發(fā)布時間：2020-12-31所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：化學機械磨削能通過化學-機械協(xié)同過程實現(xiàn)單晶硅、石英玻璃等硬脆材料的超精密高質(zhì)低損加工，而廣泛應(yīng)用于半導體以及光學等領(lǐng)域器件的平坦化加工。在綜述化學機械磨削技術(shù)材料去除機理、磨削工具以及磨削工藝等方面研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對上述研究現(xiàn)階段
摘要：化學機械磨削能通過化學-機械協(xié)同過程實現(xiàn)單晶硅、石英玻璃等硬脆材料的超精密高質(zhì)低損加工，而廣泛應(yīng)用于半導體以及光學等領(lǐng)域器件的平坦化加工。在綜述化學機械磨削技術(shù)材料去除機理、磨削工具以及磨削工藝等方面研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對上述研究現(xiàn)階段存在的問題進行了分析討論。分析表明，從固-固相化學反應(yīng)和化學-機械協(xié)同效應(yīng)角度揭示化學機械磨削機理，有助于從材料去除機理、磨具結(jié)構(gòu)設(shè)計以及復合加工工藝開發(fā)等角度創(chuàng)新提高該技術(shù)加工效率的可行性方法。最后，對化學機械磨削技術(shù)在多樣化加工對象、較復雜結(jié)構(gòu)加工、多能場復合加工工藝以及智能數(shù)據(jù)庫開發(fā)等方向的發(fā)展進行展望。
關(guān)鍵詞：化學機械磨削;硬脆材料;磨削機理;專用磨具
0引言
單晶硅、多晶硅、碳化硅、石英玻璃、藍寶石等半導體和光學硬脆材料具有高硬度、高強度、高耐磨性、較高的熱穩(wěn)定性及化學穩(wěn)定性等優(yōu)良的物理化學特點，因而廣泛應(yīng)用于航空航天、國防軍工、汽車工業(yè)、集成電路以及民用光電等領(lǐng)域[1-4]。隨著科學技術(shù)的不斷創(chuàng)新發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ζ骷阅芤蟮奶嵘瑢ι鲜霾牧掀骷募庸べ|(zhì)量和精度提出了納米級加工要求。但由于硬脆材料的硬度高、脆性大等特性，傳統(tǒng)機械去除加工過程中容易出現(xiàn)脆性斷裂、崩邊、亞表面裂紋等影響器件使役性能的加工缺陷。化學機械磨削(Chemo-MechanicalGrinding,CMG)[5]由于能通過化學機械作用實現(xiàn)納米級面型精度及表面質(zhì)量的高質(zhì)低損加工，逐漸成為單晶硅、石英玻璃等硬脆材料平坦化超精密加工領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。
目前圍繞硬脆材料的材料特性和超精密加工質(zhì)量要求，國內(nèi)外學者展開了諸如：在線電解修整磨削[6-7(]electrolyticin-processdressing,ELID)、超聲振動輔助磨削[8-10](Ultrasonicvibrationassistedgrinding,UVAG)、電火花機械復合磨削[11-13](ElectroDischargeDiamondGrinding,EDDG)、化學機械拋光[14-17](ChemicalMechanicalPolishing,CMP)磁流變拋光[18-20](Magnetorheologicalpolishing,MRpolishing)、激光拋光[21](LaserPolishing)、等離子體輔助拋光[22-23](PlasmaAssistedPolishing,PAP)等超精密加工技術(shù)的研究。表1總結(jié)了現(xiàn)階段部分相關(guān)超精密加工技術(shù)對硬脆材料進行加工的材料去除和表面/亞表面質(zhì)量的特點以及不足。表1中提及的超精密加工技術(shù)在硬脆材料的曲面成型、平面光整和微結(jié)構(gòu)成型方面已能實現(xiàn)納米級表面質(zhì)量和介觀尺度材料去除的加工，但還存在諸多影響工業(yè)化生產(chǎn)效率和成本控制等問題有待解決。例如，ELID技術(shù)的砂輪存在無效損耗、超聲振動輔助磨削的亞表面損傷和刀具磨損明顯、等離子體拋光產(chǎn)生SiF4有害氣體、CMP效率極低并且拋光液帶來環(huán)境污染等問題，制約了上述技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的普及應(yīng)用。
