拋光墊及拋光液對固結磨料拋光氧化鎵晶體的影響＊

吳 成， 李 軍， 侯天逸， 于寧斌， 高秀娟

（1.南京航空航天大學 機電學院, 南京210016）

（2.航空工業成都飛機工業（集團）有限責任公司 檢驗檢測部，成都 610073）

氧化鎵(β-Ga2O3)晶體具有超寬禁帶、高擊穿電場強度、短吸收截止邊、耐高壓以及物化性質穩定等諸多優勢，是最具代表性的第四代半導體材料之一，廣泛應用于日盲紫外光電探測器件、高電壓設備及高頻、高功率電子器件等領域，具備廣闊地應用潛力[1-2]。應用于這些器件的氧化鎵晶體需要較高的表面質量[3]。

BLEVINS等[4]研究了拋光液和拋光墊對氧化鎵晶體拋光的影響，結果表明：堿性硅溶膠拋光液和毛氈拋光墊能夠得到光滑的表面。HOSHIKAWA等[5]采用游離磨料拋光氧化鎵晶體（100）面，（100）面極易產生解理破碎，結果表明：游離磨料難以實現（100）面的高質量無損加工。龔凱等[6]對比了不同拋光墊對化學機械拋光氧化鎵晶體的表面質量和材料去除率的影響，結果表明：LP57聚氨酯拋光墊拋光后的表面形貌較好，材料去除率為22.6 nm/min。徐世海等[7]使用酸性硅溶膠拋光液化學機械拋光氧化鎵晶體（100）面，結果表明：酸性溶液可以腐蝕氧化鎵晶體表面，材料去除率為360 nm/h。HUANG等[8]研究了堿性和酸性拋光液對氧化鎵晶體拋光的影響，結果表明：酸性拋光液作用于晶體表面會生成溶于水的鎵鹽，有利于提高拋光效率，材料去除率為831.5 nm/h。探索氧化鎵晶體高效率、高表面質量的拋光方法是現有研究的熱點。

固結磨料拋光技術是將磨粒固結在拋光墊中，磨粒的分布和運動軌跡確定；同時，磨粒固定，通過控制壓力可以調整磨粒切入工件表面的深度，即磨粒運動及切深可控，能避免游離磨粒隨機分布造成的刻劃損傷，且磨粒利用率高，可有效提高工件的材料去除率，被廣泛應用于脆性材料的拋光加工中。明舜等[9]探究了固結磨料拋光墊的磨粒粒徑和基體硬度對拋光YAG晶體表面質量和材料去除率的影響，當固結磨料拋光墊基體硬度適中，磨粒粒徑為3～5 μm時，材料去除率為255 nm/min，工件表面粗糙度Sa為1.79 nm，實現了晶體的高效高質量拋光。LI等[10]研究了固結磨料拋光墊的磨粒類型、粒徑及基體硬度對拋光CaF2晶體的材料去除率以及表面質量的影響，采用3～5 μm金剛石磨料和軟基體的固結磨料拋光墊加工，材料去除率為192 nm/min，得到了表面粗糙度Sa為7.27 nm的高表面質量的CaF2晶體。黃建東等[11]研究了拋光液酸堿性對固結磨料拋光硫化鋅晶體的影響，結果表明：檸檬酸拋光液可以獲得高表面質量和高加工效率，工件表面粗糙度Sa為4.22 nm，材料去除率為437 nm/min。

固結磨料拋光墊基體硬度、磨粒大小以及拋光液種類是影響固結磨料拋光氧化鎵晶體性能的重要因素。因此，探究固結磨料拋光墊特性及拋光液酸性添加劑種類對氧化鎵晶體材料去除率及表面質量的影響，以實現氧化鎵晶體高效高質量的固結磨料拋光。

1 實驗設置

實驗在如圖1所示的ZDHP-30平面精密環拋機上進行。圖2所示為拋光氧化鎵晶體的固結磨料拋光墊。實驗材料使用的氧化鎵晶體如圖3所示，尺寸為36 mm ×34 mm × 4 mm，拋光晶面為（100）面。固結磨料拋光墊選擇3種硬度不同的基體，基體硬度由軟到硬分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ；再分別設置磨粒濃度為60%，100%，140%，磨粒濃度定義為磨粒質量與基體質量的比值，研究基體硬度和磨粒濃度對氧化鎵晶體材料去除率和表面質量的影響，得到合適的固結磨料拋光墊。

