三体抛光单晶硅表面原子的分子动力学仿真

为阐明双金刚石磨粒在三体抛光过程中的抛光机理、材料去除机理以及单晶硅原子的演变机理,研究建立了三维的三体抛光模型,利用分子动力学仿真了双磨粒抛光单晶硅的过程,通过改变两个磨粒之间的横向距离和抛光深度来分析其对温度、势能、配位数、抛光力和表面形貌的影响.仿真结果表明,抛光深度是影响温度的主要因素,磨粒之间的横向间距对系统...     

双磨粒微切削单晶γ-TiAl合金的材料去除机制

为了分析磨削过程中单晶γ-TiA l合金的材料去除机制,建立了双磨粒磨削Ti-Al合金的分子动力学模型。揭示了金刚石磨粒的横向间距和纵向间距对单晶γ-TiA l合金材料去除机制的影响。结果表明:单晶γ-TiA l合金的微切削过程中伴随有温度、势能、位错的变化以及晶格结构的转变;切削力、切削温度、势能以及去除效率随着横向间距的增加而增大,但受纵向间距的影响较小;晶格转变的原子数随横向间距的增加而增大,随纵向间距的增加而减小;随着横向间距和纵向间距的增加,位错数量、位错总长度以及位错密度相应增大。     

双磨粒微切削单晶γ-TiAl合金的材料去除机制（英文）

为了分析磨削过程中单晶γ-TiA l合金的材料去除机制,建立了双磨粒磨削Ti-Al合金的分子动力学模型。揭示了金刚石磨粒的横向间距和纵向间距对单晶γ-TiA l合金材料去除机制的影响。结果表明:单晶γ-TiA l合金的微切削过程中伴随有温度、势能、位错的变化以及晶格结构的转变;切削力、切削温度、势能以及去除效率随着横向间距的增加而增大,但受纵向间距的影响较小;晶格转变的原子数随横向间距的增加而增大,随纵向间距的增加而减小;随着横向间距和纵向间距的增加,位错数量、位错总长度以及位错密度相应增大。     

基于控制研磨深度的金刚石研磨质量分析

为了探究金刚石器件在机械研磨过程中原子层面的材料表面成形和亚表面损伤机制,利用分子动力学（molecular dynamics,MD）方法建立金刚石多磨粒研磨金刚石工件的模型,仿真研究金刚石材料表面成形的过程,并对比不同研磨深度对研磨力、材料回弹率和材料亚表面损伤的影响规律。分析表明：堆积在磨粒之间的切屑原子具有微研磨的作用,磨粒之间的相变区在研磨的作用下逐渐融合在一起,形成金刚石材料的加工表面;分别以h=0.36 nm、0.71 nm、1.07 nm、1.43 nm的研磨深度进行研磨,研磨深度超过0.71 nm后才能有效抑制金刚石晶体材料回弹,但增大研磨深度会增加金刚石工件表面堆积原子,不能改善其表面研磨质量;研磨深度在0.71 nm范围内的金刚石亚表层损伤较小且稳定,超过0.71 nm的研磨深度会使损伤快速增大,且会出现超过3.00 nm的大纵深损伤。     

金刚石磨粒在石墨烯润滑下三体抛光单晶硅的分子动力学研究

为了提高单晶Si材料在抛光时表面和亚表面完整性的目标。该研究中,使用分子动力学(MD)模拟金刚石磨粒在石墨烯润滑下三体抛光单晶Si的机械抛光方法。在相同的加工参数下调整抛光速度将结果进行比较。研究了纳米抛光过程中抛光力,原子位移,配位数,温度,势能,摩擦系数的数值发展和抛光表面形貌变化。分析表明,较大的抛光速度明显导致较高的温度和较高的势能。然而,较小的抛光速度并不会导致更少的缺陷原子和Bct5-SI/SI-II类型原子,以及较低的材料去除效率。最后,石墨烯润滑的三体抛光单晶硅可以很好的改善表面质量,减小材料的去除效率。     

基于双自激振荡腔室磨粒流抛光的流体脉冲特性研究

目的 自激振荡脉冲磨粒流抛光方法主要应用于型腔零件内表面的抛光,为进一步增强抛光液的自激振荡脉冲特性,以提高抛光效率,提出一种基于双自激振荡腔室的磨粒流脉冲特性抛光方法.方法 利用串联的两个自激振荡腔体,对抛光液的流体脉冲特性进行二次放大,增强抛光液的峰值速度以及湍流动能.利用数值模拟分析双自激振荡腔室的脉冲特性,搭建串联式双自激振荡腔室磨粒流脉冲特性抛光实验平台,实验验证新增一个自激振荡腔室对提高抛光液脉冲特性的有效性.结果 仿真结果表明,双自激振荡腔室有增大峰值速度的作用,从单个腔室的66.8 m/s增加到了76.8 m/s.对直径为6 mm的不锈钢管内表面进行抛光的实验结果表明,在相同的实验条件下,加工10 h,采用双自激振荡腔室抛光的工件内表面粗糙度Ra从452 nm降低到了42 nm,且内表面具有显著的镜面效果;而采用单个自激振荡腔室加工的不锈钢管内表面粗糙度Ra降到了100 nm,内表面相对暗淡,还需要继续抛光2 h才能达到42 nm.同时,实验还证明了流体的脉冲特性在流道中存在衰减.结论 通过数值模拟与实验分析验证了双腔室自激振荡磨粒流抛光方法的有效性,具有进一步增强抛光液峰值速度及湍动能的效果.为充分利用自激振荡脉冲特性,需要将工件安装在靠近腔体下游出口处.     

