【摘 要】
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单晶碳化硅是第三代半导体材料,具有宽禁带、高击穿电场等诸多优势,被广泛应用于航空航天、核能开发等场景下的电子器件制造。然而单晶碳化硅晶体只有得到光滑无缺陷的表面时才能用来制作电子器件。由于单晶碳化硅具有硬度高、化学惰性强等特点,导致单晶碳化硅晶体抛光较困难。传统抛光方法中存在磨料容易团聚、机械和化学作用不能充分发挥等问题。为此,本文提出振动辅助光催化抛光的方法实现单晶碳化硅抛光,并借助分子动力学模
【基金项目】
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国家自然科学基金“面向石墨烯带隙调控的光催化机械化学纳米切割理论与关键技术基础”（项目批准号:52275455）；
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单晶碳化硅是第三代半导体材料,具有宽禁带、高击穿电场等诸多优势,被广泛应用于航空航天、核能开发等场景下的电子器件制造。然而单晶碳化硅晶体只有得到光滑无缺陷的表面时才能用来制作电子器件。由于单晶碳化硅具有硬度高、化学惰性强等特点,导致单晶碳化硅晶体抛光较困难。传统抛光方法中存在磨料容易团聚、机械和化学作用不能充分发挥等问题。为此,本文提出振动辅助光催化抛光的方法实现单晶碳化硅抛光,并借助分子动力学模拟,研究磨粒的压入深度、划擦速度、振动以及振动频率和振幅对工件表面微观原子迁移的演变规律,阐明振动作用下工件表面原子迁移机制和微观表面形成机制,通过振动辅助光催化化学机械抛光工艺试验及抛光表面的成分分析,揭示光催化辅助抛光碳化硅的去除机制。（1）本文基于分子动力学原理,通过Lammps分子动力学模拟软件对单晶碳化硅的抛光过程进行模拟,研究压入深度、划擦速度、振动以及振动频率和振幅对于抛光碳化硅效果的影响规律。结果表明:适当增大磨粒压入深度、划擦速度、振动频率和振幅,可以有效提高工件表面原子势能和温度;磨粒振动有利于增加碳化硅表面原子混乱度,非晶原子数量增加,工件势能增加,促进碳化硅参与氧化反应。（2）研究单晶碳化硅的振动辅助光催化化学机械抛光工艺。通过系统的单因素试验研究不同抛光压力、抛光盘转速、振动频率以及抛光垫对抛光碳化硅工件材料去除率和表面粗糙度的影响。试验结果表明:增加抛光压力、抛光盘转速和振动频率能够提高工件材料去除率和表面质量,并对抛光后的工件进行表面成分分析。（3）在分析光催化辅助抛光碳化硅原理、振动辅助抛光碳化硅原理的基础上,通过分析抛光前后工件表面的XPS成分,揭示了振动辅助光催化化学机械抛光碳化硅材料去除机理,发现工件表面官能团以Si-C、Si-C-O、Si-O、C-Si、C-C/C-H、Si4C4O4、C-O和C=O为主,氧化层厚度大约为2nm,碳化硅在光催化的作用下以氧化的形式的去除,振动促进了磨料的分散、工件表面的活化及光催化反应。
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