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。     

LiTaO3晶片CMP过程工艺参数研究

采用不同抛光条件抛光LiTaO3晶片,通过测量其加工表面粗糙度和材料去除率,探讨了化学机械抛光去除机理,分析了抛光垫材料和状态、抛光压力、抛光盘转速等因素对LiTaO3晶片抛光表面质量和材料去除率的影响规律,并获得了LiTaO3晶片CMP加工的有效工艺参数.实验表明,为获得LiTaO3晶片超精密表面,可采用沥青和平绒布抛光垫进行粗抛和精抛,然后采用旧无纺布(抛光垫)进行终抛,获得较大工件去除率和较光滑表面,得到良好的综合抛光效果.在修正环型超精密抛光机上,理想的LiTaO3工艺参数为:抛光压力为7.25 kPa,抛光盘转速为60rpm.     

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。     

化学机械抛光中抛光垫的研究

抛光垫是化学机械抛光(CMP)系统的重要组成部分。它具有贮存抛光液，并把它均匀运送到工件的整个加工区域等作用。抛光垫的性能主要由抛光垫的材料种类、材料性能、表面结构与状态以及修整参数等决定。本文介绍CMP过程常用的抛光垫材料种类、材料性能、表面结构，总结了抛光垫的性能对CMP过程影响规律，认为：抛光垫的剪切模量或增大抛光垫的可压缩性，CMP过程材料去除率增大；采用表面合理开槽的抛光垫，可提高材料去除率，降低晶片表面的不均匀性；抛光垫粗糙的表面有利于提高材料去除率。对抛光垫进行适当的修整可以增加抛光垫表面粗糙度、使材料去除率趋于一致。与离线修整相比较，在线修整时修整效果比较好。     

基于微元材料去除模型的单摆抛光平面度预测

为探究单摆参数对抛光工件平面度的影响,提出一种基于速度和压强分布耦合的抛光微元材料去除模型,以预测工件表面平面度。从单颗磨粒的材料去除出发,建立工件表面各微元单位时间内材料去除厚度模型,并将工件相对抛光垫速度和工件表面压强分布耦合代入模型;根据工件初始面形提取微元高度值,结合各微元材料去除的厚度,计算抛光后的工件表面平面度;试验验证平面度预测方法。结果表明:仿真与实际抛光后的面形的变化趋势相同,平面度PV₂₀值绝对偏差小于12.0%,平面度预测可靠。      

固结磨料研磨CVD金刚石膜的运动轨迹仿真及试验研究

CVD金刚石膜的应用范围日益扩大,已经从传统的刀具、模具领域扩展至高频通讯、光电、微电子等产业。本文首先通过理论分析建立抛光盘与工件之间的运动模型,然后根据建立的模型确定工件运动轨迹方程,并使用Matlab进行了抛光试验的运动仿真,得出了最优的抛光转速组合;最后采用电镀金刚石盘进行抛光试验,采用光学显微镜对金刚石膜抛光前后的表面形貌进行分析,采用Talysurf分析抛光前后的表面粗糙度。     

氧化锆陶瓷大抛光模磁流变抛光试验研究

目的研发一种高效、高质量氧化锆陶瓷超光滑表面加工技术。方法采用大抛光模磁流变抛光方式加工氧化锆陶瓷,利用自主研发的磁流变平面抛光装置,配制含有金刚石磨粒的磁流变抛光液,通过设计单因素实验,研究抛光时间、工作间隙、工件转速和抛光槽转速等主要工艺参数对氧化锆陶瓷平面磁流变加工性能的影响,并对材料去除率和表面粗糙度进行分析。结果在工作间隙为1.4 mm、工件转速为100 r/min、抛光槽转速为25 r/min的工艺条件下,表面粗糙度在达到饱和之前随时间的增加而降低。抛光30 min达到饱和,表面粗糙度Ra达到0.7 nm。继续延长抛光时间,表面粗糙度不再改善。氧化锆陶瓷的材料去除率随着工件转速和抛光槽转速的增加而增大,随着工作间隙的增大而减小。当工件转速为300 r/min时,材料去除率可以达到1.03 mg/min;抛光槽转速为25 r/min时,材料去除率可以达到0.80 mg/min;工作间隙为1.0 mm时,材料去除率最高可达0.77 mg/min。结论采用大抛光模磁流变抛光方法可以提高氧化锆陶瓷的材料去除率,同时获得纳米级表面粗糙度,实现氧化锆陶瓷的高效超光滑表面加工。     

