单晶碳化硅磁流变抛光工艺实验研究

单晶碳化硅磁流变抛光工艺实验研究

王芳杰;郭忠达;阳志强;刘卫国;杭凌侠;陈智利

【摘要】针对传统光学加工中碳化硅表面质量精度低和难于加工的特点,提出用磁流变直接加工碳化硅表面的工艺流程.采用自行研制的磁流变抛光机对mm的6H-SiC进行了抛光实验研究.结果表明,直径为40mm的碳化硅材料圆柱体,硅面经过20min的磁流变粗抛, 表面粗糙度Ra提升至5.9nm,亚表面破坏层深度降至35.764nm,经过磁流变精抛和超精抛,表面粗糙度最终提升至0.5nm,亚表面破坏层深度降至1.4893nm,表面变得非常平坦,无划痕.由此表明,所采用的工艺流程可以实现碳化硅表面的纳米级抛光和非常小的亚表面破坏层深度.

【期刊名称】《科技创新导报》

【年(卷),期】2010(000)032

【总页数】2页(P112-113)

【关键词】磁流变抛光;碳化硅;亚表面破坏层;粗糙度

【作者】王芳杰;郭忠达;阳志强;刘卫国;杭凌侠;陈智利

【作者单位】西安工业大学光电工程学院,西安,710032;西安工业大学光电工程学院,西安,710032;西安工业大学光电工程学院,西安,710032;西安工业大学光电工程学院,西安,710032;西安工业大学光电工程学院,西安,710032;西安工业大学光电工程学院,西安,710032

【正文语种】中文

【中图分类】TH164

随着现代科学技术的迅猛发展,碳化硅以其优良的物理化学性能,作为反射镜和第三

代宽带隙半导体的首选材料。作为反射镜材料,碳化硅具有较高的弹性模量、适中

的密度,无热应力、均匀的线膨胀系数,热性能、机械性能应各向同性、高的比刚度

和高度的尺寸稳定性[1]等一系列优秀的物理化学性质,越来越广泛的应用于空间光

学和激光元器件中。作为第三代宽带隙半导体材料,碳化硅具有禁带宽度大(2. 2～3.3eV)、热导率高(4.9W/cm·K)、电子饱和漂移速率大(2～2.5cm/s)、临界击穿电场高(1.5～3.2×106V/cm)和相对介电常数低(9.7～10)[2]等特点,被用于制作高温、高频、抗辐射、大功率和高密度集成电子器件;另外利用它宽禁带(2.3eV～3.3eV)

的特点还可以制作蓝、绿光和紫外光的发光器件和光电探测器件。

无论是作为反射镜,还是作为半导体器件,都要求零件具有优良的表面质量。我国在

碳化硅材料研究方面已经比较成熟,但碳化硅的莫氏硬度高达9.25,其光学加工非常困难,因此我国在碳化硅光学加工方面才起步,尚未形成统一认识,还处于实验室研究阶段,其光学表面的加工技术仅被美国、俄罗斯等国家所掌握[3]。本文采用新型磁

流变技术对6H-SiC单晶片进行加工,获得了(0001)Si面的高精度抛光表面和非常

小的亚表面破坏层深度。

磁流变抛光技术是利用磁流变液的流变效应对零件表面进行加工的一种先进制造技术。在磁流变抛光过程中,当磁流变液流过抛光区时,在高梯度磁场的作用下,磁流变液就会产生流变效应和成核,变成类似于Bingham物质的半固体状态,形成团簇状

的磁链突起(柔性抛光头)。在突起的顶端(核心的上表面)与工件表面形成一个更为

狭小的间隙。在这个更小的间隙内,磁流变抛光液以牛顿流体的形式流动,这样,在核心的上表面和工件之间就产生一个极薄流体层。抛光粉颗粒居于磁流变液的最上层,与工件表面直接接触;同时,工件表面主要受流体动压力、磁浮力、液体浮力;当发生一定的相对运动时,抛光颗粒对光学零件表面产生微小切入,使光学零件产生微小的

塑性去除,从而实现对工件表面材料的去除。

实验用6H-SiC晶锭的生长和晶片的切割在西安理工大学陕西省新型半导体功能材料与设备工程研究中心进行。实验用检测设备为英国Taylor Hobson公司的非接触式干涉仪Taylor Surf CCI2000,该检测仪器纵向分辨率可达0.1A,检测粗糙度精度可达1A,每次测量面积为0.9mm×0.9mm,取样精度0.1μm。可以用于检测表面粗糙度、面形、台阶高度和平面度,并可以即时显示采样区域的二维和三维表面形貌及各种测量数据。所使用的磁流变抛光机为西安工业大学自主研发。

