超精密表面研拋磨粒的研究進(jìn)展

周兆鋒，洪 捐，黃傳錦

(鹽城工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，鹽城 224051)

0 引 言

研磨和拋光是經(jīng)典的超精密加工技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于脆性難加工半導(dǎo)體襯底材料的超光滑無損傷加工，比如硅、氮化鎵和藍(lán)寶石等材料的加工。通過研磨和拋光可以有效去除前道工序造成的加工損傷，并獲得超光滑無損傷的工件表面。研拋磨粒作為研拋工藝的核心輔助材料之一，研拋磨粒選擇的恰當(dāng)與否直接影響到研拋效率和研拋質(zhì)量的高低。

面對種類繁多的研拋磨粒，如何選擇合適的磨粒以實現(xiàn)材料的超精密加工，是許多科研人員面臨的一個難題。本文從研拋磨粒的組成方式和結(jié)構(gòu)特點等角度出發(fā)，總結(jié)了研拋磨粒對加工結(jié)果的影響，以及新型研拋磨粒的研究進(jìn)展，為研拋磨粒的科學(xué)選擇和應(yīng)用提供參考。

1 單一磨粒

1.1 工件-磨粒-研拋墊的接觸模型

單一磨粒指研拋過程中僅采用單一類型磨粒的情況。從宏觀角度分析研拋過程，通過經(jīng)典Preston方程，即R=kFv，可知材料去除率(R)與研拋載荷(F)及工件與研拋墊之間的相對轉(zhuǎn)速(v)成正比，其中k為經(jīng)驗參數(shù)。研拋載荷越大，材料去除率越高。從微觀角度分析研拋過程，單一磨粒的微切削能力決定了研拋效率的高低，而施加于單一磨粒的研拋載荷則明顯會影響該磨粒的切削能力。因此，本節(jié)將從研拋載荷角度分析磨粒對研拋結(jié)果的影響。圖1為研拋過程中工件-磨粒-研拋墊的接觸模型，假設(shè)磨粒為剛性體，工件和研拋墊為彈塑性體，那么磨粒嵌入關(guān)系可表示為：

d=dw+dp

(1)

式中：d為磨粒的名義粒徑；dw為磨粒切入工件的深度；dp為磨粒嵌入研拋墊的深度。

圖1 工件-磨粒-研拋墊的接觸模型Fig.1 Contact model of workpiece-abrasive particle-pad

研拋載荷F可表示為[1-2]：

F=αAdHd2w(6cπd3)23

(2)

式中:α為磨粒形狀修正系數(shù);H為工件的材料硬度;c為研拋液內(nèi)磨粒的體積濃度;A為研拋界面內(nèi)磨粒與工件表面的接觸面積?？梢娔チ５拿x粒徑d、濃度c和形狀參數(shù)α等因素將通過研拋載荷對研拋結(jié)果產(chǎn)生影響。為了便于分析，假設(shè)圖1中磨粒為剛性體，但是這與實際情況明顯存在差距，所以磨粒材質(zhì)對研拋結(jié)果的影響也不可忽視。

1.2 磨粒材質(zhì)因素

研拋工藝要求不同，采用的磨粒材質(zhì)也不同，常見磨粒有二氧化硅(SiO2)、氧化鈰(CeO2)、碳化硼(B4C)、氧化鋁(Al2O3)、碳化硅(SiC)和金剛石等[3-7]。

Asghar等[8]對比了SiO2磨粒和Al2O3磨粒研拋氮化鎵的結(jié)果，盡管SiO2磨粒的材料去除率較低，但是研拋質(zhì)量較高。Chen等[9]對比了SiO2磨粒和CeO2磨粒研拋碳化硅的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)CeO2磨?？梢垣@得更高的材料去除率和表面質(zhì)量，主要原因為帶負(fù)電荷的SiO2磨粒易與帶正電荷的工件表面發(fā)生物理吸附，阻礙工件表面材料去除，而帶正電荷的CeO2磨粒則可以避免發(fā)生此現(xiàn)象。余青等[10]比較了Al2O3、SiO2和CeO2等磨粒研拋藍(lán)寶石的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)Al2O3磨粒的材料去除率最高，CeO2磨粒最低，SiO2磨粒居中，但是SiO2磨粒的拋光質(zhì)量最高。

