磁性复合磨粒化学机械抛光技术及其加工试验研究

提出一种新型的磁性复合磨粒化学机械抛光技术。该技术利用磁性聚合物微球与SiO2磨粒组成的复合磨粒抛光液,在辅助磁场的作用下,实现了一种磨粒尺寸与硬质抛光盘微观形貌依赖性小、材料去除率较高的抛光工艺。建立直径8 mm、高度不等的稀土钕铁硼永磁体以点阵形式组合形成的4类辅助磁场。仿真计算表明,柱状下凹磁极的磁场磁力HdH/dz分布均匀,磁性微球受到的磁力一致性好。对磁性微球在抛光系统中的受力分析表明,磁性微球受到的磁力有助于复合磨粒从近抛光区域进入抛光区域,磁性复合磨粒能以二体磨损的方式划擦去除加工表面。以表面粗糙度Ra 0.5μm的硬质抛光盘进行硅片抛光试验,施加辅助磁场前后,硅片的材料去除率从66 nm/min提高到179 nm/min,硅片表面粗糙度由抛光前Ra 405.860 nm减小到Ra 0.490 nm。     

利用复合磨粒抛光液的硅片化学机械抛光

为了提高硅片的抛光速率,利用复合磨粒抛光液对硅片进行化学机械抛光.分析了SiO2磨粒与聚苯乙烯粒子在溶液中的ζ电位及粒子间的相互作用机制,观察到SiO2磨粒吸附在聚苯乙烯及某种氨基树脂粒子表面的现象.通过向单一磨粒抛光液中加入聚合物粒子的方法获得了复合磨粒抛光液.对硅片传统化学机械抛光与利用复合磨粒抛光液的化学机械抛光进行了抛光性能研究,提出了利用复合磨粒抛光液的化学机械抛光技术的材料去除机理,并分析了抛光工艺参数对抛光速率的影响.实验结果显示,利用单一SiO2磨料抛光液对硅片进行抛光的抛光速率为180 nm/min;利用SiO2磨料与聚苯乙烯粒子或某氨基树脂粒子形成的复合磨粒抛光液对硅片进行抛光的抛光速率分别为273 nm/min和324 nm/min.结果表明,利用复合磨粒抛光液对硅片进行抛光提高了抛光速率,并可获得Ra为0.2 nm的光滑表面.     

静电层层自组装复合磨粒及抛光液的抛光性能研究

利用静电层层自组装原理,通过PDADMAC在聚合物粒子表面改性和吸附不同层数的SiO2磨粒,制备n-SiO2/BGF复合磨粒及其抛光液。分析了交替吸附PDADMAC和SiO2磨粒的BGF微球表面Zeta电位的变化,利用TEM表征了不同层数的n-SiO2/BGF复合磨粒SiO2磨粒的吸附情况。分析了聚合物表面磨粒的吸附层数、游离磨粒浓度、聚合物粒径对复合磨粒抛光液抛光的影响。抛光实验表明:3-SiO2/BGF复合磨粒抛光液的材料去除率最高,为368.8nm/min;复合磨粒抛光液中的聚合物粒子为1～2μm、游离磨料SiO2的质量分数为5%时,材料去除率取得较大值。经3-SiO2/BGF复合磨粒抛光液抛光后的硅表面,在10μm×10μm范围内,表面粗糙度从0.3μm降至0.9nm,峰谷值小于10nm,表明复合磨粒抛光液对硅片具有良好的抛光效果。     

硅片硬质抛光盘化学机械抛光工艺参数优化试验研究

在二氧化硅抛光液中加入聚合物微球,对硅片进行了复合粒子硬质抛光盘化学机械抛光试验.应用田口法对玻璃盘表面粗糙度、聚合物微球粒径、聚合物微球质量分数3个影响硅片材料去除率的因素进行了优化分析,得到以材料去除率为评价条件的最优抛光参数.对玻璃盘表面粗糙度和聚合物质量分数对硅片材料去除率的具体影响进行了实验分析,验证了上述结论.结果表明:玻璃盘的表面粗糙度与聚合物微球的粒径相适应和聚合物微球质量分数适中时,可以获得较高的抛光效率.     

