本发明涉及单晶碳化硅绿色、高效抛光磨具的制备及抛光方法，尤其涉及的是一种单晶碳化硅绿色、高效抛光磨具及其抛光单晶碳化硅的方法。
背景技术：
：碳化硅单晶作为第三代半导体材料，具有高热导率以及优良的电学特性，是制造igbt等大功率开关器件、超高亮度蓝光/白光led和激光二极管的理想衬底材料，成为光电行业的关键基础材料之一。碳化硅晶片的加工表面质量决定了衬底上外延层的加工质量，进而影响半导体器件的质量、效率与寿命，因此，碳化硅单晶片要求表面超光滑、无损伤。然而碳化硅单晶的化学稳定性非常高，且莫氏硬度随晶向不同分布在9.2～9.6之间，是一种难加工硬脆材料。如何实现碳化硅单晶材料的高效、无损抛光成为当前超精密加工领域的研究热点。化学机械抛光是当前碳化硅单晶晶片批量抛光的主要方法，其一般采用硬质磨粒与强氧化性抛光液，通过磨粒的机械作用与抛光液的化学作用相协同实现材料的去除。游离磨料cmp可以获得较低的表面粗糙度和较好的表面质量，但存在硬质大颗粒表面损伤、磨料利用率低、抛光均匀性与环境友好性差等问题。使用固着磨料磨具或抛光垫进行固着磨料抛光(fixedabrasivepolishing,fap)可有效提高材料去除均匀性。但固结磨料抛光主要依赖金刚石等硬质颗粒的机械作用实现材料去除，其材料去除效率仍较低，且无法避免表面损伤问题。机械化学抛光是利用机械能诱发化学反应和诱导材料组织、结构、性能的改变，通过磨粒与工件之间的机械力化学作用生成硬度较低的反应生成物。再由磨粒将反应生成物刮除，即可实现工件材料的无损伤去除，但其材料去除效率偏低(抛光si面时为24.5nm/min)。还有学者研究了plasma辅助抛光技术。该技术由大阪大学yamamura提出，其基本原理为通过plasma实现碳化硅表面改性且硬度下降，随后再使用含ceo2磨粒抛光液进行抛光加工。该方法可实现极低的表面粗糙度与完整的表面晶体结构。但该方法加工成本较高，不适合碳化硅单晶的批量抛光加工需求，且抛光过程的环境友好性较差。综上所述，目前几种主要的碳化硅单晶抛光方法均无法满足碳化硅单晶绿色、高效抛光加工的需求。因此，亟需一种新型的抛光方法，实现碳化硅单晶晶片的绿色、高效抛光加工。技术实现要素：本发明所要解决的技术问题在于提供了一种单晶碳化硅绿色、高效抛光磨具及其抛光单晶碳化硅的方法。本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种单晶碳化硅绿色、高效抛光磨具，包括以下重量百分配比的原料：磨料48-75％、增强相1-2％、分散剂0.35-0.75％、余量为多糖结合剂。优选地，所述磨料选用粒径为w0.5-w40的单晶三氧化二铝。优选地，所述增强相为微晶纤维素、木质纤维素、木质素磺酸钙中的一种或多种组合物。优选地，所述分散剂为瓜尔豆胶、黄原胶、魔芋胶、海藻酸钠、精制卡拉胶中的一种或多种组合物。优选地，所述多糖结合剂为淀粉或淀粉衍生物。优选地，所述淀粉为原淀粉，或原淀粉经过氧化、交联、酯化、接枝、醛化、膨化、预糊化等改性工艺改性后的改性淀粉，或上述原淀粉与其改性淀粉中的一种或多种组合构成的混合物；所述淀粉衍生物包括羧甲基淀粉钠、黄糊精、羟丙基淀粉醚中的一种或多种组合物。