1.9水合1.10固着磨料抛光

1.9水合抛光技术•水合抛光(HydrationPolishing)是一种利用界面上产生水合反应现象，用抛光盘的摩擦力去除工件表面上形成的水合层的高效、超精密抛光加工方法。加工装置与普通抛光机相同。•其主要特点是不使用磨料和加工液，所不同的是在在水蒸气环境中完成加工。•在抛光过程中，工件与抛光盘产生相对摩擦，在局部真实接触点产生高温高压，使工件表面上的原子或分子呈活性化，同时利用过热水蒸气分子和水作用其表面，使之在界面上形成水合层。再利用抛光盘的摩擦力去除工件表面的水合层，从而实现镜面加工。•抛光盘模型装置，抛光盘采用的是杉木抛光盘•主动驱动式抛光盘与工件相对运动关系图•摆动式系统抛光盘与工件的运动关系•水合抛光是无磨粒抛光，可将抛光盘上的小孔看成一颗颗磨粒，因为有孔的地方就有高温水蒸汽，可与单晶蓝宝石片进行水合反应生成氧化铝水合物。通过在表面上施加一定的压力，就可将表面的水合物直接去除，因此抛光盘上小孔的作用与传统抛光中磨粒的作用相当，在抛光轨迹仿真中可将小孔看成磨粒。•水合抛光机理•在抛光过程中，两个物体产生相对摩擦，在接触区产生高温高压，工件表面上的原子或分子呈活性化。利用过热水蒸汽分子和水作用其表面，使之在界面上形成水合化层。然后借助过热水蒸汽或在一个大气压的水蒸汽环境下利用外来的摩擦力从工件表面上将水合化层分离、去除，从而实现镜面加工。•例子：蓝宝石表面的水合机理•单晶蓝宝石表面水合物的生成是因为其表面的氧原子是极化的，容易吸收H2O。分解吸附的H2O，使氢离子与氧化铝表面的氧结合而形成羟基（OH）¯。羟基的反应性高，构成活化络合物后形成Al-O+H2OH层和Al2O3水合物。在热压反应器中进行蓝宝石、水蒸汽反应时，虽然时间长，但可由X射线证实水合物的生成。•这种水合层近似于范德瓦尔斯结合，其硬度值比Al2O3低。若能通过相对联动的抛光盘的摩擦力将这种水合层（水合生成物）从晶体表面上分离、去除，则加工单位变成极小，因此有可能成为无加工变质层和无晶格畸变的镜面加工法，这就是蓝宝石水合抛光法的原理。•由于抛光盘材料的不同，在抛光过程中，抛光盘上生成的微粒凝固在蓝宝石的加工面上，造成去除量的下降。使用石墨和石英玻璃的抛光盘时，生成含水硅酸盐化合物2Al2O3·2SiO2·2H2O的凝固物等。利用软钢、杉材的抛光盘，去除量虽小但表面的粗糙度则非常好，可以得到没有凝聚物的光泽的面，而使用石墨和石英玻璃的抛光盘时，抛光面上有小的损伤和划痕。•用不同材料的抛光盘和不同温度的水蒸汽下蓝宝石的加工速度（mg/h），条件：加载500g，抛光盘转速44rpm•水合抛光的去除量只有数埃米～数十埃米，去除厚度仅为零点几个纳米。选用的抛光盘材料必须不与工件产生固相反应。•可获得无划痕、平滑、晶格无畸变的洁净表面。且没有加工变质层。水合抛光蓝宝石光滑表面表面粗糙度低于2nmRa•水和抛光非常适合于要求表面平滑性好、平面度要求高、洁净无畸变的蓝宝石和硒化锌晶体的超精密加工。亲水材料的水合抛光只能抛光蓝宝石、玻璃、水晶、石英等亲水性材料。1.10固着磨料抛光•20世纪70年代初期，国外开始对固着磨料抛光工艺进行研究，国内是从80年代开始对其进行试验研究。•固着磨料抛光是把抛光粉与抛光模做成一体，对玻璃进行抛光。•（1）固着磨料抛光方法的特点•1）不用在循环冷却液中加入抛光粉，减少抛光中不定因素的影响，工艺稳定，抛光后零件容易清洗。