氧化镓超精密研磨过程中解理断裂机理及其调控方法研究

During the precision machining process of hard, crisp and easy cleavage single crystal materials, such machining defects as cleavage cracks, interlaminar peeling and cleavage pits are inevitable, which greatly decrease the machined surface quality. In this scientific research item, taking the important new-generation semiconductor single crystal material gallium oxide (β-Ga2O3) as research object, a new method for machining hard, crisp and easy cleavage single crystal materials has been proposed by applying the viscoelasticity lapping technology. The research content mainly involves: investigating the whole changing process of microcrack initiation, steady extension and unstable fracture on crystal surfaces by using numerical simulation and scratch test, and thus revealing the cleavage fracture mechanism of gallium oxide crystal; developing the microcosmic dynamical model of viscoelasticity solid abrasives lapping system and investigating the influence law of cleavage fracture affected by viscoelasticity lapping technology; studying the chemical kinetics of gallium oxide crystal and the weakening mechanism of cleavage fracture due to viscoelasticity lapping system combined with chemical action; establishing the damage evolution models for surfaces and subsurfaces of gallium oxide single crystal and giving the prediction and control methods for surface damages under the effect of viscoelasticity system. This project aims at revealing the cleavage fracture mechanism, material removal mechanism and surface damage control methods during ultra-precision lappding gallium oxide single crystal under the effect of viscoelasticity system, presenting the new viscoelastic ultra-precision lapping method for hard, crisp and easy cleavage crystal materials, and thus providing an effective reference for high-quality lapping similar materials.

硬脆易解理单晶材料在超精密加工过程中会出现解理裂纹、解理剥离和解理凹坑等现象，严重影响晶体表面质量。本项目以新一代半导体材料氧化镓（β-Ga2O3）为对象，提出硬脆易解理晶体材料的粘弹性研磨新方法。研究内容包括：采用数值模拟和划痕试验，研究研磨过程中晶体表面微裂纹萌生、稳态扩展直至失稳断裂的变化过程，探索氧化镓晶体的解理断裂机理；建立粘弹性固着磨料研磨系统的动力学模型，揭示粘弹性加工方法对解理断裂的影响规律；分析氧化镓晶体的化学动力学特性，探明融入化学作用的粘弹性研磨加工方法对解理断裂的弱化机制；构建氧化镓单晶表面/亚表面损伤场演化模型，提出粘弹性系统作用下的研磨表面损伤预测方法和控制方法。本项目旨在探明粘弹性系统作用下超精密研磨加工氧化镓单晶的解理断裂机理和材料去除机理，提出适用于硬脆易解理晶体材料的粘弹性超精密研磨加工新方法和表面损伤控制方法，为该类型材料的高质量研磨加工提供参考。

氧化镓(β-Ga2O3)作为新一代氧化物半导体材料，具有超宽禁带、高击穿电场强度等特点，可用于制作高压功率器件、深紫外光电器件，市场潜力很大。由于氧化镓属于易解理的脆性晶体，在研磨过程中，容易产生解理坑、划痕、磨料嵌入等问题，影响晶体加工表面质量，氧化镓属于难加工晶体。针对上述存在的问题，项目组从氧化镓的纳米力学性能研究入手，通过纳米压痕划痕试验，分析出氧化镓晶体的各向异性非常明显，不同晶面氧化镓的力学性能差异显著。(100)晶面是主解理面，研磨过程中极易产生微解理。氧化镓的2个典型晶面(100)和(010)晶面，在纳米压痕试验中，都呈现pop-in现象，硬度和弹性模量都有尺寸效应。氧化镓晶体(100)晶面，沿240°方向脆塑转变临界切深最大，是最佳加工方向，临界切深为423nm；(010)晶面的105°方向是最佳加工方向，临界切深为686nm。根据第一性原理，建立了氧化镓晶体的弹性矩阵，通过Vasp软件，计算出氧化镓晶体的弹性常数。通过分析磨料对氧化镓的应力场，建立了氧化镓解理断裂判据，分析了影响解理的主要因素。模拟分析了不同应力状态下氧化镓晶体内部裂纹的扩展方式。配制了适合氧化镓研磨的粘弹性研磨盘，分析了粘弹性研磨盘的硬度、弹性模量等参数。优选出以磷酸为主的腐蚀液，通过截面显微法，分析氧化镓晶体研磨后亚表面裂纹的深度。采用透射电镜分析了亚表面损伤的类型，构建了包含裂纹、非晶相、位错等缺陷的氧化镓研磨后亚表面损伤层模型，建立了损伤层深度预测模型。通过正交试验法，分析了研磨方式、磨料形状尺寸、研磨盘材料、研磨压力、研磨液成分等因素，对氧化镓晶体表面微解理、研磨表面质量、材料去除率的影响。优选出适合氧化镓晶体研磨的工艺参数，用W3金刚石微粉实现无解理研磨氧化镓，Ra小于16nm。研究结果能够对其他易解理硬脆晶体的研磨、抛光、磨削等精密加工技术研究，提供理论指导和技术支持。