碳化硅平面的芬顿反应和洛伦兹力协同抛光方法与流程

本发明属于超精密加工领域，是一种碳化硅平面的芬顿反应和洛伦兹力协同抛光方法。

背景技术：

碳化硅是作为第三代半导体材料，具有禁带宽度大、临界击穿场强高、电子迁移率高、热导率高等特点，在磨料、冶金、led固体照明和精密电子元件等领域具有广泛应用。其中，精密电子元件等领域对碳化硅晶片有表面损伤小、表面粗糙度低且分布均匀等表面质量要求，但碳化硅的硬度大、脆性高等特点使其表面抛光十分困难。

传统的碳化硅表面抛光工艺，如研磨，是在研磨盘上通过游离磨粒对工件表面进行抛光，由于游离磨粒在研磨盘上的分布具有很大的不均匀性，容易导致研磨加工后工件表面各处的表面粗糙度不等，且易造成表面损伤，严重影响工件的性能。将磨粒相对固定在研磨盘上的研磨方法虽然能够使磨粒分布保持均匀，但由于研磨过程中磨粒距离研磨盘回转中心的距离不同，不同位置的磨粒线旋转速度不相等，导致靠近研磨盘边缘的磨粒磨损程度远大于靠近回转中心的磨粒，从而导致工件表面的抛光程度不同，使加工表面质量下降。目前较为先进的磁性研磨加工过程中，磁性磨粒在随磁场高速旋转时离心作用明显，边缘处磨粒脱离磁场约束向外飞散，最终也会导致加工区域内抛光力分布不均匀的问题。

相比与上述碳化硅抛光工艺，低压磨粒流抛光是一种新型的碳化硅表面抛光技术，以流体作为磨粒的载体，通过磨粒相对碳化硅工件表面的流动进行抛光处理。低压磨粒流抛光的有益之处体现在抛光后的碳化硅工件具有更低的表面粗糙度、更均匀的表面质量和更小的表面损伤率等方面。

尽管低压磨粒流抛光有许多无可比拟的优越性，低压磨粒流抛光中仍存在一些问题，具体体现在以下三个方面：(1)加工过程中流体与工件表面的摩擦和磨粒与工件表面的碰撞会导致能量损失，造成加工区域内的流体沿流动方向上压力下降，使工件表面的抛光力分布不均匀，最终导致抛光后工件表面粗糙度值分布不均匀，使表面质量下降。(2)由于碳化硅工件的硬度很高，普通磨粒对其加工困难，达到理想加工效果需要较长时间。(3)低压磨粒流抛光的物料切蚀率较低，磨粒对工件表面的压力不足导致磨粒对工件表面波峰的剪切力较小。磨粒在垂直流体流动方向的截面内分布较为随机，只有少部分在工件表面附近的磨粒能起到实际抛光作用，大部分磨粒只是随流体流经加工腔体，没有参与抛光加工，磨粒利用率低。

技术实现要素：

为了克服碳化硅平面低压磨粒流抛光中存在的抛光后工件表面粗糙度不均匀、表面质量低、加工效率低的问题，本发明提供一种抛光后工件表面粗糙度均匀、表面质量高、加工效率高的碳化硅平面的芬顿反应和洛伦兹力协同抛光方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种碳化硅平面的芬顿反应和洛伦兹力协同抛光方法，碳化硅平面抛光通过低压磨粒流实现；所述低压磨粒流的流道顶面倾斜角度可调，通过更换置于加工装置内的角度块零件实现；所述芬顿反应是对碳化硅工件的表面预处理，在抛光前通过芬顿反应使碳化硅工件表面生成二氧化硅薄层，降低工件表面硬度；所述洛伦兹力为磁场对带电磨粒的作用力；所述磁场为置于加工装置后方的电磁铁所产生的平行于工件表面且垂直于磨粒流流动方向的强度可调均匀磁场，在所述磁场的作用下，流场中运动的带正电磨粒受到垂直指向工件表面的洛伦兹力作用，向工件表面运动；所述带正电磨粒为表面带正电荷的氧化铝磨粒。

