超声振动辅助抛光材料去除机理研究

超声振动辅助抛光是一种特种精密加工方法,其材料去除过程包含机械、物理、化学等多种因素,研究材料去除机理具有重要意义。对超声流场及超声流场作用下单颗磨粒对工件表面冲击作用进行仿真,分析超声流场作用下抛光过程的材料去除机理。仿真分析表明,在超声作用下,流场产生极强的横向剪切流,横向剪切流携裹着磨粒对工件表面产生冲击作用,从而实现材料去除。材料去除量与磨粒冲击角有关,磨粒冲击角越大,材料去除量越大。随着抛光的进行,工件表面逐渐趋于平整,磨粒冲击角也随之减小,逐渐趋于0°,此时不再有材料去除,工件抛光完成。     

液体喷射抛光技术材料去除机理的有限元分析

实验研究了液体喷射抛光技术的材料去除量分布特征,并利用有限元分析方法,分析了抛光头(液体柱)与工件表面相互作用时流场的分布特点。实验结果及计算机模拟的结果表明,材料去除量与射流碰撞工件后流体沿工件表面的速度有关,即材料去除量的分布与抛光液在工件表面速度场的分布有关,速度分布最大的边缘部分,材料去除量最大;相互作用区外,速度逐渐减小,材料去除量也随之渐少。该现象说明,抛光液中磨料粒子的径向流动对工件产生的径向剪切应力是材料去除的关键。     

超声振动抛光中材料去除原理与力学分析

根据超声振动抛光原理分析了弹塑性材料抛光过程中的材料去除方式;建立了弹塑性材料的材料去除模型,给出了磨粒速度、冲击载荷和工件表面受力变形的数学表达式;分析讨论了抛光过程和抛光参数的影响并用已有实验验证了该模型的合理性。     

化学机械抛光中抛光垫材料的研究与展望

在化学机械抛光中,抛光垫的材料是重要影响因素之一,它直接影响着抛光效果。本文介绍了化学机械抛光垫的基本材料、材料特性及其对抛光效果的影响,目前化学机械抛光加工中所采用的抛光垫材料及主要用途,对各种抛光垫材料在抛光过程中存在问题进行了分析,同时展望了抛光垫材料的发展趋势。     

超精密抛光材料的非连续去除机理

通过对表面原子／分子氧化去除动态平衡模型的分析，应用概率统计方法推导了单个磨粒的多分子层薄膜的非连续去除模型，该模型考虑了化学机械抛光（CMP）中化学作用与机械作用的协调性，同时考虑了芯片新鲜表面的直接去除和多层氧化薄膜的去除。在特定条件下，应用图形分析法找到了化学作用与机械作用协调的半经验公式。研究结果表明：材料去除率与去除层数呈指数关系；一直增加化学作用并不能增大材料去除率；机械化学协调作用时，去除率始终保持极值去除。模型预测结果和试验结果相吻合。     

超声椭圆振动辅助化学机械抛光光纤端面的材料去除机理研究

为了描述超声振动辅助化学机械抛光光纤端面过程中材料的去除机理,建立了超声振动辅助化学机械抛光过程中光纤材料去除模型。根据实验观察的抛光垫的表面形貌合理地建立抛光垫表面形貌的数学模型;接着,分析抛光过程中的两体三体接触的抛光粒子数目;分析不同方向的超声振动在化学机械抛光过程中去除光纤材料的机理,综合考虑抛光粒子及工件的材料特性、超声振动特性,分别建立了不同工艺下的材料去除模型;对比光纤端面的超声振动辅助化学机械抛光实验结果与理论计算结果,以验证模型的可靠性。实验结果表明：UHV-CMP、UVV-CMP、UEV-CMP相较于普通CMP对光纤的材料去除率分别提升60%、85.6%和145%。结论：超声振动有利于提高光纤端面的化学机械抛光材料去除率,且理论与实验对比结果较为吻合,验证了材料去除模型的可靠性。     

磁流变抛光的材料去除数学模型

对磁流变抛光液在抛光区域的固态核分布进行了理论分析。在这基础上,以Preston方程为根据,即被加工工件表面材料去除率与压力参数p成正比的关系,该压力由磁化压力和流体动压力组成,建立磁流变抛光的材料去除数学模型。在自研的试验装置上利用磁流变抛光方法加工BK7平面镜工件,验证了数学模型的合理性。     