固结磨料研磨K9玻璃亚表面损伤层深度测量方法研究

光学工件研磨后亚表面损伤层深度是确定其抛光加工余量的重要依据。采用三种典型的光学材料亚表面损伤层深度测量方法(BOE分步腐蚀法、BOE差动腐蚀法、磁流变抛光斑点法),测量比较了固结磨料研抛垫(FAP)研磨后K9玻璃的亚表面损伤层厚度;建立了亚表面损伤模型,分析比较测量误差产生的原因。结果表明:在实验条件下,BOE分步腐蚀法测量精度优于其他两种方法;BOE分步腐蚀法、磁流变抛光斑点法、BOE差动腐蚀法的测量精度分别约为0.1nm、17nm、200nm;亚表面损伤层总深度与其裂纹深度之间存在对数关系。     

蓝宝石衬底CMP中氧化硅磨粒粒度分布对抛光液体系性能影响研究

目的 化学机械抛光(CMP)包含化学腐蚀和机械磨削两方面,抛光液pH、磨粒粒径和浓度等因素均会不同程度地影响其化学腐蚀和机械磨削能力,从而影响抛光效果。方法 采用30~150 nm连续粒径磨粒抛光液、120 nm均一粒径磨粒抛光液、50 nm和120 nm配制而成的混合粒径磨粒抛光液,分别对蓝宝石衬底晶圆进行循环CMP实验,研究CMP过程中抛光液体系的变化。结果 连续粒径磨粒抛光液中磨粒大规模团聚,满足高材料去除率的抛光时间仅有4 h,抛光后的晶圆表面粗糙度为0.665 nm;均一粒径磨粒抛光液中磨粒稳定,无团聚现象,抛光9 h内材料去除率较连续粒径磨粒抛光液高94.7%,能至少维持高材料去除率18 h,抛光后的晶圆表面粗糙度为0.204 nm;混合粒径磨粒抛光液初始状态下磨粒稳定性较高,抛光9 h内材料去除率较连续粒径磨粒抛光液高114.8%,之后磨粒出现小规模团聚现象,后9 h材料去除率仅为均一粒径磨粒抛光液的59.6%,18 h内材料去除率仅为均一粒径磨粒抛光液的87.7%,但抛光后的晶圆表面粗糙度为0.151 nm。结论 一定时间内追求较高的材料去除率和较好的晶圆表面粗糙度选用混合粒径磨粒抛光液,但需要长时间CMP使用均一粒径磨粒抛光液更适合,因此,在工业生产中需要根据生产要求配合使用混合粒径磨粒抛光液和均一粒径磨粒抛光液。     

磨粒半径对金刚石研磨加工影响机制的仿真研究

为解析金刚石磨粒尺寸变化对金刚石材料研磨质量的影响机制,利用分子动力学方法建立球形刚性金刚石磨粒研磨金刚石工件的模型,研究不同磨粒半径下的磨削力变化规律和应力、相变分布。结果表明: 磨粒半径从6a增大到20a(a为金刚石晶格常数),磨削平均法向力和平均切向力均线性增加,但平均法向力增量为平均切向力的3倍;磨粒与工件间的剪切作用相对挤压和摩擦的作用越来越小,且磨削力波动幅度变大表明工件的位错形成更剧烈;同时,磨粒前下方形成的强压应力区和磨粒后方由摩擦引起的集中拉应力区增大,非晶相变区域增大,研磨区后方缺陷增多,工件的加工表面质量变差。当半径为10a、15a和20a的磨粒压入深度为2 nm时,磨粒刻划后的工件表面显微硬度比未刻划时的有所降低,分别减少2.8%、9.6%和18.3%,即磨粒半径增大会显著降低工件表面力学性能。      

单晶SiC基片干式摩擦化学机械抛光初探

针对碳化硅(SiC)基片在抛光过程中效率低、费用高、环境污染大等问题,提出了一种在干式状态下对SiC基片进行摩擦化学机械抛光的方法(dry tribochemical mechanical polishing,DTCMP)。探究不同工艺参数(磨料种类、磨粒粒径、磨粒含量、抛光盘转速、抛光载荷、固相氧化剂含量)对单晶SiC基片抛光效率和表面质量的影响规律。研究结果表明：金刚石磨粒更适合SiC的摩擦化学机械抛光;当磨粒粒径为W1,磨粒质量为4 g,抛光盘转速为70r/min,抛光载荷为20.685 k Pa,固相氧化剂过碳酸钠添加量为10g时,其为最优工艺参数。采用最优工艺参数对表面粗糙度约为20nm的单晶6H-SiC基片进行干式抛光加工,最终获得表面粗糙度R_a为3.214 nm。DTCMP方法抛光SiC基片比水基抛光法热量损失少,所产生的界面温度更高,反应所需的活化能更低,可以实现SiC基片的绿色、高效和高质量抛光。     

