中国电子科技集团公司 第四十六研究所, 天津 300220
分析了金刚石线锯多线切割150 mm SiC晶片的表面形貌及质量, 通过测试SiC片Si面和C面的表面粗糙度(Ra), 发现C面Ra值约为Si面的2倍。在切割过程中晶片向Si面弯曲, 使锯丝侧向磨粒对Si面磨削修整作用更强, 从而使晶片Si面更加光滑。此外, 通过显微截面法测试了SiC晶片两面的损伤层深度。结果表明, Si面损伤层深度约为789 μm, 明显低于C面的138 μm, 显微镜下观察到截面边缘更加平整。该方法进一步证明了多线切割时晶片向Si面弯曲, 使锯丝侧向磨粒对Si面的磨削效果更强, 从而造成SiC晶片两面表面形貌和质量存在差异。
SiC晶片 表面损伤层 表面粗糙度 弯曲度 SiC wafer subsurface damage layer surface roughness Bow
1 浙江工业大学超精密加工研究中心, 杭州 310023
2 浙江大学杭州国际科创中心, 先进半导体研究院和浙江省宽禁带功率半导体材料与器件重点实验室, 杭州 311200
3 浙江大学硅及先进半导体材料全国重点实验室&材料科学与工程学院, 杭州 310027
表面无损伤、粗糙度低的半导体碳化硅(4H-SiC)衬底是制造电力电子器件和射频微波器件的理想衬底材料, 在新能源、轨道交通、智能电网和5G通信等领域具有广阔的应用前景。4H-SiC衬底的加工过程包括切片、减薄、研磨、抛光和清洗, 在4H-SiC衬底加工过程中引入的表面/亚表面损伤均严重影响材料性能、同质外延薄膜性质, 以及器件性能和可靠性。本文将重点介绍4H-SiC晶片在切片、减薄、研磨、抛光等各个加工环节中表面/亚表面损伤的形成和去除机制, 基于4H-SiC晶圆表面/亚表面损伤的检测方法, 综述亚表面损伤的形貌和表征参量, 并简单介绍三种常见的亚表面损伤的消除方法, 分析其技术优势和发展瓶颈, 对去除亚表面损伤工艺的发展趋势进行了展望。
半导体 衬底晶圆 表面/亚表面损伤 晶圆加工 semiconductor 4H-SiC 4H-SiC substrate wafer surface/subsurface damage wafer processing
1 中国科学院西安光学精密机械研究所，陕西 西安 710119
2 国防科技大学 智能科学学院，湖南 长沙 410003
大口径离轴非球面光学元件的应用需求呈大幅增长趋势，如空间/地基大口径望远镜、航空光电和地面跟踪瞄准装置等。同时，日益增大的元件口径和越来越短的加工周期使得高效高精度制造工艺成为大口径离轴非球面光学元件加工的核心问题。精密磨削作为大口径离轴非球面元件的材料高效去除工序，磨削面形精度(Peak-Valley, PV)和损伤层深度直接决定了后续的抛光难度与周期。因此，开展了大口径离轴非球面光学镜面的控形控性高精度磨削研究，即提升大口径离轴非球面光学元件的磨削面形精度的同时降低磨削损伤深度，实现二者在数值上的协同逼近。在控形方面，确立了机床结构方面影响低频面形形状与精度的主要影响因素，探究了A轴零位误差、Y轴对中误差、砂轮形状尺寸误差、磨削方法路径和Z轴面形补偿等因素对面形精度的影响规律以实现工艺参数的协同控制与精度优化。在控性方面，获得了磨削损伤深度随磨削参数的变化规律并建立了磨削损伤深度与磨削表面粗糙度的映射关系，提出针对大口径离轴非球面磨削亚表层损伤抑制策略。对640 mm口径离轴非球面镜进行形性控制磨削实验后，面形精度达到3 μm，表面粗糙度Ra小于24 nm，Rz小于0.2 μm，依照表面粗糙度与亚表面损伤层深度映射关系，亚表面损伤层深度5 μm左右，逼近面型精度。经验证后续抛光周期大幅缩短，对大口径光学元件的高效高精度加工具有重要参考价值。
精密磨削 形性精度 面形精度 亚表层损伤 离轴非球面 precision grinding contour-performance accuracy form accuracy subsurface damage off-axis aspherical surface 红外与激光工程
