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.     

三体抛光单晶硅表面原子的分子动力学仿真

为阐明双金刚石磨粒在三体抛光过程中的抛光机理、材料去除机理以及单晶硅原子的演变机理,研究建立了三维的三体抛光模型,利用分子动力学仿真了双磨粒抛光单晶硅的过程,通过改变两个磨粒之间的横向距离和抛光深度来分析其对温度、势能、配位数、抛光力和表面形貌的影响.仿真结果表明,抛光深度是影响温度的主要因素,磨粒之间的横向间距对系统...     

基于分子动力学的压力对纳米抛光碳化硅的影响分析

本文运用分子动力学基本原理建立了金刚石磨粒抛光碳化硅工件的三维模拟模型,对线性增大抛光压力时系统势能、碳化硅工件的温度与材料去除量的变化规律进行了深入分析。研究结果表明:随着抛光压力的线性增加,系统势能和工件温度首先明显增大,然后增速变得缓慢,最后趋于动态平衡的状态,工件表面的材料去除形式由压实去除转变为犁沟去除,直至大变形切削过程,工件表面的原子去除数量近似指数函数变化。     

基于分子动力学仿真的纳米胶体射流抛光材料去除机理

利用分子动力学模拟了纳米Si O2颗粒与单晶硅(100)表面的碰撞过程,以此来分析纳米胶体射流抛光的材料去除机理。仿真结果显示:粒径为7 nm的Si O2颗粒其速度在50 m/s时,与单晶硅工件表面的碰撞作用不会引起工件表面的原子排布的变化;而若要使碰撞对单晶硅工件表面原子排布产生影响,纳米Si O2颗粒的速度需大于250 m/s。以单晶硅工件为加工对象进行了纳米胶体射流抛光加工试验。利用激光拉曼光谱对加工前后单晶硅工件表面原子排布状况进行了比较,其结果与分子动力学仿真结果吻合。利用X射线光电子能谱,研究了加工前后纳米Si O2颗粒与单晶硅工件表面原子之间化学键的变化。通过仿真和试验得出:纳米胶体射流抛光中,纳米颗粒碰撞所产生的机械作用不能直接去除工件材料,材料的去除是纳米颗粒与工件表面之间机械作用和化学作用的共同结果。     

因瓦合金纳米抛光材料去除机理的分子动力学模拟∗

因瓦合金作为一种独特的低膨胀材料已广泛用于航空航天等高科技领域,但目前还鲜有对其超精密加工理论和技术的研究,而纳米抛光是因瓦合金超精密加工的一种重要手段。 针对纳米抛光过程中因瓦合金的材料去除机理,基于分子动力学模拟研究抛光速度对材料去除效率、亚表面损伤和抛光表面平整度的影响。 通过对磨屑、能量、抛光力、位错运动等方面的分析揭示因瓦合金的变形损伤机制。 研究结果表明:材料去除效率随着抛光速度将达到一个临界值,当抛光速度低于 100 m/ s 时,磨削热促使位错形核,亚表面损伤厚度增加;当抛光速度高于 100 m/ s 时,应变速率急剧增大导致位错运动受限,使得亚表面损伤厚度得以降低。 为实现因瓦合金高效率和低损伤加工机制提供理论依据和技术支持。     

双磨粒微切削单晶γ-TiAl合金的材料去除机制

为了分析磨削过程中单晶γ-TiAl合金的材料去除机制,建立了双磨粒磨削Ti-Al合金的分子动力学模型.揭示了金刚石磨粒的横向间距和纵向间距对单晶γ-TiAl合金材料去除机制的影响.结果表明:单晶γ-TiAl合金的微切削过程中伴随有温度、势能、位错的变化以及晶格结构的转变;切削力、切削温度、势能以及去除效率随着横向间距的...     

