采用多晶金刚石磨具对4H-SiC衬底进行镜面抛光磨削技术，并对其切割刃进行了评估

《Precision Engineering》：Mirror-finishing grinding technology for 4H-SiC substrates using polycrystalline diamond grinding tool and evaluation on cutting edges

　　

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  使用PCD磨具以1毫米/分钟的速率进行了研磨，实现了类似镜面的SiC表面。
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  PCD切割边缘在SiC表面留下了30–90纳米的痕迹。
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  PCD切割边缘通过重叠研磨作用于SiC表面。
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  PCD切割边缘在研磨过程中磨损、脱落并重新生成。

引言

与硅相比，碳化硅（SiC）作为一种宽带隙半导体材料，具有更高的击穿电压、更好的导热性、更高的温度稳定性以及更高的开关频率[1]、[2]。基于这些特性，SiC基板已成为需要高功率、高频率或高温操作的电子设备的理想材料，例如肖特基二极管（SBDs）[3]、金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFETs）[4]、发光二极管（LEDs）[5]和绝缘栅双极晶体管（IGBTs）[6]。然而，SiC化学性质稳定，内部键合能强，同时硬度极高（莫氏硬度H = 9+），刚性也很大。因此，机械加工会导致晶体开裂和变形，从而降低设备性能，这是一个技术问题。

通常，SiC基板的加工技术包括线切割[7]、[8]、[9]、研磨[11]、机械抛光[12]和化学机械研磨（CMP）[13]。特别是，SiC基板的预处理步骤涉及机械加工，这会在基板表面留下损伤层。最终的CMP工艺对于去除这些损伤层至关重要。但由于SiC的化学稳定性，CMP工艺需要较长的抛光时间。因此，减少研磨过程中的机械诱导 subsurface damage (SSD) 对提高整体效率非常关键。

传统的研磨工具使用粘合剂中的磨料颗粒作为切割刃来加工基板。在这种情况下，磨料颗粒本身成为切割刃，其尺寸直接决定了切割刃的尺寸。研究表明，磨料颗粒的尺寸，即切割刃的尺寸，对多晶3C-SiC在金刚石切割过程中的脆性向延性转变和材料变形行为有显著影响[14]。切割刃的尺寸还与切割刃的密度有关。高密度的切割刃会导致更小的切割刃尺寸，从而减少切割深度[15]。切割深度对于降低表面粗糙度和SSD非常重要[16]。切割深度决定了基板是会发生脆性断裂还是无裂纹的延性加工[17]。切割深度不仅取决于切割刃的突出程度，还取决于切割刃本身的硬度以及支撑切割刃的粘合剂的硬度。罗Q等人评估了SiC和蓝宝石的加工特性，发现半固定磨料工具中的均匀且可控的材料去除适合获得纳米级粗糙度的光滑无划痕表面[18]。Demirci I等人表明，使用金属粘合剂获得的表面粗糙度低于使用树脂粘合剂获得的粗糙度，并且SiC颗粒比金刚石颗粒更能改善表面粗糙度[19]。

尽管多晶金刚石（PCD）已广泛用于超精密加工，但大多数先前的研究依赖于人工制造的切割刃。例如，微PCD端铣刀和PCD微铣削工具通常沿工具边缘使用连续的线性切割刃，其切割性能受限于少数设计的刃[20]、[21]。同样，使用机加工制造的PCD工具对脆性玻璃进行微磨削的研究表明，PCD可以在脆性材料中提供稳定的切割性能[22]。文献中报道的PCD微磨削和微沟槽工具使用的切割几何形状是通过研磨、激光加工或电火花加工（EDM）形成的，每个切割刃在宽度方向上表现为相对较大的切割单元[23]。因此，活跃切割刃的数量有限，产生的切割痕迹往往是周期性的，难以在整个表面上实现均匀的纳米级去除。先前的研究还表明，当未变形芯片厚度足够小时，PCD工具可以实现硬材料的延性加工[24]。然而，这些工具仍然依赖于设计的切割刃几何形状，且切割刃的高度不一定均匀。虽然一些研究探索了微结构化的PCD表面，但这些方法通常涉及图案化或刻意形状的刃，并且没有利用随机分布的微刃群，也没有尝试在整个工具表面上使它们的高度均匀。据我们所知，之前没有研究报道过结合随机分布、三维高密度微切割刃且高度均匀的PCD工具表面。这样的表面可以通过大量纳米级微切割的重叠来实现材料去除，即使单个微刃的切割不能完全去除材料。这种累积去除机制在SiC镜面研磨中的应用尚未得到充分探索。

我们之前在PCD刀片的工作表面上形成了三维高密度切割刃，并实现了一种加工机制，其中每个切割刃在深度方向上提供微小的切割深度，同时在宽度方向上独立工作，从而实现了4H SiC基板的极细、高宽比的沟槽加工[25]。基于这一背景，本研究开发了一种具有三维高密度微切割刃的PCD磨具，并研究了其在4H SiC基板上实现镜面加工性能的同时最小化SSD的能力。本文进一步阐明了与这些高密度PCD微切割刃相关的研磨特性和材料去除机制。结果表明，极小的研磨痕迹的重叠可以产生类似于抛光效果的镜面表面。通过重复观察同一工作表面区域，评估了稳定的镜面加工性能的机制。

章节片段

传统研磨工具的特点及所开发PCD工具的研磨原理

图1显示了所开发的PCD研磨工具与传统研磨工具的特点对比。在传统研磨工具中，磨料颗粒分散分布在切割刃上，分布不均。这种分布较少的切割刃在超过临界深度时容易导致裂纹。此外，传统研磨工具中的磨料颗粒会被摩擦力推回...

PCD研磨工具的规格

图3展示了PCD研磨工具的图片。该工具由一层烧结的金刚石磨料颗粒制成的PCD材料制成。具体来说，这种PCD层被烧结在硬质合金基板上，然后通过线电火花加工（wire EDM）加工成工具形状。工具的外围是在30–50 V和4–5 A的放电条件下进行表面粗糙处理的。

实验方法

图6展示了实验装置的示意图。高速电机主轴（NR-2351，配有EM-2350J控制器；NAKANISHI）安装在工件进料台上。主轴的转速为833转/秒。一个10毫米×10毫米的4H-SiC基板通过蜡（NIKKA SEIKO）牢固地固定在样品台上。进料台由交流伺服电机（HIWIN MIKROSYSTEM）驱动，进料速度分别为1毫米/分钟、18毫米/分钟和30毫米/分钟。研磨工具为PCD工具（工具厚度：50微米；直径：18毫米）

结论

在本研究中，使用PCD研磨工具对4H-SiC基板进行了镜面研磨，并评估了研磨后的基板和研磨工具表面的状况。研究结果如下：

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