磨粒尺寸和基体硬度对固结磨料抛光YAG晶体的影响

钇铝石榴石(YAG)是一种应用广泛的硬脆难加工材料,其抛光过程工艺复杂、效率低。固结磨料抛光技术具有平坦化能力优、对工件形貌选择性高、磨料利用率高等优点。试验采用固结磨料抛光YAG晶体,研究固结磨料垫的基体硬度和金刚石磨粒尺寸对YAG晶体的材料去除率和表面质量的影响。结果表明:当基体硬度适中为Ⅱ、金刚石磨粒尺寸3～5 μm时,固结磨料抛光YAG晶体效果最优,其材料去除率为255 nm/min,表面粗糙度S_a值为1.79 nm。      

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。      

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。     

固结磨料研磨抛光K9玻璃的超精密加工工艺研究

采用PHL-350型平面高速研磨抛光系统,通过固结磨料研磨抛光方法进行了超精密加工K9玻璃试验研究。探讨了不同粒径和不同磨粒研磨抛光垫在加工中对K9玻璃材料去除率和表面质量的影响。获得了高效率、低成本、高质量的K9玻璃的超精密加工工艺:首先使用M20/30金刚石研磨垫研磨,然后使用3μm CeO2抛光垫抛光。加工后K9玻璃的表面粗糙度优于RMS 0.6 nm,微观损伤少。     

固结磨料球对氟化钙晶体摩擦磨损性能的影响

目的通过改变固结磨料球的基体和磨料特性,研究氟化钙晶体的摩擦磨损性能,为超精密加工中研磨抛光氟化钙晶体固结磨料垫的选择提供指导。方法基于固结磨料加工技术制备固结磨料球,并与氟化钙晶体对磨。研究固结磨料球的磨料种类(金刚石和氧化铈两种磨料)、基体硬度、磨粒粒径对摩擦系数、划痕截面积、划痕处粗糙度的影响。结果金刚石磨料对磨的晶体表面划痕截面积S=480μm2,划痕处粗糙度Ra=85.3 nm,摩擦系数的平均值μ=0.537;氧化铈对磨磨料的S=307μm2,Ra=74.7 nm,μ=0.543。与氧化铈相比,金刚石磨料对磨的晶体表面产生划痕截面积、划痕处的粗糙度均较大,摩擦系数达到稳定的时间短,且摩擦系数的平均值较小。随着基体硬度增大,产生的划痕截面积逐渐增大。当基体硬度适中时(Ⅲ型基体),划痕截面积趋于稳定,S稳定在450μm2左右,此时划痕处粗糙度值也最小,为85.8 nm。在基体Ⅲ、Ⅳ两处,划痕截面轮廓的对称性较好。随着基体硬度增加,摩擦系数达到稳定的时间逐渐减小,动荡幅度也减小,但摩擦系数平均值增大。随着磨粒粒径增大,划痕截面积和划痕处的粗糙度值均增大,摩擦系数达到稳定的时间增加,且摩擦系数平均值增大。结论在选择固结磨料垫加工氟化钙晶体时,应选择金刚石磨料和基体Ⅲ,而磨粒粒径则需根据材料去除率和表面质量的要求做出相应选择。     

铜粉含量对亲水性固结磨料抛光垫加工性能的影响研究

通过向亲水性固结磨料抛光垫中添加铜粉,改善抛光垫的抛光性能,研究铜粉添加量对抛光垫的理化特性及加工K9光学玻璃的材料去除率和工件表面质量的影响。结果表明:随着铜粉添加比例的增加,抛光垫的硬度增加,其材料去除速率呈现先增大后减小的趋势,当铜粉质量分数为5%时,抛光垫的材料去除速率达到最大值58.18 nm/min。同时加工后K9玻璃表面粗糙度也对应地呈现出先增大后减小的趋势,粗糙度Sa最大值为9.28 nm,最小值为2.53 nm。     

固结磨料研磨与抛光的研究现状与展望

分析了传统游离磨料研磨抛光存在的缺点和固结磨料的研磨抛光的优点;阐述了固结磨料研磨抛光的材料去除机制以及固结磨料研磨盘抛光技术在氮化硅陶瓷加工、半导体制程中的应用;介绍了多种固结磨料研磨盘、抛光垫的制作方法;并展望了固结磨料的研磨抛光的发展趋势。     

