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单晶碳化硅晶片高效超精密抛光工艺

哈尔滨工业大学学报 2019年第1期51卷 115-121页

作者：何艳苑泽伟段振云张幼军沈阳工业大学机械工程学院沈阳110870

为改善现有碳化硅抛光方法存在的效率低、有污染、损伤大等问题,提出采用机械研磨与光催化辅助化学机械抛光组合工艺抛光单晶碳化硅晶片.光催化辅助化学机械抛光利用纳米二氧化钛在紫外光照射下生成羟基自由基的强氧化作用原子级去除碳... 详细信息

为改善现有碳化硅抛光方法存在的效率低、有污染、损伤大等问题,提出采用机械研磨与光催化辅助化学机械抛光组合工艺抛光单晶碳化硅晶片.光催化辅助化学机械抛光利用纳米二氧化钛在紫外光照射下生成羟基自由基的强氧化作用原子级去除碳化硅.通过L9(33)正交试验研制光催化辅助化学机械抛光抛光液,采用对碳化硅晶片表面粗糙度跟踪检测的方法确定优化加工工艺.甲基紫有机显色剂静态氧化试验结果表明:光催化剂对抛光液氧化性的影响最大,其次是电子俘获剂,再次是分散剂;较好的抛光液配方为二氧化钛0.5 g獉L-1、过氧化氢1.5 mol獉L-1、六偏磷酸钠0.1 g獉L-1.确定的优化抛光工艺为:采用5μm和2μm金刚石微粉分别研磨单晶碳化硅晶片30 min,材料去除率分别为8.72μm/h和4.56μm/h;然后采用光催化辅助化学机械抛光单晶碳化硅去除机械研磨带来的损伤,粗抛光选用0.5μm氧化铝微粉抛光60 min,精抛光选用0.05μm氧化铝微粉抛光50 min,粗抛光和精抛光的材料去除率分别为1.81μm/h和1.03μm/h.用该工艺抛光单晶碳化硅,获得的表面粗糙度约为0.47 nm,基本能满足单晶碳化硅高效、超光滑、低损伤的抛光要求.

关键词：碳化硅抛光液机械研磨光催化辅助化学机械抛光抛光工艺

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铜基底/石墨烯涂层束缚减摩机制

表面技术 2023年第5期52卷 61-70页

作者：冉迪郑鹏苑泽伟王宁沈阳工业大学机械工程学院沈阳110870 沈阳城市建设学院机械工程学院沈阳110870 沈阳工业大学工程实训中心沈阳110167

目的探究石墨烯涂层对单晶铜基底摩擦特性的影响,揭示石墨烯涂层的微观减摩和基底强化机制。方法基于AIREBO、EAM、Lennard-Jones混合势函数和Verlet算法,采用分子动力学法对铜基底/石墨烯涂层(Cu/Gr)和铜基底(Cu)的摩擦行为展开研究... 详细信息

目的探究石墨烯涂层对单晶铜基底摩擦特性的影响,揭示石墨烯涂层的微观减摩和基底强化机制。方法基于AIREBO、EAM、Lennard-Jones混合势函数和Verlet算法,采用分子动力学法对铜基底/石墨烯涂层(Cu/Gr)和铜基底(Cu)的摩擦行为展开研究,结合基底位错、承载直径、划切圆角、划切刃角的变化规律,分析石墨烯涂层对法向力和摩擦力的影响。结果在纳米压痕中,石墨烯涂层使基底压入边缘处产生了划切圆角,当压入深度为3.0 nm时,基底承载直径由4.6 nm增至8.2 nm,法向承载力由62.63 nN提高至514.32 nN;在摩擦过程中,石墨烯涂层抑制了基底表面的犁沟效应,使位错密度由0.06 nm^(-2)提升至0.15 nm^(-2);当压入深度相同时,石墨烯涂层使基底具有更小、更稳定的摩擦因数,最终使摩擦因数降低了61.43%~77.81%;当下压力为150 nN时,石墨烯涂层使划切刃角由90°降至32°,摩擦力由75.72 nN降至21.51 nN。当Cu/Gr基底上的划切刃角由32°降至17°时,摩擦力由21.51 nN降至9.08 nN。结论石墨烯涂层的束缚机制增大了基底表面的承载直径,增大了基底内的位错密度,进而提高了法向承载能力。石墨烯涂层的束缚机制降低了划切刃角,降低了摩擦力,提升了基底的摩擦性能。

