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SiC单晶基片固结磨粒摩擦化学机械抛光界面温度产生机理研究

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SiC单晶基片固结磨粒摩擦化学机械抛光界面温度产生机理研究

作者：肖文河南科技学院

学位级别：硕士

单晶SiC材料由于拥有耐高温、导热性能良好且稳定的化学性能,被广泛应用于航天和芯片等领域。但是在固结磨粒抛光SiC工艺过程存在界面温度理论尚未清晰的问题,因此本文针对固结磨粒摩擦化学机械抛光过程中的温度产生机理进行研究,通过... 详细信息

单晶SiC材料由于拥有耐高温、导热性能良好且稳定的化学性能,被广泛应用于航天和芯片等领域。但是在固结磨粒抛光SiC工艺过程存在界面温度理论尚未清晰的问题,因此本文针对固结磨粒摩擦化学机械抛光过程中的温度产生机理进行研究,通过理论计算和实验解释其在摩擦化学机械抛光过程中的温度产生机理,以此探究抛光过程中的摩擦接触界面温度对抛光表面质量的影响。本论文的主要研究内容如下:(1)建立固结磨料摩擦化学机械抛光界面温度模型。将磨粒与抛光垫表面微凸体设定为一个整体,分析固结磨料抛光接触形式,计算固结磨料抛光过程中的磨粒受力、抛光垫表面微凸体数目、微凸体上磨粒分布。对抛光过程的运动轨迹进行分析,计算磨粒速度,使用移动热源分析法对表面摩擦接触进行热源计算。模型中引入了一个表征磨粒与工件接触热源分配的系数k,使用该系数对表面接触两物体进行热源分配模拟计算。(2)对固结磨料抛光界面温度进行测量。本文选用与热敏涂层测温法相似测温原理的方法对抛光界面温度进行测量,此类方法属于事后测量方法。考虑到抛光界面闪点温度较高,所以采用测量范围更为大的金属钛测温材料作为反应温度的测温剂,根据金属表面氧化膜在不同温度下呈现不同物理颜色的变化规律,对抛光摩擦界面温度进行测量。通过观测抛光垫表面残存金属颗粒,观测其物理特征及其表面生成化合物,确定抛光界面温度,并通过试验验证固结磨料摩擦化学机械抛光界面温度模型的可行性。(3)探究工艺参数对化学机械抛光界面温度的影响。采用控制加工变量(抛光压力、抛光盘转速、抛光时间)的单因素试验方法进行研究。通过试验后抛光垫表面上金属颗粒表面氧化物薄膜反射的物理颜色及其表面元素含量变化,判定抛光过程中出现的最高稳态温度。由实验结果可知,不同的工艺参数对界面温度的影响因素相关性为:抛光时间>抛光转速>抛光压力。(4)探究固结磨粒化学机械抛光工艺参数与抛光效果的关系。通过改变抛光压力和抛光盘转速两种工艺参数,探究抛光工艺参数对干式机械摩擦抛光的抛光效果(材料去除速率、表面粗糙度)的影响。在相同抛光压力下,随着抛光盘转速的提升,抛光材料去除速率呈现上升趋势与模型所得结果相同。同时由于参与抛光的磨粒数量较少,造成表面在进行接触划入时磨粒划痕间隔较大,引起表面形貌高度峰值波动,三种不同抛光盘转速试验后的晶片表面形貌高度差值保持在同一范围,磨粒的划入深度与抛光盘转速显著性较小。在相同的抛光盘转速,三种不同的抛光压力等级下,材料去除率随着抛光压力的提升呈现上升趋势,试验后的晶片表面粗糙度呈现增大的趋势,表面划痕深度大致保持在同一水平。原因为增大抛光压力会增大抛光垫的磨损,导致表面磨粒分布不均,SiC单晶基片表面质量变差。本文研究成果可为SiC单晶基片固结磨粒摩擦化学机械抛光工艺优化与发展提供理论基础和新的研究思路。

关键词：固结磨粒 SiC单晶基片摩擦化学机械抛光界面温度

超声振动辅助固结磨粒抛光硅片表面形貌及粗糙度研究

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振动与冲击 2018年第24期37卷 237-243页

作者：付鹏杨卫平吴勇波江西农业大学工学院南昌330045 日本秋田县立大学系统科学技术学部

高面型精度和高表面质量的硅片表面加工是目前研究的难点和热点问题之一,基于超声加工所具有的加工效率和加工表面质量高的特性,以及固结磨粒的加工质量易控制和对环境污染小的特点,开展超声椭圆振动辅助固结磨粒抛光硅片的材料去除、... 详细信息