利用复合磨粒抛光液的硅片化学机械抛光工艺参数优化试验研究

为提高硅片抛光速率,提出利用复合磨粒抛光液对硅片进行化学机械抛光.分析SiO2磨粒与某种氨基树脂粒子在溶液中的相互作用机制,观察SiO2磨粒吸附在氨基树脂粒子表面的现象.通过向单一磨粒抛光液中加入聚合物粒子的方法获得了复合磨粒抛光液.应用田口法对SiO2磨粒质量分数、氨基树脂粒子质量分数以及抛光速度三个影响硅片材料去除率的工艺因素进行了优化分析,得到以材料去除率为评价条件的优化抛光工艺参数.试验结果表明:利用5wt%的SiO2磨料、3wt%的氨基树脂粒子形成的复合磨粒抛光液,在抛光盘和载样盘的转速均为50r/min以及抛光压力为22kPa的工艺条件下,对硅片进行抛光的抛光速率达到353nm/min.     

基于响应曲面法的YG8硬质合金刀片化学机械抛光工艺参数优化

为了快速确定YG8前刀面抛光的最佳工艺参数,提高加工效率和精度,利用响应曲面法对YG8硬质合金刀片抛光工艺进行优化试验研究。通过单因素试验确定抛光转速、抛光压力、磨粒粒径和磨粒浓度的水平,并对4个工艺参数进行中心复合设计试验。建立了材料去除率RMR和表面粗糙度Ra的预测模型,基于响应曲面法优化工艺参数获得最佳工艺参数为抛光转速65.5 r/min、抛光压力156.7 kPa、磨粒粒径1.1 μm、磨粒浓度14%,此时得到了最小表面粗糙度预测值Ra=0.019 μm,材料去除率RMR=56.6 nm/min。试验结果表明,基于响应曲面法的材料去除率与表面粗糙度预测模型准确有效。     

单晶硅同质互抛实验研究

以材料的去除率和表面粗糙度为评价指标设计对比实验,验证了硬脆材料互抛抛光的可行性,得到了抛光盘转速对硬脆材料互抛的影响趋势和大小。实验结果表明：当抛光压力为48 265 Pa（7 psi）、抛光盘转速为70 r/min时,自配抛光液互抛的材料去除率为672.1 nm/min,表面粗糙度为4.9 nm,与传统化学机械抛光方式的抛光效果相近,验证了硬脆材料同质互抛方式是完全可行的;互抛抛光液中可不添加磨料,这改进了传统抛光液的成分;采用抛光液互抛时,材料去除率随着抛光盘转速的增大呈现先增大后减小的趋势,硅片的表面粗糙度随着抛光盘转速的增大呈先减小后增大的趋势。     

无抛光垫化学机械抛光技术研究

应用双电层理论分析了SiO2磨粒与聚苯乙烯粒子在溶液中的ζ电位及粒子间的相互作用机制,观察到SiO2磨粒吸附在聚苯乙烯粒子表面的现象.分析了基于复合粒子抛光液的无抛光垫化学机械抛光技术特点及其材料去除机理.比较试验表明,基于复合粒子抛光液的硅片无抛光垫化学机械抛光具有与传统化学机械抛光相接近的材料去除率和硅片表面粗糙度值,并可避免工件塌边现象的产生.     

