硅晶片抛光加工工艺的实验研究

双面抛光已成为硅晶片的主要后续加方法,但由于需要严格的加工条件,很难获得理想的超光滑表面.设计了硅片双面抛光加工工艺新路线,并在新研制的双面抛光机上对硅晶片进行抛光加工,实验研究了不同加工参数对桂晶片表面粗糙度和材料去除率的影响.采用扫描探针显微镜和激光数字波面干涉仪分别对加工后的硅晶片进行测量,实验结果表明:在优化实验条件下硅晶片可以获得表面粗糙度0.533nm的超光滑表面.     

MS-6BC型精密双面抛光机的研制

光电子信息产业的快速发展,要求蓝宝石、单晶硅等材料高效率、超光滑表面加工,精密双面抛光加工是得到这些材料超光滑表面的主要加工方法之一.本文介绍了新研制的MS-6BC型精密双面抛光机,介绍了其结构及其特点,并论述了双面抛光加工的主要工艺因素和过程.最后通过试验验证了MS-6BC型精密双面抛光机具有加工精度高,控制性能好的特点,适用于蓝宝石、单晶硅等人工晶片的超精密加工.     

硅晶片的液流悬浮超光滑加工机理与实验

建立了基于机器人的液流悬浮超光滑加工系统。配置出了适用的悬浮加工液,通过对硅晶片的大量加工实验研究,得到了加工时间、工具转速和粒子浓度对工件表面质量的影响规律。实验结果表明:当加工时间在60 min、工具转速为6 000 r/min上下、粒子浓度为30 g/L左右时,加工效果最佳。加工后的硅晶片表面粗糙度Ra能达到1.55 nm。深入分析了液流悬浮超光滑加工的去除机理,硅晶片的液流悬浮超光滑加工是机械冲击作用和化学作用的综合结果,加工液中的磨料颗粒有对工件表面的机械冲击作用和对化学反应的催化作用。理论分析和实验结果表明,通过采用液流悬浮加工新技术,可以实现对半导体材料硅晶片的纳米水平的超光滑加工,获得表面无塑性变形和晶格缺陷的纳米精度表面。     

行星式研磨抛光机传动机构改造及试验

针对传统双面抛光机存在的抛光过程中的加载均匀性问题,对抛光机传动机构进行优化改进设计,并在此抛光机上对硅晶片进行抛光加工试验,通过试验研究了不同加工参数对硅晶片表面粗糙度和材料去除率的影响。试验研究结果表明:传动机构优化设计提高了行星式研磨抛光机床的精度和系统性能;在相同的加工速度下,改造前后抛光机的加工效率接近,改造后对工件加工的表面粗糙度约为改造前的1/3。该设备的改造设计对提高抛光机的加工精度有重要意义。     

超光滑光学表面加工技术

现代科学技术的发展,在许多领域中提出了加工超光滑表面的要求。这种表面不仅要具备较高的面形精度和极低的表面粗糙度,同时要具有完整的表面晶格排布,消除加工损伤层。近年来国际出现了不少成功的超光滑表面加工技术,可以实现表面粗糙度小于1nm,面形精度优于30nm.本文介绍了超光滑表面的主要应用领域；从去除机理的角度讨论了BFP抛光、Teflon抛光、离子束加工、PACE加工、浮法抛光、延展性磨削等六种有代表性的超光滑表面加工技术；并对国内情况作了简单分析。     

超薄石英晶片超精密抛光实验的研究

为了解决超薄石英晶片高表面质量的加工问题,以及寻求一种高效低成本的加工方法,将一种新的超精密抛光工艺应用到超薄石英晶片的加工中。给出了加工过程中的抛光原理,制定出了在研磨和抛光过程中的最优实验条件,并对加工后超薄石英晶片的粗糙度和厚度做了详细的分析;讨论了磨粒的尺寸对表面粗糙度和材料去除率的影响,同时对加工过程的材料去除机理做了论述,以表面粗糙度和厚度为评价目标对超薄石英晶片的加工特性和表面质量进行了评价。研究结果表明：使用该实验的工艺加工超薄石英晶片可以得到厚度为99．4μm、表面粗糙度为0．82nm的超光滑表面;同时,该研究还发现通过延长抛光时间可以减小石英晶片的表面残余应力,可有效控制石英晶片四角“翘曲”现象,得到更好的平面度和平行度。     

超光滑表面加工技术研究进展

针对如何高效稳定地获得粗糙度值小、少无亚表面损伤、低成本的超光滑表面的问题,分析了原子级超光滑表面加工技术的加工原理,详细阐述了几类非接触式抛光方法的加工原理及国内外最新研究进展,并着重论述了声悬浮抛光和磨料水射流抛光的研究现状。接着,在此基础上对这几类加工方法各方面的优缺点进行了对比总结。最后,针对目前超光滑表面加工技术存在的不足,指出了超光滑表面加工技术有待进一步研究的方向。研究结果表明,采用非接触式的抛光方法,对加工过程加以合理的控制,可大大降低工件表面粗糙度,改善亚表面的损伤情况;目前非接触式抛光普遍对抛光设备精度要求较高,减少加工成本是超光滑表面加工技术进行大规模推广的迫切要求。     

