水合110固著磨料拋光

1、1.9水合拋光技術(shù),水 合 拋 光( Hydration Polishing)是一種利用界面上產(chǎn)生水合反應(yīng)現(xiàn)象，用拋光盤的摩擦力去除工件表面上形成的水合層的高效、超精密拋光加工方法 。加工裝置與普通拋光機(jī)相同。 其主要特點(diǎn)是不使用磨料和加工液，所不同的是在在水蒸氣環(huán)境中完成加工。,在拋光過程中，工件與拋光盤產(chǎn)生相對摩擦，在局部真實(shí)接觸點(diǎn)產(chǎn)生高溫高壓，使工件表面上的原子或分子呈活性化，同時利用過熱水蒸氣分子和水作用其表面，使之在界面上形成水合層。再利用拋光盤的摩擦力去除工件表面的水合層，從而實(shí)現(xiàn)鏡面加工。,拋光盤模型裝置，拋光盤采用的是杉木拋光盤,主動驅(qū)動式拋光盤與工件相對運(yùn)動關(guān)系圖,擺動式系統(tǒng)

2、拋光盤與工件的運(yùn)動關(guān)系,水合拋光是無磨粒拋光，可將拋光盤上的小孔看成一顆顆磨粒，因?yàn)橛锌椎牡胤骄陀懈邷厮羝膳c單晶藍(lán)寶石片進(jìn)行水合反應(yīng)生成氧化鋁水合物。通過在表面上施加一定的壓力，就可將表面的水合物直接去除，因此拋光盤上小孔的作用與傳統(tǒng)拋光中磨粒的作用相當(dāng)，在拋光軌跡仿真中可將小孔看成磨粒。,水合拋光機(jī)理 在拋光過程中，兩個物體產(chǎn)生相對摩擦，在接觸區(qū)產(chǎn)生高溫高壓，工件表面上的原子或分子呈活性化。利用過熱水蒸汽分子和水作用其表面，使之在界面上形成水合化層。然后借助過熱水蒸汽或在一個大氣壓的水蒸汽環(huán)境下利用外來的摩擦力從工件表面上將水合化層分離、去除，從而實(shí)現(xiàn)鏡面加工。,例子：藍(lán)寶石表面的水合

3、機(jī)理 單晶藍(lán)寶石表面水合物的生成是因?yàn)槠浔砻娴难踉邮菢O化的，容易吸收 H2O。分解吸附的H2O，使氫離子與氧化鋁表面的氧結(jié)合而形成羥基（OH）。羥基的反應(yīng)性高，構(gòu)成活化絡(luò)合物后形成 Al-O+H2OH 層和 Al2O3水合物。在熱壓反應(yīng)器中進(jìn)行藍(lán)寶石、水蒸汽反應(yīng)時，雖然時間長，但可由 X 射線證實(shí)水合物的生成。 這種水合層近似于范德瓦爾斯結(jié)合，其硬度值比 Al2O3低。若能通過相對聯(lián)動的拋光盤的摩擦力將這種水合層（水合生成物）從晶體表面上分離、去除，則加工單位變成極小，因此有可能成為無加工變質(zhì)層和無晶格畸變的鏡面加工法，這就是藍(lán)寶石水合拋光法的原理。,由于拋光盤材料的不同，在拋光過程中，拋光

4、盤上生成的微粒凝固在藍(lán)寶石的加工面上，造成去除量的下降。使用石墨和石英玻璃的拋光盤時，生成含水硅酸鹽化合物 2Al2O32SiO22H2O 的凝固物等。利用軟鋼、杉材的拋光盤，去除量雖小但表面的粗糙度則非常好，可以得到?jīng)]有凝聚物的光澤的面，而使用石墨和石英玻璃的拋光盤時，拋光面上有小的損傷和劃痕。,用不同材料的拋光盤和不同溫度的水蒸汽下藍(lán)寶石的加工速度（mg/h），條件：加載 500g，拋光盤轉(zhuǎn)速 44rpm,水合拋光的去除量只有數(shù)埃米數(shù)十埃米，去除厚度僅為零點(diǎn)幾個納米。選用的拋光盤材料必須不與工件產(chǎn)生固相反應(yīng)。 可獲得無劃痕、平滑、晶格無畸變的潔凈表面。且沒有加工變質(zhì)層。水合拋光藍(lán)寶石光滑表

5、面表面粗糙度低于2nmRa 水和拋光非常適合于要求表面平滑性好、 平面度要求高、潔凈無畸變的藍(lán)寶石和硒化鋅晶體的超精密加工。親水材料的水合拋光只能拋光藍(lán)寶石、玻璃、水晶、石英等親水性材料。,1.10固著磨料拋光,20世紀(jì)70年代初期，國外開始對固著磨料拋光工藝進(jìn)行研究，國內(nèi)是從80年代開始對其進(jìn)行試驗(yàn)研究。 固著磨料拋光是把拋光粉與拋光模做成一體，對玻璃進(jìn)行拋光。,（1）固著磨料拋光方法的特點(diǎn) 1）不用在循環(huán)冷卻液中加入拋光粉，減少拋光中不定因素的影響，工藝穩(wěn)定，拋光后零件容易清洗。 2）拋光模面形穩(wěn)定性好，為定時、定光圈、定表面粗糙度的拋光創(chuàng)造了條件。 3）拋光效率高，在相同條件下拋光效率比

