碳化硅超声—电化学抛光仿真与研抛实验研究

    摘要:碳化硅传统的减薄抛光方法表面质量较差,去除效率很低。超声波—电化学抛光是结合了电化学抛光与超声波辅助抛光的复合抛光技术, 通过实验测试具有效率高，抛光表面质量好的特点。

    哈尔滨工业大学 | 孙丙镇 

    碳化硅是第三代半导体材料,具有优良的电性能与物理化学性能。同时,碳化硅也是一种超硬材料,具有脆性大、对缺陷敏感、抗冲击性差、化学惰性极强的特点,因此加工难度很大。传统的磨削方法获得的表面质量较差,现行的几种精密抛光方法则去除率很低。超声波—电化学抛光是结合了电化学抛光与超声波辅助抛光的复合抛光技术,在模具加工领域已取得显著的研究成果,但目前尚未有将该技术应用于碳化硅加工的研究。通过对碳化硅超声波—电化学抛光过程的流场、电场仿真分析与实验研究,论文探索了该方法实现碳化硅高效去除的可行性,获得了不同工艺参数对研抛效果的影响规律,对碳化硅高效超精密加工具有重要的理论和指导意义。首先进行流场仿真分析,针对不同的研抛变量,利用Fluent软件建立了三种不同的仿真模型;分别研究超声振动、流体膜厚度与抛光垫打孔对流场的速度、压力与气相分布等特征的影响规律。结果显示:超声振动会使试件表面的流体剧烈变化,产生极强的剪切流与高压作用;流体膜厚度越小,研抛表面承受的压力越大,剪切流越强,加工效果越好;抛光垫上的小孔会阻碍试件表面的流体流动,使流场的压力出现台阶变化,有利用超声空化的产生。然后进行电场分析,利用Ansoft Maxwell软件,分别研究研磨液电导率、流体膜厚度与试件材料对电场分布的影响规律。结果表明:电压通过试件时并不击穿试件内部,而是由侧面向下传导;随着研磨液电导率升高,试件表面的电流密度线性增大且效果显著;流体膜厚度的变化对试件表面的电场分布影响很小,在一定范围内,流体膜厚度越小,表面电流越高;在相同的仿真模型中,碳化硅试件在研抛表面的电流密度比铁、铜等良导体降低了约20%。最后,自主研制超声波—电化学研抛实验机,实现超声辅助、电压加载与实时数据采集。通过系列研磨与抛光实验,获得了超声辅助、外加电压与研磨液组分对碳化硅摩擦磨损性能的影响规律。实验研究表明:试件对研抛盘的摩擦系数主要取决于研磨液的成分,相同条件下金刚石悬浮液可使SiC试件去除最快;向试件施加正电压与超声辅助都能提高材料去除率,但不能改变摩擦系数;超声振动对研抛过程的影响大于电场的作用;通过超声振动与外加电场的辅助,在60N压力下,以金刚石悬浮液为研抛液,获得SiC试件的最高研磨去除率为15.7mg/h,在10N压力下,SiC试件的最高抛光去除率为1.21 mg/h。