单晶金刚石抛光研究

单晶金刚石被广泛应用于超精密加工工具,电子探针和光电子领域。抛光金刚石是获得光滑无缺陷金刚石表面的基本手段,本文全面介绍了单晶金刚石抛光机理和抛光工艺的研究进展,分析了磨粒机械破碎,机械－化学去除,机械－热化学去除,氧化化学和机械－电去除等理论,对提高金刚石及金刚石薄膜的平整抛光效率和质量有较高的参考价值。     

铝合金锥镜化学增强力流变抛光优化实验研究

目的 为获得光滑表面并提高铝合金（Al 6061）锥镜全景反射光路集中度,采用力流变抛光方法去除工件在金刚石刀具切削后划痕、凹坑和凸起等表面缺陷,并消除这些表面缺陷导致的锥镜发射光路散射。方法 通过田口法分析力流变抛光过程中四个关键工艺参数——抛光速度、CeO2磨粒的组分（平均粒径为1.6 μm的大颗粒）/（平均粒径为200 nm的小颗粒）、磨粒浓度和抛光液pH值对抛光后工件表面粗糙度的影响。同时,对铝合金锥镜反射光路集中度进行了观测实验,讨论了表面形貌对反射光集中度的影响。结果 用信噪比分析发现,实验条件下抛光液pH值对抛光后的表面粗糙度影响最大,抛光速度和磨粒浓度次之,CeO2磨粒组分影响最小。优化得到的最佳抛光参数组合为：大/小磨粒组分比7∶3,磨粒质量分数4.5%,抛光速度1.38 m/s,抛光液pH=5。在该条件下抛光20 min后,表面粗糙度（Ra）从64.9 nm降低至8.1 nm,基本消除了切削的表面缺陷。结论 利用力流变抛光方法可以有效去除铝合金锥镜表面金刚石切削后的表面缺陷。铝合金材料硬质点Mg2Si对抛光后的表面形貌有重要影响,在优化的力流变抛光条件下,通过化学反应与磨粒机械去除的平衡,可以同时去除工件基体材料和硬质相,获得没有凹坑和凸起的光滑表面。     

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。     

单晶硅磨抛协同加工的分子动力学

磨削与抛光是实现单晶硅材料超精密表面加工的重要工艺方法,磨抛协同加工过程中由磨粒运动状态主导的二体与三体磨损机制对材料去除效率以及表面加工质量具有重要影响。采用分子动力学方法,建立固结与游离运动状态双磨粒协同作用下的单晶硅表面超精密磨抛加工过程仿真模型,分析磨粒切入深度、横向与纵向间距干涉等因素对磨削力、材料相变、表面损伤及材料去除行为的影响规律,阐释单晶硅磨抛协同超精密加工表面形貌演化规律。研究表明：受磨粒运动状态驱动的单晶硅材料表层损伤原子数量随固结及游离磨粒切入深度增大而增加,磨粒切入深度对工件的材料去除、裂纹生长及损伤行为影响显著;法向和切向磨削力随磨粒切入深度增加而增大,且在同等切入深度变化时法向磨削力增加幅度大于切向磨削力; 通过单晶硅金刚石结构分析磨粒间干涉区域的损伤情况可知,随着磨粒间纵向间距增加时,工件所受干涉作用减小,六角金刚石晶体结构减少;相比较固结磨粒,游离磨粒对工件的损伤区域更深,产生瞬态缺陷原子更多。研究结果可为实现超精密磨抛协同加工工艺高材料去除效率和高表面质量提供理论基础。     

紫外光催化辅助SiC抛光过程中化学反应速率的影响

目的为了探究紫外光催化辅助抛光过程中,化学反应速率对SiC化学机械抛光的影响规律。方法通过无光照、光照抛光盘和光照抛光液3种光照方式,研究紫外光催化辅助作用对单晶SiC抛光过程中材料去除率的影响。测量不同条件下光催化反应过程中的氧化还原电位(ORP)值,来表征光催化反应速率,并进行了单晶SiC的紫外光催化辅助抛光实验,考察光催化反应速率对抛光效果的影响规律。结果实验表明,引入紫外光催化辅助作用后,材料去除率提高14%～20%,随着材料去除率的增加,光催化辅助作用对材料去除率的影响程度变小。光照射抛光液方式的材料去除率明显高于光照射抛光盘。不同条件下的抛光结果显示,化学反应速率越快,溶液的ORP值越高,材料去除率越大,表面粗糙度越低。在光照抛光液、H_2O_2体积分数4.5%、TiO_2质量浓度4 g/L、光照强度1500 mW/cm~2、pH=11的条件下,用W0.2的金刚石磨料对SiC抛光120 min后,能够获得表面粗糙度Ra=0.269 nm的光滑表面。结论在单晶SiC的紫外光催化辅助抛光过程中,光催化反应速率越快,溶液ORP值越高,抛光效率越高,表面质量越好。在H_2O_2浓度、TiO_2浓度、光照强度、pH等4个因素中,对抛光效果影响最大的是H_2O_2浓度,光照强度主要影响光催化反应达到稳定的时间。     