进一步，实现所述方法的系统包括由压力表、加工装置、磨粒缸、泵、控制阀组成的低压磨粒流回路，置于加工装置下方的电磁铁，置于磨粒缸中的搅拌器和水冷装置以及系统控制器；所述抛光方法为：在搅拌器和水冷装置的作用下，均匀且恒温的磨粒流通过泵从磨粒缸吸出并送入管道，经过控制阀和压力表后流入配备了电磁铁的加工装置中，再通过管道回流到磨粒缸，整个加工过程通过系统控制器实现自动控制。

再进一步，所述低压磨粒流的压力在0.05～2mpa。相比于高压磨粒流，低压磨粒流中的磨粒流动速度慢，对工件表面的剪切力较小，材料去除量少，可控性好。

更进一步，所述的流道顶面倾斜角度可调通过更换加工装置内的角度块零件实现，加工时低压磨粒流从左侧进入，右侧流出。加工过程中流体和磨粒与加工装置腔体或工件表面的摩擦碰撞会导致能量损失，引起流场内沿流动方向上的压力下降，进而导致磨粒对工件表面的剪切力下降；一组倾斜角从0至10度均匀增加的角度块零件，可以在0～10度范围内均匀地改变加工流道上顶面的倾斜角，使加工流道变为楔形空间，实现流道截面积沿磨粒流动方向的逐渐缩小，弥补流场内沿流动方向上的压力下降，从而弥补工件表面沿流动方向上的剪切力下降，使工件表面的抛光力分布均匀，抛光后工件表面粗糙度分布均匀。

所述芬顿反应是对碳化硅工件的表面预处理，在抛光前通过芬顿反应使碳化硅工件表面生成二氧化硅薄层，降低工件表面硬度；先把碳化硅工件置于pmma材质的工件套内，只露出需要抛光的薄层，再放入芬顿反应试剂中；所述芬顿反应试剂由质量分数为10％的过氧化氢溶液和作为反应催化剂的纳米四氧化三铁粉末配制而成，芬顿反应试剂中纳米四氧化三铁粉末的质量分数为1.5％，纳米四氧化三铁在溶液中电离出二价铁离子，在二价铁离子的催化作用下，过氧化氢分解生成具有强氧化性的羟基自由基，暴露在芬顿反应试剂中的碳化硅薄层被氧化生成二氧化硅薄层。二氧化硅的硬度相对碳化硅较低，这有利于后续磨粒流抛光，使抛光后工件表面粗糙度降低并提高加工效率。碳化硅工件被pmma工件套包裹的部分未参与反应，不受影响。

所述磁场是施加于楔形流道内的平行于工件表面且垂直于磨粒流流动方向的均匀磁场，通过置于加工装置后方的电磁铁生成，磁场强度在0.01～1.00t区间内可调，磁场强度由系统控制器调整，通过改变电磁铁线圈中的电流大小实现磁场强度的调节。

进一步地，所述带负电磨粒运动时受洛伦兹力，楔形流道内有平行于工件表面且垂直于磨粒流流动方向的均匀磁场，磁场强度为b，磁场方向垂直纸面向内；带负电磨粒在磁场中运动时受到垂直指向工件表面的洛伦兹力f作用，在平行工件表面向右流动的同时沿垂直指向工件表面的方向流动。垂直指向工件表面的洛伦兹力不仅能够增大磨粒对工件表面的压力，还使原本在流道截面内无序分布的磨粒向工件表面聚集，并延长磨粒在工件表面的驻留时间，从而提高加工效率。