蓝宝石光学曲面柱形宽缎带磁流变抛光仿真分析及实验研究

目的 针对目前光滑无损伤光学曲面蓝宝石加工成本高、效率低的问题,对加工过程中磁流变抛光缎带进行流体仿真,进而优化抛光轮表面结构。方法 设计并提出3种表面结构柱形宽缎带磁流变抛光轮,介绍了磁流变抛光轮加工的基本原理,建立了磁流变抛光垫Bingham流体特性加工仿真模型,分析了3种抛光轮表面结构对工件表面磁通密度模、流场流速、流场压力分布的影响。同时对3种抛光轮的抛光效果进行了实验探究,探究了抛光轮表面结构对材料去除率和抛光后表面粗糙度的影响规律。结果 仿真结果表明,抛光轮表面槽型结构具有能增强磁通密度模、增大流体流速和流体压力的特性。实验结果表明,螺旋槽抛光轮的抛光效果最好,在螺旋抛光轮作用下,材料去除率为0.22 mg/h,抛光后蓝宝石表面粗糙度为1.08 nm。最终抛光轮近壁区总压力和速度的乘积结果与抛光轮实验去除率结果具有较好的一致性。结论 槽型结构可以提高抛光液在抛光轮表面的固着效果,影响工件表面流场运动状态,增强工件表面受到抛光垫的作用力。相较于光滑和横条槽抛光轮,螺旋槽抛光轮的抛光效率最高,表面粗糙度最低,可有效提高抛光效果。     

游离和固结金刚石磨料抛光手机面板玻璃的试验研究

选取不同粒径的金刚石微粉,采用游离磨料和固结磨料两种抛光方法加工手机面板玻璃,比较其材料去除率和抛光后工件表面粗糙度。结果表明：在相同的抛光工艺参数下,磨粒粒径在游离磨料抛光中对材料去除率和抛光后表面质量作用显著,而在固结磨料抛光中作用不显著;采用金刚石固结磨料抛光垫抛光能获得表面粗糙度约为Ra1.5 nm的良好表面质量,并在抛光过程中较好地实现了自修整功能。     

基于神经网络和遗传算法的工业机器人不均匀表面抛光

传统抛光过程中,抛光参数通常是根据工件表面设置为恒定值。但如果工件表面不均匀,恒定的抛光参数对于材料去除量大的区域会发生欠抛光现象,进而降低抛光效率,影响加工表面质量。为此,基于神经网络(NNW)和遗传算法(GA)提出一种工业机器人不均匀工件表面抛光算法,解决不均匀表面抛光过程中出现的问题。应用神经网络预测某一确定的抛光参数对应的抛光性能,利用训练的神经网络模型输出包括最佳材料去除率和改善表面粗糙度的目标函数;将遗传算法用于优化模型抛光参数。通过对不均匀表面的抛光实验,验证了该算法的有效性。     

CP4研抛晶片时非均匀性和材料去除速率研究

建立了CP4研抛晶片时,晶片上任一点相对于研抛盘的运动方程。通过对其运动轨迹的分析,建立了工件材料研抛非均匀系数的函数模型和相对研抛材料去除速率的函数模型。运用Matlab软件,模拟分析了各个参数变化对研抛非均匀系数和相对研抛效率的影响。结果表明:对材料去除效率影响最大的参数是偏心距e的大小,其次是从动系数λ1;对晶片非均匀性影响最大参数是从动系数λ1,其次是偏心距e;当λ1=1,λ20.3,e取工艺允许的最大值时,工件研抛的均匀性最好。     

铜化学机械抛光材料去除机理研究

本文根据铜CMP过程中表面材料的磨损行为,建立了铜CMP时的材料去除率构成成分模型,并通过材料去除率实验,得出了各机械、化学及其交互作用所引起的材料去除率及其作用率:当np=nw=200r/min时,有最佳材料去除率,此时单纯的机械作用率为9.2%;单纯的化学作用率为仅为2.1%,抛光垫的机械与化学交互作用率为5.08%;磨粒的机械与化学交互作用率为83.6%。通过对实验结果进行分析,可得如下结论:硅片化学机械抛光中,一定的参数下有一个最优的抛光速度;在最优的速度下,机械与化学之间交互作用达到平衡,这时可获得最高的材料去除率;硅片化学机械抛光过程是一个多变的动态过程,仅仅通过增加机械作用或化学作用不能获得理想的材料去除效果。本文的研究结果可为进一步研究硅片CMP时的材料去除机理提供理论参考依据。     