圖1 ZDHP-30平面精密環拋機Fig.1 ZDHP-30 Plane precision ring polishing machine

圖2 固結磨料拋光墊Fig.2 Fixed abrasive polishing pad

圖3 氧化鎵晶體Fig.3 Gallium oxide crystal

氧化鎵晶體屬于兩性氧化物，在室溫的條件下呈現出較強的化學穩定性，但在酸性條件下，晶體表面易形成可溶的鎵離子，溶解于拋光液中，可以有效地提高機械去除作用，因此，將拋光液的pH值固定為4。采用pH調節劑分別為鹽酸（HCl）、草酸（C2H2O4）、乙酸（CH3COOH）和檸檬酸（C6H8O7）開展對比實驗，4種酸的pKa值（酸度系數的對數形式，pKa值越小，酸性越強）大小依次為鹽酸、草酸、檸檬酸、乙酸。

實驗參數設置如表1所示，為保證每次實驗之前氧化鎵晶體初始表面一致，每次實驗前修整拋光墊，確保拋光墊新鮮磨粒露出。

表1 實驗參數設置Tab.1 Experimental parameter settings

使用ME104E精密分析天平稱量氧化鎵晶體拋光前后的質量，通過晶體拋光前后的質量差計算材料去除率，如式（1）所示。

其中：dMRR為材料去除率，nm/min；Δm為氧化鎵晶體加工前后的質量差，g；h0為氧化鎵晶體加工前的初始厚度，mm；M0為氧化鎵晶體拋光前的原始質量，g；t為拋光時間，min。

采用XJX-200型金相顯微鏡對拋光后的氧化鎵晶體表面進行觀察，采用CSPM4000型原子力顯微鏡（AFM）測量拋光后晶體的表面微觀形貌及表面粗糙度。

2 結果與討論

2.1 拋光墊基體硬度的影響

在開展拋光墊基體硬度對比實驗時，設置磨粒濃度為100%，拋光液為去離子水。圖4為不同硬度基體拋光墊拋光氧化鎵晶體的材料去除率。從圖4中可看出晶體的材料去除率隨基體硬度的增加而增大。

圖4 不同硬度基體拋光墊拋光氧化鎵晶體的材料去除率Fig.4 Material removal rates of polishing gallium oxide crystal with different matrix hardness polishing pads

圖5、圖6為不同硬度基體拋光墊拋光后的氧化鎵晶體表面顯微形貌和AFM形貌。當基體硬度較軟為Ⅰ時，拋光后晶體表面較為粗糙，微觀表面凸起較多，且有一定的凹坑。當基體硬度較硬為Ⅲ時，拋光后晶體表面最為粗糙，有許多凹坑，表面質量最差，微觀表面有明顯的“溝壑”，凸起較高。當基體硬度適中為Ⅱ時，拋光后晶體表面平整光滑，無明顯劃痕，微觀表面凸起較少，較為平坦，表面質量最優。

圖5 不同硬度基體拋光墊拋光后氧化鎵晶體表面顯微形貌Fig.5 Surface micro morphology of polishing gallium oxide crystal with different matrix hardness polishing pads

圖6 不同硬度基體拋光墊拋光后氧化鎵晶體表面AFM形貌Fig.6 AFM morphology after polishing gallium oxide crystal with different matrix hardness polishing pads

圖7為不同硬度基體拋光墊拋光后氧化鎵晶體的表面粗糙度。從圖7中可看出，晶體的表面粗糙度隨著基體硬度的增加呈現先減小后增大的趨勢。

圖7 不同硬度基體拋光墊拋光后氧化鎵晶體的表面粗糙度Fig.7 Surface roughness after polishing gallium oxide crystal with different matrix hardness polishing pads

圖8為不同基體硬度下磨粒對氧化鎵晶體的作用機理。氧化鎵晶體以一定的載荷P和固結磨料拋光墊表面的磨粒接觸，磨粒對基體產生切入力，基體產生彈性變形，磨粒表現出一定的退讓性，由于基體的硬度不同，磨粒退讓距離d不同。

圖8 磨粒對氧化鎵晶體的作用機理Fig.8 Mechanism of action of abrasive particles on gallium oxide crystal

由于磨粒在固結磨料墊表面均勻分布，出露高度相對較高的磨粒最先和晶體接觸并分擔載荷。當基體硬度較軟時，磨粒退讓的距離增大，共同分擔載荷切入力的磨粒就越多，單顆磨粒作用于晶體上的力就越小，切入深度就越小，去除方式以耕犁為主，導致材料去除率較低，且劃痕兩側易形成一定的堆積，所以表面較為粗糙，表面粗糙度較大。當基體較硬時，基體對磨粒的把持力增大，磨粒的彈性退讓距離隨之減少，磨粒切入深度增加，相同載荷下參與微切削的有效磨粒個數增多，導致材料去除率增大，去除方式以刻劃為主，晶體會產生脆性斷裂等損傷，產生更大的凹坑和劃痕，導致晶體表面質量變差，表面粗糙度增大。當基體硬度適中時，基體把持力以及磨粒切入力適中，材料去除率適中，晶體表面劃痕較小，表面質量最優，表面粗糙度最低。