Damage mechanisms during lapping and mechanical polishing CdZnTe wafers

CdZnTe wafers were machined by lapping and mechanical polishing processes, and their surface and subsurface damages were investigated.The surface damages are mainly induced by three-body abrasive wear and embedded abrasive wear during lapping process. A new damage type, which is induced by the indentation of embedded abrasives, is found in the subsurface. When a floss pad is used to replace the lapping plate during machining, the surface damage is mainly induced by two-body abrasive and three-body abrasive wear, and the effect of embed-ded abrasives on the surface is greatly weakened. Moreover, this new damage type nearly disappears on the subsurface.     

抛光垫及抛光液对固结磨料抛光氧化镓晶体的影响

氧化镓晶体具有高禁带宽度、耐高压、短吸收截止边等优点,是最具代表性的第四代半导体材料之一,具有广阔地应用前景。氧化镓晶体抛光过程易出现微裂纹、划痕等表面缺陷,难以实现高质量表面加工,无法满足相应器件的使用要求,且现有的氧化镓晶体抛光工艺复杂、效率低。固结磨料抛光技术具有磨粒分布及切深可控、磨粒利用率高等优点。采用固结磨料抛光氧化镓晶体,探究抛光垫基体硬度、磨料浓度和抛光液添加剂对被抛光材料去除率和表面质量的影响。结果表明:当抛光垫基体硬度适中为Ⅱ、金刚石磨粒浓度为100%、抛光液添加剂为草酸时,固结磨料抛光氧化镓晶体的材料去除率为68 nm/min,表面粗糙度S_a为3.17 nm。采用固结磨料抛光技术可以实现氧化镓晶体的高效高质量抛光。      

超声复合磨料振动抛光方法有限元分析与实验

为研究超声复合磨料振动抛光方法对工件表面材料去除量与工件表面粗糙度的影响,分析了超声复合磨料振动抛光方法;并利用ANSYS Workbench软件分别分析了超声振动条件下和超声复合磨料振动条件下工件表面结构与应力变化情况,同时在超声复合磨料振动条件下通过实验验证超声复合磨料振动抛光技术对工件表面材料去除量与工件表面粗糙度的影响程度。结果表明:超声复合磨料振动条件下工件表面位移小于超声振动条件下的工件表面位移,超声复合磨料振动条件下工件表面应力大于超声振动条件下的工件表面应力;在超声复合磨料振动条件下,影响工件表面粗糙度最显著的因素是磨料质量分数,影响工件表面材料去除量最显著的因素是抛光时间,且磨料质量分数为30%、抛光时间为4 h时,抛光效果最佳。     

Non-abrasive polishing of glass

Supersmooth surfaces are often needed in high- and new-technology products. The traditional polishing method to obtain supersmooth surfaces is abrasive polishing. In this paper, a new kind of polishing method, non-abrasive polishing (NAP), is presented. The polishing wheel of NAP is made of ice that is frozen deionized water, so there is no abrasive in the polishing wheel. Compared with traditional polishing methods, NAP can obtain Ångström-order surface roughness values free from microscratches and subsurface cracks. Based on adhesion theory, the material removal mechanism of NAP is presented in the paper. The paper also analyzes the polishing equipment and processing technique of NAP. The best surface roughness, R_a=0.48 nm, of K9 glass is obtained using NAP. According to the relationship between surface roughness and adhesion, the surface roughness fluctuation phenomenon is explained in the paper. The surface roughness fluctuation phenomenon is expected to be avoided by measuring the fractal dimension of the polished surface.     

Study on removal mechanism and removal characters for SiC and fused silica by fixed abrasive diamond pellets

Fixed abrasive is known as a high-efficient and stable technique for fabricating various materials. This work studies the removal mechanism and removal characters of fixed abrasive diamond pellets (FADPs) for lapping SiC and fused silica. The critical sizes of diamond particles changing brittle fracture to ductile removal (with better surface roughness and less damages) are figured out for SiC (9.56 μm) and fused silica (0.53 μm). Multi-distribution models are presented and a mathematical removal model is built based on Preston law. Then, removal characters of FADPs are investigated, including removal profile, removal rate, linear removal, removal stability, surface roughness, subsurface damage etc. Results show that (i) the removal shape is predictable and the removal rate is highly correlative with diamond size, velocity and pressure; (ii) the cumulative removal is temporally linear and removal stability is within ±10%; (iii) SiC can be ductilely lapped by 1.5, 3, 5 μm pellets, with best roughness Ra=4.8 nm and a specular surface for optical metrology; (iv) removal of fused silica is mostly brittle fracture and it can change as semi-ductile by 1.5 μm pellets, with a non-specular or semi-specular surface which is hard for optical metrology; (v) subsurface damage is highly dependent on diamond size, but free to pressure and velocity. Finally, two engineering applications validated its feasibility in uniform or deterministic lapping/polishing of optical mirrors.