硅片低损伤磨削砂轮及其磨削性能

针对传统金刚石砂轮磨削硅片存在的表面/亚表面损伤问题,研制了一种用于硅片化学机械磨削加工的新型常温固化结合剂软磨料砂轮。根据化学机械磨削加工原理和单晶硅的材料特性,设计的软磨料砂轮以氧化铈为磨料,二氧化硅为添加剂,氯氧镁为结合剂。研究了软磨料砂轮的制备工艺,分析了软磨料砂轮的微观组织结构和成分。通过测量加工硅片的表面粗糙度、表面微观形貌和表面/亚表面损伤,进一步研究了软磨料砂轮的磨削性能。最后,与同粒度金刚石砂轮磨削和化学机械抛光(CMP)加工的硅片进行了对比分析。结果表明,采用软磨料砂轮磨削的硅片其表面粗糙度Ra1nm,亚表面损伤仅为深度30nm的非晶层,远好于金刚石砂轮磨削硅片,接近于CMP的加工水平,实现了硅片的低损伤磨削加工。     

单晶硅反射镜的超精密磨削工艺

为了实现单晶硅反射镜高效低损伤的超精密加工,研究了基于工件旋转法磨削原理的单晶硅反射镜超精密磨削工艺。通过形貌检测和成份测试的方法分析了该工艺采用的超细粒度金刚石砂轮的组织结构特征,并对单晶硅进行了超精密磨削试验,研究了超细粒度金刚石砂轮的磨削性能。通过砂轮主轴角度与工件面形之间的数学关系实现对磨削工件面形的控制。最后,采用超细粒度金刚石砂轮对Φ100mm×5mm的单晶硅反射镜进行了超精密磨削试验验证。试验结果表明,超细粒度金刚石砂轮磨削后的单晶硅表面粗糙度Ra值小于10nm,亚表面损伤深度小于100nm,磨削后的单晶硅反射镜面形PV值从初始的8.1μm减小到1.5μm。由此说明采用该工艺磨削单晶硅反射镜能够高效地获得低损伤表面和高精度面形。     

细粒度金刚石砂轮超精密磨削硅片的表面质量

为实现硅片高质量表面的超精密磨削，研究了5000目、8000目和30 000目金刚石砂轮磨削硅片的表面质量。利用数学模型预测了硅片磨削表面的粗糙度Ra并对预测结果进行了试验验证，分析了硅片磨削表面的形貌特征；通过磨床主轴电机的电流变化对比分析了5000目、8000目和30 000目砂轮磨削过程中的磨削力变化趋势。研究结果表明：8000目砂轮磨削后的单晶硅表面粗糙度Ra小于10 nm,亚表面损伤深度小于150 nm,磨削过程中的磨削力稳定，磨削质量优于5000目砂轮，磨削过程的稳定性优于30 000目砂轮。     

石英玻璃超精密磨削加工的表面完整性研究

为了实现石英玻璃的高效低损伤超精密磨削加工,研究不同粒度金刚石砂轮磨削石英玻璃的表面和亚表面质量,建立表面粗糙度与亚表面损伤深度之间的关系模型。通过石英玻璃磨削试验研究400#、1 500#、2 000#和5 000#金刚石砂轮磨削石英玻璃的表面微观形貌、表面粗糙度及其亚表面损伤深度,分析相应的材料去除方式;基于压痕断裂力学理论分析脆性域磨削石英玻璃时工件表面微观形貌和亚表面微裂纹的形成机理,建立表面粗糙度PV值和亚表面损伤深度SSD之间的定量关系。研究结果表明:随着砂轮粒度的减小,石英玻璃磨削表面的凹坑、微裂纹、深划痕等缺陷逐渐减少,表面粗糙度Ra和PV以及亚表面损伤深度SSD均随之明显减小,从400#砂轮磨削表面的R_a 274.0 nm、PV 5.35μm和SSD 5.73μm降低至5 000#砂轮磨削表面的Ra 1.4 nm、PV 0.02μm和SSD 0.004μm。500#和1 500#砂轮磨削表面的材料去除方式为脆性断裂去除,2 000#砂轮磨削表面的材料去除方式同时包括脆性断裂去除和塑性流动去除,但以塑性流动去除为主,5 000#砂轮磨削表面的材料去除方式为塑性流动去除;脆性域磨削石英玻璃的表面粗糙度PV与亚表面损伤深度SSD之间满足SSD=(0.627～1.356) PV~(4/3)的数学关系。     