CeO_2/SiO_2复合磨粒抛光性能及机制研究

为提高硅片抛光质量与效率,利用均相沉淀法制备CeO2/SiO2复合磨粒,配制绿色环保水基型抛光液对硅片进行化学机械抛光,研究pH值、抛光时间、抛光速度、抛光压力等抛光工艺参数对硅片抛光性能的影响。结果表明:随抛光液pH值增加,材料去除率相应增大;材料去除率在一定时间范围内随抛光时间增加而下降;材料去除量随抛光速度、抛光压力的增加均先增大后减小。推测CeO2/SiO2复合磨粒抛光机制为由于水合作用,在硅片表面形成一层易于磨削的软质层。     

CeO2/SiO2复合磨粒抛光性能及机理研究

为提高硅片抛光质量与效率,利用均相沉淀法制备ＣｅＯ２／ＳｉＯ２ 复合磨粒,配制绿色环保水基型抛光液对硅片进行化学机械抛光,研究ｐＨ值、抛光时间、抛光速度、抛光压力等抛光工艺参数对硅片抛光性能的影响。结果表明：随抛光液ｐＨ值增加,材料去除率相应增大;材料去除率在一定时间范围内随抛光时间增加而下降;材料去除量随抛光速度、抛光压力的增加均先增大后减小。推测ＣｅＯ２／ＳｉＯ２复合磨粒抛光机制为由于水合作用,在硅片表面形成一层易于磨削的软质层。     

Development of electrically controlled polishing with dispersion type ER fluid under AC electric field

This paper shows that a dispersion type functional fluid and AC electric field may be used to control the distribution of abrasives in free-abrasive polishing and to improve surface roughness and finishing time. In the case of polishing conductive materials, such as cemented carbide, an AC electric field created by a mono-pole electrode has concentrated abrasives in the polishing area. To obtain a minimum surface roughness, a peak-to-valley voltage of 2 kV at a frequency of 0.8 Hz has been applied. Then the surface roughness of a cemented carbide plate was reduced from 0.65 μm Ra to 0.02 μm Ra in 5 min. But to polish non-conductive materials, such as glass and semiconductors, a multi-layered concentric electrode must be introduced. The surface roughness of borosilicate glass plates has been reduced from 13.5 nm Ra to 7.5 nm Ra in 3 min under the optimum AC electric field gradient of 2 kV/mm and 0.8 Hz frequency.     

超声椭圆振动-化学机械复合抛光工具及实验研究

针对硅片的传统化学机械抛光,特别是随着硅片直径不断增大,硅片抛光表面质量和抛光效率成为一个亟待解决的问题。介绍一种超声椭圆振动-化学机械复合抛光新技术,并对抛光机理,抛光工具设计,性能及检测进行了详细论述和说明。在上述研究工作基础上,建立了超声椭圆振动辅助抛光实验系统,并进行了实验研究。实验结果显示,在抛光加工中引入超声椭圆运动后,工件抛光表面粗糙度值由传统抛光法的Ra0.077μm降低到Ra0.032μm,材料去除率最多可提高24%,且工件表面形貌有明显改善。     

电流变抛光工艺研究

研究了电流变抛光工艺参数对工件表面粗糙度的影响。用SiC和Al2O3磨料分别对硬质合金和光学玻璃进行了抛光试验，考察了抛光时间、工具电极转速、电源电压、磨料浓度等工艺参数影响工件表面粗糙度的规律。试验结果表明，随着抛光时间、工具电极转速、电源电压的增加，工件表面粗糙度逐渐降低。随着磨料浓度增加，工件表面粗糙度先降低后升高。对于表面粗糙度而言，磨料浓度存在一个最佳值。     

粘结Fe＋SiC磁性磨料的研究

研究了粘结Fe SiC磁性磨料的成分、粒度以及研磨时间对几种钢件研磨表面粗糙度的影响,并通过扫描电镜分析研磨表面形貌,探讨了研磨机理。试验结果表明：该磁性磨料具有良好的研磨效果,而磨磨机理是SiC粒子对钢件表面的低应力磨料磨削。     

Polishing of Ultra-clean Inner Surfaces Using Magnetic Force

In this study, an internal polishing system using magnetic force was developed for the production of ultra-clean tubes with average surface roughness ranging from 0.02 _m to 0.05 _m or less, and the application of magnetic abrasives composed of WC/Co powder was developed. After finding the optimal conditions, machining characteristics using newly developed abrasives ware analysed. From the results obtained by the experimental design method, optimal polishing conditions were analysed.     

