大尺寸硅片超精密磨削平整化加工机理与技术

在中国国家自然科学基金重大项目《先进电子制造中的重要科学技术问题研究》资助下，针对大尺寸硅片化学机械抛光(CMP)和超精密磨削平整化所涉及的“超精抛光中纳米粒子行为和化学作用及平整化原理与技术”，以300mm硅片为代表，归纳报告硅片超精密磨削加工机理、磨削平整化理论、超精密磨削表面/亚表面损伤、磨削加工工艺规律，以及大尺寸硅片超精密磨削平整化加工关键技术的研究进展。 从硅片旋转磨削过程的运动学仿真、硅片磨削过程的分子动力学仿真和硅片材料的脆性 延性转变等3方面研究了硅片的超精密磨削机理。 通过建立硅片旋转磨削过程的运动学理论模型，获得硅片旋转磨削的运动轨迹参数方程、磨纹长度、磨纹数量以及磨削稳定周期等模型，分析了磨纹间距、磨纹密度与磨削表面层质量的关系。在此基础上开发硅片旋转磨削纹理的计算机预测仿真软件对硅片超精密磨削过程进行数字模拟，通过硅片磨削实验对数字仿真结果进行实验验证。     

高平整度和低损伤碳化硅晶片的纳米磨削技术(英文)

采用细粒度砂轮的纳米磨削来实现碳化硅晶片高平整度和低损伤加工新方法。磨削试验表明采用纳米磨削50.8mm碳化硅晶片时其平整度在1.0μm以内,表面粗糙度可达0.42nm。纳米磨削比双面研磨和机械抛光更能高效地对碳化硅晶片做更高平整度、更低损伤加工,可以取代双面研磨和机械抛光,并减小化学机械抛光去除量。研究结果对高效低成本制备高质量碳化硅晶片有参考价值。     

核主泵用斜波纹面型密封环超精密磨削方法

提出基于三轴联动杯形砂轮线接触磨削原理的核主泵用斜波纹面型密封环加工方法,它采用一个工件轴、一个摆动轴、一个直线轴、一个砂轮轴和一个宽度较窄的杯形砂轮.其原理为选择适当的砂轮半径、砂轮倾斜角度和砂轮轴线与摆动轴线交点到密封坝面中心距离使磨削接触弧线是斜波纹面上且以其内、外周边为边界的一条曲线的精确逼近,联动控制工件轴、摆动轴和直线轴的运动使磨削接触弧线两端点分别在斜波纹面内外周边上进而通过磨削接触弧线扫掠运动形成高精度斜波纹面,在砂轮轴与工件轴平行时磨削密封坝面.其优点是砂轮端面形状不变化,不存在砂轮修形和形状测量难题,砂轮端面磨损对斜波纹面面形精度的影响可以忽略,能够实现核主泵用斜波纹面型密封环的高面形精度、低表面粗糙度加工.     

核主泵用流体动压密封环复杂形面超精密磨削

提出采用回转台带动密封环回转和杯形砂轮端面切入磨削来加工核主泵用流体动压密封环复杂形面新方法,其原理为选择适当的砂轮半径、砂轮俯仰角、砂轮侧偏角、砂轮与回转台中心距使磨削接触弧线是密封环波纹面上且以其内、外周边为边界的一条曲线的精确逼近,联动控制回转台转动和砂轮或回转台的同步跟随运动使磨削接触弧线一端点在波纹面外周边上进而通过磨削接触弧线扫掠运动形成高精度波纹面,在砂轮轴线与回转台轴线平行时磨削密封坝面。其实现策略是采用细粒度金刚石杯形砂轮做恒定切削深度微进给切入磨削。其优点是砂轮磨损对磨削精度没有影响,面形精度取决于回转台的回转运动和砂轮或回转台的同步跟随运动精度,能够实现核主泵用流体动压密封环复杂形面的高面形精度、低表面粗糙度加工。     

