發(fā)布時(shí)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(xué)機(jī)械磨削能通過(guò)化學(xué)-機(jī)械協(xié)同過(guò)程實(shí)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(dǎo)體以及光學(xué)等領(lǐng)域器件的平坦化加工。在綜述化學(xué)機(jī)械磨削技術(shù)材料去除機(jī)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(duì)上述研究現(xiàn)階段
摘要：化學(xué)機(jī)械磨削能通過(guò)化學(xué)-機(jī)械協(xié)同過(guò)程實(shí)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(dǎo)體以及光學(xué)等領(lǐng)域器件的平坦化加工。在綜述化學(xué)機(jī)械磨削技術(shù)材料去除機(jī)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(duì)上述研究現(xiàn)階段存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析討論。分析表明，從固-固相化學(xué)反應(yīng)和化學(xué)-機(jī)械協(xié)同效應(yīng)角度揭示化學(xué)機(jī)械磨削機(jī)理，有助于從材料去除機(jī)理、磨具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及復(fù)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(duì)化學(xué)機(jī)械磨削技術(shù)在多樣化加工對(duì)象、較復(fù)雜結(jié)構(gòu)加工、多能場(chǎng)復(fù)合加工工藝以及智能數(shù)據(jù)庫(kù)開發(fā)等方向的發(fā)展進(jìn)行展望。
關(guān)鍵詞：化學(xué)機(jī)械磨削;硬脆材料;磨削機(jī)理;專用磨具
0引言
單晶硅、多晶硅、碳化硅、石英玻璃、藍(lán)寶石等半導(dǎo)體和光學(xué)硬脆材料具有高硬度、高強(qiáng)度、高耐磨性、較高的熱穩(wěn)定性及化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)良的物理化學(xué)特點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于航空航天、國(guó)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(xué)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?duì)上述材料器件的加工質(zhì)量和精度提出了納米級(jí)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(jī)械去除加工過(guò)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(xué)機(jī)械磨削(Chemo-MechanicalGrinding,CMG)[5]由于能通過(guò)化學(xué)機(jī)械作用實(shí)現(xiàn)納米級(jí)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(guó)內(nèi)外學(xué)者展開了諸如：在線電解修整磨削[6-7(]electrolyticin-processdressing,ELID)、超聲振動(dòng)輔助磨削[8-10](Ultrasonicvibrationassistedgrinding,UVAG)、電火花機(jī)械復(fù)合磨削[11-13](ElectroDischargeDiamondGrinding,EDDG)、化學(xué)機(jī)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(duì)硬脆材料進(jìn)行加工的材料去除和表面/亞表面質(zhì)量的特點(diǎn)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(shí)現(xiàn)納米級(jí)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(wèn)題有待解決。例如，ELID技術(shù)的砂輪存在無(wú)效損耗、超聲振動(dòng)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(lái)環(huán)境污染等問(wèn)題，制約了上述技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的普及應(yīng)用。