Werrell等[11]比較了SiO2、Al2O3和CeO2等磨粒研拋納米金剛石薄膜的結(jié)果，SiO2磨粒的材料去除率大于CeO2磨粒，酸性Al2O3磨粒的材料去除率與SiO2磨粒接近，大于堿性Al2O3磨粒。這說明當(dāng)化學(xué)環(huán)境相同時，磨粒材質(zhì)不同，研拋能力不同；當(dāng)磨粒材質(zhì)相同時，化學(xué)環(huán)境不同，研拋能力也不同。鐘敏等[12]比較了金剛石、Al2O3和SiO2等磨粒在超聲振動條件下研拋藍(lán)寶石的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)SiO2磨粒的研拋效率與Al2O3磨粒接近，大于金剛石磨粒，而且SiO2磨粒的拋光質(zhì)量最高。這可能由兩方面的原因引起:第一，SiO2和Al2O3磨粒會與藍(lán)寶石晶體表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成軟化變質(zhì)層，提高了拋光效率，而金剛石磨粒則由于缺乏化學(xué)反應(yīng)，所以研拋效率較低；第二，SiO2磨粒為球形易于獲得光滑表面，其他兩種磨粒含有棱角易劃傷晶體表面。潘繼生等[7]比較了金剛石、SiC、B4C和Al2O3等磨粒對藍(lán)寶石研拋結(jié)果的影響，發(fā)現(xiàn)選擇硬度最高的金剛石磨?？梢垣@得較高的研拋效率和研拋質(zhì)量。綜上，不同材質(zhì)的磨粒對不同材質(zhì)工件研拋結(jié)果的影響差異顯著，這主要體現(xiàn)在磨粒的硬度和化學(xué)活性等方面。

1.3 磨粒形狀因素

Wang等[13]通過分析微接觸模型發(fā)現(xiàn)研拋載荷越大，磨粒形狀對研拋效率的影響越顯著。不過該模型對磨粒形狀的處理比較簡單，僅將非球形的磨粒使用系數(shù)修整后作為球形磨粒處理。陳為平等[14]利用有限元模擬分析了兩種不同形狀磨粒對研拋結(jié)果的影響，相比球形磨粒，含棱角不規(guī)則形狀磨粒引起的亞表面損傷和材料去除率更大，同時磨粒的棱角越銳利，亞表面損傷越大。毛曉辰等[5]通過研拋試驗發(fā)現(xiàn)含棱角的不規(guī)則Al2O3磨粒研拋效率較高，但易產(chǎn)生劃痕；圓鈍的板片磨粒研拋效率較低，但更有利于消除劃痕。Huang等[15]通過對比兩種不同形狀A(yù)l2O3磨粒對研拋質(zhì)量的影響，對于易解理的脆性晶體材料而言，尖銳的磨粒容易引起工件表面的微解理缺陷，而圓鈍的磨粒則有利于抑制解理，提升加工質(zhì)量。

上述研究主要對比了含棱角磨粒與圓鈍磨粒對研拋結(jié)果的影響，發(fā)現(xiàn)含棱角磨粒更適合高效率的研拋需求，圓鈍磨粒更適合高質(zhì)量的研拋需要。雖然圓鈍磨粒更有利于提升研拋質(zhì)量，但是圓鈍磨粒普遍存在研拋效率較低的問題。為了解決上述問題，眾多學(xué)者提出了制備異形磨粒的方法。所謂異形磨粒是指相對于傳統(tǒng)的球形SiO2磨粒，制備出的非球形SiO2磨粒。Lee[16]和Salleh[17]等通過試驗發(fā)現(xiàn)應(yīng)用異形SiO2磨粒既可以解決由硬質(zhì)磨粒(如Al2O3)引起的劃痕問題，又可以避免球形SiO2磨粒研拋效率較低的問題。針對異形磨粒還有其他眾多嘗試，如Liang等[18]制備了類花生形SiO2磨粒，Dong等[19]制備了橢球形SiO2磨粒，Dai等[20]制備了類爆米花形SiO2磨粒，Xu等[21]制備了類花生形和類心形的SiO2磨粒，王婉瑩等[22]制備了樹枝狀介孔SiO2磨粒，蔡文杰等[23]制備了具有六邊形孔道的介孔SiO2磨粒。

1.4 其他因素

磨粒粒徑的影響。Kim等[24]分析了不同粒徑磨粒作用下的研拋結(jié)果，發(fā)現(xiàn)磨粒粒徑越大，材料去除率越高；當(dāng)粒徑固定時，相比于兩體磨粒去除的固結(jié)磨料研拋工藝，三體磨粒去除的游離磨料研拋工藝中部分磨粒的滾動行為雖然限制了材料去除率的提升，但是促進(jìn)了研拋質(zhì)量的提高。Park[25]、Werrell[11]、張麗萍[4]和潘繼生[7]等通過研究也得到類似的結(jié)論，認(rèn)為減小磨粒粒徑會降低研拋效率，不過有利于提升研拋質(zhì)量，減少加工損傷。