所述带正电磨粒为表面带正电荷的氧化铝磨粒，粒径0.2～2μm，在磨粒流中的质量分数介于2～15％，氧化铝磨粒表面带正电通过ph环境实现。

所述ph环境指磨粒流呈ph＝4的酸性，在磨粒流呈ph＝4的酸性环境下，氧化铝磨粒表面带正电荷。

所述泵发热和控制阀节流会导致加工回路内的磨粒流温度上升，而磨粒流温度上升会导致磨粒流粘度变化，造成工件表面抛光力变化，最终造成抛光质量下降。为避免磨粒流温度升高导致上述不良影响，在磨粒缸中安装水冷装置，通过系统控制器调节水冷装置的冷却水流量以维持磨粒流的温度在15～45℃范围内。

本发明的有益效果主要表现在：通过角度可调补偿因加工过程中流体和磨粒与加工装置腔体或工件表面的摩擦碰撞导致的能量损失所引起的流场内沿流动方向上的压力下降，使工件表面的抛光力分布均匀，抛光后工件各处表面粗糙度一致，提高表面质量。通过芬顿反应降低碳化硅工件表面硬度，降低抛光后工件表面粗糙度，并提高加工效率。同时，通过洛伦兹力辅助抛光，增大磨粒对工件表面的压力，并使原本在流道截面内无序分布的磨粒向工件表面聚集，提高工件表面附近磨粒浓度，使磨粒得到充分利用，进一步提高加工效率。

附图说明

图1为加工系统示意图。

图2为加工装置示意图。

图3为加工装置截面图。

图4为加工装置爆炸图。

图5为角度块零件示例图。

图6为芬顿反应示意图。

图7为磁场示意图。

图8为带正电磨粒运动时受洛伦兹力示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图8，一种碳化硅平面的芬顿反应和洛伦兹力协同抛光方法，碳化硅平面抛光通过低压磨粒流实现；所述低压磨粒流的流道顶面倾斜角度可调，通过更换置于加工装置内的角度块零件实现；所述芬顿反应是对碳化硅工件的表面预处理，在抛光前通过芬顿反应使碳化硅工件表面生成二氧化硅薄层，降低工件表面硬度；所述洛伦兹力为磁场对带电磨粒的作用力；所述磁场为置于加工装置后方的电磁铁所产生的平行于工件表面且垂直于磨粒流流动方向的强度可调均匀磁场，在所述磁场的作用下，流场中运动的带正电磨粒受到垂直指向工件表面的洛伦兹力作用，向工件表面运动；所述带正电磨粒为表面带正电荷的氧化铝磨粒。

实现所述方法的系统如图1所示，包括：由压力表(1)，加工装置(2)，磨粒缸(6)，泵(8)，控制阀(9)组成的低压磨粒流回路，置于加工装置(2)下方的电磁铁(3)，置于磨粒缸(6)中的搅拌器(4)和水冷装置(5)，以及系统控制器(7)。整个加工系统通过系统控制器(7)实现自动控制。

加工过程如下：对碳化硅工件表面进行芬顿反应预处理后，启动加工系统，电磁铁(3)通电，生成垂直于工件表面的均匀磁场，磁场强度通可过系统控制器(7)在0.01～1.00t范围内调整。搅拌器(4)启动，将磨粒缸内的磁性颗粒和复合磨粒搅拌均匀。泵(8)启动，控制阀(9)打开，将磨粒流送入加工装置(2)，向加工装置(2)的角度可调楔形流道空间内提供0.05～2mpa的低压，进行抛光加工。水冷装置(5)启动，系统控制器(7)通过安装在磨粒缸内的温度计测得磨粒缸内的温度并控制水冷装置(5)的冷却水流量，将磨粒流温度维持在允许范围内。

加工装置(3)如图2所示，其内部结构如图3所示，其零件组成如图4所示。加工装置由端盖(201)、螺钉(202)、密封圈(203)、入口导流件(204)、角度块(205)、腔体(206)、工件槽(207)、工件盘(208)、出口导流件(209)组成。

