通过扫描电子显微镜在线观察、应力辅助和离子注入辅助方法研究 6H-SiC 纳米切削机理*

1. 概述

        本文通过一种新型的扫描电子显微镜装置研究了6H-SiC单晶的纳米切割机理。在纳米切割实验中，采用了（0001）<1-100>取向上的各种未变形晶片厚度。还对6H-SiC纳米切削过程中的相变和位错活动进行了表征和分析。研究了应力辅助和离子注入辅助两种方法来提高6H-SiC的韧性加工能力。结果表明，应力辅助方法可以有效降低静水应力，有助于激活位错运动和韧性加工，在在线观察平台下的分子动力学模拟和连续纳米切削实验表明，离子注入损伤有助于提高韧性加工能力。

2. 样品制备

        本研究使用的样品为n型单晶6H-SiC（来自中芯晶研），厚度为330μm，尺寸为5mm×5mm。为了便于在线观察纳米切割过程，采用58.79 nm/s的切割速度，离子注入辅助纳米切割实验采用1.4 mm/s的切割速度。切削取向为单晶6H-SiC的C面(0001)<1-100>。

        在SEM/FIB（聚焦离子束）双束系统中采用高真空条件下的切割装置进行了6H-SiC的纳米切割实验，如图1（a）所示。该装置可用于实现 7 μm 的位移，在切割和深度方向上闭环控制分辨率均为 0.6 nm。借助SEM可以实现纳米切削过程的在线观察。采用FIB技术对具有直切削刃、切削刃半径为66 nm的单晶金刚石切削刀具进行了实验，如图1（b）所示。

图1 实验装置：（a） SEM中集成的纳米切削阶段；（b）金刚石刀具的形态；（c） 3C SiC样品的EBSD图案

        通过电子背散射衍射（EBSD）和拉曼光谱研究了加工表面。相变使用牛津仪器EBSD系统进行分析，步长为0.1μm。拉曼光谱由HORIBA Scientific使用 638 nm 激光波长进行。

3. 结论

        在扫描电镜在线观察下进行了纳米切削实验，研究了去除效果6H-SiC的机理。通过EBSD、TEM和拉曼光谱研究了加工区的相变、亚表面损伤层厚度和堆垛层错密度。表征结果表明，经过纳米切割后，6H-SiC结构部分转变为15R-SiC晶体结构和非晶相。未变形晶片厚度为90nm的加工6H-SiC的亚表面非晶层厚度约为23nm。

        结果表明，应力辅助法能有效地降低静水应力，有助于激活刀具切削刃前的位错运动和韧性加工。分子动力学模拟和连续纳米切削实验表明，离子注入引起的损伤有助于提高6H-SiC的韧性加工能力。

        更多SiC晶片信息或疑问，请邮件咨询：vp@honestgroup.cn