超精密表面研拋磨粒的研究進展

周兆鋒，洪 捐，黃傳錦

(鹽城工學院機械工程學院，鹽城 224051)

0 引 言

研磨和拋光是經典的超精密加工技術，被廣泛應用于脆性難加工半導體襯底材料的超光滑無損傷加工，比如硅、氮化鎵和藍寶石等材料的加工。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與否直接影響到研拋效率和研拋質量的高低。

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構特點等角度出發，總結了研拋磨粒對加工結果的影響，以及新型研拋磨粒的研究進展，為研拋磨粒的科學選擇和應用提供參考。

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速(v)成正比，其中k為經驗參數。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，本節將從研拋載荷角度分析磨粒對研拋結果的影響。圖1為研拋過程中工件-磨粒-研拋墊的接觸模型，假設磨粒為剛性體，工件和研拋墊為彈塑性體，那么磨粒嵌入關系可表示為：

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;H為工件的材料硬度;c為研拋液內磨粒的體積濃度;A為研拋界面內磨粒與工件表面的接觸面積。可見磨粒的名義粒徑d、濃度c和形狀參數α等因素將通過研拋載荷對研拋結果產生影響。為了便于分析，假設圖1中磨粒為剛性體，但是這與實際情況明顯存在差距，所以磨粒材質對研拋結果的影響也不可忽視。

1.2 磨粒材質因素

研拋工藝要求不同，采用的磨粒材質也不同，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果，盡管SiO2磨粒的材料去除率較低，但是研拋質量較高。Chen等[9]對比了SiO2磨粒和CeO2磨粒研拋碳化硅的結果，發現CeO2磨?？梢垣@得更高的材料去除率和表面質量，主要原因為帶負電荷的SiO2磨粒易與帶正電荷的工件表面發生物理吸附，阻礙工件表面材料去除，而帶正電荷的CeO2磨粒則可以避免發生此現象。余青等[10]比較了Al2O3、SiO2和CeO2等磨粒研拋藍寶石的結果，發現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。這說明當化學環境相同時，磨粒材質不同，研拋能力不同；當磨粒材質相同時，化學環境不同，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寶石的結果，發現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磨粒會與藍寶石晶體表面發生化學反應，生成軟化變質層，提高了拋光效率，而金剛石磨粒則由于缺乏化學反應，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等磨粒對藍寶石研拋結果的影響，發現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量。綜上，不同材質的磨粒對不同材質工件研拋結果的影響差異顯著，這主要體現在磨粒的硬度和化學活性等方面。

1.3 磨粒形狀因素

Wang等[13]通過分析微接觸模型發現研拋載荷越大，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果的影響，相比球形磨粒，含棱角不規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]通過研拋試驗發現含棱角的不規則Al2O3磨粒研拋效率較高，但易產生劃痕；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Al2O3磨粒對研拋質量的影響，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，提升加工質量。

上述研究主要對比了含棱角磨粒與圓鈍磨粒對研拋結果的影響，發現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量的研拋需要。雖然圓鈍磨粒更有利于提升研拋質量，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]等通過試驗發現應用異形SiO2磨粒既可以解決由硬質磨粒(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果，發現磨粒粒徑越大，材料去除率越高；當粒徑固定時，相比于兩體磨粒去除的固結磨料研拋工藝，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，但是促進了研拋質量的提高。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論，認為減小磨粒粒徑會降低研拋效率，不過有利于提升研拋質量，減少加工損傷。

磨粒濃度的影響。Park等[25]通過試驗發現隨磨粒濃度的增加，研拋效率也在增加。潘繼生等[7]采用金剛石磨粒對藍寶石進行研拋時，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到峰值。

研拋環境對磨粒研拋機理的影響。Park等[26]研究了SiO2磨粒在不同化學環境下的材料去除機理。酸性環境下，SiO2磨粒與藍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拋光效率；但是堿性條件下，晶體表面變質層的生成速率主導拋光效率。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理，認為玻璃表面材料去除主要由磨粒與工件的界面摩擦化學腐蝕作用主導，而非簡單的機械研拋過程。

2 混合磨粒

在單一磨粒的應用過程中，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量，為了能夠顯著提升研拋效率，有學者提出了使用混合磨粒。混合磨粒主要指研拋過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為材質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等磨粒進行混合，實現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磨粒的團聚，還可以利用小粒徑磨粒的化學活性來提升混合磨粒的研拋效率。基于上述混合磨粒的工作原理，Lee等[29]將較大粒徑的CeO2磨粒與較小粒徑的SiO2磨粒進行混合，發現混合磨粒可以顯著提升研拋性能。

Park等[30]將ZrO2磨粒與SiO2磨粒進行混合，Lee等[31]將納米金剛石磨粒與SiO2磨?；旌希梢蕴嵘齋iO2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工件表面材料的去除，SiO2磨粒則負責殘留機械加工痕跡的去除[31]。

