振动辅助固结磨料抛光氟化钙晶体

为了改善氟化钙晶体加工后的表面质量、提高加工时的材料去除率,提出了振动辅助固结磨料抛光氟化钙晶体的加工方法。利用振动与固结磨料抛光有效结合,采用正交实验研究加工工艺参数对材料去除率和表面质量的影响。结果表明:振动辅助固结磨料抛光氟化钙晶体的最优工艺参数为转速40 r/min,振动频率40 kHz,抛光液pH值9,转速比0.95;在最优参数下抛光氟化钙晶体的材料去除率为324 nm/min,表面粗糙度S_a值为1.92 nm;与无振动辅助的固结磨料抛光相比,材料去除率提高了57%,表面粗糙度降低了35%。研究表明:振动辅助能够利用空化作用及规律化间歇性接触,在固结磨料抛光中提高材料去除率及表面质量。      

抛光垫表面微细结构对抛光性能的影响试验

抛光垫是影响抛光加工效率和表面质量的关键因素之一,但影响规律和作用机理尚不清晰。为研究抛光垫表面微细结构对抛光性能的影响规律,制作有、无固结磨料的表面六边形微细结构抛光垫,分别对YG15硬质合金、单晶Si和单晶4H-SiC三种硬度差异较大的工件进行抛光试验。结果表明：各抛光垫对不同硬度工件抛光效果的影响规律一致,随着抛光工件的硬度增大,各抛光垫的材料去除率（MRR）减小,表面粗糙度Ra增大。抛光垫内的固结磨料能将MRR提高5～10倍,但也会导致Ra增大5～20倍。抛光垫表面微细结构会使得抛光过程中有效接触面积Ap和有效磨粒数Ns减小而导致MRR下降,而抛光垫硬度的增加能够部分弥补抛光垫表面微细结构造成的影响,抛光工件硬度越大,弥补效果越好。增加游离磨料能够有效降低抛光后Ra并提高硬度较大工件的MRR（上升约8%）,但对硬度较小工件的MRR有抑制作用（下降约27%）。根据抛光试验结果,建立工件-磨料-抛光垫接触模型,深入分析抛光垫表面微细结构、表面硬度对不同硬度工件抛光MRR和表面质量的作用机理,为不同工件抛光时抛光垫的选择提供了理论基础。     

偏置量对固结磨料小工具头抛光面形收敛效率的影响

目的 解决自由曲面磨抛面形收敛困难的问题,提高抛光小工具头的抛光效率.方法 提出一种偏置式固结磨料小工具头,基于固结磨料小工具头的结构特征参数,建立抛光小工具头的去除函数理论模型,并进行仿真分析,应用定点抛光法建立抛光小工具头去除函数实验模型,并验证抛光小工具头理论去除函数合理性,基于CCOS技术原理建立工件表面定量去除模型,通过虚拟加工实验探索偏置量对固结磨料小工具头抛光钛合金后的面形收敛效率的影响.结果 归一化理论去除函数曲线与实验曲线吻合度较高,定点抛光去除函数仿真模型能够很好地预测定点抛光斑的去除轮廓形状.抛光小工具头抛光钛合金的面形误差随偏置量增加,呈现先减小、后增大的趋势,无偏置的抛光小工具头抛光后,面形数据均方根(RMS)收敛效率为54.56％,波峰值与谷峰值之差(PV)的收敛效率为60.21％,当抛光小工具头偏置量为1.5 mm时,抛光后的RMS收敛效率达到最高,为73.83％,PV收敛效率为69.68％.结论 固结磨料小工具头去除函数理论模型可指导确定性材料去除,偏置量为1.5 mm时的抛光小工具头具有最强的修正误差能力,可以显著提高固结磨料小工具头抛光工艺的面形收敛效率.     