磁流体辅助抛光工件表面粗糙度研究

给出了磁流体辅助抛光的机理,以及依据Preston方程建立的磁流体辅助抛光的数学模型。并通过实验详细研究了磁流体辅助抛光后工件的抛光区形状,以及抛光区内表面粗糙度情况。最终加工出了表面粗糙度为0.76 nm(rms值)的光学元件,其高频表面粗糙度达到0.471 nm(rms值),满足了对一定短波段光学研究的要求。结果表明:磁流体辅助抛光可以用于对光学元件进行超光滑加工;在磁流体辅助抛光过程中,较大粒度的磁流体抛光液有利于工件表面粗糙度快速降低,较小粒度的磁流体抛光液可以获得更加光滑的光学表面。     

光学材料无磨料低温抛光的试验研究

将无磨料抛光与低温抛光结合起来,首次提出一种可获得原子级超光滑表面的新方法——无磨料低温抛光。这种新工艺可使光学材料获得Ra<1nm的原子级超光滑表面,通过大量的试验,系统研究了抛光盘水质、抛光前修盘时间、抛光压力和偏心等对已加工表面粗糙度的影响规律。结果表明,这种抛光工艺能获得原子级的超光滑表面。     

超光滑表面加工方法

超光滑表面的一个最直接的评价参数就是表面粗糙度,它要求Ra≤1 nm.在这样高的要求下,传统抛光由于磨料的存在限制了表面粗糙度进一步减小,传统的机械加工已经满足不了要求.文中着重阐述了现有的超光滑表面的加工方法,对于各种方法都做了原理性的介绍及评价.     

基于HHT的微晶玻璃超光滑表面抛光

针对激光陀螺反射镜常用材料微晶玻璃的加工技术,介绍了一种较为成熟的超光滑表面加工方法-定偏心浸液式抛光.分析了微晶玻璃的性能和微观结构,得出实现其超光滑表面加工所必须的技术条件.系统论述了提出的超光滑表面抛光方法的基本原理及其抛光工艺过程.通过多次工艺实验,稳定地获得了埃量级的超光滑表面.最后,采用Hilbert-Huang变换(HHT)非线性平稳信号的时域分析法,通过超光滑表面粗糙度分布曲线到Hilbert谱的一系列数学变换,得出主要抛光工艺参数与表面粗糙度之间的影响关系,对实际加工工艺过程与抛光结果进行有效反馈和指导.基于HHT的超光滑表面抛光方法可以稳定地获得Ra优于0.35 nm的微晶玻璃超光滑表面,目前最好结果为Ra=0.3 nm.     

超精密双面抛光机结构的优化设计

针对传统双面抛光机存在的问题,从实现超精密抛光的设备条件出发,对机床传动系统、主轴支撑结构、上抛光盘加载系统、抛光盘修整、床身等进行优化改进设计.提高了超精密双面抛光机床的精度和系统性能,为晶片获得纳米级加工精度的超光滑加工表面创造了有利条件.     

数控非接触式超光滑光学元件加工机床的设计

基于数控技术,提出了一种非接触式光学元件表面超光滑液体抛光方法.通过磨头中心孔为抛光表面提供抛光液,抛光液在磨头自转的带动下与光学元件表面相互作用,实现光学元件表面材料的微量去除,利用计算机控制抛光磨头的运动轨迹完成对光学元件表面的抛光.根据上述原理,设计和研制了数控非接触表面超光滑光学元件加工机床样机,样机直线运动轴最低进给速度为0.000 1 m/s,定位精度为0.008 mm;摆动轴最低转速为0.002 8 r/min,定位精度为15″.抛光实验结果表明,经过20 min的超光滑加工,熔石英材质光学元件上两点的表面粗糙度Ra值分别由加工前的1.03 nm和0.92 nm提高到加工后的0.48 nm和0.44 nm,显著提高了加工精度.     

浮法抛光原理装置及初步实验

浮法抛光是当前超光滑表面高效加工技术之一。本文介绍了浮法抛光原理装置及初步实验结果。利用这项技术对φ30的K9玻璃样片进行实验,经过2～4小时的抛光后,表面粗糙度值优于1nmRa.     

