静电作用调控下SiC材料的抛光研究

静电作用调控下静电作用调控下SiCSiC材料的抛光研究材料的抛光研究 分类号V261 4单位代码10183研究生学号xx414019密级公开吉林大学 硕士学位论文 专业学位 静电作用调控下SiC材料的抛光研究Rese arch onSiC MaterialUnder theRegulation ofElectrostatic Effect作者姓名勾鹏巍类别工程硕士领域 方向 机械工程指导教 师吴文征教授企业导师邢飞高级工程师培养单位机械与航空航天工 程学院2019年06月 静电作用调控下SiC材料的抛光研究 Research onPolishing ofSiC MaterialUnder theRegulation ofElectrostatic Effect作者姓名勾鹏巍领域 方向 机械工程指导教师吴文征教授 企业导师邢飞高级工程师类别工程硕士答辩日期2019年月日吉林大 学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明所呈交学位论文 是本人 在指导教师的指导下 独立进行研究工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的作品成果 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式 标明 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名日期年月日关于学位论文使用授权的声明本人完 全了解吉林大学有关保留 使用学位论文的规定 同意吉林大学保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文 被查阅和借阅 本人授权吉林大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或其他复制手 段保存论文和汇编本学位论文 论文级别 硕士 博士学科专业机械工程论文题目静电作用调控下S iC材料的抛光研究作者签名指导教师签名年月日作者联系地址 邮编 吉林大学南岭校区逸夫机械材料馆721室 130025 作者联系电中国优秀博硕士学位论文全 文数据库 投稿声明研究生院本人同意 中国优秀博硕士学位论文 全文数据库 出版章程的内容 愿意将本人的学位论文委托研究生 院向中国学术期刊 光盘版 电子杂志社的 中国优秀博硕士学位 论文全文数据库 投稿 希望 中国优秀博硕士学位论文全文数据 库 给予出版 并同意在 中国博硕士学位论文评价数据库 和KI 系列数据库中使用 同意按章程规定享受相关权益 论文级别 硕士 博士学科专业机械工程论文题目静电作用调控下S iC材料的抛光研究作者签名指导教师签名年月日作者联系地址 邮编 吉林大学南岭校区逸夫机械材料馆721室 130025 作者联系电论文题目静电作用调控下SiC 的抛光研究专业机械工程指导教师吴文征教授摘摘要随着半导体电 子器件 空间光学反射镜 汽车工业和航空航天的迅速发展 碳化 硅材料因其良好的机械性能和化学稳定性 在各个领域得到了广泛 的应用 然而 碳化硅材料硬度高 脆性大 加工时容易出现损伤 化学机械抛光 CMP 可以提高材料去除率和抛光后工件的表面质量 因此 对化学机械抛光 CMP 的研究具有重要的意义 化学机械抛光技术包括机械作用和化学作用 是两者共同作用的结 果 本文分别研究机械作用及化学机械协同作用对碳化硅去除速率和抛 光后表面质量的影响 本文主要研究工作如下 1 抛光工艺参数的选择和优化 在抛光实验中 加工工艺参数会影响到材料的去除速率和表面质量 因此 为了分析抛光过程中各工艺参数对抛光过程的影响 进行抛光 实验 研究分别改变压力 转速和磨粒等参数时的材料去除速率和 表面质量 得到不同参数变化下的抛光规律 并进行工艺优化 2 静电作用调控原理 抛光液中添加的电解质会影响到双电层结构 进而影响材料的去除 速率 因此 根据胶体之间的相互作用力 以泊松 玻尔兹曼模型为基础推导不同表面之间的双电层力 建立DLVO作用 下的受力模型 计算不同电解质条件下的德拜长度 获得改变电解 质的浓度及组分对双电层力的影响 3 化学机械作用协同实验 在材料的去除过程中 抛光液成分会影响材料的去除速率 改变抛光液中的化学成分 使得化学与机械作用协同配合 研究碳化硅表面改性机理 对碳化硅进行改性实验 研究分别改变 时间时间和浓度等参数时的改性层厚度和硬度 从而分析改性过程 对材料去除速率的影响 改变抛光液中的电解质的浓度及种类 研 