6、古典法大約高10倍左右。 4）減少廢拋光液的處理，對環(huán)境保護(hù)有積極意義。 5）加工余量少，對精磨后的光圈和粗糙度要求較高。,（2）固著磨料拋光模 拋光模的面形精度決定了透鏡面形的精度。固著磨料拋光模是由拋光丸片按一定的排列方式組成球面。拋光丸片是以聚氨酯樹脂為基體，以氧化鈰為主要材料經(jīng)專門加工而成的，具有微孔結(jié)構(gòu)的不同尺寸的小圓片。這種拋光模拋光能力強(qiáng)、自銳性好、膨脹系數(shù)小、彈性變形和吸水性變形小、應(yīng)力小。 為保持拋光模面形的穩(wěn)定，首先要保證拋光丸片在拋光模基體上有大的覆蓋比，一般為50%60%。此外，其拋光丸片的排列應(yīng)參考高速精磨中精磨片的排列方式。對于球面拋光模，其拋光片的排列應(yīng)按照余弦磨

7、損規(guī)律，拋光丸片的大小應(yīng)根據(jù)鏡盤的直徑?jīng)Q定，其硬度一般根據(jù)鏡片材料的軟硬來選取。如果拋光丸片質(zhì)量不好或不匹配，拋光時就會出現(xiàn)問題。,拋光模制成之后，也要經(jīng)過修磨，與精磨模的修磨類似，一般采用對研的方法修正其面形，最后通過試拋零件來檢驗(yàn)拋光模的面形。 在實(shí)際生產(chǎn)中，通常用丸片模具修改拋光模。修改凸拋光模時，拋光模在下，丸片模具在上；修改凹拋光模時，丸片模具在下，拋光模在上。若要凸模升光圈，則由外往里修；若要凸模降光圈，則由里向外修。若要凹模升光圈，則由里向外修；若要凹模降光圈，則由外向里修,拋光模具體修改方法,（3）固著磨料拋光工藝 固著磨料加工工藝對機(jī)床的轉(zhuǎn)速要求高，通常情況下，轉(zhuǎn)速提高，有利

8、于提高拋光效率。但是轉(zhuǎn)速還要受機(jī)床性能指標(biāo)以及鏡盤口徑的限制。除此之外，還要考慮工裝精度的制約，否則容易造成脫膠。固著磨料拋光效率也受壓力的影響，壓力的選擇與拋光模性能、拋光粉粒度與硬度等有關(guān)?？傊诟咚?、高壓下，每加工一個零件都有它最佳的工藝參數(shù)，可以通過不斷的工藝試驗(yàn)確定。,除了轉(zhuǎn)速和壓力對拋光的影響外，零件的精磨質(zhì)量、拋光液以及溫度等對拋光都有影響。 1）精磨的影響 像聚氨酯準(zhǔn)球心高速拋光一樣，零件的精磨質(zhì)量對拋光工藝也有相似的影響。另外，由于固著磨料對零件表面面形修整能力有限，只是改變零件的表面粗糙度，因此對精磨的面形精度和粗糙度要求極高。為了盡快完成拋光，盡可能少地影響表面面形，要

9、求超精磨后再拋光。 2）拋光液的影響 在固著磨料高速拋光中，要求拋光液有良好的冷卻、清洗、潤滑性能，一般采用水作拋光液。為了提高拋光效率，改善零件表面質(zhì)量，可在水中加入適量的添加劑，如硝酸鋅等。,3）溫度對固著磨料拋光也有影響。 由于拋光液溫度一般控制在25C左右，固著磨料拋光對環(huán)境溫度要求不太嚴(yán)格。 4）拋光時間 根據(jù)零件尺寸的不同，拋光時間會有變化。,（4）固著磨料拋光加工余量 表面粗糙度不僅與磨料粒度、玻璃性質(zhì)有關(guān)，而加工余量與表面粗糙度有關(guān)。,（5）固著磨料拋光工藝問題,（6）固著磨料拋光表面質(zhì)量,1.11化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù),化學(xué)機(jī)械拋光(CMP , Chemical Mechanica