基于HHT变换的微晶玻璃超光滑表面抛光工艺技术研究

为了稳定地获得高质量的微晶玻璃超光滑表面,采用一种先进的超光滑表面抛光方法——定偏心浸液式抛光方法。首先分析了微晶玻璃的性能和微观结构,得出实现其超光滑表面抛光所必须的技术条件;然后,论述了浸液式超光滑表面抛光方法的基本原理及其抛光工艺过程。采用该方法稳定地获得了亚纳米量级粗糙度的超光滑表面,粗糙度达到Ra0.3nm;最后,采用HHT方法,通过粗糙度分布曲线到Hilbert谱的数学变换,得出主要抛光工艺参数与表面粗糙度之间的相互影响关系。结果表明,HHT用于超光滑表面的检测和评价,对实际抛光过程提出有效指导,有助于获得高质量的超光滑表面。     

亚纳米量级光滑表面的超精密抛光

软Ｘ射线光学的发展，对光学元件表面提出超光滑要求，为此我们开展了使用锡磨盘的超精密抛光方法研究。本文介绍锡磨盘磨削的实验装置及主要结果。利用这种方法已加工出表面粗糙度优于０．３ｎｍ的超光滑表面     

单晶SiC基片的集群磁流变平面抛光加工

基于集群磁流变效应超光滑平面抛光理论及研制的试验装置,对单晶SiC基片进行了平面抛光试验研究。研究结果表明,金刚石磨料对单晶SiC基片具有较好的抛光效果;加工间隙在1.4mm以内抛光效果较好,30min抛光能使表面粗糙度值减小87%以上;随着加工时间的延长,表面粗糙度越来越小,加工30min时粗糙度减小率达到86.54%,继续延长加工时间,加工表面粗糙度趋向稳定。通过优化工艺参数对直径为50.8mm(2英寸)6H单晶SiC进行了集群磁流变平面抛光,并用原子力显微镜观察了试件加工前后的三维形貌和表面粗糙度,发现经过30min加工,表面粗糙度Ra从72.89nm减小至1.9nm,说明集群磁流变效应超光滑平面抛光用于抛光单晶SiC基片可行有效且效果显著。     

大气等离子体抛光技术在超光滑硅表面加工中的应用

发展了大气等离子体抛光方法,并用于超光滑表面加工。该技术基于低温等离子体化学反应来实现原子级的材料去除,避免了表层和亚表层损伤。运用原子发射光谱法证明了活性反应原子的有效激发,进而揭示了特定激发态原子对应的电子跃迁轨道。在针对单晶硅片的加工实验中,应用有限元分析法在理论上对加工过程中的空间气体流场分布和样品表面温度分布进行了定性分析。后续的温度检测实验证实了样品表面温度梯度的形成,并表明样品表面最高温度仅为90 ℃。材料去除轮廓检测结果符合空间流场的理论分布模型,加工速率约为32 mm³/min。利用原子力显微镜对表面粗糙度进行测量,证实了加工后样品表面在一定范围内表面粗糙度Ra=0.6 nm。最后,利用X射线光电子谱法研究了该方法对加工后表面材料化学成分的影响。实验和检测结果均表明,该抛光方法可以进行常压条件下的超光滑表面无损抛光加工,实现了高质量光学表面的无损抛光加工。     

无磨料低温抛光的工艺方法研究

对无磨料低温抛光这种全新的工艺方法进行了系统的研究,包括抛光设备、抛光冰盘的制备、工件盘的制备、抛光盘的修整、抛光后工件的清洗、抛光后表面粗糙度的测量等。并用此种方法对石英晶体进行了抛光实验,得到了Ra0．53mm的超光滑表面,结果证明这是一种获得超光滑表面的新方法。     

集群磁流变变间隙动压平坦化加工试验研究

为了提高光电晶片集群磁流变平坦化加工效果,提出集群磁流变变间隙动压平坦化加工方法,探究各工艺参数对加工效果的影响规律。以蓝宝石晶片为研究对象开展了集群磁流变变间隙动压平坦化加工和集群磁流变抛光对比试验,通过检测加工表面粗糙度、材料去除率,观测加工表面形貌、集群磁流变抛光垫中磁链串受动态挤压前后形态变化,研究挤压幅值、工件盘转速、挤压频率以及最小加工间隙等工艺参数对加工效果的影响规律。试验结果表明：集群磁流变平坦化加工在施加工件轴向微幅低频振动后,集群磁流变抛光垫中形成的磁链串更粗壮,不但使其沿工件的径向流动实现磨粒动态更新、促使加工界面内有效磨粒数增多,而且在工件与抛光盘之间的加工间隙产生动态抛光压力、使磨粒与加工表面划擦过程柔和微量化,形成了提高材料去除效率、降低加工表面粗糙度的机制。对于2英寸蓝宝石晶电（1英寸=2.54 cm）集群磁流变变间隙动压平坦化加工与集群磁流变抛光加工效果相比,材料去除率提高19.5%,表面粗糙度降低了42.96%,在挤压振动频率1 Hz、最小加工间隙1 mm、挤压幅值0.5 mm、工件盘转速500 r/min的工艺参数下进行抛光可获得表面粗糙度为Ra0.45 nm的超光滑表面,材料去除率达到3.28 nm/min。证明了集群磁流变变间隙动压平坦化加工方法可行有效。