對比3種基體硬度的固結磨料拋光效果，可以發現，當基體硬度適中為Ⅱ時，晶體表面質量最好，表面損傷較低且具備較高的材料去除率。

2.2 拋光墊磨粒濃度的影響

由前文可得，在開展拋光墊磨粒濃度對比實驗時，選擇的基體硬度為Ⅱ，拋光液為去離子水。圖9為不同磨粒濃度的固結磨料墊拋光氧化鎵晶體的材料去除率，從圖9中可看出，晶體的材料去除率隨著磨粒濃度的增大而提高。

圖9 不同磨粒濃度拋光墊拋光氧化鎵晶體的材料去除率Fig.9 Material removal rates of polishing gallium oxide crystal with different abrasive concentrations polishing pads

圖10、圖11為不同磨粒濃度拋光墊拋光后氧化鎵晶體表面顯微和AFM形貌。當磨粒濃度為60%時，拋光后晶體表面較為粗糙，且有微量的劃痕，微觀表面有較深的“溝壑”和微凸起。當磨粒濃度為140%時，拋光后晶體表面相對平整，但劃痕較多，微觀表面也能看到劃痕造成的較淺的“溝壑”。當磨粒濃度為100%時，拋光后晶體表面平整光滑，無明顯的劃痕，微觀表面的凸起和凹坑也相對較少，表面質量最優。

圖10 不同磨粒濃度拋光墊拋光氧化鎵晶體后的表面顯微形貌Fig.10 Surface micro morphology of polishing gallium oxide crystal with different abrasive concentrations polishing pads

圖11 不同磨粒濃度拋光墊拋光氧化鎵晶體后的AFM形貌Fig.11 AFM morphology after polishing gallium oxide crystal with different abrasive concentration polishing pads

圖12所示為不同磨粒濃度拋光墊拋光后氧化鎵晶體的表面粗糙度，此時拋光液為去離子水。從圖12中可看出，晶體表面粗糙度隨著磨粒濃度的增大呈現先減小后增大的趨勢。

圖12 不同磨粒濃度拋光墊拋光氧化鎵晶體后的表面粗糙度Fig.12 Surface roughness after polishing gallium oxide crystal with different abrasive concentrations polishing pads

當磨粒濃度過大為140%時，單位面積上的有效磨粒數增多，參與微切削的有效磨粒數也增多，材料去除率隨之增高，同時也產生更多更密集的劃痕，導致晶體表面質量變差，表面粗糙度較高。當磨粒濃度過小為60%時，有效磨粒數減少，材料去除率降低，同等載荷下，單顆磨粒受力變大，切入工件表面的深度增加，更易導致應力集中，形成表面損傷，表面質量變差，表面粗糙度增大。當磨粒濃度100%時，有效磨粒數和單顆磨粒切入力適中，此時氧化鎵晶體的表面被均勻去除，材料去除率適中，且不易產生表面損傷及劃痕，表面質量最優，表面粗糙度最低。

綜合氧化鎵晶體拋光后的表面形貌、微觀表面、材料去除率、表面粗糙度這4個指標，確定了最合適的拋光墊參數：基體硬度適中（為Ⅱ），磨粒濃度為100%。拋光后晶體表面相對平整光滑，無明顯劃痕損傷，材料去除率相對較高，表面粗糙度值最小，表面質量最優。

2.3 拋光液的影響

由前文可得，在開展拋光液對比實驗時，設置的基體硬度為Ⅱ，磨粒濃度為100%。圖13為不同酸性拋光液拋光后的氧化鎵晶體的材料去除率。隨著酸性添加劑pKa值的增大，氧化鎵晶體的材料去除率不斷提高。造成這種現象是因為pKa值越小，H+的電離程度就會越高，同等pH值的拋光液中所需添加劑量越少，溶液中殘留的分子形式的pH調節劑也就越少。隨著拋光的持續進行，拋光液中的H+和晶體發生反應形成易去除的軟腐蝕層，但隨著H+不斷地消耗，拋光液的化學腐蝕作用減弱，材料去除率降低。相對較弱的酸，拋光液中殘留的分子形式較多，H+產生消耗的同時，能電離出新的H+及時補充，以維持一定的化學腐蝕作用。因此，添加劑的pKa值越大，拋光消耗的H+補充速度越快，晶體的材料去除率越高。鹽酸的酸性最強，H+的電離程度最高，在拋光過程中，消耗的H+補充的慢，降低了拋光液的腐蝕作用，故材料去除率最低；草酸和檸檬酸的酸性接近，H+的補充速度相差不大，故材料去除率相差較??；乙酸的酸性最弱，H+的補充速度最快，故材料去除率最高。

