第5章 超精密研磨与抛光(康仁科) 大连理工大学

研具
磨粒
加工液 工件、 工件、研具相对速度 加工压力 加工时间 环境
温 度 尘 埃
室温设定温度± 室温设定温度±0.1℃ ℃ 利用净化槽、 利用净化槽、净化操作台
5.4 超精密平面研磨和抛光
超精密研磨和抛光是加工误差<0.1 µm，表面粗 糙度Ra<0.02 µm的加工方法。 用于制造高精度高表面质量的零件，如大规模 集成电路的硅片，不仅要求极高的平面度，极 小的表面粗糙度，而且要求表面无变质层、无 划伤。光学平晶、量块、石英振子基片平面， 除要求极高平面度、极小表面粗糙度外，还要 求两端面严格平行。
5.2.2 抛光加工的机理和特点
使用<1µm的微细磨粒； 的微细磨粒； 使用 的微细磨粒 软质材料抛光垫： 软质材料抛光垫：沥 石蜡、 青、石蜡、合成树脂 和人造革等。 和人造革等。 微小的磨粒微小的磨 粒被抛光器弹性地夹 持研磨工件。因而， 持研磨工件。因而， 磨粒对工件的作用力 磨粒对工件的作用力 很小， 很小，即使抛光脆性 材料也不会发生裂纹。 材料也不会发生裂纹。
抛光轨迹
抛光垫形状外貌
抛光垫材料和类型
Type I
注入聚合物的毛毡
Type II
微孔材料
Type III
充填聚合物
Type IV
未充填聚合物
抛光垫的修整
抛光前
抛光后
抛光垫修整器
抛光垫修整器的三种磨粒分布方式
任意分布型
均匀分布型
成簇分布型
抛光机
多头、 多头、单头抛光机
Polish Overarm
Substrate Carrier
Polish Table
Substrate Carrier with Polish Overarm
抛光液类型
絮状抛光液
胶状抛光液
机械化学抛光 机械化学抛光MCP(Mechanical 抛光 Chemical Polishing)
机械化学抛光是使用较加工物软且与加工物会产生 固相化学反应的磨粒 在加工物与磨料之间， 的磨粒， 固相化学反应的磨粒，在加工物与磨料之间，由于 力学作用产生机化反应，在表面形成的反应物以机 力学作用产生机化反应，在表面形成的反应物以机 械方式去除 去除。 械方式去除。
研磨的机理
由于工件、磨粒、研具和研磨液等的不同， 由于工件、磨粒、研具和研磨液等的不同，上述三种研磨方法 的研磨表面状态也不同。表面的形成，是在产生切屑、 的研磨表面状态也不同。表面的形成，是在产生切屑、研具的磨损 和磨粒破碎等综合在一起的复杂情况下进行的。 和磨粒破碎等综合在一起的复杂情况下进行的。 硬脆材料的研磨 微小破碎痕迹构成的无光泽面； 磨粒不是作用于镜面而是作用在有凸凹和裂纹等处的表面上， 并产生磨屑。 金属材料的研磨 表面没有裂纹； 对于铝材等软质材料，研磨时有很多磨粒被压入材料内； 对刀具和块规等淬火工具钢等可确保有块规那样的光泽表面。
第5章 超精密研磨与抛光 章
Chapter 5 Ultra Precision Lapping and Polishing:::
5.1 研磨和抛光的概述
研磨和抛光都是利用研磨剂使工件与研具进行单纯的对研而获 得高质量、高精度的加工方法。 得高质量、高精度的加工方法。 研磨和抛光的历史很长。 研磨和抛光的历史很长。 玉器。 玉器。 中国古代的铜镜。 中国古代的铜镜。 眼镜的应用， 年的绘画上发现。 眼镜的应用，1360年的绘画上发现。 年的绘画上发现 望远镜和显微镜是在文艺复兴时期发明的。 望远镜和显微镜是在文艺复兴时期发明的。 现在，除已实现批量生产透镜和棱镜外， 现在，除已实现批量生产透镜和棱镜外，其加工水平已能完成 光学镜面和保证高形状精度的光学平晶、 光学镜面和保证高形状精度的光学平晶、平行平晶以及具有特 定曲率的球面等标准件的加工。 定曲率的球面等标准件的加工。 就实施超精密加工而言，在各种加工方法中， 就实施超精密加工而言，在各种加工方法中，研磨和抛光方法 最为有力。 最为有力。 为适应零件加工的要求， 为适应零件加工的要求，不断进行技术改造和开发新加工原理 的超精密研磨和抛光技术。 的超精密研磨和抛光技术。