磨粒濃度的影響。Park等[25]通過試驗發(fā)現(xiàn)隨磨粒濃度的增加，研拋效率也在增加。潘繼生等[7]采用金剛石磨粒對藍(lán)寶石進(jìn)行研拋時，隨磨粒濃度的增大，材料去除率和表面粗糙度分別會在不同濃度值達(dá)到峰值。

研拋環(huán)境對磨粒研拋機(jī)理的影響。Park等[26]研究了SiO2磨粒在不同化學(xué)環(huán)境下的材料去除機(jī)理。酸性環(huán)境下，SiO2磨粒與藍(lán)寶石表面電荷極性相反，由于靜電吸附增加了磨粒與晶體表面的接觸概率；堿性環(huán)境下，SiO2磨粒與晶體表面電荷極性相同，由于同性相斥作用降低了磨粒與晶體表面的接觸概率。這意味著，在酸性條件下，磨粒與晶體表面的接觸行為主導(dǎo)拋光效率；但是堿性條件下，晶體表面變質(zhì)層的生成速率主導(dǎo)拋光效率。劉德福等[6]分析了工件-磨粒-研拋墊三者之間的接觸情況，獲得了CeO2磨粒研拋石英玻璃的材料去除機(jī)理，認(rèn)為玻璃表面材料去除主要由磨粒與工件的界面摩擦化學(xué)腐蝕作用主導(dǎo)，而非簡單的機(jī)械研拋過程。

2 混合磨粒

在單一磨粒的應(yīng)用過程中，有些磨粒偏向獲得較高的研拋效率，有些磨粒偏向獲得較好的研拋質(zhì)量，為了能夠顯著提升研拋效率，有學(xué)者提出了使用混合磨粒?；旌夏チＶ饕秆袙佭^程中使用兩種或多種不同磨粒按比例混合的磨粒，其中磨粒的不同主要體現(xiàn)為材質(zhì)和粒徑等方面的不同。

Jindal等[27-28]將較大粒徑的Al2O3磨粒分別與較小粒徑的SiO2、CeO2等磨粒進(jìn)行混合，實現(xiàn)了對單一磨粒研拋性能的提升。通過顯微形貌分析顯示在大粒徑的磨粒外圍吸附滿了小粒徑的磨粒，相比于純Al2O3磨粒，表面吸附了SiO2或CeO2的混合磨粒，既可以避免純Al2O3磨粒的團(tuán)聚，還可以利用小粒徑磨粒的化學(xué)活性來提升混合磨粒的研拋效率?；谏鲜龌旌夏チ５墓ぷ髟恚琇ee等[29]將較大粒徑的CeO2磨粒與較小粒徑的SiO2磨粒進(jìn)行混合，發(fā)現(xiàn)混合磨?？梢燥@著提升研拋性能。

Park等[30]將ZrO2磨粒與SiO2磨粒進(jìn)行混合，Lee等[31]將納米金剛石磨粒與SiO2磨粒混合，可以提升SiO2磨粒的研拋效率。在混合磨粒中，隨著納米金剛石磨粒濃度的增加，材料的研拋效率也同步增加；在研拋過程中，納米金剛石磨粒主導(dǎo)工件表面材料的去除，SiO2磨粒則負(fù)責(zé)殘留機(jī)械加工痕跡的去除[31]。

除了上述不同材質(zhì)磨粒之間的混合，還存在相同材質(zhì)不同粒徑磨粒之間的混合。Bhagavat等[32]將粒徑為11 μm和22 μm的SiC磨?；旌?，與22 μm的SiC磨粒對比，隨載荷的增加，混合磨?？梢燥@著提升研拋效率。Lee等[33]將粒徑為30 nm和70 nm的SiO2磨粒按比例進(jìn)行混合，隨著兩種磨粒濃度比的改變，工件表面材料的去除方式也發(fā)生兩體和三體磨粒去除的改變，當(dāng)兩種磨粒質(zhì)量比為2 ∶1時，材料去除方式為兩體磨粒去除，材料的去除率最高。Bun-Athuek等[34]將粒徑為4 nm的SiO2分別與20 nm、55 nm、105 nm的SiO2磨?；旌希チ５腡EM照片和混合磨粒的形成示意圖分別如圖2和圖3所示，發(fā)現(xiàn)超細(xì)磨粒吸附在大粒徑磨粒外圍，改變了大粒徑磨粒的形貌特征，提升了研拋效率。汪海波等[35]將粒徑為20 nm和120 nm的SiO2磨粒按比例進(jìn)行混合，當(dāng)磨粒質(zhì)量比為1 ∶5時，研拋效率最高。Lee等[36]將粒徑為30 nm的球形磨粒和70 nm的非球形磨粒進(jìn)行混合，相比球形SiO2磨粒，混合磨粒可顯著提升研拋效率；此外，提升球形磨粒在混合磨粒中的比例，可以改善非球形磨粒的切削能力，提升研拋質(zhì)量。