10、l Polishing)由 IBM公司于 80 年代中期開發(fā), 在超大規(guī)模集成電路制造過程中全面實(shí)現(xiàn)整個硅圓晶片的表面平坦化 ,具有低斜率的整體形貌平坦化的技術(shù)； 廣泛應(yīng)用在半導(dǎo)體工業(yè)中的層間電介質(zhì)，鑲嵌金屬（W 、A l 、C u 、A u ），多晶硅，導(dǎo)體，硅氧化物等的平坦化加工；薄膜存儲磁盤，微電子機(jī)械系統(tǒng)、陶瓷、機(jī)械磨具、精密閥門、光學(xué)玻璃、金屬材料等表面超精密加工。,凡在外電場作用下產(chǎn)生宏觀上不等于零的電偶極矩，因而形成宏觀束縛電荷的現(xiàn)象稱為電極化，能產(chǎn)生電極化現(xiàn)象的物質(zhì)統(tǒng)稱為電介質(zhì) 電介質(zhì)的帶電粒子是被原子、分子的內(nèi)力或分子間的力緊密束縛著，因此這些粒子的電荷為束縛電荷。在外電場作

11、用下，這些電荷也只能在微觀范圍內(nèi)移動，產(chǎn)生極化。 電介質(zhì)的電阻率一般都很高，被稱為絕緣體。有些電介質(zhì)的電阻率并不很高，不能稱為絕緣體，但由于能發(fā)生極化過程，也歸入電介質(zhì)。 固態(tài)電介質(zhì)包括晶態(tài)電介質(zhì)和非晶態(tài)電介質(zhì)兩大類，后者包括玻璃、樹脂和高分子聚合物等，是良好的絕緣材料。,CMP的工作原理 由一個旋轉(zhuǎn)的硅片夾持器、承載拋光墊的工作臺和拋光液供給裝置三大部分組成。 旋轉(zhuǎn)的工件以一定的壓力壓在旋轉(zhuǎn)的拋光墊上,而由亞微米或納米磨粒和化學(xué)溶液組成的拋光液在工件與拋光墊之間流動,在工件表面產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng), 生成一層容易去除的反應(yīng)膜,工件表面形成的化學(xué)反應(yīng)膜由磨粒和拋光墊的機(jī)械作用去除,在化學(xué)成膜和機(jī)械去膜

12、的交替過程中實(shí)現(xiàn)超精密表面加工。,化學(xué)機(jī)械拋光原理： 將旋轉(zhuǎn)的被拋光晶片壓在與其同方向旋轉(zhuǎn)的彈性拋光墊上，而拋光漿料在晶片與底板之間連續(xù)流動。上下盤高速反向運(yùn)轉(zhuǎn)，被拋光晶片表面的反應(yīng)產(chǎn)物被不斷地剝離，新拋光漿料補(bǔ)充進(jìn)來，反應(yīng)產(chǎn)物隨拋光漿料帶走。新裸露的晶片平面又發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)物再被剝離下來而循環(huán)往復(fù)，在襯底、磨粒和化學(xué)反應(yīng)劑的聯(lián)合作用下，形成超精表面。 要獲得品質(zhì)好的拋光片，必須使拋光過程中的化學(xué)腐蝕作用與機(jī)械磨削作用達(dá)到一種平衡。如果化學(xué)腐蝕作用大于機(jī)械拋光作用，則會在拋光片表面產(chǎn)生腐蝕坑、桔皮狀波紋；反之，機(jī)械拋光作用大于化學(xué)腐蝕作用則表面產(chǎn)生高損傷層。,一個完整的CMP工藝主要由拋光、

13、后清洗和檢測等部分組成 CMP技術(shù)所采用的設(shè)備及消耗品包括 ： 拋光機(jī)、 拋光液、拋光墊、清洗設(shè)備、拋光終點(diǎn)檢測及工藝控制設(shè)備、廢物處理和檢測設(shè)備等，其中拋光液和拋光墊為消耗品 拋光機(jī)、拋光液和拋光墊是CMP工藝 的3大關(guān)鍵要素，目前均依賴進(jìn)口，其性能和相互匹配決定CMP能達(dá)到的表面平整水平,拋光液 化學(xué)機(jī)械拋光是關(guān)鍵因素之一。其的性能直接影響拋光后表面質(zhì)量 拋光液一般由超細(xì)固體粒子研磨劑(如納米SiO 、Al2O3粒子等)、表面活性劑、穩(wěn)定劑、氧化劑等組成混合液，也稱為拋光漿料。但國際上CMP 拋光漿料的制備基本屬于商業(yè)機(jī)密，不對外公布。 拋光液中固體粒子提供研磨作用，拋光磨料的種類、物理化學(xué)性質(zhì)、粒徑大小、顆粒分散度及穩(wěn)定性等均與拋光效果緊密相關(guān)；化學(xué)氧化劑提供腐蝕溶解作用 。 拋光液的化學(xué)成分及濃度、磨粒的種類、大小、形狀及濃度、拋光液的粘度、pH值、流速、流動途徑對去除速度都有影響此外，拋光墊的屬性（如材料、平整度等）也極大地影響了化學(xué)機(jī)械拋光的效果，,CMP要求拋光料的粒徑在 1100nm ,成分主要是 SiO2、 Al2O3 和少量的 CeO2。其面形精度可以達(dá)到/50