关键词：铜基底石墨烯涂层减摩机制摩擦特性分子动力学位错密度承载直径划切刃角

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基底化学吸附对石墨烯机械裁剪性能的影响机制

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中国表面工程 2023年第5期36卷 179-189页

作者：冉迪郑鹏苑泽伟王宁沈阳工业大学机械工程学院沈阳110870 沈阳城市建设学院机械工程学院沈阳110167 沈阳工业大学工程实训中心沈阳110870

机械裁剪法是简单高效制备石墨烯纳米带的加工方法,目前对基底化学吸附如何影响石墨烯机械裁剪行为的认识尚有不足。为探究基底化学吸附对石墨烯机械裁剪性能的影响机制,基于ReaxFF反应力场和Verlet算法,采用反应分子动力学方法对Ni、Pt... 详细信息

机械裁剪法是简单高效制备石墨烯纳米带的加工方法,目前对基底化学吸附如何影响石墨烯机械裁剪行为的认识尚有不足。为探究基底化学吸附对石墨烯机械裁剪性能的影响机制,基于ReaxFF反应力场和Verlet算法,采用反应分子动力学方法对Ni、Pt、Cu金属基底上的石墨烯机械裁剪行为展开研究,根据纳米压痕和机械裁剪中探针与石墨烯(C_(T)-C_(G))、石墨烯层内(C_(G)-C_(G))、石墨烯与基底(C_(G)-M)间键合数量和键合强度的变化规律,分析基底化学吸附对键合性能和石墨烯机械裁剪行为的影响。结果表明:Ni、Pt、Cu基底对石墨烯的化学吸附能力依次减弱,强化学吸附作用增大了C_(G)-M键合强度,促进了C_(T)-C_(G)键合,削弱了C_(G)-C_(G)键合强度,降低了石墨烯的抗破损强度,Ni、Pt、Cu基底上的石墨烯抗破损强度分别为110.19、121.71、176.53 GPa。强化学吸附使石墨烯发生了大面积撕裂破损,弱化学吸附使石墨烯仅发生了部分碳链和碳原子的剥离。强化学吸附基底提高了石墨烯的机械裁剪效率,减小了机械裁剪深度,降低了探针下压载荷,提高了探针对石墨烯的摩擦力,提高了石墨烯的机械裁剪性能。基于反应分子动力学方法可深入探究基底化学吸附对石墨烯机械裁剪性能的影响规律及内在机理,研究结果可为不同化学吸附基底条件下高效、高精度石墨烯纳米带的机械裁剪提供理论依据。

关键词：金属基底化学吸附石墨烯机械裁剪分子动力学

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CVD金刚石膜摩擦化学抛光技术研究

CVD金刚石膜摩擦化学抛光技术研究

作者：苑泽伟大连理工大学

学位级别：硕士

CVD金刚石膜是由化学气相沉积技术沉积的纯金刚石多晶膜,具有最高的硬度和热传导性,良好的化学稳定性和透光性等优越的光学及物理化学性能,被视为21世纪最有发展前途的新材料,在高新技术领域和国防尖端技术领域都有广泛的应用。但是化... 详细信息

CVD金刚石膜是由化学气相沉积技术沉积的纯金刚石多晶膜,具有最高的硬度和热传导性,良好的化学稳定性和透光性等优越的光学及物理化学性能,被视为21世纪最有发展前途的新材料,在高新技术领域和国防尖端技术领域都有广泛的应用。但是化学气相沉积的金刚石膜表面粗糙、均匀性差,极大限制了金刚石膜的工业应用。所以在工业应用时金刚石膜表面必须经过很好的抛光平坦化处理。热化学抛光技术是目前研究较多而且能够实现金刚石膜的大面积、低耗高效抛光的技术。但目前这种技术由于采用整体加热方式,容易使抛光盘变形,而且所采用的抛光盘材料硬度低、抗氧化性能差,容易粘结和磨损,影响抛光效率和质量。本文采用摩擦化学抛光技术,利用抛光盘与金刚石膜之间的摩擦热达到反应温度以实现金刚石膜的抛光。对抛光盘的制备方法、抛光过程、接触模型以及材料去除机理进行研究,主要研究工作如下:(1)将机械合金化和烧结技术(等离子烧结和热压烧结)相结合,制备两种用于摩擦化学抛光金刚石膜的抛光盘材料——FeNiCr基TiC微粉抛光盘和TiAl合金基抛光盘。这两种材料在硬度、组织和高温抗氧化性上比目前通常使用的304不锈钢、高速钢、铸铁优越,满足摩擦化学抛光过程中所需高硬度、好高温抗氧化性能等要求;(2)建立了摩擦化学抛光试验台,采用自行研制的两种不同材料抛光盘对CVD金刚石膜进行摩擦化学抛光试验,研究了抛光盘材料、抛光盘转速、抛光压力等因素对抛光的影响;(3)建立抛光过程中抛光盘与被加工金刚石膜表面之间的接触模型。该模型将原始表面、加工方式、加工时间和加工速率有力地结合起来,形成一个动态的模型,即时地反映抛光过程中加工表面的变化。通过模拟计算,分析了抛光过程中实际接触面积和实际接触压力的变化。(4)通过检测抛光前后抛光盘表面和金刚石膜表面成分变化,分析摩擦化学抛光过程中金刚石的材料去除机理。结果表明,采用FeNiCr合金基TiC微粉抛光盘抛光时,金刚石在金属的催化作用下,先向石墨转化,然后再以扩散、氧化和机械的方式去除,而采用TiAl合金基抛光盘抛光时,金刚石主要在热作用下与钛反应,以碳化物形式去除。

