【摘 要】
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氮化镓（GaN）作为一种新兴超宽禁带半导体,具有生长成本低、导电性强、耐高频、耐高压、耐高温、损耗低、热稳定性好、透光率高等优点,是制备超高压功率器件、高光效蓝光LED及深紫外光电子器件的首选材料,广泛应用于通信、医疗、国防、能源、航空航天等领域。氮化镓作为衬底材料一般要经过机械加工整形、切片、研磨、化学机械抛光（CMP）和清洗等工艺,目前CMP是获得氮化镓光滑表面的关键工序,但CMP存在表面层组
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氮化镓（GaN）作为一种新兴超宽禁带半导体,具有生长成本低、导电性强、耐高频、耐高压、耐高温、损耗低、热稳定性好、透光率高等优点,是制备超高压功率器件、高光效蓝光LED及深紫外光电子器件的首选材料,广泛应用于通信、医疗、国防、能源、航空航天等领域。氮化镓作为衬底材料一般要经过机械加工整形、切片、研磨、化学机械抛光（CMP）和清洗等工艺,目前CMP是获得氮化镓光滑表面的关键工序,但CMP存在表面层组织损伤偏大、工作效率偏低等问题,成为制约其实现产业化应用的技术瓶颈。纳米胶体射流抛光技术是一种化学机械耦合作用的新型射流加工工艺,能够获得原子级光滑表面,而国内外还没有将纳米胶体射流应用到氮化镓材料的抛光加工中,因此本文以纳米胶体射流抛光加工氮化镓材料的关键技术以及去除机理为研究重点。主要研究内容如下:首先,研究了纳米CeO2胶体射流抛光液的分散机制。研究了纳米CeO2胶体抛光液流动的基本特性、粒子形态、聚沉机理以及分散原理,确定了抛光液中各个材料的选用及配比范围;对比分析了纳米粒子在胶体中的物理分散和化学分散方式以及抛光液分散稳定性能的评估方法,确定了机械化学分散法和图像灰度值评估法作为后期制备抛光液的实验条件。然后,基于图像灰度值评估法优化组分配比参数,获得了分散性能良好且悬浮稳定的纳米CeO2胶体抛光液。以直径为30～40 nm的CeO2为磨料,选取乙醇体积分数、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）质量分数和抛光液p H值为实验因素,利用图像灰度值法表征抛光液的分散稳定性,分析抛光液各组成参数对其分散稳定性的影响规律。利用Box-Behnken响应面法对纳米CeO2胶体抛光液的组分配比参数进行优化。结果表明,纳米CeO2胶体抛光液的最优分散条件为乙醇体积分数61%、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）质量分数3%、抛光液p H值10,在此基础上制备了分散性能良好且悬浮稳定的纳米胶体射流抛光液。再次,数值模拟了纳米CeO2胶体颗粒冲蚀氮化镓材料的去除机理。基于分子动力学理论,以氮化镓材料为靶材,建立纳米颗粒碰撞模型,模拟了纳米CeO2胶体颗粒对氮化镓表面原子层材料的去除过程,分析了入射速度（取值为150 m/s、200 m/s、250 m/s、300 m/s）和入射角度（取值为30°、45°、60°、75°、90°）对氮化镓材料去除量的影响规律。研究结果表明:入射角度为60°～75°时可获得较大的氮化镓表面原子去除量且入射速度与氮化镓材料去除量及配位数变化幅度成正比。最后,实验研究了纳米胶体射流冲蚀氮化镓材料的去除机理。借助自制纳米磨料胶体射流抛光设备,分析了纳米胶体射流工艺参数对冲蚀氮化镓材料过程的影响规律,并利用响应面法优化实验参数。结果表明:工艺参数对氮化镓材料最大冲蚀深度的影响程度从大到小顺序为:入射速度、胶体浓度、氧化剂浓度、入射角度;胶体射流对氮化镓材料最大冲蚀深度的最佳参数组合为:冲蚀角度60.6°,氧化剂浓度2.85%,胶体浓度25%。建立了纳米胶体射流对氮化镓材料的最大冲蚀深度实验预测模型,相关实验验证表明该预测模型精度高。研究结果为纳米胶体射流在氮化镓超精密加工领域的广泛应用提供了可靠的理论依据。
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