2023, 52(9): 20230454
1 中国科学院合肥物质科学研究院，安徽光学精密机械研究所，安徽省光子器件与材料重点实验室，合肥 230031
2 中国科学技术大学，合肥 230026
3 先进激光技术安徽省实验室，合肥 230037
YAG晶体是一种典型硬脆材料，莫氏硬度达8.5，常温下不溶于任何酸碱，加工难度较大。针对YAG晶体研磨加工，本工作提出一种分步研磨工艺。基于游离磨料研磨的方法，在研磨过程中逐级减小碳化硼(B4C)磨料粒径，选用磨料W40、磨料W28、磨料W14、磨料W7分步骤研磨，4种磨料的粒度范围依次为：40～28 μm、28～20 μm、14～10 μm、7～5 μm。通过研磨参数试验研究了每个步骤中研磨压力、研磨盘和摆轴转速、研磨液中B4C质量分数等参数对研磨效果的影响，得出最佳研磨参数；通过截面显微法测量出YAG晶体研磨后亚表面损伤的深度，确定后续抛光去除量，并探究了亚表面损伤深度hSSD与研磨后表面粗糙度Ra的关系。研究表明：当研磨压力为44.54 kPa、研磨盘和摆轴转速为60 r/min、研磨液中B4C质量分数为15%时，每个研磨步骤均取得最好研磨效果：磨料W40、磨料W28、磨料W14、磨料W7研磨的材料去除率分别为83.12、57.32、27.54、9.53 μm/min，研磨后表面粗糙度Ra分别为0.763、0.489、0.264、0.142 μm。截面显微法测量得出分步研磨后产生的亚表面损伤深度为3.041 μm，需要在后续抛光中去除; 此研磨参数下YAG晶体研磨后亚表面损伤深度与表面粗糙度的关系为：hSSD=41.46×Ra4/3，该研究可为YAG晶体元件的实际加工生产提供指导。
钇铝石榴石晶体 研磨 亚表面损伤 材料去除率 表面粗糙度 yttrium aluminum garnet crystal lapping subsurface damage material removal rate surface roughness
中国电子科技集团公司第四十六研究所，天津300220
本文探究了往复式金刚石线锯的工艺参数对βGa2O3单晶沿(001)晶面切片时表面质量的影响，从压痕断裂力学理论角度探究了金刚石线锯切割βGa2O3单晶过程中磨粒行为和材料去除机理。实验从各向异性角度分析了切割方向对(001)面βGa2O3单晶切割片表面质量的影响，并采用SEM和SJ210粗糙度测试仪探究了工艺参数对金刚石线锯切割后的晶片表面质量的影响。实验结果表明，增大锯丝速度或减小材料进给速度都能降低亚表面损伤层深度及表面粗糙度，有效改善晶片表面质量。
βGa2O3晶片 金刚石线锯 切割方向 亚表面损伤层 表面粗糙度 βgallium oxide wafer diamond wire saw cutting direction subsurface damage layer surface roughness
红外与激光工程
2022, 51(12): 20220572
大连理工大学 精密与特种加工教育部重点实验室，辽宁大连116024
工件旋转法磨削是大尺寸硅片正面平整化加工和背面减薄加工的主要方法，但磨削加工不可避免地会在硅片表面/亚表面产生损伤。为了预测工件旋转法磨削硅片产生的亚表面损伤深度，优化硅片磨削工艺，根据工件旋转法磨削过程中硅片磨削表面的几何轮廓参数、硅片磨削表面的材料去除机理和压痕断裂力学理论建立了磨粒切削深度、表面粗糙度Ra和亚表面损伤深度之间的数学关系，推导出工件旋转法磨削硅片的亚表面损伤深度预测模型，并通过硅片超精密磨削试验对模型进行了验证与分析。结果表明，工件旋转法磨削硅片的亚表面损伤深度随表面粗糙度Ra的增大而增大，通过预测模型计算的磨削硅片亚表面损伤深度预测值与硅片亚表面损伤深度实测值的误差小于10%，建立的亚表面损伤深度预测模型能够为超精密磨削硅片的亚表面损伤控制和硅片高效低损伤磨削工艺的优化提供理论指导。
