碳化硅(SiC)作为第三代半导体材料,因其禁带宽度大、临界击穿电场高、热导率高、载流子饱和迁移速度高、相对介电常数低、耐高温和抗辐射等特点被广泛应用于半导体照明、集成电路、新能源汽车等领域;同时,碳化硅单晶通过外延技术可作为生长氮化镓、石墨烯的衬底材料。对于衬底基片,要求其具有超光滑、无损伤的高精度表面质量,但单晶碳化硅硬度高、脆性大、常温下化学稳定性极好,这就为高效超精密加工碳化硅带来了困难。目前常用的加工方法是游离磨料化学机械研磨和抛光,但该法加工效率低,游离的磨粒不能重复利用,试验成本高,废液处理易造成环境污染。针对该问题,固结磨料研磨技术,因其加工效率高、工艺可控性强、绿色环保和加工成本低等优点引起学者的广泛关注。本文以2英寸6H-SiC单晶片为对象,研究固结磨料摩擦化学机械研磨法对碳化硅单晶片材料去除率、表面粗糙度的影响,并探究其摩擦化学反应过程和材料去除机理。主要研究内容如下:(1)游离磨料摩擦化学机械研磨SiC基片研磨膏研究采用单因素试验法研究研磨膏中氧化剂种类、含量、金刚石磨粒粒径对碳化硅单晶片材料去除率和表面粗糙度的影响。结果表明:以氢氧化钠作为氧化剂时的效果最好,且对于Si面,用10%的NaOH时,材料去除率达到最大,为1768nm/min;对于C面,用5%的NaOH时,材料去除率达到最大,为1403nm/min;但使用研磨膏研磨后表面粗糙度值较大,为400~500nm。金刚石磨粒粒径越大,材料去除率越大,表面粗糙度越大,用白光干涉仪观察到表面腐蚀凹坑多,划痕最深达到14.4μm,材料最大隆起为7.686μm,表面质量较差;粒径越小,则相反;高效率和高精度很难同时达到。比较了研磨膏中主要因素的作用结果,发现氧化剂和磨粒的交互作用为主,机械作用为辅,为下一步固结磨料研磨盘的研制提供参考。(2)固结磨料摩擦化学机械研磨SiC基片研磨盘研究根据游离磨料摩擦化学机械研磨研究,提出固结磨料研磨盘成分,并对其成分进行选择和优化,试制了一系列固结磨料摩擦化学机械研磨盘。然后,采用正交试验法对固结磨料研磨SiC单晶片的工艺参数(磨料粒径、研磨时间、研磨转速、研磨压力)进行优化,结果表明:磨料粒径对材料去除率和表面粗糙度均影响显著;当磨粒粒径为28μm,研磨转速80r/min,研磨压力3psi,研磨时间50min时,材料去除率最大,为281nm/min,表面划痕较多,深度达3.3μm;当磨粒粒径为3.5μm,研磨转速60r/min,研磨压力3psi,研磨时间50min时,表面粗糙度最低,为16nm,划痕较浅,为1.1μm,材料隆起只有0.99μm,表面质量较好,精度较高,但此时材料去除率只有18nm/min;固结磨料研磨高效率和高精度很难同时达到。(3)固结磨料研磨盘与游离磨料研磨膏研磨结果对比经过固结磨料与游离磨料研磨对比,结果表明:研磨膏研磨后的工件表面粗糙度高,大约是固结磨料研磨后的5倍,游离磨料研磨后工件表面精度低;研磨膏研磨材料去除率高,但研磨膏的配制及后续处理费时费力,在同样时间里,可进行多次固结磨料研磨,间接提高材料去除率;研磨膏不能重复利用,试验时耗材严重,成本较高,且研磨膏处理不当会对环境带来较大污染;固结磨料研磨盘研磨操作简便,磨粒利用率高,绿色环保。综合来看,研磨盘优于研磨膏研磨效果。(4)固结磨料摩擦化学机械研磨SiC基片机理研究经固结磨料摩擦化学机械研磨试验,结果表明:通过SEM观察和能谱分析,说明化学添加剂在摩擦化学的作用下确实与工件发生了固相反应;采用XRD检测与jade6软件进一步分析,其反应生成物为硅氧化合物,但生成量较少。运用分量处理法对材料去除率进行分解,通过试验分别说明化学作用、机械作用及其交互作用的影响,结果表明:机械与化学的交互作用在材料去除率中占主导地位,其次是机械作用,而化学作用并不直接去除材料,而是通过化学反应生成较易去除的氧化产物,再通过磨粒机械去除。