所述流道顶面倾斜角度可调通过更换加工装置(3)的角度块零件(205)实现。角度块零件如图5所示，示例角度块205a的倾斜角为0度，示例角度块205b的倾斜角为10度。角度块以滑块的形式滑入腔体中，并通过两侧导流件和端盖限制其水平位移。一组倾斜角从0至10度均匀增加的角度块零件，可以使楔形流道夹角在0～10度范围内的均匀调整，实现楔形流道截面积沿流动方向的不同程度缩小，弥补流道内沿流动方向的压力损失，使工件表面剪切力分布均匀。

配置芬顿反应试剂。先配置质量分数为10％的过氧化氢溶液，再向其中加入纳米四氧化三铁粉末作为催化剂，催化剂的质量分数为1.5％。

对碳化硅工件表面进行芬顿反应预处理，如图6所示，先把碳化硅工件(101)置于pmma材质的工件套(102)内，只露出需要抛光的薄层，再放入芬顿反应试剂(103)的容器(104)中。纳米四氧化三铁在溶液中电离出二价铁离子，在二价铁离子的催化作用下，过氧化氢分解生成具有强氧化性的羟基自由基，暴露在芬顿反应试剂中的碳化硅薄层被氧化生成二氧化硅薄层，而被pmma工件套包裹的部分不受影响。碳化硅工件表面生成的二氧化硅薄层的硬度相对较低，有利于后续磨粒流抛光，使抛光后工件表面粗糙度降低并提高加工效率。

加工装置(22)中的入口导流件(204)和出口导流件(209)分别用于流道入口和出口的导流，实现流道入口和出口截面积的平缓变化，降低局部阻力系数，减小磨粒流能量损失。导流件通过销与腔体连接。

把把经过芬顿反应预处理的工件(210)放置在工件盘(208)上，再把工件盘放置于工件槽(207)中。采用可拆卸式工件盘，在加工不同形状的工件时，只需要根据工件形状制作对应的工件盘并更换即可，不需要更换工件槽，相比于整体式的工件盘，可拆卸的工件盘用材更少，加工更容易。

工件槽以滑块的形式滑入腔体底部的沟槽内，并通过两侧导流件和端盖限制其水平位移。

整个加工装置的密封通过两个密封圈实现。两个密封圈用于端盖和腔体间的沟槽密封，防止磨粒流向加工装置外泄露。

盖上加工装置两侧端盖，拧紧螺钉。加工装置通过两侧的密封管螺纹与软管相连，接入磨粒流抛光回路中。

配制磨粒流，向去离子水中加入浓度为5％的稀硫酸使其呈ph＝4的酸性状态，然后加入粒径0.2～2μm的氧化铝磨粒，控制氧化铝磨粒在磨粒流中的质量分数介于2～15％，在ph＝4的酸性环境下，氧化铝磨粒表面带正电荷。

将配制的磨粒流加入磨粒缸中，启动搅拌器，使磨粒流均匀。通过系统控制器打开泵和控制阀，进行低压磨粒流抛光加工。

通过系统控制器设置磁场强度，置于加工装置(2)后方的电磁铁(3)在楔形流道内施加平行于工件表面且垂直于磨粒流流动方向的均匀磁场，如图7所示。表面带正电的氧化铝磨粒(211)在磁场中运动时受到垂直指向工件(210)表面的洛伦兹力f作用，如图8所示，在平行工件表面向右流动的同时沿垂直指向工件表面的方向流动。垂直指向工件表面的洛伦兹力不仅能够增大磨粒对工件表面的压力，还使原本在流道截面内无序分布的磨粒向工件表面聚集，并延长磨粒在工件表面的驻留时间，从而提高加工效率。

系统控制器通过安装在磨粒缸中的温度计读取磨粒流温度，根据磨粒流温度的变化，启动水冷装置并调节冷却水流量，控制磨粒流的温度在15～45℃范围内。