Pulido de carburo de silicio

El carburo de silicio es uno de los materiales más duros de la Tierra, sólo superado por el diamante y el nitruro de boro cúbico. Debido a su extrema dureza, el carburo de silicio es un material ideal para el lapeado de cerámica, el rectificado de metales no ferrosos y el desbarbado de materiales.

La granalla de óxido de aluminio puede cortar fácilmente superficies pintadas y muchos tipos de madera, pero puede desgastarse más rápidamente cuando se utiliza en materiales más duros como los metales.

Abrasivo

El carburo de silicio es uno de los materiales más duros después del diamante, por lo que no es de extrañar que este material sea un excelente abrasivo. El carburo de silicio se utiliza con frecuencia para aplicaciones de esmerilado y chorreado en aplicaciones de lijado industrial, así como en procesos de pulido químico-mecánico (CMP).

El polvo de carburo de silicio negro se utiliza ampliamente para pulir semiconductores y componentes electrónicos, cerámica y metales duros no férreos; incluso resulta útil en metalurgia debido a su excelente resistencia a altas temperaturas y al choque térmico.

Debido a sus propiedades de dureza, resistencia al desgaste y conductividad térmica, el diamante se utiliza como herramienta de corte en aplicaciones de mecanizado y taladrado. Disponible en tamaños de grano fino a grueso, el diamante suele ser la mejor opción cuando se trabaja con materiales de baja resistencia a la tracción, como el vidrio, la cerámica y la piedra.

El carburo de silicio verde es más friable que su homólogo negro y se parece más al óxido de aluminio. Se suele utilizar para aplicaciones de lijado en seco y en húmedo en aplicaciones de pulido de automóviles; otros usos incluyen el lijado en seco y en húmedo entre capas de acabado en proyectos de carpintería; el desbarbado de metal y vidrio; así como el repintado de suelos de madera.

El pulido químico-mecánico (CMP) es una técnica consolidada para crear superficies con una planarización global superior sin dañar la subsuperficie. El CMP requiere una interacción equilibrada entre la oxidación de la superficie y la eliminación de la capa de óxido: sus oxidantes determinan la eficacia de la oxidación de la superficie, mientras que sus partículas abrasivas aportan la fuerza mecánica necesaria para el pulido.

Para maximizar la MRR, es crucial que el abrasivo se distribuya uniformemente por todas las superficies de una oblea, capaz de crear fuerzas mecánicas consistentes en toda su extensión. Por lo tanto, la pasta CMP debe contener rangos de pH específicos que se han calibrado cuidadosamente en función de las asperezas y estructuras de la oblea para obtener los mejores resultados.

Los abrasivos cerámicos han demostrado ser la opción más eficaz y económica para aplicaciones de pulido a alta velocidad, especialmente en fundiciones de aluminio, cascarilla de laminación de acero dulce, aleaciones de titanio y otros sustratos duros. Empleamos nuestros abrasivos cerámicos en varias máquinas de nuestras instalaciones, especialmente eficaces en fundiciones de aluminio, cascarilla de laminación de acero dulce y aleaciones de titanio.

Agente oxidante

Los agentes oxidantes desempeñan un papel fundamental en la CMP, ya que proporcionan una fuerza motriz química que elimina los abrasivos y las capas de óxido de las superficies de carburo de silicio. Para obtener resultados óptimos, un oxidante eficaz debe permanecer activo dentro de determinados valores de pH para conseguir una superficie atómicamente plana con altos índices de MRR; las interacciones electrostáticas entre las obleas de carburo de silicio y las partículas también influyen en su eficacia.

El permanganato, el hidróxido potásico y el ácido nítrico son ideales para pulir el carburo de silicio. El permanganato puede añadirse directamente al lodo, mientras que el hidróxido potásico es más eficaz si se añade como solución de formiato sódico. El ácido nítrico requiere un manejo especial; su concentración adecuada debe añadirse a la lechada para evitar la descomposición de su componente de oxígeno activo.

El óxido de grafeno (GO), una forma fácil y rápida de formar radicales OH cuando se reduce, genera más oxidantes que su homólogo tradicional TiO2 y mejora tanto la eficiencia de oxidación como la MRR en unos 20%. Basta con añadir unos miligramos de GO para obtener estas ventajas.

Un factor esencial para crear una superficie atómicamente plana es seleccionar una composición de lechada adecuada. Según algunos investigadores, para 4H-SiC algunos investigadores sugieren utilizar lechadas basadas tanto en SiO2 como en Al2O3; su combinación proporciona una fuerza mecánica más fuerte que ayuda a crear una superficie atómicamente plana; además, el uso de SiO2 reduce las interacciones electrostáticas que potencialmente podrían causar daños por el uso de un abrasivo basado en Al2O3.

Además de elegir un oxidante, seleccionar un abrasivo eficaz es fundamental para optimizar la MRR. El óxido de aluminio es ideal en este sentido, ya que ofrece tanto durabilidad como una permeabilidad superior al lodo; además, su uso es seguro en entornos húmedos o volátiles.