究其对去除速率的影响 通过观察材料去除速率的变化 验证化学作用与机械作用同时存在 时的材料去除速率较高 II 4 电解质对抛光液的影响 向抛光液中添加的电解质会对磨粒状态产生影响 在对胶体之间的相互作用力研究的基础上 研究不同电解质浓度和 种类对抛光液中粒径和粒度分布 分析电解质对抛光液中粒径和粒 度分布的影响 进行抛光去除实验 对抛光后表面质量进行分析 获得不同电解质条件下的抛光液对抛光后碳化硅表面的粗糙度的影 响规律 关键词碳化硅 材料去除率 静电作用调控 磨粒团聚 表面质量I II DissertationTitleResearch onPolishing ofSiC MaterialUnder theRegulation ofElectrostatic EffectMajor MechanicalEngineering SupervisorProf Wenzheng WuABSTRACT Withthe rapiddevelopment ofsemiconductor electronicdevices space opticalmirrors automotive industryand aerospace silicon carbidematerials havebeen widelyused invarious fieldsdue totheir goodmechanical propertiesand chemicalstability However silicon carbidematerials havehigh hardness high brittleness and areprone todamage duringprocessing Chemical mechanicalpolishing CMP can improvematerial removal rate and surface quality of polishedworkpieces Therefore research onchemical mechanicalpolishing CMP is ofgreat significance Chemical mechanicalpolishing techniques including mechanicaland chemicalinteractions are theresult ofa binationof both In thispaper the effects of mechanical action andchemical mechanicalsynergy on the removal rate of silicon carbideand thequalityofpolished surfacewere studied The mainresearch workof thispaper isas follows 1 Selection andoptimization ofpolishing process parameters In the polishing experiment the processingparameters affectthe material removal rateand surfacequality Therefore in orderto analyzethe influence of variousprocessparameterson the polishing processduring the polishing process a polishingexperiment was carried out to study the material removal rateandsurfacequality when the parameterssuch aspressure rotation speedand abrasivegrains werechanged respectively and the polishing lawunder differentparameter changeswas obtained Process optimization 2 The principleof electrostaticregulation The electrolyteadded tothe polishing solution affects the electric double layerstructure which inturn