上述单晶碳化硅绿色、高效抛光磨具的制作方法包括以下步骤：(1)混料：按照重量组分配比，称取多糖结合剂、单晶三氧化二铝磨料、增强相材料粉末混入反应器内，搅拌混料，量取增强相与水搅拌混合形成的增强相水溶液于反应器内均匀混合得到混料；(2)固化：将步骤(1)中的混料倒入模具内，130-160℃下烘烤75-100min，烘烤结束后，得到半固化的磨具，将半固化的磨具从模具中脱模取出，冷冻8-12h后，将半固化的磨具放入恒温恒湿箱中，控制恒温恒湿箱内的温度为35-45℃，湿度为50-90％，干燥24-48h，得到固化的磨具；(3)磨具的粘接：将步骤(2)中固化后的磨具先通过砂纸打磨一面平整，使用环氧ab胶粘结工艺将磨具打磨面与砂轮基体面粘结，将粘结好的磨具放置在鼓风干燥箱中，控制干燥箱内的温度为55-75℃，干燥20-45min，干燥完成后，完成磨具的粘结；(4)磨具的整形：使用金刚石刀具车削步骤(3)中粘结完成的磨具端面，以及外圆，使其成为一个规整的的圆柱体，随后在圆心处加工，得到类杯状砂轮的单晶碳化硅绿色、高效抛光磨具。优选地，所述步骤(2)中混料倒入模具内，于150℃下烘烤90min，烘烤结束后，得到半固化的磨具，将半固化的磨具从模具中脱模取出，冷冻12h后，将半固化的磨具放入恒温恒湿箱中，控制恒温恒湿箱内的温度为40℃，在湿度为90％的条件下干燥24h，再于湿度为50％的条件下继续干燥24h后，得到固化的磨具；所述步骤(3)内控制干燥箱内的温度为60℃，干燥30min，干燥完成后，完成磨具的粘结。本发明同时公开采用上述单晶碳化硅绿色、高效抛光磨具抛光单晶碳化硅的方法，抛光步骤如下：将单晶碳化硅绿色、高效抛光磨具的磨削面与单晶碳化硅平面偏心设置，控制磨具转速为400-600rpm，单晶碳化硅工件转速为100-300rpm，单晶碳化硅工件相对于磨具的z轴进给速度为1-3μm/min，控制单晶碳化硅工件与磨具摩擦区域的氧分压为20-100pa，加工区域无润滑，加工时间为25-45min。优选地，抛光步骤如下：将单晶碳化硅绿色、高效抛光磨具的磨削面与单晶碳化硅平面偏心设置，控制磨具转速为566rpm，单晶碳化硅工件转速为150rpm，单晶碳化硅工件相对于磨具的z轴进给速度为1μm/min，控制单晶碳化硅工件与磨具摩擦区域的氧分压为20-100pa，加工区域无润滑，加工时间为30min。本发明相比现有技术具有以下优点：本发明公开一种单晶碳化硅绿色、高效抛光磨具，采用本发明公开的磨具抛光单晶碳化硅工件，具有以下优点：(1)可实现单晶碳化硅表面的高效抛光；(2)所使用磨具组分均为环保无毒材料，磨具制作工艺对环境无不良影响；(3)磨具制作及抛光加工成本低。同时本发明公开的抛光方法中，使用多糖作为磨具的结合剂对单晶碳化硅表面进行干式摩擦，并在摩擦区域构建低氧气分压氛围，实现单晶碳化硅表面局部产生活性氧化，从而实现单晶碳化硅的高效、无损抛光。具体实施方式下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。其中，实施例1-6中各单晶碳化硅绿色、高效抛光磨具的配方如表1所示：表1实施例1单晶碳化硅绿色、高效抛光磨具配方：多糖结合剂：原玉米淀粉5g；磨料：w5单晶三氧化二铝5g；增强相：微晶纤维素0.2g；分散剂：瓜尔豆胶0.075g。单晶碳化硅绿色、高效抛光磨具的制作工艺：(1)混料：首先秤取符合比例要求的多糖结合剂、单晶三氧化二铝磨料、增强相材料粉末混入干燥烧杯内，使用搅拌棒将三者粉末混合。量取瓜尔豆胶与一定量的水搅拌混合至形成瓜尔豆胶溶液。将前述混合粉末与瓜尔豆胶溶液搅拌至均匀混合。(2)固化：将混料倒入模具内，130℃下烘烤75min。烘烤结束后将半固化的磨具从模具中脱模取出，冷冻12h。随后放入恒温恒湿箱中设定温度45℃，湿度分别为90％、50％，各保持24h，得到固化的磨具。