细粒度金刚石砂轮形貌测量与评价

采用基于扫描白光干涉原理的三维表面轮廓仪对粒度为3 000的金刚石砂轮表面形貌进行测量,其图像拼接功能可以确保较高的横向分辨率、较高的垂直分辨率和较大的取样面积。利用频谱分析方法对砂轮表面的频率构成进行分析,通过理想的低通数字滤波消除测量仪器引起的系统噪声和砂轮表面的高频分量,然后重建砂轮表面的三维形貌,在此基础上得出砂轮的磨粒出刃高度、静态有效磨粒密度、磨粒平均间距。研究表明,采用细粒度金刚石砂轮进行超精密磨削时,磨粒出刃高度大体上服从正态分布,静态有效磨粒密度远低于理论磨粒密度,真正起切削作用的磨粒数量极少。     

核主泵用流体静压密封环圆锥面超精密磨削

提出采用工件旋转杯形砂轮切入磨削原理来加工核主泵用流体静压密封环圆锥面新方法,对密封环圆锥面的径向轮廓误差随砂轮半径、回转台与砂轮中心距,砂轮俯仰角、砂轮侧偏角的变化规律进行深入分析,发现选择适当的机床结构参数,采用工件旋转杯形砂轮切入磨削原理加工核主泵用流体静压密封环圆锥面时,由磨削原理引入的径向轮廓误差极小,为纳米量级。根据最小径向轮廓误差和最小磨削接触弧长原则确定了核主泵用流体静压密封环圆锥面的超精密磨削实现策略。在工件旋转杯形砂轮切入磨削机床上实现了核主泵用碳化硅密封环圆锥面的高精度、低表面粗糙度磨削,测得周向跳动、径向轮廓误差和表面粗糙度Ra分别为0.16 m、0.15 m和3 nm。     

一种改进的测量硅片亚表面损伤的角度抛光方法

提出了一种改进的角度抛光方法来测量硅片的亚表面损伤.其原理是:经过研磨和化学机械抛光后,起保护作用的陪片靠近胶黏剂的一端形成一个无损伤的、完整的劈尖,劈尖的棱边作为测量亚表面损伤的基准;角度抛光的倾斜角可通过劈尖上面产生的干涉条纹准确地测量得到.采用这种方法可以方便、准确地测量硅片由切割、研磨和磨削引起的亚表面损伤,其能够测量的最小损伤深度为几百纳米.     

硅片纳米磨削过程中磨粒切削深度的测量

分析了硅片纳米磨削过程中磨粒切削深度的特点，采用基于扫描白光干涉原理的三维表面轮廓仪对磨削后硅片表面的磨削沟槽的深度和宽度进行了测量，进而对磨削沟槽的深度和未变形切屑的横截面的宽高比进行了统计分析。研究表明，采用硅片自旋转磨削方法对硅片进行纳米磨削时，参与切削的磨粒数量极少，起主要切削作用的磨粒只占有效磨粒数量的一小部分，此部分磨粒的切削深度大于砂轮的切削深度，甚至可达后者的2倍；未变形切屑的截面为三角形，其宽高比在21～153之间，平均值为69。     

轮胎拆装机轮辋夹紧装置的设计与可靠性分析

现有四爪式轮辋夹紧装置由于夹紧刚度不同,气缸驱动力不能均匀分配给四个卡爪,会产生四爪不在一个圆周上、夹紧时轮毂非均匀变形、夹紧不牢固等问题。夹紧时轮辋变形量过大不仅影响轮胎的拆装,还会对轮胎寿命产生不利影响,而为了防止夹紧不牢固,往往需要较大的夹紧力,这可能夹伤轮辋。针对该缺点设计了一种夹爪夹紧刚度相同且夹紧力相同的汽车轮胎拆装机轮辋夹紧装置,建立了轮辋夹紧装置的运动学与力学方程,分析了位移、速度、加速度以及夹紧力的变化规律。分析结果表明该装置速度稳定,且夹紧力随轮辋尺寸的变小而变小,能防止过大的夹紧力损伤轮辋。