圖13 不同酸性添加劑拋光墊拋光氧化鎵晶體的材料去除率Fig.13 Material removal rates of polishing gallium oxide crystal with different acid additives

在酸性拋光液中發生的反應為式（2）：

圖14、圖15為使用不同酸性添加劑拋光后氧化鎵晶體的表面顯微和AFM形貌。當添加劑為草酸時，拋光后晶體表面質量最優，表面光滑平坦，無明顯的劃痕及腐蝕坑，微觀表面相對平整，凸起和凹坑相對較少，化學腐蝕和機械去除有良好的協同作用，晶體表面被均勻去除。當添加劑為鹽酸時，拋光后表面質量最差，表面腐蝕凹坑較多，有明顯的劃痕，微觀表面有很高的凸起。當添加劑為檸檬酸時，拋光后表面有少許的腐蝕凹坑和微小的劃痕，微觀表面有一些凸起和明顯的塑性劃痕形貌。當添加劑為乙酸時，拋光后表面出現非常深的劃痕，微觀表面的劃痕數量也較多。

圖14 不同酸性添加劑拋光墊拋光氧化鎵晶體后的表面顯微形貌Fig.14 Surface micro morphology of polishing gallium oxide crystal with different acid additives

圖15 不同酸性添加劑拋光墊拋光氧化鎵晶體后的AFM形貌Fig.15 AFM morphology after polishing polishing gallium oxide crystal with different acid additives

圖16為使用不同酸性添加劑拋光氧化鎵晶體后的表面粗糙度。從圖6中可以看到：草酸獲得的表面粗糙度Sa值最低，為3.17 nm，表面質量最優，乙酸次之。

圖16 不同酸性添加劑拋光墊拋光氧化鎵晶體后的表面粗糙度Fig.16 Surface roughness after polishing gallium oxide crystal with different acid additives

鹽酸屬于無機強酸，酸性最強，在晶體表面形成了較深且密集的腐蝕凹坑，嚴重影響晶體的表面質量，表面粗糙度值最大。檸檬酸獲得的表面質量較差，表面粗糙度值也較大，可能是由于拋光液的化學作用強于機械作用，晶體表面腐蝕層未被及時去除，磨粒切入深度較大，晶體表面形成較多塑性劃痕。乙酸pKa值較大，拋光過程中不斷析出新的H+和晶體表面反應，導致化學反應腐蝕層較厚，磨粒切入深度增加，形成較深劃痕，導致表面質量和表面粗糙度次于草酸的。

綜上所述，當拋光液添加劑為草酸時，拋光所得的氧化鎵晶體表面質量最優，表面粗糙度Sa值最低，為3.17 nm，材料去除率為68 nm/min，具有最適合氧化鎵晶體（100）面固結磨料拋光的化學活性。

現有的氧化鎵晶體拋光技術基本可以達到納米級的表面粗糙度，但取得的材料去除率普遍較低，不超過25 nm/min[6-8]。本實驗通過優化拋光墊和拋光液參數，采用固結磨料拋光技術拋光氧化鎵晶體的材料去除率達到68 nm/min，顯著提高了氧化鎵晶體的拋光效率，同時晶體表面基本無裂紋損傷，保證了其較優的表面質量。

3 結論

采用固結磨料拋光氧化鎵晶體，研究了拋光墊基體硬度、磨粒濃度以及拋光液添加劑種類對氧化鎵晶體拋光的影響，得出以下結論：

（1）隨著固結磨料拋光墊基體硬度和磨粒濃度的增加，氧化鎵晶體的材料去除率增大，表面粗糙度值先增大后減小。

（2）隨著拋光液添加劑酸性的減弱，氧化鎵晶體的材料去除率不斷增大，添加草酸時表面粗糙度值最小，乙酸次之。

（3）當基體硬度適中（為Ⅱ），磨粒濃度適中（為100%），添加劑為草酸時，拋光所得的氧化鎵晶體的表面質量最優，材料去除率較高，為68 nm/min，表面粗糙度Sa值為3.17 nm。

（4）采用固結磨料拋光技術可以保證氧化鎵晶體較優表面質量的同時，大幅提高晶體的材料去除速率，實現氧化鎵晶體的高效高質量拋光。