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。     

精细雾化Cu-CMP抛光液抛光效果的试验研究

以磨料白炭黑、氧化剂H2O2、有机碱三乙醇胺、分散剂聚乙二醇为原料,通过正交设计的方法配制一系列抛光液,通过四甲基氢氧化铵调节抛光液的pH值为12,然后在研磨抛光机上对铜片进行超声波精细雾化化学机械抛光（CMP）。对抛光盘转速与材料去除率的关系进行了研究,并对传统抛光和雾化抛光效果进行了对比。试验结果表明,分散剂、白炭黑、有机碱、氧化剂对抛光去除率的影响依次减弱。随着抛光盘转速的增加,雾化抛光的去除率经历了先缓慢增加、再急剧增加、后缓慢增加的变化过程。在同等的试验条件下,传统抛光的去除率为223 nm/min,铜片表面粗糙度为7.93 nm,雾化抛光去除率和铜片表面粗糙度分别为125 nm/min和3.81 nm;虽然去除率略有不及前者,但抛光液用量仅为前者的十几分之一。     

双磨粒抛光单晶Si的分子动力学模拟

目的 通过分子动力学(MD)模拟,获得双金刚石磨粒抛光单晶Si的去除机理.方法 采用一种新的单晶硅三体磨粒抛光方法,测试双磨粒的抛光深度和横向/纵向间距对三体磨粒抛光的影响,从而获得相变、表面/亚表面损伤等情况,并获得抛光过程中温度及势能的变化情况.结果 对比抛光深度为1、3 nm时配位数的情况,发现抛光深度为1 nm时,抛光完成时相变的原子数是4319,而抛光深度为3 nm时,相变原子数为12516.随着磨粒在Si工件表面抛光深度的加深,抛光和磨蚀引起的相变原子和损伤原子的数目增加.仿真结果还表明,单晶Si相变原子的种类和数目随磨粒横向间距的增加而增加,随着纵向间距的增加反而减少.系统的初始温度设为298 K,抛光深度为1 nm时,抛光完成时的温度是456 K,而抛光深度为3 nm时,温度是733 K.抛光完成时,纵向组和横向组的温度仅相差30～40 K.在抛光深度、横向间距和纵向间距3个对照组中,抛光深度对亚表面损伤的影响最大.抛光深度为3 nm时,亚表面的损伤深度最大,从而导致更多的材料从单晶Si工件表面去除.结论 双磨粒的抛光深度和间距不仅对硅的表面微观结构产生影响,还对相变产生影响.模拟参数相同时,较大的抛光深度和横向间距下会产生更多的相变原子,因此相变受抛光深度的影响最大,受纵向间距的影响最小.     

固结磨料研磨与抛光的研究现状与展望

分析了传统游离磨料研磨抛光存在的缺点和固结磨料的研磨抛光的优点;阐述了固结磨料研磨抛光的材料去除机制以及固结磨料研磨盘抛光技术在氮化硅陶瓷加工、半导体制程中的应用;介绍了多种固结磨料研磨盘、抛光垫的制作方法;并展望了固结磨料的研磨抛光的发展趋势。     

玻璃材料高速抛光用固着磨料磨具试验研究

目的实现玻璃材料的高效高质量低成本抛光。方法选择不同添加剂作为辅料制作固着磨料抛光磨具,阐明制作工艺流程、添加剂辅料配方及比例、固着磨料磨具对材料硬度、剪切强度等性能的影响。以工件材料去除率、表面质量以及磨耗比等作为评价指标分析不同添加剂辅料对加工效果的影响,并通过等效系数优化方法确定添加剂辅料的最优配方。结果碳化硅与钼酸铵可增加磨具的硬度和剪切强度,磨具中加入适量氧化铝可有效提高工件表面质量。结论固着磨料抛光磨具的添加剂辅料最优配方为:10.6%(质量分数)4000#Al2O3和2%(质量分数)10000#SiC。     

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.     