抛光的加工机理
1) 由磨粒进行的机械抛光可塑性地生成切 屑。但是它仅利用极少磨粒强制压入产 生作用。 生作用。 2) 借助磨粒和抛光器与工件流动摩擦使工 件表面的凸因变平。 件表面的凸因变平。 3) 在加工液中进行化学性溶析。 在加工液中进行化学性溶析。 4) 工件和磨粒之间有直接的化学反应而有 助于上述现象。 助于上述现象。
5.3 研磨和抛光的主要工艺因素
项
研磨法
目
加工方式 加工运动 驱动方式 材料 形状 表面状态 种类 材质、 材质、形状 粒径 水质 油质
内
容
单面研磨、 单面研磨、双面研磨 旋转、 旋转、往复 手动、机械驱动、强制驱动、从动 手动、机械驱动、强制驱动、 硬质、软质、人造、天然 硬质、软质、人造、 平面、球面、非球面、圆柱面 平面、球面、非球面、 有槽、有孔、 有槽、有孔、无槽 金属氧化物、金属碳化物、氮化物、硼化物 金属氧化物、金属碳化物、氮化物、 硬度、韧性、 硬度、韧性、形状 0.01um～几十 ～几十um 酸性~碱性、 酸性 碱性、界面活性剂 碱性 界面活性剂 1~100m/min 0.01~30N/cm2 ～10h
5.5.2 界面化学抛光
化学机械抛光CMP (Chemical Mechanical 化学机械抛光 Polishing or Chemical Mechanical PlanaLeabharlann Baiduization)
微细磨粒＋软质抛光垫＋酸性（或碱性） 微细磨粒＋软质抛光垫＋酸性（或碱性）液 利用磨粒的机械作用和加工液的腐蚀作用的双重作用的加工方法
5.2.3 研磨的加工变质层
加工变质层使工件材质的结构、组织和组成遭到破坏或接近于破坏状态。 加工变质层使工件材质的结构、组织和组成遭到破坏或接近于破坏状态。 在变质层部分存在变形和应力，还有其物理的和化学的影响等。 在变质层部分存在变形和应力，还有其物理的和化学的影响等。硬度和 表面强度变化等机械性质和耐腐蚀性等化学性质也与基体材料不同。 表面强度变化等机械性质和耐腐蚀性等化学性质也与基体材料不同。 经研磨的单晶硅表面，使用氟、 硬脆材料经研磨后的表面 ，经研磨的单晶硅表面，使用氟、硝酸系列的 溶液进行化学浸蚀，依次去掉表层，用电子衍射法进行晶体观察时， 溶液进行化学浸蚀，依次去掉表层，用电子衍射法进行晶体观察时，从 表层向内部的顺序为非晶体层或多晶体层、镶嵌结构层、 表层向内部的顺序为非晶体层或多晶体层、镶嵌结构层、畸变层和完全 结晶结构。另外，从使用X射线衍射法的弹塑性学的观点来评价 射线衍射法的弹塑性学的观点来评价， 结晶结构 。 另外 ， 从使用 射线衍射法的弹塑性学的观点来评价 ， 则表 层是由极小的塑性流动层构成，其下是有异物混人的裂纹层， 层是由极小的塑性流动层构成，其下是有异物混人的裂纹层，再下则是 裂纹层、弹性变形层和主体材料。 裂纹层、弹性变形层和主体材料。 在研磨金属材料时，虽不发生破碎，但是磨粒转动和刮削时， 在研磨金属材料时，虽不发生破碎，但是磨粒转动和刮削时，由于材料 承受了塑性变形，通常形成与上述硅片相类似的加工变质层。相反， 承受了塑性变形，通常形成与上述硅片相类似的加工变质层。相反，例 如是多晶的金属材料，则越接近被加工的表层，晶粒越微细， 如是多晶的金属材料，则越接近被加工的表层，晶粒越微细，累积位错 在最表层，变成非晶质状态。在这部分，金属与大气中的活性氧结合 性氧结合， 在最表层，变成非晶质状态。在这部分，金属与大气中的活性氧结合， 变得活跃。另外，有时发生因塑性变形而使磨粒等容易嵌进金属。 变得活跃。另外，有时发生因塑性变形而使磨粒等容易嵌进金属。
5.2.4抛光的加工变质层 5.2.4抛光的加工变质层
关于抛光的加工变质层，即使工件是硬脆材料， 抛光时也不会出现裂纹，加工变质层的结构与 深度应当与研磨有相当大的不同。 由氧化铈磨粒和沥青研具精加工的石英振子镜 面，其加工变质层的结构可使用氟化氨的饱和 水溶液腐蚀来检测。根据检测结果得知，由表 层向组织内部的结构顺序是抛光应力层，经腐 蚀出现的2次裂纹应力层，2次裂纹影响层和完 全结晶层，整个深度为3um。