化學(xué)機(jī)械磨削最早由日本茨城大學(xué)周立波教授團(tuán)隊(duì)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(xué)反應(yīng)弱化材料去除難度，再通過(guò)軟磨料磨具的機(jī)械磨削復(fù)合作用實(shí)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(bào)道可見，化學(xué)機(jī)械磨削技術(shù)已能夠?qū)崿F(xiàn)單晶硅[25]、石英玻璃[26]、藍(lán)寶石[27]等硬脆材料納米級(jí)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(xué)機(jī)械磨削材料去除機(jī)理研究、軟磨料砂輪研制以及新型復(fù)合工藝開發(fā)，逐漸成為了國(guó)內(nèi)外化學(xué)機(jī)械磨削研究熱點(diǎn)。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(xué)-機(jī)械協(xié)同高質(zhì)低損的加工優(yōu)勢(shì)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(zhǎng)的器件加工需求。因此，揭示軟磨料與工件間的固-固相化學(xué)反應(yīng)機(jī)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(xué)機(jī)械軟磨料砂輪磨損與加工效率和質(zhì)量的矛盾等問(wèn)題，成為了制約CMG技術(shù)發(fā)展的研究難點(diǎn)。
本文將圍繞現(xiàn)已報(bào)道的化學(xué)機(jī)械磨削技術(shù)研究成果，介紹其材料去除機(jī)理、磨削工藝和復(fù)合加工工藝方面的研究現(xiàn)狀。綜述化學(xué)機(jī)械磨削材料去除機(jī)理研究的分析方法，以及化學(xué)機(jī)械磨削工藝參數(shù)、軟磨料磨具特性以及復(fù)合工藝對(duì)化學(xué)機(jī)械磨削質(zhì)量以及效率的影響規(guī)律。分析現(xiàn)階段化學(xué)機(jī)械磨削研究方面存在的問(wèn)題，并對(duì)化學(xué)機(jī)械磨削技術(shù)的發(fā)展提出展望。
1CMG材料去除機(jī)理研究
采用金剛石等傳統(tǒng)超硬磨料磨削硬脆材料時(shí)，被加工材料主要是以脆性去除方式為主[28]。有研究表明，當(dāng)應(yīng)變被限制在0.02%~0.03%范圍內(nèi)時(shí)，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(xì)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(shí)現(xiàn)硬脆材料延性域磨削[30]。但是在延性去除過(guò)程中，塑性應(yīng)變會(huì)在磨削加工表面產(chǎn)生并積累，導(dǎo)致工件表面形成殘余應(yīng)力和結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，因此也無(wú)法獲得無(wú)缺陷的表面[31]。有研究者認(rèn)為，可通過(guò)克服工件表面原子晶格能使化學(xué)鍵斷裂，同時(shí)克服表面勢(shì)壘能，從而達(dá)到原子級(jí)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(xué)作用以降低工件材料表面勢(shì)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(duì)硬脆材料進(jìn)行脆性或塑性去除。而化學(xué)機(jī)械磨削通過(guò)磨料及添加劑與工件材料表面發(fā)生的固-固相化學(xué)反應(yīng)，以及機(jī)械應(yīng)力的協(xié)同作用實(shí)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(jìn)行磨削加工。由此可見，化學(xué)機(jī)械磨削與傳統(tǒng)磨削方法在材料去除機(jī)理方面存在很大區(qū)別。研究者認(rèn)為，化學(xué)機(jī)械磨削的材料去除過(guò)程經(jīng)歷如圖1所示的機(jī)械接觸、鈍化層預(yù)生成、鈍化層生成以及鈍化層去除四個(gè)階段[33]。
相關(guān)期刊推薦：《中國(guó)機(jī)械工程》以反映中國(guó)機(jī)械工程領(lǐng)域的重大學(xué)術(shù)進(jìn)展、報(bào)道中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)系統(tǒng)的最新學(xué)術(shù)信息、傳播重大機(jī)械科技成果、不斷跟蹤世界機(jī)械工程最新動(dòng)向、注重完善機(jī)械科技人員的知識(shí)結(jié)構(gòu)為主要內(nèi)容;以探詢學(xué)科發(fā)展趨勢(shì)、促進(jìn)學(xué)術(shù)成果交流、提高科技人員素質(zhì)、推動(dòng)企業(yè)科技進(jìn)步為宗旨。設(shè)有：機(jī)械科學(xué)、制造系統(tǒng)、信息技術(shù)、科學(xué)基金、車輛工程、材料工程、學(xué)科發(fā)展等欄目。
由圖1可知，CMG實(shí)現(xiàn)材料去除的關(guān)鍵是在磨削過(guò)程中通過(guò)化學(xué)反應(yīng)生成軟質(zhì)鈍化層，因此加工效率的提高可通過(guò)加強(qiáng)磨削過(guò)程中的化學(xué)作用實(shí)現(xiàn)，這需要建立在對(duì)其固-固相化學(xué)反應(yīng)機(jī)理充分理解的基礎(chǔ)上。雖然已有研究人員通過(guò)化學(xué)機(jī)械磨削技術(shù)實(shí)現(xiàn)了單晶硅等硬脆材料的高質(zhì)加工[5,26-27,34]，但是對(duì)于如何確定磨料、添加劑與工件表面材料之間固-固相化學(xué)反應(yīng)條件閾值，如何通過(guò)化學(xué)反應(yīng)降低以及如何降低被加工材料表面勢(shì)壘能從而實(shí)現(xiàn)原子級(jí)材料去除等問(wèn)題還沒(méi)有統(tǒng)一的理論解釋。