affectsthe materialIV removalrate Therefore based on the interaction force betweenthe colloids the electricdouble layer force betweendifferent surfacesis derivedbased on the Poisson Boltzmann model and theforce modelunder theaction ofDLVO isestablished tocalculate theDebye underdifferent electrolyteconditions Length the effectof changingthe concentrationof theelectrolyte and the positionon theelectricdoublelayerforceis obtained 3 Chemical mechanicalaction synergisticexperiment During theremoval of the material the positionof thepolishing fluidaffectstherate ofmaterial removal The chemicalposition in thepolishing fluid ischanged tocoordinate chemical and mechanicalinteractions The surfacemodification mechanismofsilicon carbide wasstudied The modificationexperiment ofsiliconcarbidewascarriedouttostudythethickness andhardness of the modifiedlayer whenthe parameterssuch astime time andconcentration werechanged respectively so asto analyzethe influenceof themodification processon the material removalrate The concentrationand typeof electrolytewere investigatedfor theireffect onremovalrate By observingthe changein thematerialremovalrate it isverified thatthematerialremovalrateis higherwhenthechemical actionand themechanicalactionare simultaneouslypresent SiC材料的机械强度高 密度适中 热稳定性和导热性好且化学性能 稳定 基于以上特性 SiC广泛应用在各个领域 在很多恶劣的环境下也大 有所为 1 3 随着世界范围内的微电子行业的急速发展 硅电子电力器件的逐渐 成熟和完善 SiC材料凭借比硅更优异的性能出现在人们的视野 与常规的半导体材料相比 SiC材料拥有禁带宽 大热导率等特质 所以适合用于制备大功率的半导体电子器件 发光二极管以及5G通 讯等微波通讯领域 被列为新一代的半导体材料的核心材料 4 7 现阶段 航空航天发展迅猛 空间光学系统的性能也就显得极其重 要 未来必然朝着大口径方向发展 光学反射系统的要求不断提高 轻量化势在必行 SiC材料具有优异的物理性能 适合进行轻量化处理 是空间反射镜 基底的优选材料 8 12 此外 以SiC材料制作的电子器件 在汽车工业以及大温差 强辐射 的恶劣环境中能保持性能稳定 前景广阔 13 图1 1碳化硅材料的应用SiC虽然有着诸多优异的性能 但是在断裂 时表现出较低的韧性 因此SiC工件在加工的过程中容易裂纹等导致 工件部分断裂 严重的影响SiC材料表面质量 14 15 传统的机械加工方式的抛光效率低 完成后表面质量差 而且由于S iC的硬度高 化学惰性高 因此传统的抛光方法效果并不理想 16 目前对于SiC材料的抛光主要是工件和抛光垫接触的类型 抛光垫和 SiC表面之间通过机械作吉林大学硕士学位论文2用产生材料去除 因此工件表面会残余应力和不规则破坏 为了获得更高的去除速率和更好的表面质量 采用化学机械抛光的 方法 研究化学机械抛光的去除机理和抛光参数 