工件旋转法磨削硅片的磨粒切削深度模型

半导体器件制造中,工件旋转法磨削是大尺寸硅片正面平坦化加工和背面薄化加工最广泛应用的加工方法。磨粒切削深度是反映磨削条件综合作用的磨削参量,其大小直接影响磨削工件的表面/亚表面质量,研究工件旋转法磨削的磨粒切削深度模型对于实现硅片高效率高质量磨削加工具有重要的指导意义。通过分析工件旋转法磨削过程中砂轮、磨粒和硅片之间的相对运动,建立磨粒切削深度模型,得到磨粒切削深度与砂轮直径和齿宽、加工参数以及工件表面作用位置间的数学关系。根据推导的磨粒切削深度公式,进一步研究工件旋转法磨削硅片时产生的亚表面损伤沿工件半径方向的变化趋势以及加工条件对磨削硅片亚表面损伤的影响规律,并进行试验验证。结果表明,工件旋转法磨削硅片的亚表面损伤深度沿硅片半径方向从边缘到中心逐渐减小,随着砂轮磨粒粒径、砂轮进给速度、工件转速的增大和砂轮转速的减小,加工硅片的亚表面损伤也随之变大,试验结果与模型分析结果一致。     

基于固结磨粒的单晶蓝宝石自旋转磨削加工方法

利用固结磨粒自旋转磨削加工方法，通过金刚石磨削和化学机械磨削实现了蓝宝石晶片的高效、高质量平坦化加工。采用不同磨粒粒径的金刚石砂轮实现了蓝宝石晶片较高的材料去除率或较好的表面质量。开发了高磨粒浓度Cr2O3砂轮，采用化学机械磨削对金刚石磨削后的蓝宝石晶片进行平坦化加工。实验结果表明，化学机械磨削能够去除金刚石磨削的表面和亚表面缺陷，最终获得表面粗糙度Ra＜1 nm、无/微损伤的蓝宝石晶片。通过理论分析单颗金刚石磨粒的磨削力，发现磨粒粒径是影响材料去除率和表面质量的主要影响因素。通过XPS分析证明了Cr2O3和蓝宝石之间的固相反应过程。     

单晶蓝宝石基片抛光工艺研究进展

对目前抛光单晶蓝宝石基片的工艺方法,如游离磨料磨削、金刚石砂轮磨削、在线电解修整磨削(ELID)、化学机械抛光(CMP)、固结软磨料抛光、磁流变抛光(MRF)、超声振动辅助磨削的加工原理、方法和特点进行综述。分析了各方法的优势和不足以及最新研究成果存在的关键问题。其中游离磨料磨削、在线电解修整磨削、金刚石砂轮磨削的材料去除速率较高,化学机械抛光是抛光大面积基片的唯一方法,磁流变抛光后的基片表面不存在亚表面损伤。根据单晶蓝宝石基片的应用需求和目前抛光方法的不足,对后续研究的方向进行了预测。     

磨削力对HIPSN陶瓷磨削亚表面裂纹的影响

采用金刚石砂轮是磨削热等静压氮化硅(HIPSN)陶瓷最常用的加工方法,但是被磨零件亚表面常常伴随裂纹、崩碎等加工损伤,因此研究裂纹扩展一直是工程陶瓷的热点问题。对磨削加工后的HIPSN陶瓷亚表面裂纹进行探究,分析其在磨削加工过程中产生裂纹的原因以及去除机理,研究结果表明在磨削过程中对裂纹进行适当的控制,可以提高陶瓷零件的可靠性。设置单因素实验,对不同磨削参数下HIPSN陶瓷的磨削力进行测量,通过扫描电镜(SEM)对亚表面裂纹和表面形貌进行观察,分析磨削力对亚表面裂纹的影响。实验结果表明:磨削力随着砂轮线速度的增大而减小,随着工件进给速度和磨削深度的增大而增大;当磨削力变大时,陶瓷亚表面裂纹扩展程度增加,表面形貌变差。在粗磨加工HIPSN陶瓷时,可以通过减小工件进给速度和磨削深度,提高砂轮线速度的方法来降低裂纹的扩展程度,能够有效降低后续工艺的加工时间和难度,提高表面质量。     