6H-SiC单晶紫外光催化抛光中光照方式和磨料的影响

研究紫外光辅助催化抛光6H-SiC单晶。用分光光度法定性检测不同光催化反应时间下甲基橙颜色变化和羟基自由基(·OH)浓度,研究无光照、光照抛光盘、光照抛光液3种光照方式及金刚石、碳化硅、二氧化硅、二氧化钛、硅溶胶5种磨料对6H-SiC单晶抛光的影响。结果表明:随着光照时间增加,·OH浓度增加;在3种光照方式下,不同磨料的材料去除率(MRR)均呈现光照抛光液>光照抛光盘>无光照的规律,且光照抛光液时的MRR比无光照时的MRR提升了18%～58%。随磨料硬度降低,光催化辅助作用对MRR的提高幅度升高,即紫外光催化辅助作用越明显;金刚石、碳化硅、二氧化硅、硅溶胶4种磨料抛光后的表面粗糙度都随MRR的增大而减小,但二氧化钛磨料的则相反,原因是二氧化钛磨料同时兼作光催化剂,增强了SiC表面的化学反应速率,使其化学反应速率大于机械去除速率。      

单晶碳化硅的电磁场励磁大抛光模磁流变抛光

目的 研发一种高精高效单晶碳化硅表面抛光技术。方法 采用电磁场励磁的大抛光模磁流变抛光方法加工单晶碳化硅,利用自制的电磁铁励磁装置与磁流变抛光装置,进行单因素实验,研究电流强度、工作间隙和抛光时间等工艺参数对单晶碳化硅磁流变抛光加工性能的影响,并检测加工面粗糙度及其变化率来分析抛光效果。结果 在工作间隙1.4 mm、电流强度12 A的工艺参数下,加工面粗糙度值随着加工时间的增加而降低,抛光60 min后,加工面粗糙度值Ra达到0.9 nm,变化率达到98.3%。加工面粗糙度值随通电电流的增大而减小,随着工作间隙的增大而增大。在工作间隙为1.0 mm、通电电流为16 A、加工时间为40 min的优化参数下抛光单晶碳化硅,可获得表面粗糙度Ra为0.6 nm的超光滑表面。结论 应用电磁场励磁的大抛光模盘式磁流变抛光方法加工单晶碳化硅材料,能够获得亚纳米级表面粗糙度。     

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。      

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。     

Vibration-assisted dry polishing of fused silica using a fixed-abrasive polisher

Glass is a ubiquitous but essential material in everyday life and industry. The most common method for polishing glass involves the use of free abrasives. However, this method is basically non-deterministic and lacks efficiency. Therefore, vibration has been employed to aid fixed-abrasive polishing in our research. It is found that the vibration can increase the material removal rate while maintain surface quality in fixed abrasive polishing. Normalized Preston coefficients that are the index of the polishing capability of a certain polishing process considerably increase in vibration-assisted polishing process. A mathematic model is set up to interpret the increase in material removal rate for vibration process. The modeled results show that the vibration can improve material removal by increasing vibration amplitude in vertical direction while the horizontal vibration contributes little to increasing material removal rate, which agrees well with experimental results. Aside from material removal, surface morphology of polished glass was also modeled for both vibration and conventional processes. Both experimented and simulated morphology evidence that the vibration some periodic structure on polished surface. The possible mechanism in dry fixed abrasive polishing was also chemically analyzed and a probable mechanism is put forward to clarify the material removal in dry fixed abrasive polishing.     

Mechanical effect of colloidal silica in copper chemical mechanical planarization

The mechanical effect of colloidal silica concentration in copper chemical mechanical planarization (CMP) is considered in this paper by using friction force monitoring system. The copper peak was detected in the result of the energy-dispersive X-ray (EDX) spectra of the polishing residues. The addition of colloidal silica into copper CMP slurry increased both the material removal rate and the friction force. During CMP, as the concentration of the colloidal silica was increased, the temperature generated by the friction force also increased. To understand effect of abrasive concentration on the material removal and friction force, we considered the material removal and the friction energy for a single abrasive. The surface of the polished copper film was measured by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). All the material removal rates as a function of friction energy after polishing with various concentrations of colloidal silica had a non-linear characteristic.     

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。