磨粒和抛光垫特性对蓝宝石超声化学机械抛光的影响

抛光磨粒和抛光垫对蓝宝石超声化学机械抛光起重要作用,为研究磨粒和抛光垫特性对蓝宝石材料抛光效率和质量的影响,利用自制超声弯曲振动辅助化学机械抛光装置,研究金刚石、氧化铝和二氧化硅3种不同磨粒,以及表面多孔且无沟槽的聚氨酯抛光垫、IC1000抛光垫、IC1000和SubaⅣ复合抛光垫对蓝宝石材料去除率及抛光后表面粗糙度的影响。由质量损失求得的去除率和原子力显微镜表面形貌测试结果表明：二氧化硅抛光液的去除率3.2 μm/h接近氧化铝抛光液去除率3.8 μm/h,远大于金刚石抛光液去除率0.3 μm/h,且其抛光后的蓝宝石表面光滑、无损伤;3种抛光垫抛光后的蓝宝石粗糙度接近,约0.10 nm,但聚氨酯抛光垫的去除率为3.2 μm/h,远大于IC1000抛光垫的去除率1.9 μm/h及复合垫的去除率1.6 μm/h。二氧化硅抛光液和聚氨酯抛光垫适宜蓝宝石超声化学机械抛光工艺,可获得高去除率和原子级光滑表面。     

单层磨料凝胶抛光垫的加工性能研究

目的 研究单层磨料凝胶抛光垫的加工性能,为提高磨料利用率以及降低磨料对凝胶基体的破坏提供解决思路.方法 使用自行搭建的测力装置,对磨粒与基体的界面结合强度进行研究,分析磨料粒度和偶联剂对界面结合强度的影响,研究磨料粒度和结合剂厚度对磨粒附着的影响,并将制备的单层磨料凝胶抛光垫与常规多层磨料凝胶抛光垫分别在湿抛光和干抛光工艺条件下加工碳化硅衬底,对比两者的材料去除率、表面粗糙度和工具的磨损情况.结果 200/230目金刚石磨粒的界面结合强度是80/100目的4倍有余,添加偶联剂后,80/100目金刚石磨料与基体的界面结合强度提高了75％.粗粒度的W40多层磨料容易破坏凝胶基体的结构,而细粒度的W5单层磨料不会破坏凝胶基体结构,且单层磨料工具的凝胶体涂覆厚度应低于0.6 mm.湿抛光条件下,单层磨料工具能达到多层磨料工具的抛光效果;干抛光条件下,单层磨料工具的材料去除率相比多层磨料工具提升11.5％;湿抛光和干抛光条件下,单层磨料凝胶工具的耐磨性都显著强于多层磨料工具.结论 单层磨料凝胶工具在湿抛光条件下具有与多层磨粒凝胶工具等效的加工能力,但是在干抛光条件下,单层磨料凝胶工具的加工能力和使用寿命要显著优于多层磨料凝胶工具.     

微磨料水射流对工件表面抛光作用的研究

采用碳化硅固体磨粒、纯水和水溶性乳蜡(水蜡)混合而成的液体磨料,液体磨料的浓度按固体磨粒与添加液的质量比1∶ 2的比例混合,工件材料采用热作模具钢4Cr5MoSiV1,被抛光工件表面分别为未经热处理的模具钢表面和电火花加工后的工件表面.实验研究了不同粒度的固体磨粒、添加液浓度、抛光时间等对抛光性能的影响.研究表明,经过90 min的抛光,两种抛光面的表面粗糙度值Ra都呈显著下降.对于电火花加工表面,抛光90 min后的粗糙度值由最初的Ra=1.0 μm下降到Ra=0.08 μm;对于未经热处理的工件表面,抛光90 min后的粗糙度值由最初的Ra=0.36 μm下降到Ra=0.06 μm.证明微磨料水射流对工件表面具有良好的抛光作用.研究还表明,磨料液成分、抛光时间以及被抛光工件材料以及工件表面原始粗糙度等对抛光性能有重要影响.对于硬度和粗糙度较高的工件表面,宜采用具有较粗的固体磨料粒子和较高浓度添加剂的磨料液;对于硬度和粗糙度较低的工件表面,宜采用较细的固体磨料粒子和添加剂浓度较低的磨料液.对于较低硬度的工件表面,采用蜡敷磨粒的磨料液可缩短抛光时间和提高抛光的表面精度.     

