畢業(yè)設(shè)計論文—藍寶石化學(xué)機械拋光清洗技術(shù)現(xiàn)狀與存在的問題

河南科技學(xué)院 2012 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 論文題目： 藍寶石化學(xué)機械拋光清洗技術(shù)現(xiàn)狀與存在的問題 學(xué)生姓名： 胡冬松 所在院系： 機電學(xué)院 所學(xué)專業(yè)： 機械設(shè)計制造及自動化 導(dǎo)師姓名： 蘇建修 完成時間： 2012 年 5 月 15 日 摘 要 藍寶石是近年來隨著通訊、信息產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展而開發(fā)并產(chǎn)業(yè)化的新型材料。它具有硬度高、化學(xué)穩(wěn)定性好、透光性好、熱傳導(dǎo)性、電磁絕 緣性、力學(xué)機械性能優(yōu)良等特點。目前，藍寶石晶片的超光滑加工技術(shù)的研究還不夠深入，實際生產(chǎn)中通常采用化學(xué)機械研磨拋光技術(shù)進行加工。本論文通過對藍寶石晶片拋光運動軌跡的理論分析和拋光過程的實驗研究，研究藍寶石晶片拋光加工機理，探討藍寶石晶片化學(xué)機械研磨、拋光工藝，系統(tǒng)分析主要工藝參數(shù)對晶片質(zhì)量的影響。 1 理論分析拋光運動的規(guī)律并進行拋光軌跡的計算機仿真，探討拋光表面形成機理，發(fā)現(xiàn)合適的拋光轉(zhuǎn)速和拋光運動參數(shù)。得出：對單面化學(xué)機械拋光，其合適的拋光盤轉(zhuǎn)速為 60rpm，工件盤中心到拋光盤中心的距離為 100mm； 對雙面化學(xué)機械拋光，拋光盤轉(zhuǎn)速與拋光機內(nèi)齒圈的轉(zhuǎn)速比值范圍應(yīng)在 0.79 1.4 之間。 2通過對藍寶石晶片的化學(xué)機械拋光過程的實驗研究，掌握測量藍寶石晶片在不同拋光條件下的面型誤差和材料去除率，分析了拋光墊材料和狀態(tài)、拋光壓力、拋光盤轉(zhuǎn)速、磨料種類和粒度、拋光液組成等幾個因素對拋光表面質(zhì)量和材料去除率的影響規(guī)律。得出拋光工藝過程中的最優(yōu)參數(shù)，如在精拋時：拋光盤轉(zhuǎn)速為 70rpm；載料盤轉(zhuǎn)數(shù)： 30rpm；拋光時間為 120min；拋光壓力為 100Pa。 3 通過分析藍寶石的表面凈化原理和表面凈化工 藝，以及目前使用的手工清洗和超聲波清洗，提出更為先進的清洗技術(shù)。 關(guān)鍵詞： 藍寶石晶片，化學(xué)機械研磨拋光，清洗，運動建模與仿真 Abstract -Al2O3, a single crystal material, developed and industrialized with thedevelopment of communication and information industries recently, owns the excellent performances such as excellent rigidity, excellent chemical stability, higher heat exchange, excellent insulation and good mechanical capability ,etc. However,researches on -Al2O3 single crystal wafer around world are still lacking. -Al2O3 wafers are machined usually by chemical mechanical polishing in industry. Based on the investigation of the mechanical property of -Al2O3 crystal wafer and theory analysis of polishing movement tracks, this thesis discuss its mechanical of CMP,present