约束磨料流体抛光材料去除模型研究

为了研究约束磨料流体抛光的材料去除模型,使用Matlab软件对加工区流场进行压力和速度仿真。压力场仿真结果表明,最大压力峰值出现在限控轮与工件的最小间隙区域,并且该区域的压力梯度变化很大;速度场仿真表明,流体速度在x轴方向上占主导地位,在y轴方向上出现了侧泄,在z轴方向上速度很小。建立了冲击侵蚀去除模型,结合Finnie塑性剪切磨损去除模型建立了约束磨料流体抛光材料去除模型,模型表明,冲击角度为45°时材料去除量最高。对K9玻璃进行的约束磨料流体抛光实验表明,建立的材料去除模型与实验结果基本吻合。     

超声波精细雾化抛光石英玻璃的抛光液研制*

为了配制适用于JGS1光学石英玻璃超声波精细雾化抛光的特种抛光液,以材料去除率和表面粗糙度为评价指标,设计正交试验探究抛光液中各组分含量对雾化抛光效果的影响,并对材料去除机制进行简要分析。结果表明：各因素对材料去除率的影响程度由大到小分别为SiO2、pH值、络合剂、助溶剂和表面活性剂,对表面粗糙度影响程度的顺序为SiO2、表面活性剂、pH值、助溶剂和络合剂;当磨料SiO2质量分数为19%,络合剂柠檬酸质量分数为1.4%,助溶剂碳酸胍质量分数为0.2%,表面活性剂聚乙烯吡咯烷酮质量分数为0.9%,pH值为11时,雾化抛光效果最好,材料去除率为169.5 nm/min,表面粗糙度为0.73 nm;去除过程中石英玻璃在碱性环境下与抛光液发生化学反应,生成低于本体硬度的软质层,易于通过磨粒机械作用去除。使用该抛光液进行传统化学机械抛光和雾化化学机械抛光,比较两者的抛光效果。结果表明：两者抛光效果接近,但超声雾化方式抛光液用量少,仅为传统抛光方式的1/7。     

纳米SiO2粒子抛光液的制备及其抛光性能

随着计算机磁头与磁盘间间隙的不断减小，硬盘表面要求超光滑，制备了一种纳米SiO2抛光液，并研究了镍磷敷镀的硬盘基片在其中的抛光性能，Chapman MP2000^ 表面形貌仪测得抛光后表面的平均粗糙度（Rα)和波纹度（Wα)分别为0.052nm及0.063nm，为迄今报道的硬盘抛光的的最低值。原子力显微镜（AFM）发现获得的基片表面非常光滑平整，表面无划痕，凹坑，点蚀等表面缺陷。     

大尺寸单晶金刚石衬底抛光技术研究现状与展望

近些年来,化学气相沉积(Chemical vapor deposition,CVD)单晶金刚石在电子学领域的应用令人瞩目,这得益于CVD单晶金刚石在生长技术和半导体掺杂技术上的进展.一直以来,成熟的衬底加工技术是半导体材料得以应用的基础,其中超精密抛光作为晶圆衬底加工的最后一道工序,直接决定了晶圆表面粗糙度和亚表面损伤...     

Estimation of the polishing time for different metallic alloys in surface texture removal

The aim of this work is to propose a novel analytical model for predicting the polishing time and behavior of the surface texture removal in different metal alloys. The surface texture, resulting from a previous milling process, is characterized and investigated by the Abbott–Firestone curve, the relative speed of the abrasive material, the applied force, the type of material and the size of the abrasive grains. Consequently, a model that predicts the surface texture evolution based on the mechanism of abrasion is proposed, in which a constant of the wear model is found to behave linearly with the size of the abrasive grain for each metal alloy. Based on the good agreement between the experimental and the estimated values (R² equal to 0.993), operational parameters are recommended to predict the required surface texture for AlCu4PbMg, 30CrNiMo8, C45E and X6CrNiMo8 when using abrasive grade between P180 and P1200.     

