單晶碳化硅單晶組合工藝的光催化工藝研究

單晶碳化硅單晶組合工藝的光催化工藝研究

目前，國(guó)內(nèi)外科學(xué)家對(duì)碳化硅固結(jié)底部的許多技術(shù)進(jìn)行了探討，如機(jī)械研磨。近年來,越來越多的研究表明,采用CrO1試驗(yàn)原理和方法1.1氧化鈦顆粒表面光催化氧化機(jī)理如圖1所示,納米二氧化鈦(P25)受到光子能量高于吸收閾值的紫外光照射時(shí),處于價(jià)帶的電子被激發(fā),發(fā)生帶間躍遷,即從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶,二氧化鈦顆粒表面會(huì)產(chǎn)生光生電子(e光生空穴可以氧化吸附在二氧化鈦顆粒表面的H1.2拋光液氧化性表征試驗(yàn)為了驗(yàn)證拋光液中含有的自由基種類,試驗(yàn)中選用二羥基苯甲酸捕獲拋光液在紫外光照射下生成的羥基自由基·OH,當(dāng)二羥基苯甲酸與·OH反應(yīng)時(shí),有紫色的中間產(chǎn)物生成,反應(yīng)式如圖2所示.采用光降解染料的方法來表征拋光液的氧化能力,試驗(yàn)選用有機(jī)顯色劑為甲基紫(C拋光液氧化性檢測(cè)裝置如圖3所示,將配置好的溶液置于防紫外線箱體內(nèi)部的攪拌器上勻速攪拌,待攪拌速度穩(wěn)定后,開啟汞燈.每1min拍照一次,通過對(duì)照片顏色提取、對(duì)比溶液褪色情況,拍照時(shí)佩戴好紫外光防護(hù)鏡.表2為溶液配比正交試驗(yàn)因素表,拋光液的pH值選擇為中性,每組試驗(yàn)滴加等量的有機(jī)顯色劑甲基紫.1.3工藝參數(shù)對(duì)碳化硅晶片加工工藝的影響試驗(yàn)選用物理氣相傳輸法(PVT)生長(zhǎng)的2英寸4H-SiC晶片.圖4為初始碳化硅表面形貌,其表面非常粗糙且存在許多線切割留下的切痕及粗糙峰,采用直接拋光的方法加工碳化硅,當(dāng)表面粗糙度R光催化輔助化學(xué)機(jī)械拋光原理圖如圖5所示.試驗(yàn)得到較好的工藝參數(shù)如下:總體試驗(yàn)設(shè)計(jì)分為粗磨、精磨、粗拋和精拋4道工序.研磨試驗(yàn)選用玻璃拋光盤;研磨盤轉(zhuǎn)數(shù)和壓力分別為40r/min和0.025MPa.拋光試驗(yàn)選用聚氨酯拋光墊;拋光盤轉(zhuǎn)速和壓力分別為70r/min和0.02MPa;紫外光波長(zhǎng)200~400nm;紫外光功率1000W.采用SartoriusCP225D型精密電子天平測(cè)量碳化硅晶片拋光前、后的質(zhì)量,獲得碳化硅晶片的材料去除量;碳化硅晶片的表面形貌特征采用奧林巴斯OLS4100光學(xué)顯微鏡分析;采用ZygoNewview5022型表面輪廓儀測(cè)量碳化硅晶片表面粗糙度,在1/2晶片直徑圓周上取3個(gè)等分點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量取其平均值;精拋后碳化硅表面粗糙度采用XE-200型原子力顯微鏡檢測(cè).單晶碳化硅晶片的材料去除率為:式中:Δm為碳化硅晶片拋光前后的質(zhì)量差,ρ2分析與討論的結(jié)果2.1拋光液氧化性表征試驗(yàn)在光催化氧化降解甲基紫過程中,光生空穴和羥基自由基·OH將與吸附在TiO正交試驗(yàn)結(jié)果表明,光催化拋光液有較強(qiáng)的氧化性,可以保證拋光過程中氧化反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行.由以上分析結(jié)果可知,光催化劑對(duì)拋光液氧化性的影響最大,其次是電子俘獲劑,再者是分散劑.