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。     

紫外光催化辅助Ga面GaN化学机械抛光试验研究

目的 探究在紫外光催化辅助抛光过程中,相关因素对氮化镓晶片Ga面去除率(MRR)及表面粗糙度(Ra)的影响规律,提高单晶氮化镓高效率低损伤的超光滑表面质量。方法 通过结合紫外光与化学机械进行抛光,采用单因素试验方案,对GaN晶片的Ga面进行紫外光催化辅助化学机械抛光试验,比较在无光照、光照抛光盘、光照抛光液3种抛光方式和不同TiO₂浓度、pH值、H₂O₂含量、抛光压力、抛光盘转速和抛光液流条件下的抛光效果。最后通过正交试验进行抛光工艺参数优化,通过测量不同条件下紫外光催化辅助化学机械抛光过程中的MRR值和Ra值,探究GaN晶片Ga面抛光效果。结果在紫外光催化辅助抛光条件下,通过对单因素试验和正交试验的抛光参数进行分析和优化,GaN晶片材料去除率可以达到698.864nm/h,通过白光干涉仪观测可以获得表面粗糙度Ra值为0.430nm的亚纳米级超光滑GaN晶体表面。结论 基于紫外光催化辅助GaN晶片Ga面化学机械抛光试验,紫外光辅助化学机械的复合抛光方式能够促进GaN表面生成物Ga₂O₃     

固结磨料研磨K9玻璃的工艺优化

固结磨料研磨工艺具有高加工效率及清洁加工等突出优点。采用正交实验法,研究了转速比、研磨压力、研磨液流量等参数对固结磨料研磨K9玻璃的材料去除率和三维轮廓表面粗糙度Sa的影响。结果表明:研磨的最佳工艺参数组合为:转速比为145/150,研磨压力为0.055 MPa,研磨液流量为60mL/min。在该工艺参数组合下,材料去除速率达到3186 nm/min,Sa值达到19.6 nm。     

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。     

磨料尺寸对固结金刚石聚集体磨料垫研磨石英玻璃加工性能的影响

石英玻璃的研磨加工是其超光滑抛光加工的前道工序,对其加工效率和最终表面质量影响甚大。针对石英玻璃的硬脆特性,采用固结金刚石聚集体磨料研磨垫,对其高效低损伤研磨加工工艺进行了研究。探索了金刚石聚集体磨粒的一次颗粒尺寸、二次颗粒尺寸、研磨压力和研磨液流量4因素对研磨石英玻璃加工性能的影响,综合优化得到加工效率高和表面质量优的工艺参数。实验表明:采用固结金刚石聚集体磨料研磨垫,当一次颗粒尺寸和二次颗粒尺寸分别为1.0~2.0 μm和20~25 μm,研磨压力为14 kPa,研磨液流量为60 mL/min时,材料去除率达到2.64 μm/min,平均表面粗糙度值R_a为54.2 nm。      

研磨温度对亲水性固结磨料垫加工性能的影响

研磨温度的升高会引起树脂基体模量的变化,从而影响亲水性固结磨料垫的加工性能。通过有限元分析软件仿真了亲水性固结磨料垫在不同研磨液温度下研磨石英玻璃的瞬态温度场,研究了不同温度条件下固结磨料垫基体的溶胀率与砂浆磨损量,探索了固结磨料垫在不同研磨液温度下的加工性能。结果表明:随着研磨液温度的升高,基体温度分布区间也随之改变,固结磨料垫基体的溶胀率与砂浆磨损量均增加,分别达到了1.43%与2.5 mg;温度升高使基体动态模量减小,材料去除率(material removal rate,MRR)和表面粗糙度R_a得到了改善,分别为8.2 μm/min和69.9 nm。因此适当提升研磨温度,能在一定程度上提高固结磨料垫的加工性能。      

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.     

石英玻璃固结磨料研磨工艺参数响应面模型的研究

目的 通过优化工艺参数,充分挖掘固结磨料研磨加工的优势.方法 采用固结磨料研抛垫对石英玻璃进行研磨,以材料去除率(MRR)和表面粗糙度(Ra)为评价指标,采用3因素3水平的响应曲面法,探索工件转速、研磨压力、研磨液流速三个工艺参数对固结磨料垫加工特性的影响规律.建立三个工艺参数作用下的MRR模型和Ra模型,结合响应曲面及其等高线,获得工艺参数变量两两复合的影响规律和各目标下的最优工艺参数.最后,对最优工艺参数进行实验验证.结果 实验结果及其分析表明,以最大材料去除率为目标的最佳工艺参数为:转速90 r/min,压力20.685 kPa,研磨液流速60 mL/min.以最小表面粗糙度为目标的最佳工艺参数为:转速100 r/min,压力20.685 kPa,研磨液流速80 mL/min.最优工艺的加工性能预测值为34.5 nm/min和38.5 nm,验证实验结果为37.6 nm/min和39.4 nm,二者的误差值在合理范围内.结论 研抛工艺参数的响应面模型具有良好的预测能力,预测误差很小,最优工艺参数下,工件表面平整光滑,没有明显的凹坑和粗大划痕.