磨削 单晶硅片 表面粗糙度 亚表面损伤深度 grinding silicon wafers surface roughness subsurface damage depth 光学 精密工程
2022, 30(17): 2077
1 中国科学院半导体研究所,低维半导体材料与器件北京市重点实验室,中国科学院半导体材料科学重点实验室,北京 100083
2 中国科学院大学,北京 100049
3 如皋市化合物半导体产业研究所,如皋 226500
4 江苏秦烯新材料有限公司,如皋 226500
5 中国科学院大学材料科学与光电技术学院,北京 100049
6 中国科学院半导体研究所,超晶格与微结构国家重点实验室,北京 100083
采用液封直拉(LEC)法批量生长的直径2英寸(1英寸=2.54 cm)n型Te-GaSb(100)单晶的位错腐蚀坑密度(EPD)通常低于300 cm-2,达到无位错水平。本文利用X射线摇摆曲线以及倒易空间图(RSM)对这种GaSb单晶抛光衬底的晶格完整性和亚表面损伤情况进行了分析表征,结果表明经过工艺条件优化的化学机械抛光处理,GaSb单晶衬底表面达到原子级光滑,不存在亚表面损伤层。利用分子束外延在这种衬底上可稳定生长出高质量的Ⅱ类超晶格外延材料并呈现出优异的红外探测性能。在此基础上,对CaSb衬底材料的物性、生长制备和衬底加工条件之间的内在关系进行了综合分析。
衬底 液封直拉法 晶格完整性 位错腐蚀坑密度 倒易空间图 亚表面损伤 化合物半导体 GaSb GaSb substrate liquid encapsulated Czochralski method lattice perfection dislocation etch pit density RSM subsurface damage compound semiconductor
南京航空航天大学 机电学院，江苏 南京 210016
研磨抛光后产生的工件亚表面损伤是评价工艺优劣及确定加工余量的主要参考，因此对亚表面损伤准确的预测有助于提高加工效率。采用离散元法对典型的软脆材料硫化锌固结磨料研磨过程中产生的亚表面损伤进行模拟，预测不同粒径金刚石加工工件后的亚表面微裂纹层深度。利用角度抛光法将工件抛光出一个斜面，作为亚表面损伤观测平面，通过盐酸的腐蚀使亚表面微裂纹显现，在金相显微镜下寻找微裂纹消失的终点位置并转换成亚表面微裂纹层深度，对仿真结果进行实验验证。结果表明：粒径为5、15、25、30 μm的磨粒造成的亚表面微裂纹层深度预测值分别为2.28、3.62、5.93、7.82 μm，角度抛光法实测值分别为2.02、3.98、6.27、8.27 μm。以上结果表明磨粒粒径对硫化锌亚表面损伤情况有很大的影响，随着磨粒粒径的增大，亚表面微裂纹深度增加，微裂纹数量增多。离散元法预测值与实测值偏差范围处在5%~15%之间，利用离散元法能有较为准确的预测软脆材料硫化锌加工后的亚表面损伤情况，为其研抛工艺的制定提供参考。
软脆材料 硫化锌 离散元法 亚表面损伤 soft brittle material ZnS discrete element method subsurface damage 红外与激光工程
2022, 51(5): 20210303
西南科技大学，制造过程实验技术教育部重点实验室，四川 绵阳 621010
利用光学显微镜、摩擦磨损试验机和光学轮廓仪，研究了摩擦引起的硼硅酸盐玻璃次表面损伤对玻璃腐蚀行为的影响规律。结果表明：玻璃的腐蚀行为取决于次表面损伤的类型。当摩擦诱导产生玻璃次表面致密化时，玻璃磨痕处因腐蚀导致的体积增量比非损伤区的大，但其经(0.9×Tg) K退火后其磨痕体积增量几乎为零。当摩擦诱导产生玻璃次表面裂纹时，腐蚀诱导的玻璃磨痕体积增量较大，并且经(0.9×Tg) K退火处理后其腐蚀诱导的磨痕体积增量仍然存在，但经更高温度和时长的退火可消除其腐蚀导致的磨痕体积增量。
玻璃 次表面损伤 摩擦 磨损 裂纹 致密化 腐蚀 glass subsurface damage friction wear cracking densification dissolution
