｜超音波振動應用於碳化矽的機械化學拋光

摘要：碳化矽陶瓷因具有優良的機械及化學性質，已廣泛地應用於耐磨耗與耐腐蝕，近年來更被應用在光學元件及半導體等產業上，然其拋光效率與表面精度的要求也變得更加嚴苛。機械化學拋光法使用較軟的磨料拋光較硬的工件，不會有傳統硬磨料造成的微小刮痕與次表面破壞，也不會有化學機械拋光法化學液的回收問題，只是在拋光效率上還有其改進空間，未被普遍應用。為了提升其拋光效率，以自行設計的超音波振動輔助機械化學拋光裝置，對碳化矽陶瓷進行拋光實驗，探討利用超音波振動提高拋光效率的可行性，並選取施加壓力、工件轉速、拋光時間及超音波功率等拋光參數，研究超音波振動對材料移除深度、表面粗糙度與材料移除機制之影響。研究結果顯示，加入超音波振動後可提升約60~70 %的材料移除率。在較高的壓力下，超音波對材料移除深度的增加有較明顯的效果，而超音波的功率大小則與材料移除深度的提升呈現正相關性。依據研究結果並提出了超音波振動輔助下材料移除的機理。

Abstract: The mechanical chemical polishing (MCP) process which uses soft abrasives to polish hard workpiece have been employed recently to polish silicon carbide (SiC) ceramic for various applications. An ultrasonic vibration assisted apparatus is designed to investigate the effects of ultrasonic vibration on the efficiency of MCP of SiC by ferric oxide (Fe₂O₃) abrasives. Experimental results show that the ultrasonic vibration can effectively improve polishing efficiency; the material removal rate is increased by about 60~70%. But it does not lead to a better final surface finish. The effect is more obvious under a higher working pressure condition. It is also found that the output power of ultrasonic transducer is positively correlated with material removal rate. The mechanism of ultrasonic assisted material removal has been built based on the experimental results.

關鍵詞：超音波振動、機械化學拋光、碳化矽

Keywords：ultrasonic vibration, mechanical chemical polishing (MCP), silicon carbide (SiC)

前言
碳化矽（Silicon Carbide）陶瓷因具有優良的機械及化學性質，已廣泛地應用於耐磨耗與耐腐蝕工程，近年來更被應用在光學元件及半導體等高科技產業上，也因此對於工件的表面粗糙度要求不斷提高，如非球面模造玻璃的成形模仁，其表面粗糙度需達到Ra 5 nm以下。傳統機械式的拋光是使用較硬的磨粒來拋光較軟的工件，容易在工件表面上造成微小刮痕與次表面破壞，為了得到高品質的表面，必須進一步發展碳化矽的非傳統拋光方式。

機械化學拋光法最早是由Yasunaga等人[1]提出，是一種利用較軟磨料拋光較硬工件之拋光方式，在高溫高壓的影響下，軟磨料會與工件材料反應產生鈍化層，再藉由機械力的作用將鈍化層移除，不會造成傳統硬磨料的微小刮痕與次表面破壞，也不會有化學機械拋光法化學液回收的問題。Kikuchi等人[2]提出了使用氧化鉻（Cr2O3）拋光單晶α碳化矽的機械化學拋光法，並指出氧化鉻在化學反應中並沒有直接與碳化矽反應，而是扮演著催化劑的角色，促使碳化矽與空氣中的氧發生反應並產生二氧化矽（SiO2）鈍化層。

2006年Yasunaga等人[3]分別以α氧化鐵（α-Fe2O3）與氧化鉻（Cr2O3）磨粒在大氣中拋光單晶與多晶碳化矽晶圓。室溫下氧化鐵的拋光效率僅有氧化鉻的一半，但是當溫度達到230 ℃時，氧化鐵磨粒的效率可以達到室溫時的三倍以上，比氧化鉻磨粒在其他實驗溫度下的效率都要高。當溫度提升至高於230 ℃時，因為磨料本身大量黏著於試片表面，使得拋光效率降低。

由前述文獻可得知，使用氧化鐵對碳化矽進行機械化學拋光法已被證實，溫度的提升對拋光效率有顯著的影響，但是直接將拋光盤的溫度提升，必須使用耐高溫的元件及採用隔熱的設計，高溫下元件也容易耗損，在設備上增加的成本不容忽視，也提高了操作的危險性。故以他種方式提供化學反應所需的能量，以提高其拋光效率，成為值得研究之課題。

超音波有著高頻摩擦造成局部高溫度之特性，已被應用於焊接金屬[4]，所提高之溫度應有助於固相化學反應的生成，此外，超音波還會造成反覆性的機械力等其他方式之能量，也可能提升反應生成之效率，故針對超音波相關文獻進行回顧。

1995年Snitka等人[5]研究CVD鑽石鍍膜在超音波下的磨潤性質。發現超音波振動能夠在沒有明顯石墨化情形發生下，機械性地快速拋光CVD鑽石鍍膜，在鑽石試片還很粗糙時，似乎是因為高的切線應力使鑽石表面粗糙峰斷裂造成材料的移除，但是當表面趨於平坦，比鑽石軟的氧化鋁陶瓷無法刺入鑽石表面，卻能夠得到相當好的表面，故提出磨潤化學造成鑽石氧化的可能性。

2007年Yokosawa等人[6]使用與鑽石反應性高的Ti金屬為研磨工具，施加適當的壓力與超音波振動，利用摩擦熱與超音波振動造成的衝擊來研磨CVD鑽石鍍膜，發現振幅、壓力以及工件速度和表面粗糙度改善率都是成正比的關係。

2008年Yang等人[7]利用超音波橢圓振動輔助化學機械拋光法拋光矽晶圓。超音波橢圓振動有利於維持拋光墊的拋光特性，使拋光液比傳統的拋光方式更容易進入拋光區，可以得到良好的表面粗糙度與材料移除率。
在硬脆材料的加工領域裡，超音波振動一直是非常重要的輔助工具，從前述文獻中得知，超音波振動除了能提升傳統加工的效果，在化學反應相關的非傳統加工上也可以發揮超音波的特性，如熱化學拋光、磨潤化學拋光及CMP等。因此，超音波振動很有可能對於提高機械化學拋光之效率有正面的效果。本研究將用自行設計的超音波振動輔助裝置對碳化矽進行機械化學拋光之實驗，探討利用超音波振動提高拋光效率的可行性，並選取施加壓力、工件轉速、拋光時間及超音波功率等拋光參數，研究超音波振動對材料移除率、表面粗糙度與材料移除機制之影響。