its polishing characteristic and analyzes the effects of polishing condition parameters upon CMP. For selecting suitable CMP condition, the movement of polishing was modelingand simulation. For bosseyed polishing, the analysised results show that the reasonable rotating speed and distance between workpiece plate center and polishing plate center are 60rpm and 100mm. For polishing machine, which is drive by four-bar mechanism, the analytical results show that the scales between the pad and the wafer of rotating speed are variable. When the scale is more than two, the result is the best.For double-sided polishing, the scales between the wafer and the inner gear of rotating speed are also variable, When the value is between 0.79 to 1.4, the effect is the best. The CMP experiment was carried out systematically on -Al2O3. The polishing surface roughness and material removal rate in different polishing conditions were measured and the effects of polishing pad material and its condition, pressure, rotating speed of the polishing plate, the type and size of abrasive, and the properties of the polishing slurry on the surface roughness and material removal rate were analysed in details. We get the best parameter in the process of CMP, such as the press of pad is 400Pa and the time is 15minutes when we grind. While we polish the wafers, the rotating of the pad should be 70rpm and the rotating of wafer should be 30rpm, the press of the pad should be 100Pa. Key word: -Al2O3single crystal wafer； chemical mechanicalgrinding and polishing； movement modeling and stimulation 目 錄 1 緒論 . 6 1.1 課題研究的意義 . 6 1.2 藍寶石的材料特性 . 6 1.2.1 藍寶石的晶體結(jié)構(gòu) . 6 1.2.2 單晶藍寶石的機械性質(zhì) . 6 1.2.3 單晶藍寶石與二氧化硅的固相化學(xué)反應(yīng) . 7 1.3 藍寶石化學(xué)機械拋光原理 . 7 1.4 藍寶石化學(xué)機械拋光研究現(xiàn)狀 . 8 1.5 藍寶石清洗技術(shù)研究現(xiàn)狀 . 9 1.6 課題研究的內(nèi)容 . 