抛光垫特性对硬质合金刀片CMP加工效果的影响

目的研究不同种类的抛光垫对硬质合金刀片表面化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing/Planarization,CMP)加工过程的影响,为实现硬质合金刀片高效精密CMP加工提供有效参考。方法利用Nanopoli-100智能抛光机,通过自制的Al2O3抛光液,分别采用9种不同种类的抛光垫对牌号为YG8的硬质合金刀片进行CMP实验,将0~40、40~80、80~120 min三个加工阶段获得的材料去除率和表面粗糙度进行对比,同时观察最佳的表面形貌,分析抛光垫特性对CMP加工效果的影响。结果在抛光转速60 r/min,抛光压力177.8 k Pa的实验条件下,9种不同类型的抛光垫中仅有5种适合用于YG8硬质合金CMP加工。而且抛光垫的表面粗糙度在YG8刀片CMP加工过程中的影响最为显著,抛光垫表面粗糙度越高,CMP加工的材料去除率越高。此外,抛光垫的使用时间对CMP过程也有影响,抛光垫使用时间越长,CMP的材料去除率越小。结论 YG8硬质合金刀片经5种不同类型抛光垫CMP加工后,其表面的烧伤、裂纹等缺陷均得到了极大改善。当使用细帆布加工40 min时,材料去除率最高,为47.105 nm/min;当使用细帆布加工80min时,表面粗糙度最低,为0.039μm。     

磨粒尺寸和基体硬度对固结磨料抛光YAG晶体的影响

钇铝石榴石(YAG)是一种应用广泛的硬脆难加工材料，其抛光过程工艺复杂、效率低。固结磨料抛光技术具有平坦化能力优、对工件形貌选择性高、磨料利用率高等优点。试验采用固结磨料抛光YAG晶体，研究固结磨料垫的基体硬度和金刚石磨粒尺寸对YAG晶体的材料去除率和表面质量的影响。结果表明:当基体硬度适中为Ⅱ、金刚石磨粒尺寸3～5 μm时，固结磨料抛光YAG晶体效果最优，其材料去除率为255 nm/min，表面粗糙度S_a值为1.79 nm。      

一种玻璃抛光用新型抛光盘的研究

研究了一种用于玻璃抛光的新型抛光盘。该抛光盘用不饱和聚酯树脂做结合剂,用环烷酸钴和过氧化甲乙酮组成促进引发体系,以氧化铝-氧化铈新型核壳复合磨粒作磨料,以硫酸镁做造孔剂,以铜粉、碳化硅作为导热填料,以钼酸铵作为活性抛光剂。其成品成本较低,磨削效率高,抛光面平整度好,没有裂纹、亮丝、划痕,可以达到稀土抛光盘的抛光效果。     

Process mechanism in ultrasonic cavitation assisted fluid jet polishing

Material removal rate in fluid jet polishing is significantly enhanced when ultrasonic cavitation bubbles are introduced at the nozzle outlet. In this paper, two theories are put forward to explain the process mechanism: a micro-scale hypothesis in which the surface is micro-jetted by collapsing bubbles, and a macro-scale hypothesis in which vibration of the fluid in the impingement region increases abrasive particle erosive action. Experimental investigation suggests the higher likelihood of the macro-scale phenomenon, and a material removal model is proposed accordingly. Process footprints simulated by this model were found to agree well with experimental measurements.     

单层磨料凝胶抛光垫的加工性能研究

目的 研究单层磨料凝胶抛光垫的加工性能,为提高磨料利用率以及降低磨料对凝胶基体的破坏提供解决思路.方法 使用自行搭建的测力装置,对磨粒与基体的界面结合强度进行研究,分析磨料粒度和偶联剂对界面结合强度的影响,研究磨料粒度和结合剂厚度对磨粒附着的影响,并将制备的单层磨料凝胶抛光垫与常规多层磨料凝胶抛光垫分别在湿抛光和干抛光工艺条件下加工碳化硅衬底,对比两者的材料去除率、表面粗糙度和工具的磨损情况.结果 200/230目金刚石磨粒的界面结合强度是80/100目的4倍有余,添加偶联剂后,80/100目金刚石磨料与基体的界面结合强度提高了75％.粗粒度的W40多层磨料容易破坏凝胶基体的结构,而细粒度的W5单层磨料不会破坏凝胶基体结构,且单层磨料工具的凝胶体涂覆厚度应低于0.6 mm.湿抛光条件下,单层磨料工具能达到多层磨料工具的抛光效果;干抛光条件下,单层磨料工具的材料去除率相比多层磨料工具提升11.5％;湿抛光和干抛光条件下,单层磨料凝胶工具的耐磨性都显著强于多层磨料工具.结论 单层磨料凝胶工具在湿抛光条件下具有与多层磨粒凝胶工具等效的加工能力,但是在干抛光条件下,单层磨料凝胶工具的加工能力和使用寿命要显著优于多层磨料凝胶工具.     