5.5 新原理的超精密研磨抛光
传统的研磨抛光方法是完全靠微细磨粒的机械 作用去除被研磨表面的材质， 作用去除被研磨表面的材质，达到很高的加工 表面。 表面。 最近出现新原理的研磨抛光方法其工作原理有 些已不完全是纯机械的去除， 些已不完全是纯机械的去除，有些不用传统的 研具和磨料。 研具和磨料。这些新的研磨抛光方法可以达到 分子级和原子级材料的去除， 分子级和原子级材料的去除，并达到相应的极 高几何精度和无缺陷无变质层的加工表面。 高几何精度和无缺陷无变质层的加工表面。
行星轮式双面平面研磨机
行星轮式双面平面研磨机
超精密平面研磨机
可以用单 面研磨， 也可以用 双面研磨。 进行高质 量平行平 面研磨时， 需使用双 面研磨。
单面研磨机
平面研磨的研具
为确保几何形状精度，研磨端面小的高精度平 面工件时要使用弹性变形小的研具；除特种玻 璃外，可以用在加工成平面的金属板上涂一层 四氟乙烯，或镀铅和铟； 为获得高的表面质量，在工件材料较软时，有 时使用半软质（如锡）和软质（如沥青）的研 磨盘，主要问题是不易保持平面度，优点是表 面变质层小、表面粗糙度小。
絮状抛光液
胶状抛光液
高质量平面的研磨抛光工艺规律
研磨运动轨迹应能达到研磨痕迹均匀分布，并且不重叠； 研磨运动轨迹应能达到研磨痕迹均匀分布，并且不重叠； 硬质研磨盘在精研修形后，可以获得平面度很高的研磨表面， 硬质研磨盘在精研修形后，可以获得平面度很高的研磨表面，但要求很 严格的工艺条件。硬质研磨盘要求材质均匀，并有微孔容纳微粉磨料。 严格的工艺条件。硬质研磨盘要求材质均匀，并有微孔容纳微粉磨料。 软质和半软质研磨盘容易获得表面变质层小、 软质和半软质研磨盘容易获得表面变质层小、和表面粗糙度极小的研磨 抛光表面，主要问题是不易保持面型，不易获得很高的平面度。 抛光表面，主要问题是不易保持面型，不易获得很高的平面度。 使用金刚石微粉等超硬磨料可以达到很高的研磨抛光效率。 使用金刚石微粉等超硬磨料可以达到很高的研磨抛光效率。在最后精密 抛光硅片、光学玻璃、石英晶片时，使用SiO2，CeO2微粉和软质研磨 抛光硅片、光学玻璃、石英晶片时，使用 ， 微粉和软质研磨 盘容易得到表面变质层和表面粗糙度小的优质表面， 盘容易得到表面变质层和表面粗糙度小的优质表面，不易获得很高的平 面度。 面度。 研磨平行度要求很高的零件时， 研磨平行度要求很高的零件时，可采用上研磨盘浮动以消除上下研磨盘 不平行误差；小研磨零件实行定期180°方位对换研磨，以消除因零件 不平行误差；小研磨零件实行定期 °方位对换研磨， 厚度不等造成上研磨盘倾斜而研磨表面不平行。 厚度不等造成上研磨盘倾斜而研磨表面不平行。 在研磨剂中加入一定量的化学活性物质， 在研磨剂中加入一定量的化学活性物质，可以提高研磨抛光的效率和表 面质量。 面质量。
5.2 研磨和抛光的机理和特点
5.2.1 研磨加工的机理和特点 研磨加工的机理和特点
研磨加工通常使用1µm到几十 到几十µm的氧化铝和 研磨加工通常使用 到几十 的氧化铝和 碳化硅等磨粒和铸铁等硬质材料的研具。 碳化硅等磨粒和铸铁等硬质材料的研具。 磨粒的工作状态
1) 磨粒在工件与研具之间 进行转动; 进行转动 2) 由研具面支承磨粒研磨 加工面; 加工面 3) 由工件支承磨粒研磨加 工面。 工面。
固结磨料研磨
圆柱面和球面的研磨
5.5.1 液中研磨
磨料：微细的 磨料：微细的Al2O3磨粒 磨粒 研具： 研具：聚氨酯 加工液：过滤水、蒸馏水、 加工液：过滤水、蒸馏水、净化水 机理：将研磨操作浸入在含有磨粒的研磨剂中 机理： 进行，借助水波效果， 进行，借助水波效果，利用浮游的微细磨粒进 行研磨加工。以磨粒的机械作用为中心， 行研磨加工。以磨粒的机械作用为中心，由加 工液进行磨粒的分散，起缓冲和冷却作用。 工液进行磨粒的分散，起缓冲和冷却作用。 应用：加工硅片，可以得到完全高质量的镜面。 应用：加工硅片，可以得到完全高质量的镜面。