用于模具自由曲面的新型气囊抛光中磨粒场的分析

为提高模具自由曲面抛光的效率和品质,提出一种基于柔性抛光理念的新型气囊抛光技术。研究了气囊抛光接触区内磨粒的运动轨迹、压力分布和抛光力的分布情况,建立了气囊抛光接触区内磨粒的运动模型、压力模型,揭示了气囊抛光接触区内磨粒直径对抛光力和被加工工件内部剪切应力的影响规律,研究了抛光过程中工件内部的剪切应力分布,明确了材料疲劳去除机理。为气囊抛光的应用奠定了理论基础。     

有机玻璃曲面的柔性抛光机理与试验

为了提高有机玻璃的表面精度,基于机器人自动化研抛方法,建立了研磨抛光过程的材料去除模型。首先,运用有限元方法,分析研究了柔性抛光盘与工件接触区域内的压力分布,基于普林斯顿材料去除理论,建立了柔性抛光盘沿规划轨迹进给时材料去除模型。通过仿真,分析了研抛压力,抛光盘旋转速度,进给速度对材料去除率的影响规律。然后,研究了扫描路径下轨迹间距对材料去除均匀性的影响规律,得到了最优的轨迹间距。最后,对有机玻璃进行研磨抛光试验,验证了材料去除模型的正确性。试验结果表明：选取合理的加工参数,运用最优的轨迹间距,可以获得无光学缺陷,表面粗糙度达Ra=0.01μm的高精度透明件。利用材料去除理论模型可以指导实际曲面研磨抛光加工过程。

     

有机玻璃曲面的柔性抛光机理与试验

为了提高有机玻璃的表面精度,基于机器人自动化研抛方法,建立了研磨抛光过程的材料去除模型。首先,运用有限元方法,分析研究了柔性抛光盘与工件接触区域内的压力分布,基于普林斯顿材料去除理论,建立了柔性抛光盘沿规划轨迹进给时材料去除模型。通过仿真,分析了研抛压力,抛光盘旋转速度,进给速度对材料去除率的影响规律。然后,研究了扫描路径下轨迹间距对材料去除均匀性的影响规律,得到了最优的轨迹间距。最后,对有机玻璃进行研磨抛光试验,验证了材料去除模型的正确性。试验结果表明：选取合理的加工参数,运用最优的轨迹间距,可以获得无光学缺陷,表面粗糙度达Ra=0.01μm的高精度透明件。利用材料去除理论模型可以指导实际曲面研磨抛光加工过程。

     

环形气囊抛光技术的研究

气囊式抛光是一种极具发展潜力的抛光方法,在精密光学元件的加工领域具有广阔的应用前景.针对现有气囊式抛光磨头加工方法的不足,提出了一种环形气囊抛光技术,设计了气囊式环形抛光磨头的机械结构.基于环形气囊抛光实验平台,利用气囊式环形抛光磨头进行了工艺试验.实验结果表明,此种抛光技术能够实现光学零件高精度表面质量的加工.     

Predicting the Material Removal in Polishing: The Applicability of Two Types of Statistical Models

This article develops two statistical rough surface models to investigate the material removal rate in surface polishing. Model I implies that the contact between two surfaces is equivalent to that between a composite surface and a plane; but Model II is without the equivalent surface concept. The prediction differences of the two models were first investigated with the aid of contact mechanics. The analysis shows that the relative error of the predictions by the two models could be minimized by considering the interactions between asperities, and that this error increases with the separation of the mean planes, but decreases with the asperity density, asperity radius and standard deviation of the asperity height. By extending the models to study the material removal rate in polishing, it was found that asperity interaction is an important factor in a statistical modelling of polishing, and that with a given separation of the reference planes of the pad and workpiece surfaces, the material removal rate increases with the volume concentration of abrasive particles and varies with the pad roughness. The study also showed that the microstructure of a polishing pad has a significant effect on the material removal rate of a polishing.     

ULSI化学机械抛光(CMP)材料去除机制模型

CMP已成为IC制造中的关键工艺之一,相关机制模型的研究是当前CMP的热点。综述了考虑抛光液的流动、抛光垫的弹性和硬度、研磨颗粒的大小和硬度等不同因素的机制模型,并对基于不同假设的模型作了分析和比较。最后对CMP模型未来的发展和研究方向提出了展望。