•2）抛光模面形稳定性好，为定时、定光圈、定表面粗糙度的抛光创造了条件。•3）抛光效率高，在相同条件下抛光效率比古典法大约高10倍左右。•4）减少废抛光液的处理，对环境保护有积极意义。•5）加工余量少，对精磨后的光圈和粗糙度要求较高。•（2）固着磨料抛光模•抛光模的面形精度决定了透镜面形的精度。固着磨料抛光模是由抛光丸片按一定的排列方式组成球面。抛光丸片是以聚氨酯树脂为基体，以氧化铈为主要材料经专门加工而成的，具有微孔结构的不同尺寸的小圆片。这种抛光模抛光能力强、自锐性好、膨胀系数小、弹性变形和吸水性变形小、应力小。•为保持抛光模面形的稳定，首先要保证抛光丸片在抛光模基体上有大的覆盖比，一般为50%～60%。此外，其抛光丸片的排列应参考高速精磨中精磨片的排列方式。对于球面抛光模，其抛光片的排列应按照余弦磨损规律，抛光丸片的大小应根据镜盘的直径决定，其硬度一般根据镜片材料的软硬来选取。如果抛光丸片质量不好或不匹配，抛光时就会出现问题。•抛光模制成之后，也要经过修磨，与精磨模的修磨类似，一般采用对研的方法修正其面形，最后通过试抛零件来检验抛光模的面形。•在实际生产中，通常用丸片模具修改抛光模。修改凸抛光模时，抛光模在下，丸片模具在上；修改凹抛光模时，丸片模具在下，抛光模在上。若要凸模升光圈，则由外往里修；若要凸模降光圈，则由里向外修。若要凹模升光圈，则由里向外修；若要凹模降光圈，则由外向里修•抛光模具体修改方法•（3）固着磨料抛光工艺•固着磨料加工工艺对机床的转速要求高，通常情况下，转速提高，有利于提高抛光效率。但是转速还要受机床性能指标以及镜盘口径的限制。除此之外，还要考虑工装精度的制约，否则容易造成脱胶。固着磨料抛光效率也受压力的影响，压力的选择与抛光模性能、抛光粉粒度与硬度等有关。总之，在高速、高压下，每加工一个零件都有它最佳的工艺参数，可以通过不断的工艺试验确定。•除了转速和压力对抛光的影响外，零件的精磨质量、抛光液以及温度等对抛光都有影响。•1）精磨的影响•像聚氨酯准球心高速抛光一样，零件的精磨质量对抛光工艺也有相似的影响。另外，由于固着磨料对零件表面面形修整能力有限，只是改变零件的表面粗糙度，因此对精磨的面形精度和粗糙度要求极高。为了尽快完成抛光，尽可能少地影响表面面形，要求超精磨后再抛光。•2）抛光液的影响•在固着磨料高速抛光中，要求抛光液有良好的冷却、清洗、润滑性能，一般采用水作抛光液。为了提高抛光效率，改善零件表面质量，可在水中加入适量的添加剂，如硝酸锌等。•3）温度对固着磨料抛光也有影响。•由于抛光液温度一般控制在25°C左右，固着磨料抛光对环境温度要求不太严格。•4）抛光时间•根据零件尺寸的不同，抛光时间会有变化。•（4）固着磨料抛光加工余量•表面粗糙度不仅与磨料粒度、玻璃性质有关，而加工余量与表面粗糙度有关。•（5）固着磨料抛光工艺问题•（6）固着磨料抛光表面质量1.11化学机械抛光技术•化学机械抛光(CMP,ChemicalMechanicalPolishing)由IBM公司于80年代中期开发,在超大规模集成电路制造过程中全面实现整个硅圆晶片的表面平坦化,具有低斜率的整体形貌平坦化的技术；•广泛应用在半导体工业中的层间电介质，镶嵌金属（W、Al、Cu、Au），多晶硅，导体，硅氧化物等的平坦化加工；薄膜存储磁盘，微电子机械系统、陶瓷、机械磨具、精密阀门、光学玻璃、金属材料等表面超精密加工。