微波烧结陶瓷结合剂金刚石砂轮磨削硅片性能的研究

微波烧结陶瓷结合剂金刚石砂轮,制备效率高且具有良好的力学性能。研究其磨削硅片的性能,利用恒压力平面磨削试验台进行一系列砂轮节块试样硅片磨削实验,分析不同的磨削工艺参数(压力、速度以及时间)下硅片表面粗糙度、表面形貌及砂轮节块磨削比。实验结果表明当磨削压力22N,速度450 mm/s,时间1 h时,硅片表面粗糙度值最小达到0.41μm,砂轮磨削比为0.17,微波烧结陶瓷结合剂金刚石砂轮能够满足硅片的磨削表面质量要求。     

基于放电修锐的粗金刚石砂轮干式镜面磨削技术

为解决超硬金刚石砂轮修锐效率较低以及环境友好性等问题，采用干式接触放电修锐(ECD)技术对粗金刚石砂轮进行修锐，获得较高的磨粒出刃，可以实现硬质合金和模具钢等高强高硬材料的高效精密镜面磨削加工。对46#金属结合剂粗金刚石砂轮进行机械修锐和干式ECD修锐，再利用修锐后的粗金刚石砂轮对硬质合金和模具钢进行干式轴向磨削加工，对比分析两种修锐条件下磨削工艺参数对硬质合金干磨削力、磨削表面粗糙度和磨削力比的影响。实验结果表明：硬质合金的干式轴向磨削力及其表面粗糙度随砂轮速度的增大而减小，随进给速度和切削深度的增大而增大；与机械修锐相比，干式ECD修锐能够获得更高的磨粒出刃和更好的表面质量，以及更小的磨削力和磨削力比；硬质合金和模具钢的干磨削表面粗糙度Ra分别可达0.058μm和0.022μm。     

基于多层钎焊金刚石砂轮在线电解修整技术的超细晶硬质合金精密磨削研究

利用模压成型技术和真空钎焊技术制备出了磨粒把持力大、力学性能优良的多层钎焊金刚石砂轮;采用在线电解修整技术促使磨钝的磨粒及时脱落,使砂轮在磨削过程中始终保持锋利性;并开展了基于多层钎焊金刚石砂轮在线电解修整技术的超细晶硬质合金精密磨削试验。试验结果表明：在相同磨削条件下,多层钎焊砂轮在线电解修整磨削力较无修整时的磨削力下降了33.7%～57.9%;多层钎焊砂轮在线电解修整磨削技术能有效提高加工表面质量。当进给速度为30 mm/s,磨削深度为15 μm时,无电解磨削加工表面粗糙度为0.35 μm,而在线电解修整磨削表面粗糙度仅为82.1 nm;多层钎焊砂轮在线电解修整磨削残余应力仅为无电解磨削时的38.2%～49.5%。且在线电解修整磨削表面完整性较好,没有出现表面/亚表面裂纹等相关缺陷,可实现超细晶硬质合金等难加工材料的高效精密加工。     

磨削速度对碳化硅陶瓷磨削损伤影响机制研究

碳化硅陶瓷高速磨削过程中,磨粒对工件材料强力冲击,应变率剧增、复杂显微结构对应力波传送响应转变,材料力学行为发生变化,目前高速磨削对材料去除机制影响的物理本质认识还不清楚。为此,开展磨削速度对SiC陶瓷磨削裂纹损伤影响机制研究。通过单颗磨粒磨削SiC陶瓷试验,分析了磨削速度对SiC陶瓷磨削表面形貌、磨削亚表面裂纹损伤深度、磨削力和磨削比能的影响规律。试验结果表明,当SiC陶瓷材料以脆性方式去除时,磨削速度对裂纹损伤影响最为显著,随着磨削速度从20 m/s增加到160 m/s,磨削亚表面裂纹损伤深度从12.1μm快速降低到6μm。采用Voronoi法建立了金刚石磨削多晶SiC陶瓷有限元仿真模型,当磨粒切厚为0.3μm,磨削亚表面损伤以微裂纹为主;当磨粒切厚为1μm时,随着磨削速度增加,磨削亚表面裂纹损伤深度从14.7μm降低到4.6μm,磨削亚表面宏观沿晶裂纹逐渐变为微观裂纹。基于位错理论和冲击动力学理论,揭示了高速磨削过程中位错密度的增加和晶界反射应力波对应力场削弱作用是高速磨削SiC陶瓷裂纹损伤“趋肤效应”产生的机理。     

