Polimento de carbeto de silício

O carbeto de silício é um dos materiais mais duros da Terra, perdendo apenas para o diamante e o nitreto cúbico de boro. Devido à sua extrema dureza, o carbeto de silício é um material ideal para lapidação de cerâmica, retificação de metais não ferrosos e rebarbação de materiais.

A mídia de jateamento de óxido de alumínio pode cortar facilmente superfícies pintadas e muitos tipos de madeira, mas pode se desgastar mais rapidamente quando usada em materiais mais duros, como metais.

Abrasivo

O carbeto de silício é um dos materiais mais duros depois do diamante, portanto, não é surpresa que esse material seja um excelente abrasivo. O carbeto de silício pode ser visto sendo usado com frequência em aplicações de lixamento e jateamento em aplicações de lixamento industrial, bem como em processos de polimento químico-mecânico (CMP).

O pó de carbeto de silício preto é amplamente utilizado para polir semicondutores e componentes eletrônicos, cerâmicas e metais não ferrosos duros, sendo útil até mesmo na metalurgia devido à sua excelente resistência a altas temperaturas e a choques térmicos.

Devido às suas propriedades de dureza, resistência ao desgaste e condutividade térmica, o diamante é usado como ferramenta de corte em aplicações de usinagem e perfuração. Disponível em tamanhos de grão fino a grosso, o diamante costuma ser a melhor opção quando se trabalha com materiais de baixa resistência à tração, como vidro, cerâmica e pedra.

O carbeto de silício verde é mais friável do que sua contraparte preta e se assemelha mais ao óxido de alumínio. É comumente usado para aplicações de lixamento úmido e seco em aplicações de polimento automotivo; outros usos incluem lixamento úmido e seco entre camadas de acabamento em projetos de marcenaria; rebarbação de metal e vidro; bem como repintura de pisos de madeira.

O polimento químico-mecânico (CMP) é uma técnica consagrada para criar superfícies com planarização global superior sem danos à subsuperfície. O CMP exige uma interação equilibrada entre a oxidação da superfície e a remoção da camada de óxido - seus oxidantes determinam a eficiência da oxidação da superfície, enquanto suas partículas abrasivas contribuem com a força mecânica para o polimento.

Para maximizar o MRR, é fundamental que o abrasivo seja espalhado uniformemente por todas as superfícies de um wafer, capaz de criar forças mecânicas consistentes em toda a sua extensão. Portanto, a pasta de CMP deve conter faixas de pH específicas que foram cuidadosamente calibradas em relação às asperezas e estruturas da pastilha para obter os melhores resultados.

Os abrasivos cerâmicos provaram ser a opção mais eficiente e econômica para aplicações de polimento em alta velocidade, principalmente em fundições de alumínio, escamas de aço doce, ligas de titânio e outros substratos duros. Utilizamos nossos abrasivos cerâmicos em várias máquinas em nossas instalações - particularmente eficazes em peças fundidas de alumínio, escamas de aço doce e ligas de titânio.

Agente oxidante

Os agentes oxidantes desempenham um papel fundamental na CMP, fornecendo uma força química que empurra os abrasivos e as camadas de óxido das superfícies de carbeto de silício. Para obter os melhores resultados, um oxidante eficaz deve permanecer ativo dentro de determinados valores de pH a fim de obter uma superfície atomicamente plana com altas classificações de MRR; as interações eletrostáticas entre os wafers de carbeto de silício e as partículas também afetam sua eficácia.

Permanganato, hidróxido de potássio e ácido nítrico são ideais para o polimento de carbeto de silício. O permanganato pode ser adicionado diretamente à pasta, enquanto o hidróxido de potássio é mais eficaz quando adicionado como solução de formiato de sódio. O ácido nítrico requer um manuseio especial; sua concentração adequada deve ser adicionada à pasta para evitar a decomposição de seu componente de oxigênio ativo.

O óxido de grafeno (GO), uma maneira fácil e rápida de formar radicais OH quando reduzido, gera mais oxidantes do que sua contraparte tradicional de TiO2 e melhora a eficiência da oxidação e a MRR em cerca de 20%. A simples adição de alguns miligramas de GO trará essas vantagens.

Um fator essencial para a criação de uma superfície atomicamente plana é a seleção de uma composição de pasta adequada. De acordo com alguns pesquisadores, para o 4H-SiC, alguns pesquisadores sugerem o uso de pastas à base de SiO2 e Al2O3; sua combinação proporciona uma força mecânica mais forte, o que ajuda a criar uma superfície atomicamente plana; além disso, o uso de SiO2 reduz as interações eletrostáticas que poderiam causar danos com o uso de um abrasivo à base de Al2O3.

Além de escolher um oxidante, a seleção de um abrasivo eficaz é fundamental para otimizar o MRR. O óxido de alumínio é ideal nesse sentido, pois oferece durabilidade e permeabilidade superior à lama - além disso, seu uso é seguro em ambientes úmidos ou voláteis.