9 2 藍寶石晶片化學(xué)機械拋 光運動參數(shù)分析 . 10 2.1 引言 . 10 2.2 單面化學(xué)機械拋光運動過程分析及仿真 . 10 2.2.1 單面化學(xué)機械拋光加工機理 . 10 2.2.2 拋光運動軌跡分析與仿真 . 10 2.2.3 仿真結(jié)果及討論 . 11 2.3 雙面化學(xué)機械拋光運動過程分析及仿真 . 12 2.3.1 雙面化學(xué)機械拋光加工機理 . 12 2.3.2 拋光運動軌跡方程的建立 . 12 2.3.3 a、 p、 t 及 w 四者關(guān)系的確定 . 13 2.3.4 仿真結(jié)果及討論 . 14 2.4 本章小結(jié) . 15 3 拋光參數(shù)對材料去除率及粗糙度的影響 . 15 3.1 拋光設(shè)備的確定 . 15 3.11 拋光機 . 15 3.12 拋光墊 . 15 3.13 拋光液 . 15 3.2 拋光參數(shù)對材料去除率及粗糙度的影響 . 16 3.2.1 SiO2的粒度對晶片拋光的影響 . 16 3.2.2 SiO2 的濃度對晶片拋光的影響 . 16 3.2.3 拋光液的 pH 值性對晶片拋光的影響 . 17 3.2.4 拋光液的溫度對晶片拋光的影響 . 17 3.2.5 拋光壓力對晶片拋光的影響 . 17 3.2.6 拋光盤的轉(zhuǎn)速對晶片拋光的影響 . 18 3.3 本章小結(jié) . 18 4 藍寶石表面的清洗 . 18 4.1 引言 . 18 4.2 藍寶石表面清洗原理 . 19 4.2.1 藍寶石表面狀態(tài)與潔凈度 . 19 4.2.2 吸附理論 . 19 4.2.3 藍寶石晶片表面玷污雜質(zhì)的來源和分類 . 20 4.2.4 藍寶石晶片的清洗流程 . 20 4.3 藍寶石晶片清洗工藝分析 . 20 4.3.1 清洗劑的性質(zhì) . 21 4.3.2 清洗設(shè)備 . 21 4.3.3 清洗環(huán)境 . 21 4.4 清洗效果 . 22 4.5 本章小結(jié) . 22 5 總結(jié)和展望 . 22 5.1 總結(jié) . 22 5.11 藍寶石化學(xué)機械拋光的總結(jié) . 22 5.12 清洗的總結(jié) . 23 5.2 進一步工作的展望 . 23 5.2.1 藍寶石化學(xué)機械拋光的進一步研究 . 23 5.2.2 清洗的進一步研究 . 23 參考文獻 . 25 附錄 1 工件上任意一點軌跡仿真圖形 . 27 附錄 2 雙面拋光不同 p/t 的軌跡仿真圖形 . 28 1 緒論 1.1 課題研究的意義 目前關(guān)于第一代半導(dǎo)體材料硅單晶的生長和加工方面的文獻較多，有的已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，但是針對用作第三代半導(dǎo)體材料 GaN襯底片的藍寶石晶片生長方面的文獻資料卻較少 1，針對藍寶石晶片超精密加工的資料則更少。 藍寶石無論作為光電子領(lǐng)域的襯底片還是光通訊領(lǐng)域的窗口，都對其加工質(zhì)量有著非常高的要求。如作為襯底片的 藍寶石要求其在金屬有機物化學(xué)氣相淀積（ MOCVD）后的表面是超光滑、無損傷表面。 本課題通過對藍寶石晶片無損傷層的化學(xué)機械拋光技術(shù)、加工后晶片清洗凈化工藝等關(guān)鍵技術(shù)的研究，提出了能夠有效提高藍寶石晶片制造質(zhì)量的晶片制備工藝，研制出滿足光電子、微電子等領(lǐng)域所需要的藍寶石晶片，對促進我國光電子、微電子等眾多高科技領(lǐng)域的技術(shù)進步，將具有十分重大的現(xiàn)實意義。 1.2 藍寶石的材料特性 1.2.1 藍寶石的晶體結(jié)構(gòu) 單晶藍寶石屬于共價鍵化合物，其結(jié)晶系統(tǒng)一般可分為兩種排列方式 :六方密堆積與立方最密堆積兩種。單晶藍寶石 的莫氏硬度為 9，其硬度僅次于金剛石的硬度，現(xiàn)己知確定的藍寶石有、等 9種，本研究使用的藍寶石為 a 相氧化鋁，其構(gòu)造如圖 1.1（ a）所示，為六方最密堆積氧原子層所構(gòu)成，氧原子間的八面體配位的 2/3 空隙是 Al3+離子所填充， a 相氧化鋁是由六層的氧原子如圖 1.1(b)所示，以 ARAB的方式所構(gòu)成的單位晶格，其中每層各含 3 個氧，如果以單位晶格來算、氧原子共 18 個。