硬脆材料通常是指在加工過程中容易突然發生斷裂而沒有顯著變形的材料，如先進陶瓷、光學玻璃及紅外半導體材料等，它們通常具有硬度高、熱膨脹系數低和化學性質穩定等優點，因此在航空航天、國防裝備、光學以及集成電路等重要領域中備受重用，像以下幾種就都是我們熟悉的老朋友。

①藍寶石

藍寶石硬度幾乎是標準玻璃的兩倍，莫氏硬度為9，能很好地抵抗劃痕。除了可作為裝飾品外，也是現代工業重要的基礎材料，優良的光學性能、物理性能和化學性能基因讓藍寶石在科學技術、國防與民用工業、電子技術等眾多領域得以廣泛應用。

②熔融石英

熔融石英即Fused silica，是氧化硅的非晶態（玻璃態），能通過三維結構交叉鏈接提供其高使用溫度和低熱膨脹系數。目前熔融石英材料在精鑄型殼的使用上國外發達國家如美國的使用量和日本的使用量不斷地逐年增加。由于同屬硬脆材料，因此在破裂或斷裂發生之前可以施加的力有限。

③碳化硅單晶

碳化硅單晶是一種寬帶隙化合物半導體，具有高擊穿場強、高飽和電子漂移速率、高熱導率等優異性能。相比同類硅基器件，SiC器件具有耐高溫、耐高壓、高頻特性好、轉化效率高、體積小和重量輕等優點。

8英寸SiC晶體和晶片照片（來源：中國科學院物理研究所）

④氮化硅陶瓷

氮化硅陶瓷有“結構陶瓷之王”的美稱，皆因其具有優秀的耐高溫、耐腐蝕、耐磨損等性能，是相當優異的高溫工程陶瓷。但氮化硅陶瓷材料硬脆，在使用的過程中也要注意適當避免磕碰。

氮化硅基板（來源：Great Ceramic）

總之，由于以上材料皆屬硬脆材料，高硬度、低韌性，因此加工難度很大。但它的最終加工精度、表面加工質量和損傷層深度，又會直接對終端產品的性能產生影響，因此選擇合適的加工工藝就尤為重要。

目前，業內常用的加工方式有切削/磨削加工、復合加工、研磨拋光加工，前兩者要么易損傷材料表面，要么成本較高，相較之下研磨拋光加工不僅具有較低的加工成本，而且能在實現較高材料去除率的同時獲得納米級粗糙度和較低的亞表面損傷，因此在硬脆材料中獲得了廣泛的應用，以下是幾種代表工藝的介紹。

1、平面研磨加工

研磨加工是一種能快速獲得材料低損傷、高質量表面的加工技術，通常采用幾微米的磨料就可以獲得納米級的表面粗糙度。根據加工過程中磨料運動狀態的不同，研磨加工可分為游離磨料加工和固結磨料加工。兩種工藝所用的設備相同，主要由承載器、研磨盤、加壓系統及研磨液輸送系統等部分組成。加工過程中承載器和研磨盤分別做旋轉運動，工件在外部壓力和磨料的共同作用下實現材料去除

①游離磨料研磨加工

游離磨料加工通常采用鑄鐵盤、錫盤、銅盤等作為研磨盤，研磨盤上加工有溝槽用于攜帶磨粒。 加工時研磨液中的磨料游離分布于工件與研磨盤之間，在外加載荷的作用下磨料與工件發生相對運動，工件材料在磨料的滾軋和刻劃作用下被去除，其加工示意圖如下圖所示。目前游離磨料的加工工藝已經較為成熟，可以獲得較高的表面加工質量

游離磨料研磨加工示意圖

②固結磨料研磨加工

固結磨料加工技術是在游離磨料加工的基礎之上發展而來，其加工示意圖如圖所示。美國3M公司最先于20世紀90年代將固結磨料研拋技術應用于半導體材料淺溝槽隔離的研磨拋光工藝中。采用固結磨料加工時，磨粒被固結于固結磨料拋光墊或砂輪中，加工前通過修整工具對FAP或砂輪進行修整，使鋒利的磨粒微刃出露于基體表面，隨后工件在磨粒的犁耕和微切削作用下被去除。

固結磨料研磨加工示意圖

2、平面拋光加工

相比于研磨加工，拋光加工通常采用1μm以下微細磨粒，且拋光盤采用瀝青、聚氨酯、毛氈等軟質材料制成，加工過程中工件的變形較小，只有微小的表層材料被去除。拋光加工主要用于消除上一道工序所產生的亞表面損傷，獲得超光滑的加工表面。現階段常用于硬脆材料平面拋光的方法有機械拋光(MP)、摩擦化學拋光(TCP)以及化學機械拋光(CMP)等。

①機械拋光

機械拋光(MP)是一種最傳統的拋光工藝，其加工示意圖如圖所示。早期的機械拋光通常采用砂紙、油石或毛氈等材料進行手工打磨拋光，后期逐漸采用軟質拋光盤或砂輪等作為加工工具。機械拋光所采用的磨料通常為氧化鉻、氧化鐵或金剛石等材料，或將以上材料按一定比例配制為研磨膏。對于砷化鎵、碳化硅和金剛石等硬度較高的材料在早期的加工中多采用機械拋光法，可以有效地實現材料去除。

機械拋光示意圖

②摩擦化學拋光

摩擦化學拋光(TCP)是一種利用工件與加工工具之間的摩擦化學反應來實現材料去除的加工方法，其加工設備與機械拋光類似。加工時通常采用能與工件發生固相化學反應的材料來制備拋光盤或磨料，并在拋光液或研磨膏中添加催化劑或氧化劑來促進化學反應的發生。隨著拋光過程的進行，工件表面凸峰會發生摩擦活化效應生成易于去除的反應層，隨后反應層在拋光盤的機械作用下被去除，最終得到光潔平坦的加工表面。

動摩擦拋光示意圖（此時拋光盤會運動）

③化學機械拋光

化學機械拋光(CMP)是一種獨特的利用化學效應和機械效應相結合的加工技術，其加工設備與機械拋光類似。在機械拋光的基礎之上，CMP加工根據不同的被加工材料在拋光液中加入了相應的化學試劑，從而實現了增強拋光及選擇性拋光的效果。

在CMP工作過程中，CMP用的拋光液中的化學試劑將使被拋光基底材料氧化，生成一層較軟的氧化膜層，然后再通過機械摩擦作用去除氧化膜層，這樣通過反復的氧化成膜-機械去除過程，從而達到了有效拋光的目的。

CMP工作原理示意圖

目前，CMP技術被譽為是當今時代能實現集成電路（IC）制造中晶圓表面全局平坦化的唯一技術，可達到原子級超高平整度，其效果直接影響到芯片最終的質量和成品率。該領域中，以下三大類材料類型都常運用該技術：（1）襯底：主要是硅材料；（2）金屬：包括Al/Cu金屬互聯層，Ta/Ti/TiN/TiN_xC_y等擴散阻擋層、粘附層；（3）介質：包括SiO₂/BPSG/PSG等ILD（層間介質），Si₃N₄/SiO_xN_y等鈍化層、阻擋層。

資料來源：

劉寧,朱永偉,李學,等. 硬脆材料平面研拋的材料去除機理研究進展[J]. 材料導報,2022,36(7):80-91. DOI:10.11896/cldb.21060121.

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