試驗(yàn)可得知本組試驗(yàn)的最優(yōu)組合為:二氧化鈦0.5g獉L2.2碳化硅表面粗糙度采用5μm金剛石微粉研磨單晶碳化硅晶片,并采用對(duì)表面粗糙度跟蹤檢測(cè)的方法獲得加工過程中碳化硅表面粗糙度值R下面對(duì)2μm金剛石微粉所能達(dá)到的極限碳化硅表面粗糙度和最短加工時(shí)間進(jìn)行確定,圖7為單晶碳化硅表面粗糙度變化曲線.由圖7可知,曲線的拐點(diǎn)在t=30min,R為進(jìn)一步減小碳化硅晶片表面粗糙度值,采用0.5μm氧化鋁微粉并配以光催化輔助拋光液,借助紫外光催化誘導(dǎo)的方法對(duì)單晶碳化硅進(jìn)行粗拋光,圖8為碳化硅晶片表面粗糙度變化曲線.由圖8可知,在有紫外光照射的條件下,碳化硅表面粗糙度值下降較快,該拋光過程借助光催化誘導(dǎo)氧化碳化硅表面,生成硬度較低的二氧化硅,然后氧化鋁微粉去除硬度較低的氧化層.拋光50min后單晶碳化硅表面就可成為一級(jí)表面(R經(jīng)過粗拋光工序后,采用0.05μm氧化鋁微粉完成精拋光,圖9所示為表面粗糙度的變化.在紫外光照射條件下,拋光50min后表面粗糙度R2.3研磨時(shí)去除率試驗(yàn)得到優(yōu)化的組合加工工藝如表4所示,總加工時(shí)間為各個(gè)工序加工時(shí)間之和,t利用表4的優(yōu)化工藝進(jìn)行加工試驗(yàn),單晶碳化硅晶片表面粗糙度和材料去除率變化如圖11所示.由圖11可知,加工過程中碳化硅表面粗糙度的變化過程與之前相似,驗(yàn)證了試驗(yàn)的可重復(fù)性.粗大而鋒利的磨粒有利于碳化硅晶片材料的去除,因此隨著磨料粒徑的減小,碳化硅晶片的材料去除率也減小.5μm金剛石微粉研磨碳化硅材料去除率為8.72μm/h,高于2μm金剛石微粉研磨時(shí)去除率4.56μm/h;分別用0.5μm和0.05μm氧化鋁微粉進(jìn)行光催化輔助化學(xué)機(jī)械拋光,粗拋光的材料去除率為1.81μm/h,精拋光的材料去除率為1.03μm/h,遠(yuǎn)高于無光照情況下的材料去除率(0.008μm/h).經(jīng)過60min的粗拋光和50min的精拋光,表面粗糙度由精磨磨后的32.25nm降到約0.47nm,實(shí)現(xiàn)了單晶碳化硅表面的光整.圖12(a)~(d)分別為單晶碳化硅粗研、精研、粗拋和精拋后表面質(zhì)量的光學(xué)顯微照片.由圖12(a)可知,采用粒徑為5μm的金剛石微粉粗磨后,碳化硅表面非常粗糙,棱角模糊,呈蜂窩狀,均勻散布著大量的麻點(diǎn)狀微破碎凹坑,但表面沒有明顯的溝槽及機(jī)械劃痕等缺陷.如圖12(b)所示,2μm金剛石微粉研磨30min后,依然有大量的粗糙峰存在,但是與粗磨后的碳化硅表面相比,大量體積大的尖峰被去除,粗糙峰變得分散.由圖12(c)可知,0.5μm氧化鋁微粉拋光60min后碳化硅表面質(zhì)量得到明顯的改善,出現(xiàn)平整的區(qū)域,但表面殘留稀疏的凹坑和劃痕.由圖12(d)可知,采用0.05μm氧化鋁微粉精拋后,碳化硅表面機(jī)械研磨痕跡,劃痕、凹坑、腐蝕坑被去除,獲得了平坦、光滑的碳化硅表面.上述試驗(yàn)結(jié)果表明,光催化輔助化學(xué)機(jī)械拋光單晶碳化硅可以獲得納米級(jí)光滑表面.使用XE-200型AFM測(cè)量精拋后的碳化硅表面質(zhì)量.如圖13所示,在5μm×5μm測(cè)量范圍內(nèi)碳化硅表面平坦且面粗糙度R3機(jī)械研磨與光催化輔助化學(xué)機(jī)械拋光組合工藝試驗(yàn)方案1)光催化輔助化學(xué)機(jī)械拋光液是影響碳化硅表面質(zhì)量與拋光效率的重要因素,通過紫色有機(jī)顯色劑褪色的時(shí)間選出最優(yōu)的拋光液配比方案為二氧化鈦0.5g獉L2)本文在試驗(yàn)初步確定工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上,通過對(duì)碳化硅晶片表面粗糙度跟蹤檢測(cè)的方法得到可行高效的機(jī)械研磨與光催化輔助化學(xué)機(jī)械拋光組合工藝為粗研磨(5μm金剛石)30m