而鋁原子在第一層、第四層各為 2 個鋁原子，其余 4層各有 3 個鋁原子，以單位晶格來算，鋁原子共 12 個，以此方式所構(gòu)成的 a 相氧化鋁結(jié)構(gòu)為八 面體，此八面體可形成共點、共棱、共面的構(gòu)造 2。 圖 1.1 單晶藍寶石晶體結(jié)構(gòu)圖 1.2.2 單晶藍寶石的機械性質(zhì) 單晶藍寶石的機械性質(zhì)與其本身密度有關(guān)，單晶藍寶石密度越大則機械性質(zhì)越 佳，理論上純度 100%單晶藍寶石的理論密度為 3.9869/cm3，其相對的機械性質(zhì)也為最佳。例如單晶藍寶石的抗壓縮強度為抗拉強度的 10 倍，抗壓縮強度大約為1.9-24Gpa之間，而且其楊氏彈性模數(shù) (Young、 Modulus)E為 380GPa，而一般的鐵材的彈性模數(shù) E 為 2OOGPa，所以約為鐵材的 2 倍，但當(dāng)單晶藍寶石處 于 1200時，氧化鋁的彈性模數(shù)會急速下降，見表 1.1。硬度為藍寶石另一重要的機械性質(zhì)，它也代表著耐磨耗的能力，單晶藍寶石純度越高，則硬度相對越高，單晶藍寶石硬度越高，氧化鋁的耐磨耗的能力越佳 3。 表 1.1 藍寶石單晶物理性質(zhì) 化學(xué)式 Al2O3 晶格常數(shù)（ A） a=4.765 c=13.000 密度（ g/cm3） 3.98 硬度 莫氏 9 泊松比 0.250.30 楊氏模數(shù)（ Gpa） 345 剪彈性模數(shù)（ Gpa） 145 極限應(yīng)力（ Gpa） 448 比熱（ cal/） 0.1 1.2.3 單晶藍寶石與二氧化硅的固相化學(xué)反應(yīng) 二氧化硅與單晶藍寶石在無外加能量情況下兩者之間很難產(chǎn)生固相化學(xué)反應(yīng)，而在外加能量情況下 (如拋光、燒結(jié) )，且能量超越二氧化硅與單晶藍寶石之間所需的活化能而產(chǎn)生固相化學(xué)反應(yīng)，其反應(yīng)式如下 4: 32232 SiOAlSiOOAl （ 1-1） 該固相化學(xué)反應(yīng)式 ,須當(dāng)溫度約為 400K(Kelvin)5時才會起固相化學(xué)反應(yīng)，其生成物為富鋁紅柱石，此溫度相當(dāng)于在拋光過程中單晶藍寶石基片的表面溫度。 1.3 藍寶石化學(xué)機械拋光原理 化學(xué)機械拋光的原理是：將晶片在研磨液中，相對于拋光墊旋轉(zhuǎn)，并施加一定的壓力，借助機械摩擦及化學(xué)腐蝕作用來完成拋光。拋光裝置如圖 1-2 所示，平臺在電機的帶動下轉(zhuǎn)動，晶片粘在載片盤上，載片盤通過電機驅(qū)動，轉(zhuǎn)動方向與平臺相同。 由于拋光液的存在，使拋光墊和被拋晶片之間形成一層拋光液薄膜，這層膜起傳輸微粒和傳遞壓力的作用。拋光液與晶片發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將不溶物質(zhì)轉(zhuǎn)化為易溶物質(zhì)(化學(xué)反應(yīng)過程 )，然后通過機械摩擦將這些易溶物從晶片表面去掉 (機械研磨過程 )，這兩個過程相互促進形成良性循環(huán)，從而使被拋光 片表面實現(xiàn)全局光滑平面化。 在藍寶石與拋光液的化學(xué)拋光過程中，主要發(fā)生如下的水解反應(yīng)、酸與堿的中和反應(yīng)及鹽的復(fù)分解反應(yīng) 6： )(2232 OHA lOOHOAl 3232 )(23 OHAlOHOAl OHAlHOAl 2332 326 OHAlHOHA lO 23 23)( OHA lOOHOAl 2232 22 OHA lOOHOHAl 223 2)( OHOSiAlOHS iOOAl 27222232 222 （ 1-2） 圖 1-2 化學(xué)機械拋光示意圖 化學(xué)機械拋光是一個復(fù)雜的多相反應(yīng)，它存在著兩個動力學(xué)過程： (1)拋光首先使吸附在拋光布上的拋光液中的化學(xué)物質(zhì)與晶片表面進行化學(xué)反應(yīng)，即化學(xué)反應(yīng)過程。 (2)拋光表面反應(yīng)物脫離藍寶石晶片表面，即解吸過程，使末反應(yīng)的藍寶石單晶重新裸露出來，它是控制拋光速率的一個重要過程。 如果化學(xué)反應(yīng)作用較弱，而機械研磨作用較強，會導(dǎo)致整個拋光過程的速率慢，同時拋光片表面產(chǎn)生橘皮、拉絲等現(xiàn)象；如果化學(xué)反應(yīng)作用較強，而機械研磨 作用較弱，也會使整個拋光速度變慢，這是因為反應(yīng)物解吸慢，反應(yīng)產(chǎn)物不能及時脫離表面，反應(yīng)劑無法接觸到晶片，阻擋了反應(yīng)繼續(xù)進行，同時拋光表面容易產(chǎn)生腐蝕坑、波紋。要想獲得質(zhì)量好的拋光晶片，必須使拋光過程中的化學(xué)反應(yīng)作用與機械作用達到平衡。 總之，在整個化學(xué)機械拋光過程中，化學(xué)反應(yīng)作用是決定藍寶石表面的晶格完整和表面粗糙度的主要因素，而機械作用是決定全局平坦化的主要因素。 1.4 藍寶石化學(xué)機械拋光研究現(xiàn)狀 在拋光方面，目前對晶體材料的拋光方法有：機械研磨拋光、化學(xué)輔助機械拋光、純化學(xué)拋光、熱化學(xué)拋光、離子束拋光 、磨料水射流拋光、電火花拋光等。每種拋光方法都有其自身的特點，但問題是它們只能進行局部平面化拋光，不能實現(xiàn)全局平面化拋光，而化學(xué)機械拋光 (Chemical Mechanical Polishing，簡稱 CMP)可實現(xiàn)這一問題。王銀珍、周圣明 7等就 CMP 技術(shù)的基本原理做過比較詳細的介紹并附有設(shè)備示意圖。 CMP 技術(shù)實質(zhì)上是機械磨削和化學(xué)腐蝕的組合技術(shù)。它借助超微粒子的淹沒作用以及槳料的化學(xué)腐蝕作用在被研磨介質(zhì)表面上形成光潔的平坦平面。拋光液是 CMP 關(guān)鍵要素之一。拋光液的化學(xué)成分及濃度、磨粒的種類 、大小、形狀、拋光液的黏度、 PH 值、流速、流動途徑對晶體材料的去除速率都有影響。王銀珍等認為 PH 值影響被拋光片表面和磨料的去除分解和溶解度、被拋光片表面膜的形成、拋光布的使用、平臺和拋光布的粘貼以及膠體的穩(wěn)定性，認為拋光液的 pH 值應(yīng)根據(jù)磨削速度確定，同時又認為磨料的尺寸、濃度以及硬度對機械磨蝕有不同的影響，并得出如下結(jié) 論：磨料硬度越大，機械作用越大，但損傷也越嚴重。當(dāng)濃度增加時，拋光速率影響不一樣，在濃度小于 125g/l 時不同磨料上拋光速率的影響為 -alumina -aluminadiasporezirconia。 Stein8等研究了金屬 W 在含 KIO3 的 Al2O3拋光液中進行 CMP 的動力學(xué)過程，發(fā)現(xiàn)拋光速率與 KIO 濃度、 Al2O3濃度、拋光壓力、轉(zhuǎn)速、拋光類型均有關(guān)。拋光墊不僅提供摩擦系數(shù)，更主要是提供一個平整均勻的研磨表面。雷紅、雒建兵等總結(jié)出了國外很多對拋光墊做研究的文章，認為軟墊時拋光速率對壓力的依賴性與硬墊時完全不同。拋光墊的硬度對拋光均勻性也有明顯的影響。硬墊可獲得較好的膜內(nèi)均勻性和較大的平面化距離，軟墊可改善片內(nèi)均勻性。為獲得較好的膜內(nèi)均勻性和片內(nèi)均勻性，可組合使 用軟、硬墊。 Stavreva9等對比了壓縮性不同的 IC1000 與 IC1000/SUBAIV 兩種拋光墊，發(fā)現(xiàn)可壓縮大的 IC1000/SUBAIV 拋光墊表現(xiàn)出更高的片間均勻性和拋光速率。 Thakurta 10等考慮了拋光墊的可壓縮性、多孔性和拋光液的傳輸方式建立了 CMP 的平面化模型，認為不同的拋光墊會影響拋光墊與工件間的液膜厚度，進而影響去除率的大小。合適的 CMP 工藝條件對 CMP 加工性能至關(guān)重要。國內(nèi)外的眾多學(xué)者對 CMP 的工藝參數(shù)也做過一定量的研究。如： Chen11等分析了拋 光參數(shù)如拋光壓力、轉(zhuǎn)速對 CMP加工性能的影響，發(fā)現(xiàn)各個參數(shù)都能以不同的方式影響 CMP 性能。 