化學機械磨削最早由日本茨城大學周立波教授團隊提出[5]，是一種借助軟磨料固結(jié)磨具與工件間的固-固相化學反應(yīng)弱化材料去除難度，再通過軟磨料磨具的機械磨削復合作用實現(xiàn)硬脆材料的高質(zhì)低損超精密加工技術(shù)。從現(xiàn)有報道可見，化學機械磨削技術(shù)已能夠?qū)崿F(xiàn)單晶硅[25]、石英玻璃[26]、藍寶石[27]等硬脆材料納米級面型精度和表面粗糙度的平坦化超精密減薄加工。因此，圍繞硬脆材料展開的化學機械磨削材料去除機理研究、軟磨料砂輪研制以及新型復合工藝開發(fā)，逐漸成為了國內(nèi)外化學機械磨削研究熱點。雖然CMG技術(shù)已表現(xiàn)出優(yōu)異面型精度和表面質(zhì)量加工能力，但還未能探明軟磨料與工件間固-固相反應(yīng)閾值條件，將CMG的化學-機械協(xié)同高質(zhì)低損的加工優(yōu)勢推廣至其他材料的超精密加工領(lǐng)域。此外，由于CMG磨具的軟磨料硬度低于被加工的硬脆工件，其磨具損耗速度較快，加工效率難以滿足日益增長的器件加工需求。因此，揭示軟磨料與工件間的固-固相化學反應(yīng)機理，突破被加工材料的局限;開發(fā)新型工藝提升CMG加工效率，解決化學機械軟磨料砂輪磨損與加工效率和質(zhì)量的矛盾等問題，成為了制約CMG技術(shù)發(fā)展的研究難點。
本文將圍繞現(xiàn)已報道的化學機械磨削技術(shù)研究成果，介紹其材料去除機理、磨削工藝和復合加工工藝方面的研究現(xiàn)狀。綜述化學機械磨削材料去除機理研究的分析方法，以及化學機械磨削工藝參數(shù)、軟磨料磨具特性以及復合工藝對化學機械磨削質(zhì)量以及效率的影響規(guī)律。分析現(xiàn)階段化學機械磨削研究方面存在的問題，并對化學機械磨削技術(shù)的發(fā)展提出展望。
1CMG材料去除機理研究
采用金剛石等傳統(tǒng)超硬磨料磨削硬脆材料時，被加工材料主要是以脆性去除方式為主[28]。有研究表明，當應(yīng)變被限制在0.02%~0.03%范圍內(nèi)時，大多數(shù)脆性材料能表現(xiàn)出塑性特征[29]。為獲得高質(zhì)量加工表面，常采用更細磨粒、更小切深以控制磨粒的最大未變形切削厚度的方式實現(xiàn)硬脆材料延性域磨削[30]。但是在延性去除過程中，塑性應(yīng)變會在磨削加工表面產(chǎn)生并積累，導致工件表面形成殘余應(yīng)力和結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，因此也無法獲得無缺陷的表面[31]。有研究者認為，可通過克服工件表面原子晶格能使化學鍵斷裂，同時克服表面勢壘能，從而達到原子級材料去除的目的[32]。CMG技術(shù)就是在傳統(tǒng)磨削中引入化學作用以降低工件材料表面勢壘能的超精密加工方法。相較而言，傳統(tǒng)磨削加工通常采用高于工件材料硬度的磨料對硬脆材料進行脆性或塑性去除。而化學機械磨削通過磨料及添加劑與工件材料表面發(fā)生的固-固相化學反應(yīng)，以及機械應(yīng)力的協(xié)同作用實現(xiàn)材料去除。因此，可采用硬度低于或接近工件材料的軟磨料磨具進行磨削加工。由此可見，化學機械磨削與傳統(tǒng)磨削方法在材料去除機理方面存在很大區(qū)別。研究者認為，化學機械磨削的材料去除過程經(jīng)歷如圖1所示的機械接觸、鈍化層預生成、鈍化層生成以及鈍化層去除四個階段[33]。
相關(guān)期刊推薦：《中國機械工程》以反映中國機械工程領(lǐng)域的重大學術(shù)進展、報道中國機械工程學會系統(tǒng)的最新學術(shù)信息、傳播重大機械科技成果、不斷跟蹤世界機械工程最新動向、注重完善機械科技人員的知識結(jié)構(gòu)為主要內(nèi)容;以探詢學科發(fā)展趨勢、促進學術(shù)成果交流、提高科技人員素質(zhì)、推動企業(yè)科技進步為宗旨。設(shè)有：機械科學、制造系統(tǒng)、信息技術(shù)、科學基金、車輛工程、材料工程、學科發(fā)展等欄目。
