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(duì)種類繁多的研拋磨粒，如何選擇合適的磨粒以實(shí)現(xiàn)材料的超精密加工，是許多科研人員面臨的一個(gè)難題。本文從研拋磨粒的組成方式和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等角度出發(fā)，總結(jié)了研拋磨粒對(duì)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(duì)轉(zhuǎn)速(v)成正比，其中k為經(jīng)驗(yàn)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(huì)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(duì)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(duì)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(shí)際情況明顯存在差距，所以磨粒材質(zhì)對(duì)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(duì)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(duì)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?yàn)閹ж?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(shí)，磨粒材質(zhì)不同，研拋能力不同；當(dāng)磨粒材質(zhì)相同時(shí)，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(dòng)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(huì)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(duì)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(duì)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(duì)研拋效率的影響越顯著。不過該模型對(duì)磨粒形狀的處理比較簡(jiǎn)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(duì)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(shí)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(yàn)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(duì)比兩種不同形狀A(yù)l2O3磨粒對(duì)研拋質(zhì)量的影響，對(duì)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(duì)比了含棱角磨粒與圓鈍磨粒對(duì)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(duì)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(yàn)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(duì)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(shí)，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(dòng)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(huì)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(yàn)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(duì)藍(lán)寶石進(jìn)行研拋時(shí)，隨磨粒濃度的增大，材料去除率和表面粗糙度分別會(huì)在不同濃度值達(dá)到峰值。

研拋環(huán)境對(duì)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(jiǎn)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(shí)現(xiàn)了對(duì)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?，Lee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磨粒混合，與22 μm的SiC磨粒對(duì)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(shí)，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磨粒混合，磨粒的TEM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(shí)，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?？娠@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(duì)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粒或化合物為主體，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(shí)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(diǎn)，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(duì)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(shí)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(shí)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(diǎn)為“內(nèi)軟外硬”。Chen等[43]制備了以聚苯乙烯為核，分別以實(shí)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(diǎn)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(duì)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(duì)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(duì)運(yùn)動(dòng)，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(dòng)的距離，ΔA為磨粒的總接觸面積。由于單一磨粒很難同時(shí)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(shí)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(gè)磨粒受到的載荷，V指磨粒相對(duì)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，對(duì)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(duì)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(duì)超精密表面研拋磨粒的研究可以從以下三個(gè)方面進(jìn)行：

(1)構(gòu)建基于試驗(yàn)的磨粒數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)針對(duì)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(yàn)來選擇和確定研拋工藝參數(shù)，以及推測(cè)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(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。