对研究SiC材料的 去除过程具有重要的意义 17 近年来 随着对抛光技术更加深入的研究 国内外发展了很多不同 的抛光技术 如磨料水射流抛光 磁流变抛光和化学机械抛光等 18 针对SiC材料 我们采用化学机械抛光技术 提高材料去除速率 同 时减少表面损伤和破坏 提高表面质量 1 1 2课题本课题国家自然科学基金项目 静电作用调控下反应烧结SiC同步改性抛光研究 51505185 1 2碳化硅材料 SiC 及化学机械抛光技术概述1 2 1碳化硅材 料概述SiC的相对分子质量为40 7 相对密度为3 16 3 2g 3 SiC硬度大 其莫氏硬度达到9 5 SiC不容易发生塑性变形 是一种典型的硬脆性材料 19 图1 2SiC晶体结构图SiC是一种原子晶体 由C原子和Si原子构成 图1 2为SiC晶体结构图 并依据其晶体结构 分为 SiC和 SiC SiC和 SiC的晶型不同 SiC为立方密集晶格 在1400 1800 时形成 SiC为六角密排晶格 在高于1800 下形成 当温度高时 SiC会发生转相而生成 SiC 常见的碳化硅按照碳化硅的含量 分为两个大类黑SiC和绿SiC 黑SiC硬度相对较低 主要用于加第1章绪论3工玻璃 陶瓷等非金属 材料材料 绿SiC硬度相对较高 主要用于加工硬质合金和光学玻璃 等 20 表1 1为几种碳化硅材料的基本性能参数 表1 1几种碳化硅材料的的基本性能参数RB SiC是由 SiC粉和C粉按比例混合形成多孔胚体 再在高温条件下加入Si 得到 SiC SiC和 SiC加上过量的Si烧结 形成无孔致密得RB SiC 因此 SiC反应烧结的原理使SiC具有许多其他材质没有的优良特性 1 强度高 硬度大 易进行轻量化处理 2 比刚度大 单位载荷引起结构的变形小 3 有优越的抗震性能 热膨胀系数小 具有良好的热稳定性 保 证在不同条件下的镜面变形在一定范围内 4 热传导性能好 当出现温差时 材料内部容易达到温度平衡 内应力小 这种性能使得镜面变形均匀 成像质量高 21 22 SiC的性能优越 被广泛应用在各个领域 SiC材料既是目前半导体电子电力器件和光学系统的基础材料 也是 汽车 航空航天方面发展的优选材料 SiC作为新一代半导体材料的代表 应用于电器 光伏和风力发电 混合和纯电动汽车 高速列车等领域的半导体电子器件的制备中 并表现出了优良的性能 SiC材料制备的电子器件 在电动汽车中 可以用来作为HEV电力驱 动装置中的理想器件 为电动车的动力驱动系统带来重大改变 使用SiC电子器件可以减小散热器和功率模块的体积 减小电力电子 驱动系统的重量 体积和成本 性能参数3C SiC4H SiC6H SiC熔点 C2830 g 2830 g 2830 g 介电常数r 9 729 79 66 热导率 W cmK 54 95热膨胀系数 6110K 4 7 4 8击穿电场 610bE Vcm42 24电子迁移率 2ecm Vs 8001000400带隙 5gE eVT K2 393 263 02折射率2 72 7122 7吉林大学硕士学位论文4如图1 3 为SiC器件和传统Si基半导体器件体积的对比 此外 SiC电子器件的导通电阻小 导通时的损耗小 使得开关损耗 降低 提高了系统效率 23 25 中车研制出的SiC电子器件产品 应用于地铁和客车 达到国内同行 业领先水平 26 a 采用Si和SiC SBDS的散热对比 b 三菱电机Si和SiC功率模块封装对比图1 3碳化硅 器件和传统硅基半导体器件体积的对比现代大型光学望远镜系统最 核心的部件是反射镜 而SiC材料是公认的高性能反射镜材料 光学反射镜的口径越大 望远镜的分辨和聚光能力越强 2018年7月 中国科学院长春光机所完成了4米量级大口径SiC反射镜 研制 并于八月完成了验收 大口径的光学反射镜 是我们大型光电设备的核心的原件 特别像 航空航天 包括天文观测都离不开大口径的望远镜 而4米量级的SiC的反射镜 在目前来说 是世界上最大口径的反射镜 27 如图1 4所示 图1 4长春光机所研制的4 03米碳化硅反射镜镜坯在汽车行业和航空 航天领域 SiC与Al的复合材料 强度高 韧性大 耐热 耐疲劳 应用于汽车 高速列车等的零部件和机械部分 如发动机的定子和 燃烧部件 火箭喷嘴 直升机的起落架和阀体等 28 图1 5为SiC 在直升机起落架的应用 西德利用RB SiC知道制造涡形管和燃烧器 29 30 SiC材料在军第1章绪论5事领域也大有作为 SiC粉末作为导弹 飞 机等的隐身结构的吸波材料 吸收雷达波 达到隐身的效果 31 32 图1 6为SiC粉末在吸波材料的应用原理 