【摘 要】
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新一代半导体材料SiC具有宽禁带、高临界击穿电场、高导热系数和高饱和电子迁移速率等优良电子特性。与传统Si基芯片相比,SiC基芯片可以降低器件能量损失,缩小器件尺寸,还可以满足现代电子通讯技术对高温、高压和高频等恶劣条件的新要求。因此,SiC在5G通讯、新能源汽车、高速轨道交通、新能源发电和智能电网等行业具有重要的应用前景。但是,SiC较为苛刻的抛光效率和抛光质量要求增加了制造成本,而传统的化学机
【基金项目】
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国家自然科学基金资助项目:单晶碳化硅电化学机械平坦化的复合增效技术与摩擦磨损机理(51475119);
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新一代半导体材料SiC具有宽禁带、高临界击穿电场、高导热系数和高饱和电子迁移速率等优良电子特性。与传统Si基芯片相比,SiC基芯片可以降低器件能量损失,缩小器件尺寸,还可以满足现代电子通讯技术对高温、高压和高频等恶劣条件的新要求。因此,SiC在5G通讯、新能源汽车、高速轨道交通、新能源发电和智能电网等行业具有重要的应用前景。但是,SiC较为苛刻的抛光效率和抛光质量要求增加了制造成本,而传统的化学机械抛光技术存在抛光效率低和抛光液易污染环境等问题。本论文用电化学和光催化的增效方法提高了抛光效率,并协同所研制的核壳磨粒改善了抛光质量。用原位化学沉淀法制备表征了不同平均壳厚的核壳磨粒(PS/Ce O2)。在考虑核壳磨粒顶部形变量和曲率半径变化的条件下,改进了传统的弹性模量计算模型,结合AFM施压测量法计算出了核壳磨粒的弹性模量。用改进的模型计算出的弹性模量是用传统模型计算出弹性模量的1.7倍。软质聚苯乙烯内核使核壳磨粒具有比氧化铈磨粒更低的弹性模量,但会随着壳厚的增加而升高。核壳磨粒相对较低的弹性模量与其在抛光垫表面凹谷的填充效应以及在抛光液中良好的分散性均有助于减轻磨粒对试件表面的机械损伤。通过电化学腐蚀实验把0.2 mol/L的Na OH溶液确定为后续SiC电化学辅助抛光实验的电解液。建立了嵌入在抛光垫表面的核壳磨粒与SiC表面之间的接触模型,基于此模型建立了壳厚、压力和转速等参数对SiC电化学辅助抛光效率的预测模型,预测出了最佳壳厚(20.5 nm),并得到了实验验证。核壳磨粒可以实现比氧化铈磨粒更高的抛光质量,但会随着壳厚的增加而变差,而抛光效率先升高后降低,即存在最佳壳厚的核壳磨粒(PS/20.5)。基于上述分析模型发现抛光质量随着壳厚的增加而变差是由于核壳磨粒压入试件深度的增加;压入深度的增加还造成了抛光效率在小壳厚时的逐渐升高现象,而抛光效率在大壳厚时的逐渐降低现象是由有效氧化铈磨粒数量的减少所致。分别根据法拉第电解定律和普雷斯顿模型建立了SiC电化学腐蚀速率和基于核壳磨粒的SiC表面氧化物机械去除速率的计算模型。较小和较大的电化学腐蚀速率均不利于改善抛光效果,理想的抛光效果取决于电化学腐蚀速率与机械去除速率的协调。在两速率协调条件下协同PS/20.5降低了SiC表面残留氧化物的含量,并以相对较强的机械去除能力得到了局部Ra为0.235 nm高质量表面。针对于SiC电化学辅助抛光高效率、高质量和少残留氧化物的要求,提出了电化学-机械作用协调抛光方法。通过电化学刻划实验发现SiC表面氧化物的机械去除可以促进SiC基体的电化学腐蚀。分别用原位化学沉淀法和溶胶凝胶法制备出了核壳结构的复合光催化磨粒(PS/Ce O2-Ti O2)和复合光催化膜电极(钛网/Ce O2-Ti O2)。通过羟基自由基捕获实验发现复合光催化剂可以提高可见光的利用率并降低光生电子与空穴重聚的概率,从而具备比传统光催化剂更强的光催化能力。电辅助可以进一步降低光生电子与空穴重聚的概率,双紫外灯布置有助于提高光催化反应氧化性产物的利用率。在双紫外灯照射下,通过电辅助光催化抛光方法协同核壳磨粒得到了几乎不存在残留氧化物的高质量表面(局部Ra为0.113 nm),并实现了1.1μm/h的光催化辅助抛光效率。
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