El pulido triboquímico también puede proporcionar un medio eficaz de producir una superficie ultrasuave y sin daños en el nitruro de silicio. La técnica consiste en frotar el material a pulir contra una superficie dura y lubricada mientras la fricción induce reacciones de disolución que producen moléculas de agua, disolviendo así el material sin necesidad de abrasivos. El pulido triboquímico permite alcanzar tasas máximas de rendimiento de hasta 80 nm h-1 con este tipo de pulido.

Composición química

El pulido de carburo de silicio requiere una lechada de pulido acuosa compuesta por un abrasivo y un agente oxidante; normalmente, el sol de sílice dispersado en la lechada suele ser la fuente. Mientras tanto, un compuesto orgánico o inorgánico sirve para convertir su superficie en un estado más reactivo que favorece la unión química entre el sustrato y el abrasivo, lo que permite una eliminación más rápida del material, así como la protección de la superficie del sustrato frente a daños por abrasión mecánica.

El carburo de silicio se utiliza como abrasivo y polvo de esmerilado en procesos como el corte por chorro de agua y el chorro de arena, en los que suelen emplearse granos gruesos para estas operaciones. Los refractarios de carburo de silicio también pueden sustituir al hierro fundido en hornos industriales o utilizarse como ingredientes en aleaciones de acero; su punto de fusión, su resistencia a los golpes y a la corrosión, su solidez, su durabilidad y su conductividad térmica lo convierten en un material atractivo.

Se produce fundiendo monóxido de silicio derivado del gas natural o del carbón mediante el proceso Lely. Una mezcla de arena de sílice pura con carbón de coque molido que se forma alrededor de un conductor eléctrico en un horno de resistencia eléctrica recibe corriente eléctrica para desencadenar reacciones químicas que producen carburo de silicio.

El carburo de silicio puede adoptar formas monocristalinas o policristalinas, con dos polimorfos de especial interés: el carburo de silicio alfa (a-SiC), con su estructura cristalina de Wurtzita, y el carburo de silicio beta, con estructura cristalina de zinc blenda; ambos tienen una alta reactividad, lo que los convierte en materiales valiosos para producir catalizadores heterogéneos.

La presente invención presenta un método de preparación de lechada de pulido de carburo de silicio. Los pasos incluyen la adición de agentes dispersantes, aceleradores, agentes amortiguadores del pH, agentes humectantes y agentes complejantes secuencialmente en agua desionizada mientras se agita uniformemente, luego se mezcla gradualmente en abrasivos de sol de sílice antes de finalmente envejecer la mezcla durante 30-60 minutos antes de añadir abrasivo de sol de sílice.

Método

El carburo de silicio es un material extremadamente duro con muchos usos en una amplia variedad de campos. Lo más habitual es producirlo en forma de polvo y utilizarlo para el esmerilado fino, el corte por chorro de agua, el chorreado de arena, el moldeado y el pulido de otros materiales, así como para aplicaciones más gruesas como el desbarbado de metal y vidrio y el repintado de suelos de madera. Además, el carburo de silicio se incluye con frecuencia como parte de los procesos de pulido mecánico químico (CMP) para añadir soluciones de pulido abrasivo (ACP).

El pulido químico-mecánico (CMP) es el proceso de abrasión mecánica de superficies para planarizar y deshacer los daños causados por pasos anteriores como el esmerilado o el grabado. El CMP utiliza una almohadilla de pulido impregnada con una composición o lechada de pulido abrasiva que contiene un agente oxidante y un abrasivo, que entra en contacto con la superficie del sustrato, creando fricción para eliminar las capas dañadas y dejar al descubierto el nuevo material subyacente.

Los agentes oxidantes ayudan a reducir la cantidad de abrasión mecánica necesaria para alcanzar los niveles deseados de planarización de la superficie, ayudando a la disolución del material del sustrato y disminuyendo el daño mecánico al mismo. Además, el agente oxidante también acelera la cinética de pulido al acelerar el momento en que las partículas abrasivas interactúan con las superficies del sustrato.

Para conseguir un acabado óptimo de la superficie de las obleas de carburo de silicio con una elevada MRR y unos índices de defectos mínimos, es fundamental que las partículas abrasivas mantengan unas interacciones elásticas elevadas con su superficie de destino, lo que resulta más difícil cuando el abrasivo es fijo, como en los procesos CMP de diamante.

El pulido triboquímico se ha utilizado con éxito para el acabado de muestras de carburo de silicio policristalino. La técnica elimina la necesidad de abrasivos y se basa en la disolución estimulada por fricción en un fluido reactivo adecuado, produciendo superficies libres de defectos (Ra =1nm) en superficies deslizantes de SiC por frotamiento contra una herramienta de hierro fundido en 3 peso% CrO3 solución.

La CMP consiste en mezclar agentes oxidantes en una pasta de pulido mientras que el abrasivo se suministra como material seco. Idealmente, su composición debe permanecer coloidalmente estable; eso significa mantener ambos componentes en suspensión durante periodos prolongados en el portador líquido.