关键词： CVD金刚石膜摩擦化学抛光抛光盘接触模型材料去除机理

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CVD金刚石膜高效超精密抛光技术

纳米技术与精密工程 2011年第5期9卷 451-458页

作者：苑泽伟金洙吉王坤温泉大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室大连116024

CVD金刚石膜作为光学透射窗口和新一代计算机芯片的材料,其表面必须得到高质量抛光,但是现存方法难以满足既高效又超精密的加工要求.本文提出机械抛光与化学机械抛光相结合的方法.首先,采用固结金刚石磨料抛光盘和游离金刚石磨料两种机... 详细信息

CVD金刚石膜作为光学透射窗口和新一代计算机芯片的材料,其表面必须得到高质量抛光,但是现存方法难以满足既高效又超精密的加工要求.本文提出机械抛光与化学机械抛光相结合的方法.首先,采用固结金刚石磨料抛光盘和游离金刚石磨料两种机械抛光方法对CVD金刚石膜进行粗加工,然后采用化学机械抛光的方法对CVD金刚石膜进行精加工.结果表明,采用游离磨料抛光时材料去除率远比固结磨料高,表面粗糙度最低达到42.2 nm.化学机械抛光方法在CVD金刚石膜的超精密抛光中表现出较大的优势,CVD金刚石膜的表面粗糙度为4.551 nm.

关键词： CVD金刚石膜化学机械抛光固结磨料机械抛光

磨粒振动对碳化硅CMP的微观结构演变和材料去除的影响

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金刚石与磨料磨具工程 2024年第1期44卷 109-122页

作者：唐爱玲苑泽伟唐美玲王颖沈阳工业大学机械工程学院沈阳110870

针对化学机械抛光中磨料易团聚、机械和化学作用不能充分发挥等问题,采用振动辅助的方法进行优化。通过分子动力学模拟,分析磨粒振动的频率、振幅及其压入深度、划切速度对工件表面微观原子迁移的演变规律,揭示振动对材料去除和表面改... 详细信息

针对化学机械抛光中磨料易团聚、机械和化学作用不能充分发挥等问题,采用振动辅助的方法进行优化。通过分子动力学模拟,分析磨粒振动的频率、振幅及其压入深度、划切速度对工件表面微观原子迁移的演变规律,揭示振动对材料去除和表面改善的促进机制;并通过振动辅助化学机械抛光工艺试验和表面成分分析,验证振动辅助的抛光效果和去除机制。结果表明:适当增大磨粒的振动频率、振动振幅及其压入深度、划切速度,可有效提高工件表面的原子势能和温度;磨粒振动有利于提高工件表面原子的混乱度,促进碳化硅参与氧化反应,形成氧化层并以机械方式去除;抛光试验和成分分析也证实振动可以提高材料去除率约50.5%,改善表面质量约25.4%。

关键词：碳化硅振动化学机械抛光分子动力学

轴承内圆轴向超声高速磨削理论建模与试验研究

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表面技术 2024年第8期53卷 119-132页

作者：吴金津王旭袁巨龙苑泽伟王安静陈聪浙江工业大学机械工程学院超精密加工研究中心杭州310023 新昌浙江工业大学科学技术研究院浙江新昌312500 沈阳工业大学机械工程学院沈阳110000