O polimento triboquímico também pode ser um meio eficiente de produzir uma superfície ultralisa e sem danos em nitreto de silício. A técnica envolve esfregar o material a ser polido contra uma superfície dura e lubrificada, enquanto o atrito induz reações de dissolução que produzem moléculas de água, dissolvendo assim o material sem a necessidade de abrasivos. O polimento triboquímico tem a capacidade de atingir taxas máximas de retorno de até 80 nm h-1 com esse tipo de polimento.

Composição química

O polimento de carbeto de silício requer uma pasta de polimento aquosa que consiste em um abrasivo e um agente oxidante; normalmente, o sol de sílica disperso na pasta é a fonte. Enquanto isso, um composto orgânico ou inorgânico serve para converter sua superfície em um estado mais reativo que estimula a ligação química entre o substrato e o abrasivo, permitindo a remoção mais rápida do material e a proteção da superfície do substrato contra danos por abrasão mecânica.

O carbeto de silício é usado como abrasivo e pó de moagem em processos como corte a jato de água e jateamento de areia, em que grãos grossos são frequentemente empregados nessas operações. Os refratários feitos de carbeto de silício também podem servir como substitutos do ferro fundido em fornos industriais ou como ingredientes em ligas de aço; seu ponto de fusão, resistência a choques/corrosão, força, durabilidade e condutividade térmica o tornam atraente como opção de material.

Produzido por meio da fundição de monóxido de silício derivado de gás natural ou carvão usando o processo Lely. Uma mistura de areia de sílica pura com carbono de coque moído formada em torno de um condutor elétrico em um forno de resistência elétrica é alimentada com corrente elétrica para desencadear reações químicas que produzem carbeto de silício.

O carbeto de silício pode assumir formas monocristalinas ou policristalinas, sendo que dois polimorfos de interesse especial são o carbeto de silício alfa (a-SiC), com sua estrutura cristalina de Wurtzite, e o carbeto de silício beta, com estrutura cristalina de blenda de zinco - ambos têm alta reatividade, o que os torna materiais valiosos na produção de catalisadores heterogêneos.

A presente invenção apresenta um método de preparação de pasta de polimento de carbeto de silício. As etapas incluem a adição de agentes dispersantes, aceleradores, agentes tamponantes de pH, agentes umectantes e agentes complexantes sequencialmente em água deionizada enquanto se agita uniformemente e, em seguida, mistura-se gradualmente os abrasivos de sol de sílica antes de finalmente envelhecer a mistura por 30 a 60 minutos antes de adicionar o abrasivo de sol de sílica.

Método

O carbeto de silício é um material extremamente duro com muitos usos em uma ampla variedade de campos. É mais comumente produzido na forma de pó e utilizado para lixamento fino, corte com jato de água, jateamento de areia, modelagem e polimento de outros materiais, além de aplicações mais grosseiras, como rebarbação de metais e vidros e repintura de pisos de madeira. Além disso, o carbeto de silício é frequentemente incluído como parte dos processos de polimento químico-mecânico (CMP) para soluções adicionais de polimento abrasivo (ACP).

O CMP (polimento químico-mecânico) é o processo de lixar mecanicamente as superfícies para planificar e desfazer os danos causados por etapas anteriores, como lixamento ou gravação. O CMP usa uma almofada de polimento embebida em uma composição ou pasta de polimento contendo um agente oxidante e um abrasivo, que entra em contato com a superfície do substrato, criando atrito para remover as camadas danificadas e expor o novo material por baixo.

Os agentes oxidantes ajudam a reduzir a quantidade de abrasão mecânica necessária para atingir os níveis desejados de planarização da superfície, auxiliando na dissolução do material do substrato e diminuindo os danos mecânicos a ele. Além disso, o agente oxidante também acelera a cinética do polimento, acelerando a interação das partículas abrasivas com as superfícies do substrato.

Para obter o acabamento ideal da superfície da pastilha de carbeto de silício com alto MRR e taxas mínimas de defeitos, é fundamental que as partículas abrasivas mantenham interações altamente elásticas com a superfície-alvo - isso é mais desafiador quando o abrasivo é fixo, como nos processos de CMP com diamante.

O polimento triboquímico foi usado com sucesso para dar acabamento a amostras de carbeto de silício policristalino. A técnica elimina a necessidade de abrasivos e se baseia na dissolução estimulada por fricção em um fluido reativo apropriado, produzindo superfícies livres de defeitos (Ra =1nm) em superfícies deslizantes de SiC por meio da fricção contra uma ferramenta de ferro fundido em uma solução de CrO3 de 3 peso%.

A CMP envolve a mistura de agentes oxidantes em uma pasta de polimento, enquanto o abrasivo é fornecido como material seco. O ideal é que sua composição permaneça coloidalmente estável, o que significa manter os dois componentes suspensos por longos períodos no veículo líquido.