(3)磨具的粘接：固化后的磨具先通过砂纸打磨一面平整，使用环氧ab胶粘结工艺将磨具打磨面与砂轮基体面粘结。粘结好的磨具放置在鼓风干燥箱中，设置温度为55℃，时间45min。干燥完成后，完成磨具的粘结。(4)磨具的整形：使用金刚石刀具车削磨具端面，以及外圆，使其成为一个规整的的圆柱体；随后在圆心处加工，使其成为一个类杯状砂轮的单晶碳化硅绿色、高效抛光磨具。采用上述单晶碳化硅绿色、高效抛光磨具加工单晶碳化硅工件的步骤如下：单晶碳化硅绿色、高效抛光磨具的磨削面与单晶碳化硅平面偏心布置，磨具转速为566rpm，单晶碳化硅工件转速为150rpm，工件相对于磨具的z轴进给速度为1μm/min，工件与磨具摩擦区域的氧分压为20-100pa，摩擦区域无润滑。单晶碳化硅加工面为c面，加工时间为30min。实施例2单晶碳化硅绿色、高效抛光磨具配方：多糖结合剂：原玉米淀粉5g；#1磨料：w40单晶三氧化二铝10g；增强相：木质纤维素0.2g；分散剂：精制卡拉胶0.075g。单晶碳化硅绿色、高效抛光磨具的制作工艺：(1)混料：首先秤取符合比例要求的多糖结合剂、单晶三氧化二铝磨料、增强相材料粉末混入干燥烧杯内，使用搅拌棒将三者粉末混合。量取精制卡拉胶与一定量的水搅拌混合至形成瓜尔豆胶溶液。将前述混合粉末与精制卡拉胶溶液搅拌至均匀混合。(2)固化：将混料倒入模具内，160℃下烘烤100min。烘烤结束后将半固化的磨具从模具中脱模取出，冷冻8h。随后放入恒温恒湿箱中设定温度35℃，湿度分别为90％、50％，各保持24h，得到固化的磨具。(3)磨具的粘接：固化后的磨具先通过砂纸打磨一面平整，使用环氧ab胶粘结工艺将磨具打磨面与砂轮基体面粘结。粘结好的磨具放置在鼓风干燥箱中，设置温度为60℃，时间30min。干燥完成后，完成磨具的粘结。(4)磨具的整形：使用金刚石刀具车削磨具端面，以及外圆，使其成为一个规整的的圆柱体；随后在圆心处加工，使其成为一个类杯状砂轮的单晶碳化硅绿色、高效抛光磨具。采用上述单晶碳化硅绿色、高效抛光磨具加工单晶碳化硅工件的步骤如下：单晶碳化硅绿色、高效抛光磨具的磨削面与单晶碳化硅平面偏心布置。磨具转速为566rpm，单晶碳化硅工件转速为150rpm，工件相对于磨具的z轴进给速度为1μm/min。工件与磨具摩擦区域的氧分压为20-100pa，摩擦区域无润滑。单晶碳化硅加工面为c面，加工时间为30min。实施例3单晶碳化硅绿色、高效抛光磨具配方：多糖结合剂：原玉米淀粉5g；#1磨料：w5单晶三氧化二铝15g；增强相：微晶纤维素0.2g；分散剂：瓜尔豆胶0.075g。单晶碳化硅绿色、高效抛光磨具的制作工艺：(1)混料：首先秤取符合比例要求的多糖结合剂、单晶三氧化二铝磨料、增强相材料粉末混入干燥烧杯内，使用搅拌棒将三者粉末混合。量取瓜尔豆胶与一定量的水搅拌混合至形成瓜尔豆胶溶液。将前述混合粉末与瓜尔豆胶溶液搅拌至均匀混合。(2)固化：将混料倒入模具内，150℃下烘烤90min。烘烤结束后将半固化的磨具从模具中脱模取出，冷冻12h。随后放入恒温恒湿箱中设定温度40℃，湿度分别为90％、50％，各保持24h，得到固化的磨具。(3)磨具的粘接：固化后的磨具先通过砂纸打磨一面平整，使用环氧ab胶粘结工艺将磨具打磨面与砂轮基体面粘结。粘结好的磨具放置在鼓风干燥箱中，设置温度为60℃，时间30min。干燥完成后，完成磨具的粘结。(4)磨具的整形：使用金刚石刀具车削磨具端面，以及外圆，使其成为一个规整的的圆柱体；随后在圆心处加工，使其成为一个类杯状砂轮的单晶碳化硅绿色、高效抛光磨具。