目的以GCr15材料的6309型轴承内圆为研究对象,探究高转速超声磨削过程中超声辅助振动对磨粒运动轨迹、磨削后表面粗糙度、圆度以及微观形貌的影响规律。方法基于超声内圆磨削磨粒切削轨迹及超声振幅与砂轮转速对轨迹影响的理论仿真,构... 详细信息

目的以GCr15材料的6309型轴承内圆为研究对象,探究高转速超声磨削过程中超声辅助振动对磨粒运动轨迹、磨削后表面粗糙度、圆度以及微观形貌的影响规律。方法基于超声内圆磨削磨粒切削轨迹及超声振幅与砂轮转速对轨迹影响的理论仿真,构建磨削去除量与磨削表面粗糙度的理论模型,通过对轴承内圆进行超声磨削试验,研究高转速(16000~22000 r/min)下各工艺参数对内圆表面质量的影响并验证理论粗糙度评价模型。结果超声振幅的增大使磨粒与内圆接触轨迹变长,但随砂轮转速的提高,磨粒切削轨迹的密集程度也有所下降。振幅和砂轮转速的增大可使切削去除量增大、粗糙度降低,铬刚玉粒度100#陶瓷结合剂砂轮磨削GCr15轴承内圆后,其表面质量更有优势,单因素下表面质量变化趋势与理论分析结果相一致。结论在相同磨削参数下,1.5μm振幅超声磨削可使内圆圆度降至0.92μm,粗糙度降至130.5 nm,与传统磨削相比,粗糙度最高减小了41.5%,圆度最高减小了52.6%。在高转速下,各因素按砂轮对磨削后表面质量的影响由大到小的顺序依次为砂轮转速、超声振幅、进给速度,当磨粒线速度超过41.8 m/s、进给速度超过600 mm/min、振幅超过1.5μm时,表面质量呈下降趋势。

关键词：轴向超声内圆磨削高速去除量磨粒轨迹表面质量

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CVD金刚石化学机械抛光工艺研究

人工晶体学报 2016年第1期45卷 73-79页

作者：苑泽伟金洙吉李强杜海洋沈阳工业大学沈阳110870 大连理工大学教育部精密与非传统加工教育部重点实验室大连116024

本文提出采用化学机械抛光的新工艺实现传统方法无法达到的超光滑、低损伤的表面抛光。本文在对金刚石氧化的化学热动力学研究基础上,配制了以高铁酸钾为主要氧化剂的化学机械抛光液,指出加快化学机械抛光过程金刚石氧化的工艺措施。研... 详细信息

本文提出采用化学机械抛光的新工艺实现传统方法无法达到的超光滑、低损伤的表面抛光。本文在对金刚石氧化的化学热动力学研究基础上,配制了以高铁酸钾为主要氧化剂的化学机械抛光液,指出加快化学机械抛光过程金刚石氧化的工艺措施。研制了用于CVD金刚石化学机械抛光的可加热抛光头和摩擦力测量装置,着重研究了CVD金刚石的化学机械抛光工艺。试验得到最佳的抛光工艺参数:抛光压力为266.7 k Pa,抛光盘转速为70 r/min,抛光头转速为23 r/min,抛光温度为50℃。化学机械抛光的摩擦系数在0.060~0.065范围内变化,为混合润滑状态。

关键词： CVD金刚石化学机械抛光工艺高铁酸钾

单晶金刚石机械研磨结合化学辅助机械抛光组合加工工艺

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纳米技术与精密工程 2013年第4期11卷 369-374页

作者：李强金洙吉苑泽伟李伟思郭东明大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室大连116024

单晶金刚石因具有最高的硬度和最低的摩擦系数常被用来制备超精密刀具,而表面粗糙度是影响刀具寿命的重要指标.提出采用机械研磨结合化学辅助机械抛光的组合工艺抛光单晶金刚石.实验优化并确定的加工工艺如下:先用5μm和2μm金刚石粉研... 详细信息

单晶金刚石因具有最高的硬度和最低的摩擦系数常被用来制备超精密刀具,而表面粗糙度是影响刀具寿命的重要指标.提出采用机械研磨结合化学辅助机械抛光的组合工艺抛光单晶金刚石.实验优化并确定的加工工艺如下:先用5μm和2μm金刚石粉研磨单晶金刚石表面,然后采用化学机械的方法去除机械研磨带来的损伤.用该工艺抛光单晶金刚石,表面粗糙度Ra可达0.8 nm(测量区域70μm×53μm).表面拉曼光谱分析表明化学机械抛光的表面只有1 332 cm-1拉曼峰.

关键词：单晶金刚石化学辅助机械抛光机械研磨