圖2 未混合磨粒(a)和混合磨粒(b)的TEM照片[34]Fig.2 TEM images of unmixed abrasive particles (a) and mixed abrasive particles (b)[34]

圖3 混合磨粒形成示意圖[34]Fig.3 Schematic diagram of mixed abrasive particles formation[34]

3 復(fù)合磨粒

相對于單一磨粒，混合磨粒盡管可以有效提升研拋效率，但是并不能顯著改善研拋質(zhì)量，為了能進(jìn)一步改善研拋質(zhì)量，并兼顧研拋效率，有學(xué)者提出了應(yīng)用復(fù)合磨粒。復(fù)合磨粒指以某一種磨?；蚧衔餅橹黧w，將其他磨粒、金屬元素或化合物等附屬結(jié)構(gòu)通過化學(xué)方式與主體融為一體的磨粒，常見的復(fù)合磨粒有核殼型復(fù)合磨粒和摻雜型復(fù)合磨粒。近幾年來，復(fù)合磨粒的研究取得了顯著的成果。

核殼型復(fù)合磨粒的內(nèi)核為大粒徑的磨?；蚧衔?，外殼為通過化學(xué)方式粘結(jié)于內(nèi)核表面的小粒徑磨粒層或化合物層。在研拋過程中，核殼型復(fù)合磨粒的核與殼表現(xiàn)出物理和化學(xué)方面的協(xié)同效應(yīng)，更有利于提升研拋質(zhì)量。首先，復(fù)合磨粒內(nèi)核為較硬的大粒徑磨粒，主要負(fù)責(zé)支撐整體結(jié)構(gòu)；外殼為較軟的小粒徑磨粒，主要負(fù)責(zé)工件表面材料的去除。相比單一硬度的實心磨粒結(jié)構(gòu)，該復(fù)合磨粒具有“內(nèi)硬外軟”的結(jié)構(gòu)特點，更有利于提升磨粒的研拋性能。目前，關(guān)于該型復(fù)合磨粒的研究較多。(1)以SiO2為核制備復(fù)合磨粒。陳愛蓮[37]、Chen[38]、Wang[39]和Chen[40]等制備了以介孔SiO2為核，以CeO2為殼的復(fù)合磨粒。圖4所示為不同研拋磨粒的形貌對比。圖4(a)為混合磨粒的SEM照片，其中SiO2的平均粒徑為300 nm，CeO2的平均粒徑為15 nm；圖4(b)為核殼型復(fù)合磨粒的SEM照片，其中SiO2內(nèi)核的平均粒徑為300 nm，CeO2外殼的平均厚度為15 nm[38]。Chen等[41]制備了以實心SiO2為核，以介孔SiO2為殼的復(fù)合磨粒。(2)以Al2O3為核制備復(fù)合磨粒。汪亞軍等[42]制備了以Al2O3為核，以實心SiO2和介孔SiO2為殼的復(fù)合磨粒。其次，復(fù)合磨粒內(nèi)核為高分子化合物，負(fù)責(zé)支撐和緩沖雙重作用；外殼為小粒徑磨粒，負(fù)責(zé)材料的去除，該復(fù)合磨粒的結(jié)構(gòu)特點為“內(nèi)軟外硬”。Chen等[43]制備了以聚苯乙烯為核，分別以實心SiO2和介孔SiO2等為殼的復(fù)合磨粒。Gao等[44]制備了以聚苯乙烯為核，以CeO2和TiO2為殼的復(fù)合磨粒，其中TiO2作為光催化媒介，用于提升復(fù)合磨粒的研拋性能。第三，復(fù)合磨粒內(nèi)核為磨粒，主要負(fù)責(zé)材料的去除；外殼為化合物，利用化學(xué)腐蝕輔助材料去除，結(jié)構(gòu)特點為“內(nèi)硬外軟”。Wang等[45]制備了以Al2O3為核，以偏鈦酸為殼的復(fù)合磨粒。