采用上述单晶碳化硅绿色、高效抛光磨具加工单晶碳化硅工件的步骤如下：单晶碳化硅绿色、高效抛光磨具的磨削面与单晶碳化硅平面偏心布置。磨具转速为566rpm，单晶碳化硅工件转速为150rpm，工件相对于磨具的z轴进给速度为1μm/min。工件与磨具摩擦区域的氧分压为20-100pa，摩擦区域无润滑。单晶碳化硅加工面为c面，加工时间为30min。实施例4单晶碳化硅绿色、高效抛光磨具配方：多糖结合剂：原玉米淀粉5g；#2磨料：w45单晶三氧化二铝5g；增强相：微晶纤维素0.2g；分散剂：瓜尔豆胶0.075g。单晶碳化硅绿色、高效抛光磨具的制作工艺：(1)混料：首先秤取符合比例要求的多糖结合剂、单晶三氧化二铝磨料、增强相材料粉末混入干燥烧杯内，使用搅拌棒将三者粉末混合。量取瓜尔豆胶与一定量的水搅拌混合至形成瓜尔豆胶溶液。将前述混合粉末与瓜尔豆胶溶液搅拌至均匀混合。(2)固化：将混料倒入模具内，150℃下烘烤90min。烘烤结束后将半固化的磨具从模具中脱模取出，冷冻12h。随后放入恒温恒湿箱中设定温度40℃，湿度分别为90％、50％，各保持24h，得到固化的磨具。(3)磨具的粘接：固化后的磨具先通过砂纸打磨一面平整，使用环氧ab胶粘结工艺将磨具打磨面与砂轮基体面粘结。粘结好的磨具放置在鼓风干燥箱中，设置温度为60℃，时间30min。干燥完成后，完成磨具的粘结。(4)磨具的整形：使用金刚石刀具车削磨具端面，以及外圆，使其成为一个规整的的圆柱体；随后在圆心处加工，使其成为一个类杯状砂轮的单晶碳化硅绿色、高效抛光磨具。采用上述单晶碳化硅绿色、高效抛光磨具加工单晶碳化硅工件的步骤如下：单晶碳化硅绿色、高效抛光磨具的磨削面与单晶碳化硅平面偏心布置。磨具转速为566rpm，单晶碳化硅工件转速为150rpm，工件相对于磨具的z轴进给速度为1μm/min。工件与磨具摩擦区域的氧分压为20-100pa，摩擦区域无润滑。单晶碳化硅加工面为c面，加工时间为30min。实施例5单晶碳化硅绿色、高效抛光磨具配方：多糖结合剂：原玉米淀粉5g；#2磨料：w45单晶三氧化二铝10g；增强相：微晶纤维素0.2g；分散剂：瓜尔豆胶0.075g。单晶碳化硅绿色、高效抛光磨具的制作工艺：(1)混料：首先秤取符合比例要求的多糖结合剂、单晶三氧化二铝磨料、增强相材料粉末混入干燥烧杯内，使用搅拌棒将三者粉末混合。量取瓜尔豆胶与一定量的水搅拌混合至形成瓜尔豆胶溶液。将前述混合粉末与瓜尔豆胶溶液搅拌至均匀混合。(2)固化：将混料倒入模具内，150℃下烘烤90min。烘烤结束后将半固化的磨具从模具中脱模取出，冷冻12h。随后放入恒温恒湿箱中设定温度40℃，湿度分别为90％、50％，各保持24h，得到固化的磨具。(3)磨具的粘接：固化后的磨具先通过砂纸打磨一面平整，使用环氧ab胶粘结工艺将磨具打磨面与砂轮基体面粘结。粘结好的磨具放置在鼓风干燥箱中，设置温度为60℃，时间30min。干燥完成后，完成磨具的粘结。(4)磨具的整形：使用金刚石刀具车削磨具端面，以及外圆，使其成为一个规整的的圆柱体；随后在圆心处加工，使其成为一个类杯状砂轮的单晶碳化硅绿色、高效抛光磨具。采用上述单晶碳化硅绿色、高效抛光磨具加工单晶碳化硅工件的步骤如下：单晶碳化硅绿色、高效抛光磨具的磨削面与单晶碳化硅平面偏心布置。磨具转速为566rpm，单晶碳化硅工件转速为150rpm，工件相对于磨具的z轴进给速度为1μm/min。工件与磨具摩擦区域的氧分压为20-100pa，摩擦区域无润滑。