图1 5SiC在直升机起落架的应用图1 6SiC粉末在吸波材料的应用1 2 2CMP技术概述CMP技术是使用的是摩擦磨损中 软磨硬 的原理 是使用硬度相对较低的磨粒 对硬度相对较高的工件材料进行去除 33 34 CMP是唯一在工件加工后能够获得全局平坦化的工艺技术 在半导体 器件 光学系统反射镜的超精密加工中占据重要地位 CMP加工后的表面粗糙度能够达到nm级 同时无表面和亚表面层损伤 35 CMP技术产生的原因在于机械抛光和化学抛光单独作用的效果并不理 想 传统的机械抛光通过砂纸和手工磨抛机对工件进行磨抛去除 但是 采用这些方式进行去除时的工作强度大且要丰富的经验 容易造成 表面损伤 而传统的化学抛光采用化学试剂与工件表面凸出的不平整部分发生 化学反应 使得工件表面硬度变小 从而达到材料去除的目的 但是整个过程中化学反应速度慢 化学试剂会出现流动不均匀的现 象 不容易控制反应过程 平整度差 抛光效果不好 36 随着技术的发展 将两种抛光过程中的机械作用和化学作用相结合 所谓CMP过程 就是通过化学作用改变工件材料表面的成分 降低 表面硬度 然后通过机械作用下实现材料的去除 37 39 CMP是化学和机械的综合作用 也是力学 化学和材料学的综合应用 40 42 因此 这个模型中的输入变量多 并且相互影响 因此导致了CMP理 论的错综复杂 43 图1 7为化学机械抛光技术的影响因素的示意图 吉林大学硕士学位论文6图1 7CMP影响因素示意图CMP抛光过程中影 响因素多样且相互影响 使得研究CMP抛光过程的难度增加 抛光过程中加工工艺参数 抛光垫的性能 抛光等都会影响到最终 的抛光效果 44 46 目前 针对CMP技术的研究方向有工艺参数 抛光垫作用效果 磨粒 微观作用机理 抛光液性质等几个大类 在CMP过程中 如果某些参数过大 都不会达到理想的效果 比如抛光过程中机械作用中的压力或速度过大 会有划痕和损伤层 化学作用中的某种成分过大 易造成腐蚀 粗糙度上升等 因此只有使得CMP的参数相互配合 使得化学作用和机械作用达到平 衡 才能达到提高去除速率的同时抛光后表面质量也得到提高 抛光液也会很大程度的影响到CMP抛光质量 47 49 它既影响着CMP化学作用的反应过程 又影响到机械作用的过 程 抛光液的化学性质影响着工件改性层的厚度和硬度 并且调整PH或 者添加电解质的情况下 会影响材料表面的电位和电势 影响材料 的去除率和表面质量 抛光液中的磨粒在施加的不同压力下与工件表面相互作用 影响着 工件材料的去除 对抛光液进行研究的目的是为了找到化学作用和机械作用的最佳结 合 50 51 CMP抛光中用到的设备有抛光机床 抛光垫 抛光液 清洗设备 检 测分析设备等 在抛光开始时 将所用的抛光垫粘贴到抛光盘上 抛光头对抛光的 工件进行加持 并通过抛光液供给系统向抛光垫添加抛光液 整个抛光过程能够实现的运动为抛光头带动工件和抛光盘分别绕各 自的主轴旋转 抛光开始时 抛光头落下并施加压力 抛光液以一定的速率滴加在 抛光垫上 在抛光垫的传输和离子力的作用下 均匀的分布到抛光 垫上 抛光过程开始 工件与抛光垫接触 弹性沟槽空隙PH磨粒浓度流量CMP工艺磨粒种类 磨粒粒径温度改性剂浓度抛光液抛光垫机械环境温度 湿度防尘防 震硬度磨损压力转速修盘环改性层硬度厚度第1章绪论7开始抛光 抛光结束后 抬起抛光头 装卸工件 1 3国内外相关技术研究现状1 3 1化学机械抛光研究现状化学机械 抛光是目前应用最广泛的超精密加工技术 化学机械抛光技术 80年代起源于IBM公司 在产品的生产中获得成 功 从90年代开始进入量产 并获得业界广泛认可 目前 化学机械抛光技术发展最为先进的是美国和日本 拥有着全 世界大部分市场份额 近年来 欧洲国家如法国 德国迅速崛起 在亚洲 韩国 台湾也在致力于CMP技术的发展 在国内 随着国内集成电路的快速发展 对CMP技术的研究有着迫切 的需求 国内外很多研究所和大学都在针对CMP抛光技术进行多项研究 52 53 CMP技术是一个多变量输入多变量输出的系统 化学机械抛光的多个 变量决定着抛光去除机理的复杂性 针对这些变量 进行了多角度全方位的研究 抛光过程中的压力 工件与抛光盘的相对转速和不同的磨粒和粒径 等加工参数对去除速率和表面质量影响较大 是抛光工艺过程的重 要环节 Tseng等通过实验发现 材料的去除率与施加的压力和速度有关 并 与压力的56 次方以及抛光速度的12 方成正比 54 CMP中抛光垫起到输送抛光液 传导压力 去除发生化学反应的材料 表面的作用 抛光垫表面的微观接触行为在一定程度上决定着接触区的接触载荷 和有效磨粒数量 