2CMG加工工藝研究
化學(xué)機(jī)械磨削過(guò)程是化學(xué)和機(jī)械協(xié)同作用的復(fù)雜過(guò)程，伴隨著磨粒對(duì)工件材料的擠壓、摩擦、剪切以及固-固相化學(xué)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(duì)化學(xué)機(jī)械磨削質(zhì)量以及加工效率的影響展開研究。
3CMG復(fù)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(fù)合工藝方法來(lái)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(dòng)輔助CMG技術(shù)，對(duì)單晶硅進(jìn)行了工藝試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，相比于無(wú)超聲輔助的CMG，二維超聲振動(dòng)輔助CMG技術(shù)的材料去除率提高了約1倍，且達(dá)到了Ra=5nm的表面粗糙度。LI等人[59]研究了超聲振動(dòng)輔助磨削對(duì)熔融石英加工質(zhì)量的影響，結(jié)果表明超聲振動(dòng)輔助可以將材料去除率提高50%以上并且表面粗糙度可達(dá)到2nm以下。YANG等人[60]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了超聲振動(dòng)輔助化學(xué)機(jī)械磨削加工硅片的影響，實(shí)驗(yàn)證明超聲振動(dòng)輔助可以提高材料去除率，并且引起很小甚至無(wú)亞表面損傷。同時(shí)對(duì)比了不同超聲振動(dòng)方式對(duì)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(dòng)輔助化學(xué)機(jī)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(fù)合加工工藝是解決CMG技術(shù)加工效率較低的有效途徑。復(fù)合工藝技術(shù)有助于通過(guò)其他能場(chǎng)的輔助作用降低軟磨料與硬脆材料固-固相化學(xué)反應(yīng)的閾值，或者可以提高反應(yīng)速率，從而間接提升機(jī)械應(yīng)力的去除效率。但目前除了超聲振動(dòng)輔助以外，還未見其他能場(chǎng)復(fù)合CMG技術(shù)的相關(guān)報(bào)道。因此，CMG技術(shù)與磁場(chǎng)、電場(chǎng)、激光等能場(chǎng)的復(fù)合加工技術(shù)將成為CMG技術(shù)領(lǐng)域未來(lái)研究探索的新方向。
4結(jié)論與展望
化學(xué)機(jī)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(shí)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(guó)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(duì)于化學(xué)機(jī)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(xué)機(jī)械磨削的材料去除機(jī)理、專用軟磨料磨具研制、復(fù)合加工工藝等方面還有許多問(wèn)題需要解決，主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面。
(1)磨削機(jī)理方面。充分理解化學(xué)機(jī)械磨削的材料去除機(jī)理是保證加工質(zhì)量的同時(shí)提高加工效率的關(guān)鍵。化學(xué)機(jī)械磨削的材料去除是化學(xué)和機(jī)械協(xié)同作用的過(guò)程，因此需從化學(xué)和機(jī)械兩部分對(duì)其材料去除機(jī)理展開研究。從現(xiàn)有的研究成果可見，化學(xué)作用部分起弱化被加工材料表面原子勢(shì)壘能以及生成軟質(zhì)反應(yīng)層的作用。但對(duì)于化學(xué)作用部分的研究多停留在檢測(cè)中間生成物以及分子動(dòng)力學(xué)模擬的層面上。目前對(duì)于非晶相及部分產(chǎn)物的反應(yīng)條件及生成機(jī)理的解釋依舊不明晰。機(jī)械作用部分，一方面提供一定機(jī)械應(yīng)力及磨削熱作為化學(xué)反應(yīng)的輸入能量，另一方面以劃擦方式機(jī)械去除工件表面的軟質(zhì)反應(yīng)層。因此，傳統(tǒng)機(jī)械磨削理論中的劃擦、耕犁、切削過(guò)程模型不能完整描述化學(xué)機(jī)械磨削材料去除過(guò)程。此外，目前有關(guān)于化學(xué)機(jī)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?yàn)檐浤チ仙拜喤c工件間的應(yīng)力作用機(jī)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(jī)械性能及成分官能團(tuán)變化等因素的影響。因此，有待基于化學(xué)和機(jī)械協(xié)同效應(yīng)，從能量分配和傳遞角度建立起適合化學(xué)機(jī)械磨削過(guò)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