单晶碳化硅加工面为c面，加工时间为30min。实施例6单晶碳化硅绿色、高效抛光磨具配方：多糖结合剂：原玉米淀粉5g；#2磨料：w45单晶三氧化二铝15g；增强相：微晶纤维素0.2g；分散剂：瓜尔豆胶0.075g。单晶碳化硅绿色、高效抛光磨具的制作工艺：(1)混料：首先秤取符合比例要求的多糖结合剂、单晶三氧化二铝磨料、增强相材料粉末混入干燥烧杯内，使用搅拌棒将三者粉末混合。量取瓜尔豆胶与一定量的水搅拌混合至形成瓜尔豆胶溶液。将前述混合粉末与瓜尔豆胶溶液搅拌至均匀混合。(2)固化：将混料倒入模具内，150℃下烘烤90min。烘烤结束后将半固化的磨具从模具中脱模取出，冷冻12h。随后放入恒温恒湿箱中设定温度40℃，湿度分别为90％、50％，各保持24h，得到固化的磨具。(3)磨具的粘接：固化后的磨具先通过砂纸打磨一面平整，使用环氧ab胶粘结工艺将磨具打磨面与砂轮基体面粘结。粘结好的磨具放置在鼓风干燥箱中，设置温度为60℃，时间30min。干燥完成后，完成磨具的粘结。(4)磨具的整形：使用金刚石刀具车削磨具端面，以及外圆，使其成为一个规整的的圆柱体；随后在圆心处加工，使其成为一个类杯状砂轮的单晶碳化硅绿色、高效抛光磨具。采用上述单晶碳化硅绿色、高效抛光磨具加工单晶碳化硅工件的步骤如下：单晶碳化硅绿色、高效抛光磨具的磨削面与单晶碳化硅平面偏心布置。磨具转速为566rpm，单晶碳化硅工件转速为150rpm，工件相对于磨具的z轴进给速度为1μm/min。工件与磨具摩擦区域的氧分压为20-100pa，摩擦区域无润滑。单晶碳化硅加工面为c面，加工时间为30min。实施例7对上述实施例1-6制备得到的单晶碳化硅加工工件进行检测。检测方法：使用霍尔电流传感器实时检测抛光过程中工件转台的电机电流，通过电流变化表征各实施例磨具抛光过程中的平稳性。每隔固定的时间间隔读取一次霍尔电流传感器的读数，并连续读取五次示数并记录。单晶碳化硅表面抛光前原始表面的粗糙度采用links2205型表面轮廓仪的测量结果为ra0.0515μm。加工后的单晶碳化硅表面粗糙度采用links2205型表面轮廓仪，在单晶碳化硅表面的抛光区域取两个不同的局部区域各测量一次表面粗糙度。抛光的材料去除厚度采用links2205型表面轮廓仪测量单晶碳化硅表面抛光与未抛光区域交界处的表面轮廓，通过两个区域的高度差表征抛光的材料去除效率。各实施例抛光过程中工件转台电机电流变化如下表所示：实施例1检测：表2实施例2检测：表3实施例3检测：表4实施例4检测：表5实施例5检测：表6实施例6检测：表7综上，由表2-7可知：实施例6的磨具在抛光过程中电流变化最为平稳，具有最为稳定的抛光性能。各实施例抛光后单晶碳化硅表面粗糙度如表8所示：表8由表8可知：实施例6具有较优的抛光表面质量。各实施例抛光后单晶碳化硅表面材料去除厚度如表9所示：表9实施例123456材料去除厚度/μm23.55925.09812.12516.2119.03322.046由表9可知：实施例2具有较优的抛光材料去除效率。综合考虑各实施例的加工效果，确定实施例6为最佳实施例，按照此实施例的磨具配方与加工工艺，最终单晶碳化硅抛光表面粗糙度为ra6nm，材料去除率为0.735μm/min，且抛光性能稳定。同时采用的多糖结合剂磨具磨具配方均为环保无毒组分，在磨具制作与抛光加工过程中均未对环境产生不良影响，证实本发明可实现单晶碳化硅晶片表面的绿色、高效抛光。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12