除了上述不同材質磨粒之間的混合，還存在相同材質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生兩體和三體磨粒去除的改變，當兩種磨粒質量比為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?，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，發現超細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磨粒按比例進行混合，當磨粒質量比為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量，為了能進一步改善研拋質量，并兼顧研拋效率，有學者提出了應用復合磨粒。復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構通過化學方式與主體融為一體的磨粒，常見的復合磨粒有核殼型復合磨粒和摻雜型復合磨粒。近幾年來，復合磨粒的研究取得了顯著的成果。

核殼型復合磨粒的內核為大粒徑的磨粒或化合物，外殼為通過化學方式粘結于內核表面的小粒徑磨粒層或化合物層。在研拋過程中，核殼型復合磨粒的核與殼表現出物理和化學方面的協同效應，更有利于提升研拋質量。首先，復合磨粒內核為較硬的大粒徑磨粒，主要負責支撐整體結構；外殼為較軟的小粒徑磨粒，主要負責工件表面材料的去除。相比單一硬度的實心磨粒結構，該復合磨粒具有“內硬外軟”的結構特點，更有利于提升磨粒的研拋性能。目前，關于該型復合磨粒的研究較多。(1)以SiO2為核制備復合磨粒。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)為核殼型復合磨粒的SEM照片，其中SiO2內核的平均粒徑為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為殼的復合磨粒。(2)以Al2O3為核制備復合磨粒。汪亞軍等[42]制備了以Al2O3為核，以實心SiO2和介孔SiO2為殼的復合磨粒。其次，復合磨粒內核為高分子化合物，負責支撐和緩沖雙重作用；外殼為小粒徑磨粒，負責材料的去除，該復合磨粒的結構特點為“內軟外硬”。Chen等[43]制備了以聚苯乙烯為核，分別以實心SiO2和介孔SiO2等為殼的復合磨粒。Gao等[44]制備了以聚苯乙烯為核，以CeO2和TiO2為殼的復合磨粒，其中TiO2作為光催化媒介，用于提升復合磨粒的研拋性能。第三，復合磨粒內核為磨粒，主要負責材料的去除；外殼為化合物，利用化學腐蝕輔助材料去除，結構特點為“內硬外軟”。Wang等[45]制備了以Al2O3為核，以偏鈦酸為殼的復合磨粒。

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]

摻雜型復合磨粒指以某一磨粒為載體，通過化學方式將金屬元素摻入其中而形成的復合磨粒，該復合磨?？梢蕴嵘チ５谋砻婊瘜W活性，獲得更好的研拋性能。Lei等[46]制備了Sm摻雜的SiO2復合磨粒；Cheng等[47]制備了鑭系元素摻雜的CeO2復合磨粒；陳愛蓮等[48]將Sm摻雜的CeO2作為殼體磨粒，制備了以SiO2為內核的含元素摻雜的復合磨粒。

4 不同磨粒的研拋機理

在超精密加工過程中，研拋工況的差異導致工件表面材料的去除機理也不完全相同。為了更好地聚焦目標，本節僅從材料硬度的角度討論不同磨粒對研拋機理的影響。研拋過程可視為磨粒被壓入工件表面后發生切削作用的過程。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理如圖5所示[25]，其中l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量，混合磨粒一方面可以借助比工件硬的磨粒快速去除工件表面材料，進而顯著提升材料研拋效率，另一方面可以應用比工件軟的磨粒利用“軟磨硬”的原理去除工件表面材料，實現工件的超光滑無損傷加工，進而兼顧提升研拋質量，混合磨粒的材料去除機理如圖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給速度。相比于傳統的剛性磨粒，在研拋過程中，通過利用復合磨粒的彈性作用可以有效降低切削深度或減小接觸應力，進而能夠顯著提升研拋質量，復合磨粒的材料去除機理如圖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理[25]Fig.5 Material removal mechanism of single abrasive particle[25]

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

圖7 復合磨粒的材料去除機理[49]Fig.7 Material removal mechanism of composite abrasive particle[49]

5 結 論

為了滿足半導體產業的發展需求，提升產品的市場競爭力，降低產品的生產成本，對超精密加工技術提出了更高的要求，即獲得更高的產品質量和更高的加工效率。對于傳統研拋磨粒的選擇和新型研拋磨粒的研發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行：

(1)構建基于試驗的磨粒數據庫系統，實現針對不同半導體襯底材料匹配不同材質的磨粒以及加工方案，以獲得最佳的研拋質量和研拋效率。

(2)建立機械和化學協同作用的理論模型，闡明混合磨粒的作用機理，并獲得工藝參數的影響規律，避免依靠經驗來選擇和確定研拋工藝參數，以及推測材料的去除機理。

(3)開展與復合磨粒相關的工藝因素影響規律、材料去除機理等方面的研究，為復合磨粒在超精密加工領域的應用與推廣提供堅實基礎。