为在室温、大气环境下进行的干摩擦，高速摩擦的速度为2m/s，压强为0.4Mpa，时间为25min。
在本实施例中，化学-机械复合循环的过程为：磨抛工具中的镍粉与碳化硅的C面和Si面因摩擦诱导而发生化学反应，生成含Ni2Si、C和SiO2的化学反应层，随后通过磨粒白刚玉的机械作用刮除化学反应层，露出新鲜的碳化硅表面，再次产生化学反应生成化学反应层，进而再次被磨粒机械刮除，如此循环作用，形成化学-机械复合循环的加工方式。
本发明一种碳化硅表面化学机械复合加工方法，具有以下有益效果：
1、通过化学反应与机械去除相结合的方式，能够得到近无损伤的碳化硅表面，损伤程度远小于磨削；
2、本发明的碳化硅去除效率远远高于化学机械抛光；
3、本发明有效地避免了磨削、抛光工序中的废液污染问题。
上述实施例和图式并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。
Claims (9)
1.一种碳化硅表面化学机械复合加工方法，其特征在于：包括以下步骤：
先将磨抛工具和碳化硅分别安装在磨抛设备的机台上，然后在外力作用下将碳化硅压向磨抛工具的表面，最后使得高速转动的磨抛工具与碳化硅发生相对运动，进而产生高速摩擦并诱导活性金属与碳化硅发生化学反应，再以机械作用去除反应层，从而形成化学-机械复合循环的加工方式，实现碳化硅的表面研磨与抛光；
所述磨抛工具包括复合而成的活性金属和磨粒，所述化学-机械复合循环的过程为：磨抛工具中的活性金属与碳化硅的表面因摩擦诱导而发生化学反应，生成化学反应层，随后通过磨粒的机械作用刮除化学反应层，露出新鲜的碳化硅表面，再次产生化学反应生成化学反应层，进而再次被磨粒机械刮除，如此循环作用，形成所述化学-机械复合循环的加工方式。
2.根据权利要求1所述的一种碳化硅表面化学机械复合加工方法，其特征在于：所述磨抛工具由活性金属与磨粒按7:1～1:1的体积比热压烧结制得。
3.根据权利要求1所述的一种碳化硅表面化学机械复合加工方法，其特征在于：所述活性金属为与碳化硅的C面或者碳化硅的Si面发生化学反应的金属。
4.根据权利要求3所述的一种碳化硅表面化学机械复合加工方法，其特征在于：与碳化硅的C面发生化学反应的所述活性金属包括铁、钴、镍、锰、铬、钛、钒、锆、钼、钨、铝和铌中的一种或多种。
5.根据权利要求3所述的一种碳化硅表面化学机械复合加工方法，其特征在于：与碳化硅的Si面发生化学反应的所述活性金属包括钴、镍、锰、铬、钛、钒、锆、钼、钨、铝和铌中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的一种碳化硅表面化学机械复合加工方法，其特征在于：所述活性金属为金属单质和金属合金中的一种或者多种的组合。
7.根据权利要求1所述的一种碳化硅表面化学机械复合加工方法，其特征在于：所述磨粒包括氧化铝、立方氮化硼、金刚石、氮化硅和碳化硅中的一种或者多种的组合。
8.根据权利要求1所述的一种碳化硅表面化学机械复合加工方法，其特征在于：所述高速摩擦为干摩擦或者湿摩擦，所述高速摩擦的气体环境为空气环境、富氧环境和惰性气体环境中的至少一种，所述高速摩擦的温度为室温或者高温，所述高速摩擦的速度为1～50m/s，所述高速摩擦的压强为0.1～1Mpa。
9.根据权利要求1所述的一种碳化硅表面化学机械复合加工方法，其特征在于：所述磨抛设备包括高速转动平台和平动工作台，所述高速转动平台的主轴由转动机构驱动转动，所述平动工作台由传动机构驱动升降，所述磨抛工具安装在所述高速转动平台的主轴上，所述碳化硅安装在所述平动工作台的夹具上。
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