由圖1可知，CMG實現(xiàn)材料去除的關(guān)鍵是在磨削過程中通過化學反應(yīng)生成軟質(zhì)鈍化層，因此加工效率的提高可通過加強磨削過程中的化學作用實現(xiàn)，這需要建立在對其固-固相化學反應(yīng)機理充分理解的基礎(chǔ)上。雖然已有研究人員通過化學機械磨削技術(shù)實現(xiàn)了單晶硅等硬脆材料的高質(zhì)加工[5,26-27,34]，但是對于如何確定磨料、添加劑與工件表面材料之間固-固相化學反應(yīng)條件閾值，如何通過化學反應(yīng)降低以及如何降低被加工材料表面勢壘能從而實現(xiàn)原子級材料去除等問題還沒有統(tǒng)一的理論解釋。
2CMG加工工藝研究
化學機械磨削過程是化學和機械協(xié)同作用的復雜過程，伴隨著磨粒對工件材料的擠壓、摩擦、剪切以及固-固相化學反應(yīng)作用，影響加工質(zhì)量以及加工效率的因素有很多。研究者們多從磨削工藝參數(shù)以及磨具本身特性對化學機械磨削質(zhì)量以及加工效率的影響展開研究。
3CMG復合加工工藝研究
受CMG磨具軟磨料特性的影響，CMG技術(shù)的加工效率雖然高于采用游離磨料加工的CMP技術(shù)，但仍然難以滿足高效加工的要求。于是，眾多研究者們提出在保證磨削加工質(zhì)量的前提下采用復合工藝方法來提高CMG技術(shù)的加工效率。如王振忠等[58]提出二維超聲振動輔助CMG技術(shù)，對單晶硅進行了工藝試驗研究。結(jié)果表明，相比于無超聲輔助的CMG，二維超聲振動輔助CMG技術(shù)的材料去除率提高了約1倍，且達到了Ra=5nm的表面粗糙度。LI等人[59]研究了超聲振動輔助磨削對熔融石英加工質(zhì)量的影響，結(jié)果表明超聲振動輔助可以將材料去除率提高50%以上并且表面粗糙度可達到2nm以下。YANG等人[60]通過實驗研究了超聲振動輔助化學機械磨削加工硅片的影響，實驗證明超聲振動輔助可以提高材料去除率，并且引起很小甚至無亞表面損傷。同時對比了不同超聲振動方式對表面加工質(zhì)量的影響(如圖9所示)。以上研究表明，超聲振動輔助化學機械磨削在不犧牲磨削質(zhì)量的前提下能提高加工效率。由此可見復合加工工藝是解決CMG技術(shù)加工效率較低的有效途徑。復合工藝技術(shù)有助于通過其他能場的輔助作用降低軟磨料與硬脆材料固-固相化學反應(yīng)的閾值，或者可以提高反應(yīng)速率，從而間接提升機械應(yīng)力的去除效率。但目前除了超聲振動輔助以外，還未見其他能場復合CMG技術(shù)的相關(guān)報道。因此，CMG技術(shù)與磁場、電場、激光等能場的復合加工技術(shù)將成為CMG技術(shù)領(lǐng)域未來研究探索的新方向。
4結(jié)論與展望
化學機械磨削技術(shù)作為超精密加工領(lǐng)域的新興技術(shù)，可獲得與CMP接近的表面/亞表面質(zhì)量，同時還能保持優(yōu)異的面型精度，并且其加工效率高于CMP而受到國內(nèi)外研究人員的關(guān)注，且取得了一定的研究成果。但目前對于化學機械磨削技術(shù)的研究還處于原理探索和工藝優(yōu)化階段。在化學機械磨削的材料去除機理、專用軟磨料磨具研制、復合加工工藝等方面還有許多問題需要解決，主要表現(xiàn)在以下三個方面。
(1)磨削機理方面。充分理解化學機械磨削的材料去除機理是保證加工質(zhì)量的同時提高加工效率的關(guān)鍵。化學機械磨削的材料去除是化學和機械協(xié)同作用的過程，因此需從化學和機械兩部分對其材料去除機理展開研究。從現(xiàn)有的研究成果可見，化學作用部分起弱化被加工材料表面原子勢壘能以及生成軟質(zhì)反應(yīng)層的作用。但對于化學作用部分的研究多停留在檢測中間生成物以及分子動力學模擬的層面上。目前對于非晶相及部分產(chǎn)物的反應(yīng)條件及生成機理的解釋依舊不明晰。機械作用部分，一方面提供一定機械應(yīng)力及磨削熱作為化學反應(yīng)的輸入能量，另一方面以劃擦方式機械去除工件表面的軟質(zhì)反應(yīng)層。因此，傳統(tǒng)機械磨削理論中的劃擦、耕犁、切削過程模型不能完整描述化學機械磨削材料去除過程。此外，目前有關(guān)于化學機械磨削的磨削力理論模型以及磨削熱的模擬模型的研究尚未成熟。這主要是因為軟磨料砂輪與工件間的應(yīng)力作用機理、能量消耗與傳遞方式與傳統(tǒng)磨削加工不同，涉及到材料表層物理機械性能及成分官能團變化等因素的影響。因此，有待基于化學和機械協(xié)同效應(yīng)，從能量分配和傳遞角度建立起適合化學機械磨削過程的有效理論模型。——論文作者：任瑩暉周家恒李偉周志雄李陳方