大连理工大学李治伟等对抛光垫的接触行为进行了研究 揭示了抛 光垫表面的多级粗糙特征 物理和化学环境等对抛光垫接触特性的 影响 55 抛光液是由磨粒 溶剂和各方面的添加剂等构成 磨粒在CMP中的主要作用是将去除工件材料表面的凸出部分 提高工 件表面的平整度 清华大学林广川等采用荧光颗粒观测系统对抛光液中颗粒运动行为 和对材料去除速率的影响进行了研究 56 Ramarajan等发现抛光过程中钽在不同PH抛光液下的去除速率相差较 大 说明抛光液的PH值对抛光过程影响很大 57 Lagudu等对抛光液中盐浓度进行了研究 发现添加一定量的盐之后 碳化硅去除率有明显的上升 58 CMP是未来的抛光技术的趋势 所以对CMP技术提出了更高的要求 CMP吉林大学硕士学位论文8技术虽然发展迅速 但是仍有很多的理 论问题和技术问题没有解决 如抛光液的化学成分和性质对各种抛 光参数的影响等机理有待于进行进一步的研究 因此定量的确定最佳的化学机械抛光工艺和全面的研究化学机械抛 光过程的工艺参数 建立完善的CMP理论模型是研究化学机械抛光的 主要工作 1 3 2静电作用调控现状近年来 静电相互作用在很多方面发挥了重 要的作用 在胶体化学的领域 人们很早就注意到了双电层之间的相互作用 并研究了它与分散体系之间的关系 Choi等对抛光液中的盐浓度对抛光过程的影响进行了研究 发现抛 光液中的盐浓度对颗粒与晶片之间的作用有很大影响 盐浓度上升 后 抛光颗粒与工件之间的静电斥力减小 增大了接触面积 材料 去除速率增大 但是盐浓度过大时 也会由于静电斥力的减小 使 得抛光液中的颗粒发生团聚 影响工件材料的表面质量 59 在胶体化学以外的其他领域 静电相互作用也有广泛的应用 中科院徐仁扣研究了双电层相互作用对土壤和矿物表面盐基阳离子 解吸的影响 60 Giannelis等利用氨基封端的聚环氧乙烷作为阳离子 质子化的Si 2 纳米粒子作为阴离子 通过两者之间的静电相互作用制备离子杂化 材料 61 1 4论文主要研究内容针对SiC工件的CMP过程 研究化学机械抛光过 程中化学作用于机械作用相互协同配合 对SiC材料进行抛光 并且 研究其对抛光过程的影响 明确作用机理 研究不同的抛光工艺参数对抛光影响 并对抛光参数进行优化 设计实验 通过改变实验中抛光液的成分 研究氧化剂和电解质浓 度对材料去除过程的影响 并分析其作用机理 研究电解质浓度和种类对抛光液中颗粒状态的改变 1 抛光工艺参数的选择和优化研究SiC工件抛光过程中的抛光工 艺参数对抛光过程的影响 通过改变抛光过程中主要的工艺参数如压力 转速和磨粒等 对SiC 材料抛光效率和加工质量进行定量研究 在得到若干组数据的基础 上 进行工艺优化 得到较合适的抛光工艺参数 第1章绪论9 2 静电作用调控原理对比不同条件下的抛光实验结果 分析了电 解质对抛光过程的影响 根据胶体之间的相互作用力 以泊松 玻尔兹曼方程为基础推导了双电层力的表达式 建立DLVO作用下的 受力模型 3 通过改变抛光液中的化学成分 使得化学与机械作用协同配合 研究碳化硅材料的表面改性机理 分析改性原理 改变抛光液中的 离子浓度和种类 研究其对双电层结构影响 设计碳化硅材料的去除实验 通过观察材料去除速率的变化 验证 化学作用于机械作用同时存在时的材料去除速率 4 电解质对抛光液的影响在对胶体之间的相互作用力研究的基础 上 采用纳米粒度和zeta电位测试仪 测量不同电解质浓度和不同 电解质种类对抛光液中粒径和粒度分布 研究了电解质对抛光液中 粒径和粒度分布的影响 进行抛光实验 采用白光干涉仪 对抛光后表面质量进行分析 研 究不同电解质条件下的抛光液对抛光后碳化硅表面的影响 第2章碳化硅抛光去除速率和表面质量影响因素的研究11第第2章碳 化硅抛光去除速率和表面质量影响因素研究2 1引言碳化硅的硬度高 不易发生塑性变形 是一种典型的硬脆材料 难以进行加工 在进行抛光时 各类因素对抛光过程和抛光后表面质量有着较大影 响 因此 在对碳化硅进行加工时 如何选择关键的参数成为了一 个关键的问题 在碳化硅的加工过程中涉及了很多的工艺参数和变量 比如机械作 用相关因素抛光压力 上下盘相对转速 磨粒等因素 与化学作用 相关的因素pH值 氧化剂和离子添加剂等因素 并且在抛光过程中 各因素之间相互影响 不是独立存在的 因此 我们在进行抛光时 必须进行充分考虑 对抛光工艺流程的 参数进行合理的优化 找到最佳工艺参数 62 本章主要介绍了对碳化硅材料进行机械抛光的研究 首先介绍了碳化硅表面材料去除的模型和机理 其次 介绍了实际 抛光的实验设备和检测分析设备 最后 