单晶碳化硅磁场辅助电化学机械研抛实验与机理研究

摘要

碳化硅(SiC)晶体是第三代半导体材料，它具有性质稳定、热导性和耐磨性高、电性能优良等诸多优点，在航天、通信等领域应用广泛，但SiC是典型的硬脆性材料、不耐冲击、对缺陷敏感，传统研磨抛光（研抛）方法加工效率低、表层缺陷多。
　　磁场辅助电化学机械研抛技术，结合了磁流变与电化学效应，能同时满足加工质量和加工效率的要求。本文通过对研抛过程中的磁场、电场、流场仿真和研抛实验研究，探索这一复合加工方法实现碳化硅高效去除的可行性，获得不同工艺条件对其研磨特性的影响规律，从而实现碳化硅的高效超精密加工。
　　首先研制了磁场辅助电化学机械研抛试验机，完成了面域磁场的仿真优化和结构设计，通过分析磁场中带电粒子和磨粒的受力情况，探讨了磁场对电化学反应的影响以及磁抛垫对磨粒的作用规律，进一步理解了磁场辅助作用机理。
　　然后建立了考虑多相流和离散相的三维CFD模型，研究了不同的工况下抛光液的速度和压力分布以及抛光磨粒的分布规律，发现膜厚越小、抛光盘和晶片的转速越大，磨粒的分布密度越小；分析了抛光过程中磨粒对晶片表面的动压作用过程，应用疲劳断裂能量守恒理论，建立了可定量分析各种工况下的材料去除率预测模型，得到了不同工况下碳化硅晶片的去除率曲线，发现随着抛光的进行去除率呈现减小的趋势，而且抛光盘转速越大，膜厚越小，材料去除率越大。
　　接着利用Maxwell软件对电场进行仿真分析，分别研究了抛光垫、抛光垫小孔和激励电压对电场分布的影响。结果表明：电场在通过碳化硅向下传导时，电流密度集中在试件表面，呈现明显的“集肤效应”，并在抛光液与抛光垫交界面发生突变；抛光加工时添加抛光垫，晶片下表面电压增大，电流密度减小，但电场规律性的波动增强；抛光垫小孔的分布对对试件表面电场分布影响很小；随着激励电压的增大，电流密度增大，电化学阳极损失主要发生在抛光垫小孔处。
　　最后搭建了数据采集系统，实现真实实验数据的采集和记录。在试验机上进行研抛实验，研究了不同研抛液、外加电场、辅助磁场和磁流变液对SIC晶片摩擦磨损性能的影响规律。结果表明：干摩擦条件下材料的去除率较高，但试件表面质量较差，不同研抛液对应的摩擦系数和材料的去除率不同，相同条件下5%K2MnO4和4%CeO2混合液作为研抛液材料的去除率最高；向试件施加正电压与外加磁场能提高材料的去除率；将磁流变液分别与K2MnO4等溶液混合作为研磨液能产生较好的研磨效果，通过电场和磁场的辅助，磁流变液与5%K2MnO4和4%CeO2溶液配成复合研抛液能产生最大的材料去除率为3.87mg/h。

目录

第一章 绪论

1.1课题研究的背景和意义

1.2国内外在该方向的研究现状及分析

1.3主要研究内容

第二章 磁场辅助电化学机械研抛试验机的设计分析

2.1试验机的结构及原理

2.2试验机结构设计与ANSYS仿真分析

2.3磁场辅助电化学机械研抛磁场仿真及结构设计

2.4 磁场辅助作用机理分析

2.5 本章小结

第三章 磁场辅助电化学机械研抛CFD仿真分析

3.1数值原理

3.2抛光过程的三维CFD仿真

3.3去除率仿真计算

3.4 本章小结

第四章 磁场辅助电化学机械研抛电场仿真分析

4.1 maxwell仿真模型建立

4.2 电场分布规律

4.3抛光垫对研抛表面电场的影响

4.4抛光垫小孔分布对研抛表面电场的影响

4.5电化学电极损失仿真

4.6 本章小结

第五章 研抛实验与结果分析

5.1数据采集系统搭建

5.2普通研抛实验与实验结果分析

5.3外场增效研抛实验和摩擦磨损规律

5.4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