Cho12等分析了 Al 薄膜的 CMP 過程中拋光壓力、磨粒濃度等機械參數(shù)變化時的拋光效果，結(jié)果表明在較低的拋光壓力（ 10KPa）和相對較高的Al2O3磨粒濃度（ 5%）時， Al薄膜表面的質(zhì)量最滿意。 在藍寶石晶片超光滑加工的理論分析方面，仿真是最好的理論分析工具。很 多研究者都是通過仿真而對加工過程有了更深刻的理解和認識。臺灣學(xué)者傅明南 13通過運用 CFX 軟件對化學(xué)機械拋光過程中的拋光液進行流體仿真，得出了在不同 參數(shù)條件下晶片不同位置上拋光液對晶片剪切應(yīng)力的大小，實現(xiàn)了對藍寶石晶片化學(xué)機械拋光的參數(shù)優(yōu)化。 1.5 藍寶石清洗技術(shù)研究現(xiàn)狀 手工清洗不易將金剛石粉刷下來，這樣的造成研磨、拋光時出現(xiàn)異常的粗深痕跡，影響了寶石的加工質(zhì)量，提高了生產(chǎn)成本。河北工業(yè)大學(xué)劉玉嶺、牛新環(huán) 14選用中性介質(zhì)的水拋液，該水拋液選用活性劑、鰲合劑、阻蝕劑組成，當(dāng)堿性拋光剛剛完成后，馬上使用上述水拋液并采用大流量水拋的方法，可將殘留的 CMP拋光液沖走，吸附易清洗物質(zhì)迅速降低表面張力并阻止反應(yīng)繼續(xù)進行 (物理吸附狀態(tài) )、形成單分子鈍化膜、并 可使金屬離子形成可溶的鰲合物，從而達到潔凈、完美的拋光表面。深圳市方大國科光電技術(shù)有限公司 15研制有機溶劑超聲清洗 ；以及在加熱條件下，丙酮浸泡。取消了傳統(tǒng)清洗方法中使用的三氯乙烯試劑，減少了環(huán)境污染，避免人員中毒 ；在清洗過程中，使用超聲波和加熱清洗，可節(jié)省清洗時間，提高清洗效率和清洗質(zhì)量 ；工藝簡單，操作方便，滿足環(huán)保要求。鹽城工學(xué)院周海 17使用超聲波清洗和有機清洗劑，降低工人清洗勞動強度。 1.6 課題研究的內(nèi)容 本論文介紹藍寶石晶片化學(xué)機械拋光和清洗的意義，國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，并且探討藍寶石晶片化學(xué) 機械拋光機理。通過對藍寶石晶片化學(xué)機械拋光清洗過程的實驗研究和理論分析，研究藍寶石晶片拋光加工特性，系統(tǒng)分析主要工藝參數(shù)對拋光過程的影響。分析藍寶石晶片表面凈化原理，與現(xiàn)有超聲波清洗工藝的不足，提出更有效的清洗工藝。最后，對整個研究工作進行總結(jié)并提出藍寶石晶片加工進一步的研究方向。 2 藍寶石晶片化學(xué)機械拋光運動參數(shù)分析 2.1 引言 傳統(tǒng)上的拋光按作用方式可分為兩類：化學(xué)拋光和機械拋光，主要用于集成電路(integrated circuit, 簡稱 IC)制造用基材硅的粗拋和精拋以及金屬、玻璃等材料的表面 加工?；瘜W(xué)拋光是指通過拋光液中的化學(xué)成分與被拋光材料發(fā)生腐蝕等化學(xué)反應(yīng)而將材料表面粗糙度降低的過程；而機械拋光是指通過拋光液中的研磨介質(zhì)與材料表面粗糙部分進行充分接觸，從而降低材料表面粗糙度的過程。兩種拋光方法各有優(yōu)缺點：化學(xué)拋光的精度較高，拋光產(chǎn)生的破壞深度較淺，但拋光速度很慢，容易導(dǎo)致拋光霧斑；機械拋光產(chǎn)生的破壞深度較深，但拋光精度較低，拋光速度也較慢 ,還容易產(chǎn)生機械損傷。 為克服化學(xué)拋光和機械拋光的缺點，吸收它們的優(yōu)點，人們提出了將化學(xué)作用和機械作用結(jié)合起來，稱為化學(xué)機械拋光，并最早應(yīng)用于 IC 制造 用基材硅的粗拋和精拋，大大提高了硅片的拋光精度和拋光速度，從而極大地提高了硅片拋光的質(zhì)量和生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。 