圖4 不同研拋磨粒的SEM照片[38]Fig.4 SEM images of different types of grinding and polishing abrasive particles[38]

摻雜型復(fù)合磨粒指以某一磨粒為載體，通過化學(xué)方式將金屬元素?fù)饺肫渲卸纬傻膹?fù)合磨粒，該復(fù)合磨?？梢蕴嵘チ５谋砻婊瘜W(xué)活性，獲得更好的研拋性能。Lei等[46]制備了Sm摻雜的SiO2復(fù)合磨粒；Cheng等[47]制備了鑭系元素?fù)诫s的CeO2復(fù)合磨粒；陳愛蓮等[48]將Sm摻雜的CeO2作為殼體磨粒，制備了以SiO2為內(nèi)核的含元素?fù)诫s的復(fù)合磨粒。

4 不同磨粒的研拋機(jī)理

在超精密加工過程中，研拋工況的差異導(dǎo)致工件表面材料的去除機(jī)理也不完全相同。為了更好地聚焦目標(biāo)，本節(jié)僅從材料硬度的角度討論不同磨粒對研拋機(jī)理的影響。研拋過程可視為磨粒被壓入工件表面后發(fā)生切削作用的過程。參考接觸理論，對于單一磨粒而言，工件表面材料去除方式主要表現(xiàn)為剛性磨粒切入工件表面，通過磨粒與工件的相對運動，造成表面材料的脆性去除或塑性去除，單一磨粒的材料去除機(jī)理如圖5所示[25]，其中l(wèi)為磨粒移動的距離，ΔA為磨粒的總接觸面積。由于單一磨粒很難同時兼顧研拋效率和研拋質(zhì)量，混合磨粒一方面可以借助比工件硬的磨?？焖偃コぜ砻娌牧?，進(jìn)而顯著提升材料研拋效率，另一方面可以應(yīng)用比工件軟的磨粒利用“軟磨硬”的原理去除工件表面材料，實現(xiàn)工件的超光滑無損傷加工，進(jìn)而兼顧提升研拋質(zhì)量，混合磨粒的材料去除機(jī)理如圖6所示[31]，其中P指單個磨粒受到的載荷，V指磨粒相對工件的進(jìn)給速度。相比于傳統(tǒng)的剛性磨粒，在研拋過程中，通過利用復(fù)合磨粒的彈性作用可以有效降低切削深度或減小接觸應(yīng)力，進(jìn)而能夠顯著提升研拋質(zhì)量，復(fù)合磨粒的材料去除機(jī)理如圖7所示[49]，其中δ為磨粒的切深，δ1為非彈性磨粒的切深，δ2為彈性磨粒的切深。

圖5 單一磨粒的材料去除機(jī)理[25]Fig.5 Material removal mechanism of single abrasive particle[25]

圖6 混合磨粒的材料去除機(jī)理[31]Fig.6 Material removal mechanism of mixed abrasive particles[31]

圖7 復(fù)合磨粒的材料去除機(jī)理[49]Fig.7 Material removal mechanism of composite abrasive particle[49]

5 結(jié) 論

為了滿足半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需求，提升產(chǎn)品的市場競爭力，降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，對超精密加工技術(shù)提出了更高的要求，即獲得更高的產(chǎn)品質(zhì)量和更高的加工效率。對于傳統(tǒng)研拋磨粒的選擇和新型研拋磨粒的研發(fā)等將直接影響到上述問題的解決。目前，對超精密表面研拋磨粒的研究可以從以下三個方面進(jìn)行：

(1)構(gòu)建基于試驗的磨粒數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，實現(xiàn)針對不同半導(dǎo)體襯底材料匹配不同材質(zhì)的磨粒以及加工方案，以獲得最佳的研拋質(zhì)量和研拋效率。

(2)建立機(jī)械和化學(xué)協(xié)同作用的理論模型，闡明混合磨粒的作用機(jī)理，并獲得工藝參數(shù)的影響規(guī)律，避免依靠經(jīng)驗來選擇和確定研拋工藝參數(shù)，以及推測材料的去除機(jī)理。

(3)開展與復(fù)合磨粒相關(guān)的工藝因素影響規(guī)律、材料去除機(jī)理等方面的研究，為復(fù)合磨粒在超精密加工領(lǐng)域的應(yīng)用與推廣提供堅實基礎(chǔ)。