摘要:

综述 ● 开放获取阅读更多

1.文章导读      

半导体和激光单晶晶体硬度高、脆性大，属于典型的难加工材料。因此，精密磨削技术是上述单晶材料平坦化过程中提高表面完整性和尺寸精度、缩短后续抛光过程所需时间的关键技术，直接影响单晶衬底制造成本。深入了解这些晶体的受力形变和去除机理，是开发高效磨削技术的前提。为此华侨大学吴跃勤、穆德魁，澳大利亚昆士兰大学黄含教授等在《极端制造》期刊（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上发表《半导体和激光单晶晶体在极小尺度下的形变和去除》的综述。该论文介绍了相应的研究背景、最新进展，总结了若干代表性半导体和激光单晶晶体在极小尺度下的形变和去除特性，系统介绍了应用透射电子显微（TEM）技术研究半导体和激光单晶晶体在纳米压痕、纳米划痕及纳米磨削中的形变和去除机理，讨论了加工条件与去除行为之间的关系，为进一步发展这些晶体的磨削技术提供理论指导。

图1 综述的总体框架。

2.研究背景      

半导体和激光晶体是现代电子和光子器件的基础材料，广泛应用于通信、能源和医疗工业。熔体生长单晶技术的发展使大规模生产硅(Si)、砷化镓(GaAs)和氧化镓(Ga₂O₃)等半导体，以及钇铝石榴石(YAG)和钆镓石榴石(GGG)等激光晶体的大尺寸单晶锭成为可能。通常情况下，为了使其能够应用于光电器件，需要制备具有高表面质量和尺寸精度的衬底。考虑到半导体和激光单晶晶体的硬脆特性，常采用磨削方法对切片后的基片进行平整化处理，并在进一步抛光前达到一定的表面质量。因此，对这些单晶材料在多尺度加载条件下的变形和去除行为进行了广泛的研究。然而，这些单晶材料在极小尺度下由机械载荷引起的缺陷的形成和演化仍然需要系统的研究。本文系统地总结了半导体和激光单晶晶体中机械加工引入晶体缺陷的形成和演化过程，研究了它们在不同磨削条件下对特定单晶的形变和去除机制的影响。

3.最新进展      

半导体和激光单晶晶体在加工过程中的形变和去除机理比较复杂，特别是要理解极小尺度下的形变则更具挑战。因此，使用纳米压划来模拟精密/超精密加工过程中涉及的磨粒和工件材料的相互作用。在此基础上，通过研究晶体缺陷在可控机械载荷作用下的形成和演化等，深入了解机械载荷作用下晶体在原子级别的形变和去除行为。本文详细介绍了Si、GaAs、β-Ga₂O₃、YAG和GGG等单晶材料在纳米压痕、纳米划痕和纳米磨削中的形变和去除特性。

首先介绍了典型半导体和激光单晶的晶体结构。然后重点介绍了纳米压痕和纳米划痕作用下典型半导体和激光单晶晶体的形变。通过使用已知形状的纳米压头与工件材料的作用，简化受力模型，理解工件材料在准静态作用力下的形变机理。典型案例如图2所示，β相氧化镓(β-Ga₂O₃)在不同载荷的纳米压痕作用下的形变行为。通过使用纳米压痕/划痕实验，实现了对半导体和激光单晶晶体的受力形变的深入理解，理清了各种晶体缺陷、相变等的产生顺序及临界条件。

图2 尖端半径为1微米的金刚石压头在单晶β-Ga₂O₃表面，使用不同载荷得到的纳米压痕的横截面高倍TEM图像。

相对于纳米压划，纳米磨削过程更加复杂，工件材料经过多颗磨粒反复摩擦、耕犁、切削，所产生的形变也必将更为复杂。前述纳米压痕及纳米划痕研究得到的半导体和激光单晶晶体的形变和去除机制的知识，可以作为理解磨削引入形变的依据并进一步优化磨削工艺。为了获得高精度的表面，采用超细金刚石磨粒砂轮来实现延性域去除。典型案例如图3所示，单晶β-Ga₂O₃的纳米磨削样品的TEM表征显示，在使用12000号的砂轮磨削时，其引入亚表面损伤主要由层错、纳米晶和非晶相等组成。另一个案例是单晶YAG中纳米磨削引入的亚表面损伤，如图4所示，占主导地位的是沿着(001)晶面的滑移，伴随着层错、位错及晶格畸变等。我们还进一步揭示了磨削热在影响形变和去除特性上的作用。

图3 使用12000号砂轮磨削的单晶β-Ga₂O₃亚表面损伤的TEM图。

图4 使用6000号砂轮磨削引入的单晶YAG亚表面损伤的TEM表征。

4.未来展望      

随着TEM样品制备和先进表征技术的发展，对半导体和激光单晶晶体等硬脆材料在极小尺度下的形变和去除机理的深入理解成为可能。这篇综述也表明，高效磨削技术的开发与发展得益于从纳米力学研究中获得的对于形变和去除机理的全面理解。