CMP 技術(shù)在拋光速度、拋光精度以及拋光產(chǎn)生的損傷層深度等拋光要素方面都比以往的化學(xué)拋光和機械拋光技術(shù)更具有優(yōu)勢，并能夠根據(jù)需要對拋光的要素進行適當(dāng)?shù)目刂啤?2.2 單面化學(xué)機械拋光運動過程分析及仿真 2.2.1 單面化學(xué)機械拋光加工機理 單面化學(xué)機械拋光機的工作示意圖如圖 1-2所示。被加工晶片粘貼于工件盤上，拋光盤由電機帶動以一恒定的轉(zhuǎn)速做勻速圓周運動，工件盤與被加工晶片在受到與拋光盤之間 的摩擦力作用，由靜止到以一恒定的角速度作勻速轉(zhuǎn)動。 2.2.2 拋光運動軌跡分析與仿真 實際工作過程中測得的 g 的值與計算所得的 g 之間的誤差小，所以在后面計算工件盤上任意一點的運動軌跡時，可以直接帶入實際所測值。因為在實際拋光加工過程中，磨料對工件摩擦力的影響很小，所以在分析過程中我忽略了磨料對工件摩擦力的影響 18。 在晶片拋光過程中，其表面的形成主要取決于工件盤與拋光盤之間的相對運動軌跡。根據(jù)實際情況可將拋光盤與工件盤簡化成兩個做相對平面運動的平面，而它們之間的相對運動軌跡相同。為分析方便起見，建立 固結(jié)于拋光盤上的靜坐標(biāo)系，固結(jié)于拋光盤以角速度 p做勻速圓周運動的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 1，另建立固結(jié)于工件表面以角速度 g做勻速圓周運動的坐標(biāo)系 2。坐標(biāo)變換如圖 2-2所示。 在工件上任取一點 Q， Q 點相對與工件表面上的坐標(biāo)系 2 做勻速圓周運動，其角速度為 g，半徑為 r。由圖 2-1可得 Q點在 2下的運動方程為 )s i n ()c o s (22twrytwrxgg （ 2-1） 從 2轉(zhuǎn)換到進行平移變換，則 Q點在 2下的運動方程變換為： 1yx=100010e011x22y （ 2-2） 再把上述方程經(jīng)過轉(zhuǎn)換到的旋轉(zhuǎn)變換，得： 1yx= 1000)c o s ()s in (0)s in ()c o s (ttttpppp1yx （ 2-3） 通過化簡整理得： Q 點在下的運動軌跡方程 如下： )s in ()s in ()c o s ()c o s (tetrytetrxpgppgp （ 2-4） 圖 2-2 拋光運動軌跡的坐標(biāo)變換 2.2.3 仿真結(jié)果及討論 仿真結(jié)果如表 2-1 所示。工件上遠離工件中心的點軌跡帶較寬；這說明該處的運動軌跡較密，磨?？梢詫崿F(xiàn)對工件表面更均勻的微小切削，從而獲得更低的拋光表面粗糙度。工件盤中心與拋光盤中心之間的距離 e 越大，工件上點的運動軌跡帶越寬； g/ p在 0.5 左右時，工件上任意一點的軌跡較均勻。 由于工件上任意一點的軌跡與游離磨料在工件上的運動軌跡是相對應(yīng)的，因此，可以把所得到的任意一點的軌跡當(dāng)作游離磨料的軌跡。即從軌跡仿真圖形可見，游離磨料在工件上的運動軌跡邊緣處較密，靠近工件中心處較稀，因此可以推測工件邊緣處工件表面粗糙度較小，越靠近工件中心處工件表面粗糙度越大。 從拋光盤轉(zhuǎn)速越大，工件上任意一點的軌跡越長；工件去除的次數(shù)增多，磨料可以實現(xiàn)對工件表面更微小的切削，拋光后的表面粗糙度越小。從附錄 1中我們可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)拋光盤的轉(zhuǎn)速為 40rpm 時，工件盤與拋光盤的轉(zhuǎn)速之比接近 1，而拋光盤轉(zhuǎn) 速為 80rpm 時，工件盤轉(zhuǎn)速較小，工件拋光表面的軌跡線重復(fù)較早，工件表面粗糙度較大；拋光盤轉(zhuǎn)速為 60rpm 時，工件盤與拋光盤之間的轉(zhuǎn)速比為 0.66，在該情況下，工件上任意一點的軌跡線較均勻，故此時工件的表面粗糙度較低。因此合理的拋光參數(shù)為 p=60rpm， e=100mm。 2.3 雙面 化學(xué)機械 拋光運動過程分析及仿真 2.3.1 雙面化學(xué)機械拋光加工機理 雙面拋光的運動簡圖如圖 2-4(其中 p為拋光盤角速度 , t為內(nèi)齒圈角速度 ,a 工件盤自轉(zhuǎn)角速度 , w 工件盤自轉(zhuǎn)角速度 ),被