硬脆材料通常是指在加工过程中容易突然发生断裂而没有显著变形的材料，如先进陶瓷、光学玻璃及红外半导体材料等，它们通常具有硬度高、热膨胀系数低和化学性质稳定等优点，因此在航空航天、国防装备、光学以及集成电路等重要领域中备受重用，像以下几种就都是我们熟悉的老朋友。

①蓝宝石

蓝宝石硬度几乎是标准玻璃的两倍，莫氏硬度为9，能很好地抵抗划痕。除了可作为装饰品外，也是现代工业重要的基础材料，优良的光学性能、物理性能和化学性能基因让蓝宝石在科学技术、国防与民用工业、电子技术等众多领域得以广泛应用。

②熔融石英

熔融石英即Fused silica，是氧化硅的非晶态（玻璃态），能通过三维结构交叉链接提供其高使用温度和低热膨胀系数。目前熔融石英材料在精铸型壳的使用上国外发达国家如美国的使用量和日本的使用量不断地逐年增加。由于同属硬脆材料，因此在破裂或断裂发生之前可以施加的力有限。

③碳化硅单晶

碳化硅单晶是一种宽带隙化合物半导体，具有高击穿场强、高饱和电子漂移速率、高热导率等优异性能。相比同类硅基器件，SiC器件具有耐高温、耐高压、高频特性好、转化效率高、体积小和重量轻等优点。

8英寸SiC晶体和晶片照片（来源：中国科学院物理研究所）

④氮化硅陶瓷

氮化硅陶瓷有“结构陶瓷之王”的美称，皆因其具有优秀的耐高温、耐腐蚀、耐磨损等性能，是相当优异的高温工程陶瓷。但氮化硅陶瓷材料硬脆，在使用的过程中也要注意适当避免磕碰。

氮化硅基板（来源：Great Ceramic）

总之，由于以上材料皆属硬脆材料，高硬度、低韧性，因此加工难度很大。但它的最终加工精度、表面加工质量和损伤层深度，又会直接对终端产品的性能产生影响，因此选择合适的加工工艺就尤为重要。

目前，业内常用的加工方式有切削/磨削加工、复合加工、研磨抛光加工，前两者要么易损伤材料表面，要么成本较高，相较之下研磨抛光加工不仅具有较低的加工成本，而且能在实现较高材料去除率的同时获得纳米级粗糙度和较低的亚表面损伤，因此在硬脆材料中获得了广泛的应用，以下是几种代表工艺的介绍。

1、平面研磨加工

研磨加工是一种能快速获得材料低损伤、高质量表面的加工技术，通常采用几微米的磨料就可以获得纳米级的表面粗糙度。根据加工过程中磨料运动状态的不同，研磨加工可分为游离磨料加工和固结磨料加工。两种工艺所用的设备相同，主要由承载器、研磨盘、加压系统及研磨液输送系统等部分组成。加工过程中承载器和研磨盘分别做旋转运动，工件在外部压力和磨料的共同作用下实现材料去除

①游离磨料研磨加工

游离磨料加工通常采用铸铁盘、锡盘、铜盘等作为研磨盘，研磨盘上加工有沟槽用于携带磨粒。 加工时研磨液中的磨料游离分布于工件与研磨盘之间，在外加载荷的作用下磨料与工件发生相对运动，工件材料在磨料的滚轧和刻划作用下被去除，其加工示意图如下图所示。目前游离磨料的加工工艺已经较为成熟，可以获得较高的表面加工质量

游离磨料研磨加工示意图

②固结磨料研磨加工

固结磨料加工技术是在游离磨料加工的基础之上发展而来，其加工示意图如图所示。美国3M公司最先于20世纪90年代将固结磨料研抛技术应用于半导体材料浅沟槽隔离的研磨抛光工艺中。采用固结磨料加工时，磨粒被固结于固结磨料抛光垫或砂轮中，加工前通过修整工具对FAP或砂轮进行修整，使锋利的磨粒微刃出露于基体表面，随后工件在磨粒的犁耕和微切削作用下被去除。

固结磨料研磨加工示意图

2、平面抛光加工

相比于研磨加工，抛光加工通常采用1μm以下微细磨粒，且抛光盘采用沥青、聚氨酯、毛毡等软质材料制成，加工过程中工件的变形较小，只有微小的表层材料被去除。抛光加工主要用于消除上一道工序所产生的亚表面损伤，获得超光滑的加工表面。现阶段常用于硬脆材料平面抛光的方法有机械抛光(MP)、摩擦化学抛光(TCP)以及化学机械抛光(CMP)等。

①机械抛光

机械抛光(MP)是一种最传统的抛光工艺，其加工示意图如图所示。早期的机械抛光通常采用砂纸、油石或毛毡等材料进行手工打磨抛光，后期逐渐采用软质抛光盘或砂轮等作为加工工具。机械抛光所采用的磨料通常为氧化铬、氧化铁或金刚石等材料，或将以上材料按一定比例配制为研磨膏。对于砷化镓、碳化硅和金刚石等硬度较高的材料在早期的加工中多采用机械抛光法，可以有效地实现材料去除。

机械抛光示意图

②摩擦化学抛光

摩擦化学抛光(TCP)是一种利用工件与加工工具之间的摩擦化学反应来实现材料去除的加工方法，其加工设备与机械抛光类似。加工时通常采用能与工件发生固相化学反应的材料来制备抛光盘或磨料，并在抛光液或研磨膏中添加催化剂或氧化剂来促进化学反应的发生。随着抛光过程的进行，工件表面凸峰会发生摩擦活化效应生成易于去除的反应层，随后反应层在抛光盘的机械作用下被去除，最终得到光洁平坦的加工表面。

动摩擦抛光示意图（此时抛光盘会运动）

③化学机械抛光

化学机械抛光(CMP)是一种独特的利用化学效应和机械效应相结合的加工技术，其加工设备与机械抛光类似。在机械抛光的基础之上，CMP加工根据不同的被加工材料在抛光液中加入了相应的化学试剂，从而实现了增强抛光及选择性抛光的效果。

在CMP工作过程中，CMP用的抛光液中的化学试剂将使被抛光基底材料氧化，生成一层较软的氧化膜层，然后再通过机械摩擦作用去除氧化膜层，这样通过反复的氧化成膜-机械去除过程，从而达到了有效抛光的目的。

CMP工作原理示意图

目前，CMP技术被誉为是当今时代能实现集成电路（IC）制造中晶圆表面全局平坦化的唯一技术，可达到原子级超高平整度，其效果直接影响到芯片最终的质量和成品率。该领域中，以下三大类材料类型都常运用该技术：（1）衬底：主要是硅材料；（2）金属：包括Al/Cu金属互联层，Ta/Ti/TiN/TiN_xC_y等扩散阻挡层、粘附层；（3）介质：包括SiO₂/BPSG/PSG等ILD（层间介质），Si₃N₄/SiO_xN_y等钝化层、阻挡层。

资料来源：

刘宁,朱永伟,李学,等. 硬脆材料平面研抛的材料去除机理研究进展[J]. 材料导报,2022,36(7):80-91. DOI:10.11896/cldb.21060121.

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