形貌重构砂轮磨削试验研究

设计了一种金刚石纤维切削装置，用其对白刚玉砂轮进行断续飞切来加工出断续微沟槽，从而实现砂轮的表面形貌重构。采用原始砂轮及形貌重构砂轮分别进行GCr15淬硬轴承钢的常温干式、浇注式磨削的对比试验研究，探讨了形貌重构砂轮的磨削性能。试验结果表明：相较于原始砂轮，在相同的试验条件下形貌重构砂轮在磨削时其磨削力和磨削温度均可以显著降低。通过常温干式、浇注式润滑条件下的磨削对比试验验证了形貌重构砂轮可以更有效地将磨削液带入磨削区进行润滑冷却。     

磨削用量对超声辅助磨削碳化硅效果的影响

超声辅助磨削是一种适于加工陶瓷等硬脆材料的先进复合加工技术。在超声振动方向垂直于加工表面的条件下,采用金刚石杯形砂轮对碳化硅陶瓷进行超声辅助磨削与普通磨削试验。对两种方法的磨削力、力比及加工表面粗糙度进行了对比分析,并讨论了磨削用量变化对两种方法在上述指标中差异程度的影响。结果表明,与普通磨削相比,超声辅助磨削可显著降低磨削力,但一定程度上将导致加工表面质量变差。随着磨削用量的增大,超声辅助磨削与普通磨削之间的差异逐渐减弱,超声辅助磨削效果逐渐消失。     

硅片自旋转磨削的运动几何学分析

介绍了硅片自旋转磨削的原理,通过引入节点、节圆概念建立了硅片自旋转磨削的运动学模型,通过分析砂轮与硅片之间的相对运动给出了硅片自旋转磨削的运动轨迹参数方程。在运动学的基础上推导了磨纹长度、磨纹数量以及磨削稳定周期公式。分析了磨纹间距、磨纹密度与磨削表面质量的关系。给出了选定磨削条件下的计算实例。研究结果为提高硅片加工质量及合理选择磨削工艺参数提供了理论依据。     

Ultra-precision grinding of optical glasses using mono-layer nickel electroplated coarse-grained diamond wheels. Part 2: Investigation of profile and surface grinding

After finishing the precision conditioning of mono-layer nickel electroplated coarse-grained diamond wheels with 151 μm (D151), 91 μm (D91) and 46 μm (D46) grain size, resp., profile and surface grinding experiments were carried out on a five-axis ultra-precision grinding machine with BK7, SF6 optical glasses and Zerodur glass ceramic. A piezoelectric dynamometer was used to measure the grinding forces, while an atomic force microscopy (AFM), white-light interferometer (WLI)) and scanning electron microscope (SEM) were used to characterize the ground surface quality in terms of micro-topography and subsurface damage. Moreover, the wear mechanics of the coarse-grained diamond wheels were analyzed and the grinding ratio was determined as well, in aiming to evaluate the grinding performance with the conditioned coarse-grained diamond wheels. Finally, the grinding results were compared with that of the fine-grained diamond wheels with regard to the ground specimen surface quality, process forces and wheel wear as a function of stock removal. The experimental results show that the precision conditioned coarse-grained diamond wheels can be applied in ductile mode grinding of optical glasses with high material removal rates, low wheel wear rates and no dressing requirement yielding excellent surface finishes with surface roughness in the nanometer range and subsurface damage in the micrometer range, demonstrating the feasibility and applicability of the newly developed diamond grinding technique for optical glasses.