SiCp/Al化学机械抛光的表面氧化机理及材料去除机制研究

作     者：郭冬芳 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨旭

授予年度：2022年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：SiCp/Al 化学机械抛光 表面氧化 材料去除机制 Fenton反应 

摘      要：随着光学精密仪器、航空航天、汽车制造等领域的迅速发展,碳化硅颗粒增强铝基复合材料(SiCp/Al)因其耐高温、耐磨、低热膨胀系数、高热传导系数、高比模量等诸多优点,在上述领域中获得了广泛应用。由于SiCp/Al中SiC相和Al相的硬度差异较大,利用传统加工方法得到的表面会有百纳米深度的离散微观凹陷区域,无法获得优质表面。化学机械抛光(CMP)技术利用化学与机械的协同作用可以提高该材料的加工效率并获得优异的表面质量,因此采用化学机械抛光技术加工SiCp/Al是解决其难加工问题的方法之一。化学机械抛光技术利用化学手段氧化SiCp/Al的表面,生成表面氧化层,再采用抛光磨粒去除氧化层以获得优质表面。本文着重针对SiCp/Al表面氧化机理和材料去除机制开展深入研究。本文的主要研究内容如下:(1)建立SiCp/Al两相材料表面氧化反应速率模型。基于双向扩散原理与经典Deal-Grove氧化模型,建立SiCp/Al中Al相和SiC相在Fenton氧化体系中的氧化模型,计算氧化速率,探究Fenton反应类型、氧化剂浓度以及温度等参数对SiCp/Al表面氧化反应速率的影响趋势。(2)研究SiCp/Al表面氧化机理。开展基于Fenton氧化体系的SiCp/Al氧化试验,通过评估一定时间内SiCp/Al表面的氧化层厚度来判断氧化反应速率的大小,分析氧化参数对Fenton反应中羟基自由基浓度的影响规律,探究Fenton反应类型、氧化剂浓度以及氧化液温度对SiCp/Al氧化层厚度的影响趋势。借助SEM和EDS分析氧化前后SiCp/Al表面形貌及氧化层元素含量,探究氧化剂浓度对氧化层中O元素含量的影响规律;借助XPS分析表面化学键的断裂与生成规律,确定氧化层的化学成分。(3)SiCp/Al化学机械抛光的材料去除率建模研究。根据氧化过程的化学反应原理推导氧化层厚度表达式,考虑磨粒机械去除过程建立单颗磨粒压入工件的深度模型。在此基础上,综合考虑化学和机械的协同作用,建立化学机械抛光中SiCp/Al的材料去除率模型,分析所建立的模型中主要化学参数和机械参数对材料去除率的影响规律。(4)SiCp/Al材料去除试验研究。开展化学机械抛光试验,通过试验研究氧化剂浓度、抛光压力、速度、磨粒粒径和磨粒浓度等参数对SiCp/Al的表面质量和材料去除率的影响趋势,探究化学作用、机械作用和化学机械协同作用等不同试验条件下SiCp/Al的抛光质量和材料去除率。优化CMP工艺参数,获得SiCp/Al化学机械抛光中既有利于提高材料去除率又有利于获得较优表面质量的工艺参数组合。