高面型精度和高表面质量的硅片表面加工是目前研究的难点和热点问题之一,基于超声加工所具有的加工效率和加工表面质量高的特性,以及固结磨粒的加工质量易控制和对环境污染小的特点,开展超声椭圆振动辅助固结磨粒抛光硅片的材料去除、抛光表面面型精度及粗糙度的加工机理及实验研究。研究认为抛光工具运动轨迹是影响上述问题的主要因素,为此在对抛光实验系统描述基础上,分析并建立了抛光工具运动轨迹及轨迹密度模型,进而完成硅片材料去除,抛光表面形貌和表面粗糙度的建模仿真。开展相应的实验研究,发现理论分析与实验的结果相一致,基于抛光工具运动轨迹建模的可行性。该研究方法和得出结论为今后开展固结磨粒抛光硅片表面实验的工艺参数的选择和优化,提供了可供借鉴的研究成果,为实际生产提供了可供参考的理论依据。

关键词：超声振动固结磨粒抛光轨迹加工机理

超声振动辅助固结磨粒抛光硅片表面形成机理及实验

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中国机械工程 2016年第23期27卷 3208-3214页

作者：曾一凡杨卫平吴勇波刘曼利江西农业大学南昌330045 日本秋田县立大学

基于超声加工所具有的加工效率和加工表面质量高等特性,提出了一种超声振动辅助固结磨粒化学机械复合抛光硅片新技术。对抛光工具及复合抛光实验系统的建立进行了描述,在此基础上开展硅片抛光表面形貌及材料去除机理的理论及实验研究,... 详细信息

基于超声加工所具有的加工效率和加工表面质量高等特性,提出了一种超声振动辅助固结磨粒化学机械复合抛光硅片新技术。对抛光工具及复合抛光实验系统的建立进行了描述,在此基础上开展硅片抛光表面形貌及材料去除机理的理论及实验研究,得到不同抛光力下的研究结果。所建立的理论模型及实验结果表明,超声振动辅助固结磨粒抛光有利于硅片表面质量及材料去除率的提高,且随着抛光力的增大,抛光表面质量下降,材料去除效果提高。

关键词：超声振动固结磨粒表面形貌材料去除机理

超声振动协同化学辅助固结磨粒抛光技术的开发

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制造技术与机床 2016年第3期 108-113页

作者：刘曼利杨卫平吴勇波江西农业大学工学院江西南昌330045 日本秋田县立大学系统科学技术学部

传统化学机械抛光是硅片获得超光滑表面的常见加工方法,这种游离磨粒的化学机械抛光的加工效率及加工表面质量低,加工时需大量使用对环境污染严重的化学抛光剂,特别是硅片直径的不断增大而导致加工困难等方面所表现的问题越来越突出。... 详细信息

传统化学机械抛光是硅片获得超光滑表面的常见加工方法,这种游离磨粒的化学机械抛光的加工效率及加工表面质量低,加工时需大量使用对环境污染严重的化学抛光剂,特别是硅片直径的不断增大而导致加工困难等方面所表现的问题越来越突出。因此提出了一种超声椭圆振动协同化学作用辅助固结磨粒的复合抛光硅片新技术,并对此加工机理进行了理论分析。研制了复合抛光装置,对抛光工具设计进行了详细论述,在此基础上开展了硅片复合抛光与传统抛光的对比试验研究。试验结果表明,在相同的试验条件下,复合抛光技术不但硅片抛光表面质量得到改善,而且抛光效率也得到提高。该方法为硅片的精密加工探索了一种新方法。

关键词：超声椭圆振动化学作用固结磨粒抛光硅片

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固结磨粒金刚石线锯专利技术发展研究与分析

科技与企业 2015年第14期 251-251页

作者：顾艳君王妍国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心

固结磨粒线锯作为一种近年来发展较新的精密高效加工工具,在大尺寸硅片切割上体现着优越的性能。本文针对固结磨粒金刚石线锯的国内外专利申请量进行了研究,分析了固结磨粒金刚石线锯领域的专利申请发展趋势、技术分支。