•凡在外电场作用下产生宏观上不等于零的电偶极矩，因而形成宏观束缚电荷的现象称为电极化，能产生电极化现象的物质统称为电介质•电介质的带电粒子是被原子、分子的内力或分子间的力紧密束缚着，因此这些粒子的电荷为束缚电荷。在外电场作用下，这些电荷也只能在微观范围内移动，产生极化。•电介质的电阻率一般都很高，被称为绝缘体。有些电介质的电阻率并不很高，不能称为绝缘体，但由于能发生极化过程，也归入电介质。•固态电介质包括晶态电介质和非晶态电介质两大类，后者包括玻璃、树脂和高分子聚合物等，是良好的绝缘材料。•CMP的工作原理•由一个旋转的硅片夹持器、承载抛光垫的工作台和抛光液供给装置三大部分组成。•旋转的工件以一定的压力压在旋转的抛光垫上,而由亚微米或纳米磨粒和化学溶液组成的抛光液在工件与抛光垫之间流动,在工件表面产生化学反应,生成一层容易去除的反应膜,工件表面形成的化学反应膜由磨粒和抛光垫的机械作用去除,在化学成膜和机械去膜的交替过程中实现超精密表面加工。•化学机械抛光原理：•将旋转的被抛光晶片压在与其同方向旋转的弹性抛光垫上，而抛光浆料在晶片与底板之间连续流动。上下盘高速反向运转，被抛光晶片表面的反应产物被不断地剥离，新抛光浆料补充进来，反应产物随抛光浆料带走。新裸露的晶片平面又发生化学反应，产物再被剥离下来而循环往复，在衬底、磨粒和化学反应剂的联合作用下，形成超精表面。•要获得品质好的抛光片，必须使抛光过程中的化学腐蚀作用与机械磨削作用达到一种平衡。如果化学腐蚀作用大于机械抛光作用，则会在抛光片表面产生腐蚀坑、桔皮状波纹；反之，机械抛光作用大于化学腐蚀作用则表面产生高损伤层。•一个完整的CMP工艺主要由抛光、后清洗和检测等部分组成•CMP技术所采用的设备及消耗品包括：抛光机、抛光液、抛光垫、清洗设备、抛光终点检测及工艺控制设备、废物处理和检测设备等，其中抛光液和抛光垫为消耗品．•抛光机、抛光液和抛光垫是CMP工艺的3大关键要素，目前均依赖进口，其性能和相互匹配决定CMP能达到的表面平整水平．•抛光液•化学机械抛光是关键因素之一。其的性能直接影响抛光后表面质量．•抛光液一般由超细固体粒子研磨剂(如纳米SiO、Al2O3粒子等)、表面活性剂、稳定剂、氧化剂等组成混合液，也称为抛光浆料。但国际上CMP抛光浆料的制备基本属于商业机密，不对外公布。•抛光液中固体粒子提供研磨作用，抛光磨料的种类、物理化学性质、粒径大小、颗粒分散度及稳定性等均与抛光效果紧密相关；化学氧化剂提供腐蚀溶解作用。•抛光液的化学成分及浓度、磨粒的种类、大小、形状及浓度、抛光液的粘度、pH值、流速、流动途径对去除速度都有影响．此外，抛光垫的属性（如材料、平整度等）也极大地影响了化学机械抛光的效果，•CMP要求抛光料的粒径在1～100nm,成分主要是SiO2、Al2O3和少量的CeO2。其面形精度可以达到λ/50,表面粗糙度可达到Ra0.5nm。但是它对工作环境的要求也很严格,如果达不到相应的条件,则有可能出现毁坏工件表面的情况。•而且目前人们对CMP技术还缺少定量方面的知识,需要进一步研究CMP工艺的过程参数(包括抛光压力、转速、温度等)对表面质量的影响、抛光布/磨料/加工表面三者之间的相互作用关系,以及抛光浆料的化学性质对抛光的影响等,以建立更完善的CMP理论模型,从而确定最佳的CMP工艺。