一种单晶碳化硅晶片的化学集群磁流变复合加工方法

摘要

本发明是一种单晶碳化硅晶片的化学集群磁流变加工方法。本发明将单晶碳化硅晶片通过粘结剂粘结在抗磁工具头上，抗磁工具头安装在电机主轴上，抗磁工具头和抛光盘绕各自的轴线旋转的同时，抗磁工具头相对抛光盘做一定幅度的摆动，本发明的方法基于磁流变效应，将磨料及酸碱化学试剂混入磁流变液作为抛光工作液，以磁性体作为基体形成磁流变效应小磨头约束聚集游离磨料，运用集群作用原理由多点磁流变效应小磨头的阵列组合构成柔性抛光膜，控制工件与抗磁抛光盘之间的间距及工件与抛光盘之间的相对转速，减小单晶碳化硅晶片的表面缺陷和损伤层，获得超光滑高质量的表面。本发明发挥了集群磁流变的机械高效率和化学抛光的化学催化优点，抛光效率高。

主权项

一种单晶碳化硅晶片的化学集群磁流变复合加工方法，其特征在于包括如下步骤：1）将集群圆柱形磁铁（2）镶嵌在抗磁抛光盘（1）上，形成集群磁流变抛光盘；将单晶碳化硅晶片（5）通过粘结剂粘结在抗磁工具头(3)上，抗磁工具头(3)安装在电机主轴上；制作化学磁流变液(4)；2）将化学磁流变液（4）倒入恒温搅拌装置中，并通过循环管（7）加入到集群磁流变抛光盘中，化学磁流变液(4)在集群圆柱形磁铁（2）作用下会形成磁流变微磨头（6），多点的磁流变效应微磨头（6）的集群阵列组合构成柔性抛光膜；3）调节单晶碳化硅晶片（5）的工作面与抗磁抛光盘（1）之间的间隙，调节抗磁工具头（3）的转速及抗磁抛光盘（1）的转速，调节抗磁工具头(3)相对抗磁抛光盘（1）的摆速，控制化学磁流变液(4)的温度，单晶碳化硅晶片（5）的表面与化学磁流变液(4)中的磨料之间产生剧烈摩擦，单晶碳化硅晶片（5）的表面与化学磁流变液(4)发生化学反应，形成软质层，形成的软质层在磁流变微磨头（6）的柔性抛光膜的作用下能迅速去除，完成单晶碳化硅晶片（5）的粗加工；4）在上述化学磁流变液(4)中增加平均粒径为100nm—2um的金刚石磨料，调节单晶碳化硅晶片（5）的工作面与抗磁抛光盘（1）之间的间隙，再调节抗磁工具头（3）的转速及抗磁抛光盘（1）的转速，调节抗磁工具头(3)相对抗磁抛光盘（1）的摆速，控制化学磁流变液(4)的温度，在磁流变效应和化学共同作用下，粒径更细的金刚石磨料参与工作，完成单晶碳化硅晶片（5）的工作面的精加工；5）重新配置化学磁流变液(4)，调节单晶碳化硅晶片（5）的工作面与抗磁抛光盘（1）之间的间隙，再调节抗磁工具头（3）的转速及抗磁抛光盘（1）的转速，调节抗磁工具头(3)相对抗磁抛光盘（1）的摆速，控制化学磁流变液(4)的温度，在磁流变效应下，二氧化硅磨料参与工作,完成单晶碳化硅晶片(5)的原子级加工，获得表面无损伤的超光滑单晶碳化硅晶片表面;上述步骤1）中，如果抛光单晶碳化硅晶片(5)的硅面时，制作化学磁流变液(4)的方法是：在去离子水中加入浓度为5%～25%的通过SiO₂胶体粒子表面定向沉积法对羰基铁粉(CIP)进行表面包覆而形成的平均粒径为2um～10um的CPI‑SiO₂复合粒子，浓度为3%～15%的平均粒径为2um～7um的金刚石磨料，浓度为5%～20%的甘油，浓度为10%—30%的双氧水或者次氯酸钠，并通过加入氢氧化钠或者氢氧化钾调节PH值为10‑12；抛光单晶碳化硅晶片(5)的碳面时，制作化学磁流变液(4)的方法是：在去离子水中加入浓度为5%～25%的通过正硅酸乙酯(TEOS)对羰基铁粉(CIP)表面改性得到的平均粒径为2um～10um的改性CIP复合粒子，浓度为3%～15%的平均粒径为2um～7um的金刚石磨料，浓度为5%～20%的甘油，浓度为10%—30%的双氧水或者次氯酸钠，并通过加入稀氢氟酸调节PH值为2‑4；上述步骤5）中，如果抛光单晶碳化硅晶片(5)的硅面时，重新配置的化学磁流变液(4)的方法是：在去离子水中加入浓度为5%～25%的通过SiO2胶体粒子表面定向沉积法对羰基铁粉(CIP)进行表面包覆而形成的平均粒径为50nm～3um的CPI‑SiO2复合粒子，浓度为3%～15%的平均粒径为40nm—1um的二氧化硅磨料，浓度为5%～20%的甘油，浓度为10%—30%的双氧水或者次氯酸钠，并通过加入氢氧化钠或者氢氧化钾调节PH值为10‑12；如果抛光单晶碳化硅晶片(5)的碳面时，制作化学磁流变液(4)的方法是：在去离子水中加入浓度为5%～25%的通过正硅酸乙酯(TEOS)对羰基铁粉(CIP)表面改性得到的平均粒径为50nm～3um的改性CIP复合粒子，浓度为3%～15%的平均粒径为40nm—1um的二氧化硅磨料，浓度为5%～20%的甘油，浓度为10%—30%的双氧水或者次氯酸钠，并通过加入稀氢氟酸调节PH值为2‑4。