固结磨料抛光垫作用下的材料去除速率模型

在对研磨抛光过程作出适当简化的基础上，推导出了固结磨料研具研磨抛光工件的去除速率模型，并进行了数值模拟。结果表明：固结磨料研磨加工时的去除速率不仅与工件的材质有关，还与固结磨料研磨盘的结构与加工参数相关；去除速率与相对速度V成正比，与压力的3／2次方成正比，与磨料直径成反比，并随着凸起间距的增加而下降。     

基于叶序仿生抛光垫的化学机械抛光的运动分析

为了改善化学机械抛光的接触状态和被加工工件的表面形态,基于生物学的叶序理论设计了仿生结构的抛光垫。从单颗磨粒切削理论出发,建立了抛光运动方程和材料去除率分布模型。利用所建立的运动方程和材料去除率分布模型进行了晶片表面材料去除率分布的计算分析,得到抛光机的运动参数及抛光垫的叶序参数对材料去除率的影响规律。结果表明:当抛光盘的转速较大、工件转速适中、摆臂摆动频率较小、摆臂中心角较小及叶序参数取值较小时可以获得更好的材料去除分布。     

固结磨料抛光垫的凸起图案对其加工性能的影响

抛光垫是化学机械抛光中的重要组成部分,其磨损均匀性能是影响加工后工件平面度的重要因素。本文比较了具有优化凸起图案的固结磨料抛光垫、凸起均布的固结磨料抛光垫和聚氨酯抛光垫的研磨抛光性能,结果表明:利用优化凸起图案的固结磨料抛光垫加工,可以得到更加优异且稳定的表面质量,材料去除效率远高于聚氨脂抛光垫游离磨料的加工方式。     

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。      

磨料射流表面抛光研究综述

作为精密超精密光学制造工艺过程中的一个重要环节,各种新型表面抛光方法与工艺始终吸引着科研人员不断深入研究与探索。磨料射流抛光方法为小型复杂零件的表面抛光提供了一个新思路,成为精密超精密光学加工技术的重要组成部分。对磨料射流表面抛光过程中衍生的磨料水射流抛光、磁射流抛光、负压吸流抛光、磨料气射流抛光、冰粒水射流抛光、纳米胶体射流抛光的抛光原理、方法及特点进行了综述,分析了各射流表面抛光技术材料去除的最新发展;从加工原理、磨料选择、抛光精度、数学模型等方面对上述新型射流抛光技术进行深入分析与比较,其中磁射流抛光、纳米胶体射流抛光、磨料水射流抛光的抛光精度较高,可以实现表面粗糙度纳米级的超精密抛光,而磨料气射流抛光、冰粒射流抛光从加工成本上来讲则相对较低。最后,对磨料射流表面抛光在去除函数优化、精度效率的提高、应用范围扩展、在线检测、商业化应用等方面的发展趋势进行了预测。     

硬质合金刀具材料化学机械抛光机理研究

目的研究硬质合金刀具材料化学机械抛光(CMP)机理,为改善硬质合金刀具表面质量提供理论支持。方法分析硬质合金刀具材料在酸性抛光液中的化学反应,研究硬质合金刀具材料CMP的化学反应机理。基于接触力学理论计算抛光垫与工件的实际接触面积和单个磨粒的实际切削面积,在运动学分析的基础上,建立硬质合金刀具材料CMP的材料去除率模型,通过实验验证材料去除率模型的有效性。结果在酸性抛光液中,硬质合金被氧化成Co_3O_4。当工件、抛光垫、磨粒类型、工件安装位置确定时,材料去除率与抛光载荷、磨粒浓度和抛光盘转速有关。常用硬质合金抛光条件下,抛光YG8刀具的修正系数Kcm为8.53,抛光后刀具的最低表面粗糙度能达到48nm,材料去除率为62.381nm/min,材料去除率的理论值和实验值的最大相对误差为13.25%,消除了表面缺陷,获得了较好的镜面效果。结论建立的材料去除率模型具有一定的有效性,对硬质合金刀具材料进行化学机械抛光能消除刀具的表面缺陷,改善表面质量。