碳化硅零件的毛坯成型后,就进入光学加工阶段。传统的碳化硅零件的加工过程一般分为粗磨、精磨和抛光三个阶段。粗磨主要使碳化硅零件具有一定的几何形状、面形和粗糙度达到一定的要求,采用的压力和转速都很大,需要耗费很长时间,才能使零件便面达到要求。精磨是为了进一步提高面形精度,降低表面粗糙度,并去除粗磨阶段产生的下表面破坏层。采用的压力和转速相应较小,可以获得较好的面形和比较低的粗糙度;但精磨中磨粒与工件接触更紧密,容易造成划痕或零件破裂,不利于抛光的进行。

抛光的目标是达到面形要求,并最大的降低表面粗糙度和去除精磨留下的下表面破坏层,形成良好的表面。一般采用沥青与金刚石抛光粉进行抛光,可以获得较小的表面粗糙度,但精磨留下的破坏层不能很好的被去除,不能满足对零件的要求。

为了克服传统工艺的加工周期长,加工效率低,资源浪费,且加工中容易造成零件表面出现划痕、凹坑和零件破裂,对原有工艺进行改进,使零件具有优良的光学面、非常小的粗糙度和破坏层深度。新工艺具有以下特点:(1)切割后得到零件不需要粗磨和精磨,直接进行抛光。(2)零件的抛光分三个阶段:粗抛、精抛和超精抛。粗抛阶段,零件的表面粗糙度很大,各项工艺参数都较大,表面粗糙度迅速减小,材料被去除。精抛阶段,工艺参数相应减小,粗糙度下降较慢,表面较平坦。超精抛阶段,各项工艺参数更小,粗糙度下降非常缓慢,表面几乎没有尖峰存在,无划痕和麻点,整个表面非常平坦。

(3)在零件的起始抛光和抛光停止阶段以及整个抛光过程中,零件所受的压力都是很

温和的,相当于轻接触的载荷在零件表面,同时,抛光颗粒和零件表面为软接触,对材料进行非常小的软切削,防止零件的破碎、产生较大的破坏层和产生较大的裂纹,导致材料脱落。

如表1所示,为碳化硅加工实验参数条件,采用自研制的磁流变抛光机加工切割后尺寸为mm的碳化硅单晶片。所用磁流变抛光液为自行研制,抛光粉为氧化铁(浓度12%)。加工分为三阶段进行抛光,即粗抛、精抛和超精抛,抛光不同阶段完成后,用非接触式干涉仪Taylor Surf CCI2000进行表面形貌、破坏层和粗糙度检测。

试件的初始表面粗糙度Ra为226nm,表面有无数尖峰,无平坦区域。

用自研制的磁流变抛光机对试件进行抛光,粗抛阶段所采用的工艺参数如表1,抛光20min后,对零件进行检测,零件表面粗糙度为5.9nm,表面有少量的尖峰,无凹坑和划痕,平坦区域面积较大。

精抛阶段所用的磁场强度、主轴转速和摆轴速度都较小,抛光10min进行检测,表面粗糙度为3.9nm。抛光后,零件表面的凸起尖峰点有所减少,平坦区域面积变大,但变化并不十分明显。

超精抛阶段抛光30min,检测结果如图1,零件的表面粗糙度为0.52nm。所采用的磁场强度和主轴转速都减小,摆轴速度不变,对材料进行更微小的去除,获得了非常小的表面粗糙度和优良的表面质量。

零件经过粗抛、精抛和超精抛三个阶段抛光后,表面粗糙度从226nm降到0.

52nm,表面形貌特征从有无数尖峰、无平坦区域,到抛光后表面变得非常平坦、无划痕和尖峰。不同的抛光阶段所采用的工艺参数逐渐减小,有利于获得高质量的表面和非常小的表面粗糙度。

光学材料磨削加工引入的亚表面损伤层包括缺陷层和变形层(亚表面残余应力层),缺陷层由划痕、裂纹和嵌入的加工介质等组成。经过传统研磨抛光后,亚表面损伤层深度会减小,但仍有残留的亚表面损伤层存在,且在抛光过程中会促进已有裂纹的扩