Polishing tool with phyllotactic distributed through-holes for photochemically combined mechanical polishing of N-type gallium nitride wafers

In this work, we further developed the photochemically combined mechanical polishing (PCMP) method for finishing N-type gallium nitride (GaN) wafers. A core improvement is to design a novel polishing tool with phyllotactic distributed through-holes, through which the wafer surface underneath through-holes can receive ultraviolet (UV)-light for the photochemical oxidation, while the rest parts undergo mechanical polishing. During PCMP, the co-rotation of the wafer and polishing tool allows the wafer surface to undergo the uniform and high-frequency conversion of oxidation and polishing. Based on the designed PCMP system and apparatus, the fundamental issues arising from such an alternate processing mode, which is different from the parallel mode of conventional chemical mechanical polishing (CMP), were investigated. Results show that the technical features of PCMP depend on the nature of the photochemical oxidation of wafers themselves if the mechanical polishing procedure can sufficiently remove oxides in time. The material removal rate (MRR) is inversely proportional to the dislocation density of wafers. Under acidic conditions, the oxidation proceeds by the GaN monocrystal step orientation, allowing PCMP to clear surface/subsurface damages (SSDs) and to prepare step-terrace structures on the wafer surface. When the polishing solution (pH = 1.5) includes 0.1 M K₂S₂O₈ oxidants and 10 wt% SiO₂ abrasives, the surface roughness Sa attains 0.21 nm in 10 × 10 μm², and the MRR reaches 275.3 nm/h. The present study shows that the phyllotactic distributed through-hole array structure designed for polishing tools offers rich possibilities for the innovation of polishing technologies combining with various oxidation approaches.     

介电泳效应磨粒流抛光中的电极形态

针对薄壁陶瓷工件内表面抛光,提出一种基于介电泳效应的磨粒流抛光方法。将非均匀电场布置于陶瓷工件外表面,极化磨粒,实现陶瓷工件内表面高效抛光。仿真分析发现:电极间隙比为2时,SiC磨粒具有最好的介电泳效应,参与抛光的磨粒最多。陶瓷工件初始内表面粗糙度值Ra为(208±5)nm时,抛光10 h后,无介电泳效应的磨粒流抛光工件内表面粗糙度值Ra为51 nm,有介电泳效应的磨粒流抛光工件内表面粗糙度值Ra为23 nm。     

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.     

介电泳效应平面抛光的电极同层布置方式数值仿真与实验

针对化学机械平面抛光（CMPP）过程中,抛光液受抛光盘旋转离心力作用,抛光液有效利用率低、在抛光盘表面分布不均,从而影响平面抛光效率和质量的问题,提出了一种电极同层布置方式的介电泳平面抛光方法（SLAE-DEPP）。采用COMSOL Multiphysics对电极同层布置方式下封闭式圆环电极和非封闭式圆环电极的电势变化和电场强度平方梯度变化进行仿真,仿真结果表明,非封闭式圆环电极方式的电场强度平方梯度在半径ρ方向和角度θ方向都存在变化,在开口处最大电场强度平方梯度变化约为封闭式电极方式电场强度平方梯度变化的1.5倍。采用非封闭圆环电极同层布置方式制作抛光盘,搭建实验平台进行抛光实验,实验结果表明,与传统CMPP抛光相比,SLAE-DEPP方式抛光直径为76.2 mm硅片,抛光6 h后,工件中心处表面粗糙度Ra从初始690 nm下降到1 nm以下,工件平面度（RMS值）为0.268 μm,工件材料去除率（MRR）提高了近27.3%,工件表面去除均匀达到镜面,抛光效率和抛光质量均优于传统CMPP方式。