关键词：固结磨粒线锯专利申请发展趋势技术分支

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单晶硅磨抛协同加工的分子动力学

中国表面工程 2024年第2期37卷 199-210页

作者：郭磊郭鹏举刘天罡郭万金吕景祥靳淇超长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室西安710064 重庆大学机械传动国家重点实验室重庆400044 中天引控科技股份有限公司西安710010

磨削与抛光是实现单晶硅材料超精密表面加工的重要工艺方法,磨抛协同加工过程中由磨粒运动状态主导的二体与三体磨损机制对材料去除效率以及表面加工质量具有重要影响。采用分子动力学方法,建立固结与游离运动状态双磨粒协同作用下的单... 详细信息

磨削与抛光是实现单晶硅材料超精密表面加工的重要工艺方法,磨抛协同加工过程中由磨粒运动状态主导的二体与三体磨损机制对材料去除效率以及表面加工质量具有重要影响。采用分子动力学方法,建立固结与游离运动状态双磨粒协同作用下的单晶硅表面超精密磨抛加工过程仿真模型,分析磨粒切入深度、横向与纵向间距干涉等因素对磨削力、材料相变、表面损伤及材料去除行为的影响规律,阐释单晶硅磨抛协同超精密加工表面形貌演化规律。研究表明:受磨粒运动状态驱动的单晶硅材料表层损伤原子数量随固结及游离磨粒切入深度增大而增加,磨粒切入深度对工件的材料去除、裂纹生长及损伤行为影响显著;法向和切向磨削力随磨粒切入深度增加而增大,且在同等切入深度变化时法向磨削力增加幅度大于切向磨削力;通过单晶硅金刚石结构分析磨粒间干涉区域的损伤情况可知,随着磨粒间纵向间距增加时,工件所受干涉作用减小,六角金刚石晶体结构减少;相比较固结磨粒,游离磨粒对工件的损伤区域更深,产生瞬态缺陷原子更多。研究结果可为实现超精密磨抛协同加工工艺高材料去除效率和高表面质量提供理论基础。

关键词：单晶硅分子动力学固结磨粒游离磨粒磨抛协同加工

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航空发动机圆板槽壁重熔层去除研究

电镀与精饰 2023年第11期45卷 9-17页

作者：吴冬张亚光高军帅米天健郝娟姚特力西安航空职业技术学院航空维修工程学院陕西西安710089 西安理工大学材料科学与工程学院陕西西安710048

以GH600高温镍铬铁基固溶强化高温合金板材和电火花制作圆板月牙卡槽为试样,基于磁力研磨方法,创新通过环氧AB胶喷胶和陶瓷磨粒喷砂复合技术制备磁性金属基陶瓷固结磨粒,实现圆板卡槽槽壁重熔层的高效自动化均一去除。通过抛光过程中的... 详细信息

以GH600高温镍铬铁基固溶强化高温合金板材和电火花制作圆板月牙卡槽为试样,基于磁力研磨方法,创新通过环氧AB胶喷胶和陶瓷磨粒喷砂复合技术制备磁性金属基陶瓷固结磨粒,实现圆板卡槽槽壁重熔层的高效自动化均一去除。通过抛光过程中的磨削量数据分析,基于外圆切入表面磨削理论揭示磁力研磨系统下材料表面去除机理和参量间量化关系。研究发现磁力研磨去除量随时间具有极限值,传统磁针磨粒无法应对较硬的高温合金重熔层的去除,金属基陶瓷固结磨粒增强了传统磁力研磨对加工材料硬度的限制并提升磨削效率近10倍,对高温合金研磨6 h后磨削量双边可达0.2 mm并充分去除重熔层,满足尺寸公差要求,研磨后无表面缺陷和元素污染,解决了航空发动机圆板槽壁重熔层去除这一工程界关键难题。丰富了磁力研磨系统中的微切削机理并揭示去除机理是切削转变为滑擦,去除量h随时间t呈反比函数。

关键词：高温合金航空发动机圆板重熔层磁力研磨固结磨粒

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多线切割机对硬脆材料加工的发展方向

电子工业专用设备 2010年第1期39卷 31-33,40页

作者：王广峰中国电子科技集团公司第四十五研究所北京东燕郊065201

介绍了内圆切割、游离磨料线切割、固结金刚石线切割三种加工类型,提出了未来硬脆材料加工新的发展方向。

关键词：高频震动游离磨粒固结磨粒损伤层粒度刚性