通过实验抛光过程中各个实验参数对抛光过程和结果的影响 主要探究了抛光压力 上下盘的相对转速 抛光液中磨粒的浓度 和种类等几个因素 在基本的抛光机理上进行了实验的研究 2 2材料去除模型和机理针对抛光过程中的材料去除 其最基本模型 是Preston模型 去除模型如下c sMRRkpV 2 1 k Preston系数 是一个经验系数 是各种影响因 素的综合表现 cp 抛光过程中施加的压力sV 工件任一点与抛光垫之间的相对速 度MRR 工件材料去除速率通过Preston方程可知 工件材料的去除 速率与压力和相对线速度成正比 Preston方程主要表现在去除速率的考量上 考虑了抛光过程中施加 的压力和工吉林大学硕士学位论文12件与抛光垫之间的相随速度去 除速率的影响 但是模型没有考虑到化学机械抛光中抛光液的化学 性质 离子的作用等对抛光过程和结果的影响 在对SiC工件的抛光过程中 当压力较大或者抛光转速较小时 SiC 工件表面与抛光垫之间相互接触 此时同时存在着二体磨损和三体 磨损 二体磨损指的是抛光过程中吸附镶嵌在抛光垫上磨粒与SiC工件材料 之间直接接触而发生去除磨损 而三体磨损指的是抛光液中的自由 磨粒与SiC工件材料之间相互碰撞摩擦产生的磨损 如图2 1所示为 抛光过程中固体接触的示意图 一般认为 产生去除量的主要是二体磨损 图2 1工件表面与抛光垫表面接触示意图抛光过程是磨粒对工件表面 的综合作用 不同的加工工艺参数对抛光结果有着重要的影响 使 用合理的加工工艺参数可以提高工件材料的去除速率和表面质量 因此 我们在考虑抛光压力及上下盘相对速度的基础上 还要考虑 到磨粒的粒径 浓度和种类对抛光过程的影响 本章实验主要考虑到抛光过程中的机械作用 获得各个抛光工艺参 数的影响规律 找到一组最优的参数 对指导后续实验具有重要的 意义 本文研究的化学机械抛光实验台示意图如图2 2所示 将SiC工件材料粘贴在载物盘上 抛光垫粘贴在抛光盘上 通过主轴 带动载物盘转动 在抛光压力的作用下 使得SiC工件与抛光垫接触 通过自动滴料器 平稳均匀的向抛光垫上滴加抛光液 抛光液中含有磨粒以及其他成 分 通过设定一定的转速 实现被抛光SiC工件与抛光垫的相对运动 从而达到材料去除的效果 63 第2章碳化硅抛光去除速率和表面质量影响因素的研究13图图2 2实 验用抛光台示意图2 3碳化硅抛光实验条件2 3 1抛光实验设备 1 抛光机床如图2 3所示 实验采用的是UNIPOL 1200S型的自动压力研磨抛光机床 该机床是一种台式单轴超精密研抛设备 采用机械加压的方式 可 以使样品在研磨的过程中受到一个恒定的压力 压力调节范围为0 5 kg 20kg 抛光机床的上盘为载物盘 下盘为磨抛盘 另外 该抛光机床设有一个机械手磨抛工位 使得该抛光机床不仅 可以在较大的恒定压力下对超硬材料进行磨抛 也可以在机械手的 作用下磨抛易破碎的材料 图2 3UNIPOL 1200S型抛光机床图2 4SKZD 3型自动滴料器吉林大学硕士学位论文14 2 滴料器如图2 4所示 与研磨抛光机床配合使用的是SKZD 3型自动滴料器 可直接放置于研磨抛光机上滴加磨料 自动滴料器在抛光过程中可以自动控制抛光过程中抛光液的滴加 并可根据实际需要调整抛光液的滴速 一方面可以达到控制抛光液 流量的作用 另一方面使得抛光液可以均匀的分布在抛光样品的表面 提高了抛 光抛光效果 3 抛光垫如图2 5所示 实验过程中采用的抛光垫为黄色的聚氨 酯抛光垫 抛光垫的表面有许多小孔 作用是储存少量的抛光液 抛光垫在随抛光盘进行转动时 将抛光液带到抛光区域 并使之均 匀分散 保证抛光过程的顺利进行 此外 若抛光液中含有化学试剂 还可以使抛光液充分与工件表面 接触 使化学反应充分进行 聚氨酯抛光垫表面的孔隙率和表面粗糙度也会影响抛光液与磨粒和 工件的接触面积 其表面越粗糙 接触面积越大 从而提高材料的 去除速率 64 抛光垫在多次使用后 表面产生磨损而变得光滑 会降低抛光效率 因此实验中需注意抛光垫的状态 必要时需及时更换 以免影响抛 光实验效果 图2 5实验用聚氨酯抛光垫图2 6超声波清洗机 4 超声波清洗机如图2 6所示 实验采用超声波清洗机 对抛光 前后的抛光工件进行清洗 使表面保持干净清洁 同时 使用超声 波清洗机对配制好的抛光液进行一定时间的超声分散 使得抛光液 均匀分散 第2章碳化硅抛光去除速率和表面质量影响因素的研究15 5 去离子水制备机器如图2 7所示 是实验中使用的去离子水净 水系统 本课题中的实验需要研究抛光液中添加电解质对抛光过程的影响 所以需要严格控制水质 除去水中的离子状的杂质 让水更加纯净 以减少水中其