圆光栅玻璃的游离磨料研磨抛光加工工艺

用游离磨料对圆光栅玻璃表面进行了研磨抛光实验,讨论了磨粒尺寸、磨料质量分数、加工时间、研磨盘转速、加载压力、抛光垫材料对试件表面粗糙度和材料去除率的影响。研究表明,硬质抛光垫能更好地保持试件的平面度。获得的优化工艺参数组合为:研磨盘转速75r/min;磨料质量分数10%;研磨液流量10mL/min;5μm的Al2O3加载压力0.019MPa,粗研20min;1μm的Al2O3加载压力0.015MPa,精研20min;30nm的CeO2加载压力0.012MPa,精抛10min。在该工艺组合下,获得了表面粗糙度值Ra为3.3nm、平面度为5μm的圆光栅玻璃。     

Modeling and analysis of the material removal profile for free abrasive polishing with sub-aperture pad

This paper addresses the problem of material removal in free abrasive polishing (FAP) with the sub-aperture pad both theoretically and experimentally. The effects of some polishing conditions upon the material removal are analyzed, including not only the process parameters, which refer to the normal force, angular spindle velocity and angular feed rate, but also the abrasive grain size, polishing slurry properties, topographical parameters of the sub-aperture pad, as well as tool path curvature. Based on the analysis, a model of material removal profile is proposed to facilitate more accurate polishing. First, by analyzing the contact among polishing pad, abrasive grain and workpiece surface in the micro level, the removal depth per unit length of the polishing path is derived, which is defined as the material removal index. Then, the distribution of this removal index can be obtained via modeling the pressure and relative sliding velocity in the contact region of polishing pad and workpiece. After that, the material removal profile can be calculated by integrating the material removal index along the tool path in the tool-workpiece contact region. To verify the effectiveness of the proposed model, a series of polishing experiments have been conducted. Experimental results well demonstrate that our model can accurately predict the material removal depth during the FAP.     

硅片化学机械抛光技术的研究进展

随着硅片厚度的增大和芯片厚度的减小，硅片在加工中的材料去除量增大，如何提高其加工效率就成了研究的热点之一。由于化学机械抛光过程复杂，抛光后硅片的质量受到多种因素的影响，主要包括抛光设备的技术参数、耗材(抛光垫和抛光液)的性质和硅片自身在抛光时的接触应力状态等。本文介绍了硅片化学机械抛光技术的研究进展，讨论了影响硅片抛光后表面质量和表面材料去除率的因素，如抛光液、抛光垫、抛光压力等，并对目前用于硅片化学机械抛光的先进设备进行了综述。      

激光晶片抛光中磨粒运动轨迹分布均匀性分析

为分析晶片抛光过程中,转动比α和摆动比β对磨粒轨迹分布均匀性的影响,建立晶片与抛光垫的相对速度模型及磨粒在晶片表面的运动轨迹模型,并分析晶片相对抛光垫的速度的分布规律、统计磨粒轨迹密度。结果表明:晶片转速与抛光垫转速一致时,其对抛光垫的相对速度大小一致;晶片随抛光头的往复运动主要影响相对速度变化的周期性及磨粒轨迹分布的随机性;当α=1.01,β=0.2时,磨粒在晶片上的轨迹分布均匀性最好。      

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。     

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。     

Tribological approaches to material removal rate during chemical mechanical polishing

In this study, the effect of the friction and wear of a polishing pad on the material removal rate of a silicon oxide wafer was investigated during chemical mechanical polishing (CMP) with ceria slurry. Further, the effect of surface properties of the polishing pad, such as surface roughness and hardness, on the variation in the material removal rate was examined. From a tribological viewpoint, the in-situ friction force was monitored during the CMP process, and wear of the polishing pad was controlled by different types of conditioners. After CMP, the pad surface roughness was measured by optical profiling and scanning electron microscopy. Experimental results showed that the material removal rate was almost linearly proportional to the friction force between the pad and the wafer surface, irrespective of the properties of the pad. Experiments on the dependency of the pad wear rate on the material removal rate showed that the material removal rate increased with a decrease in the pad wear rate. Experiments and pad characterization confirmed that such a correlation was attributed to the pad surface roughness and the friction force.