復(fù)合拋光技術(shù)的研究進展

復(fù)合拋光技術(shù)的研究進展

研磨是對零件和圖案表面的光裝飾。其主要目標是去除傳統(tǒng)加工痕跡，改變零件表面的粗糙度，并保持其光滑、光滑的表面。由于加工對象的材質(zhì)各有不同、形狀多種多樣,對表面粗糙度的要求也各不相同,因而,對拋光技術(shù)的要求復(fù)雜多變。實際上,針對不同的加工對象,具有不同的拋光方法和拋光原理。目前,國內(nèi)廣泛使用的拋光方法有機械拋光、化學(xué)拋光、電解拋光、磁力拋光、超聲波拋光等1cmp過程的原理CMP工藝的基本原理,是將待拋光工件在一定的壓力下及有拋光液(由超細顆粒、化學(xué)氧化劑和液體介質(zhì)組成的混合液)存在的情況下,相對于一個拋光墊作旋轉(zhuǎn)運動,借助磨粒的機械磨削及化學(xué)氧化劑的腐蝕作用,完成對工件表面的材料去除,并獲得光潔表面CMP技術(shù)是綜合化學(xué)和機械兩方面的特性,實現(xiàn)材料表面高平坦的一種工藝技術(shù)。其工藝過程如下:將待拋晶片正面朝下固定在拋光盤上,然后以一定的壓力將其壓到拋光墊上,晶片和拋光墊接觸好后,以一定的流量添加拋光液,拋光液中添加有化學(xué)試劑、研磨料及多種附加劑。在CMP過程中,首先,被拋光表面材料與拋光液中的化學(xué)試劑發(fā)生化學(xué)作用,形成易去除的薄膜反應(yīng)層;再通過拋光墊與晶片之間的研磨料的機械研磨作用,使薄膜反應(yīng)層從晶片上被剝離下來;最后,剝離下來的產(chǎn)物被流動的拋光液帶走,露出新的表面。新的表面再反應(yīng),再磨除,周而復(fù)始,最后達到全局平坦化CMP技術(shù)的應(yīng)用已從半導(dǎo)體工業(yè)中的層間介質(zhì),絕緣體,導(dǎo)體,鑲嵌金屬W、Al、Cu、Au,多晶硅,硅氧化物溝道等的平面化,拓展到薄膜存貯磁盤,微電子機械系統(tǒng),陶瓷,磁頭,機械磨具,精密閥門,光學(xué)玻璃,金屬材料等表面加工領(lǐng)域當前,硅晶片作為集成電路的主要基片材料,它的尺寸隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展要求越來越大。在眾多的平整化技術(shù)中,化學(xué)機械拋光(CMP)是目前唯一能獲得全局平面化效果的平整化技術(shù)。作為目前硅片超精密平整化加工的主要手段,一方面要求加工出的硅片達到納米級表面粗糙度;另一方面要求整個硅片表面達到亞微米級面型精度。改進傳統(tǒng)的單面CMP,采用雙面CMP,同時獲得光滑而平坦的表面,是大尺寸硅片的理想加工方法及發(fā)展趨勢。雙面CMP中工件由做復(fù)雜運動的載體帶動,上下拋光盤對工件表面作相對運動,使工件獲得均質(zhì)紋理的拋光表面。在浙江工業(yè)大學(xué)新研制的MS-6BC超精密雙面拋光加工設(shè)備上對硅晶片拋光加工,采用雙面拋光加工工藝新路線及優(yōu)化加工工藝參數(shù),可以獲得表面粗糙度2電解-機械運動電解-機械拋光是電解和機械雙重作用的復(fù)合。它與普通機械磨削加工之間最明顯的區(qū)別是增加了一個直流電解系統(tǒng)。加工過程中工件接直流陽極。工件一側(cè)設(shè)有陰極,陰極與工件之間保持一定的間隙。約0.1～1mm。其間通以適當電解液,接通直流電源后,在一定的電流密度下,工件表面發(fā)生陽極溶解,形成表面氧化膜。與電解加工所不同的是表面膜的活化和排除不是靠活性離子或強力沖刷,而是通過專門設(shè)計的機械工具如砂輪、砂條、砂帶等對被加工表面作機械運動實現(xiàn)的。這樣,該復(fù)合加工方式在表面加工質(zhì)量、加工精度及加工速度等方面具有高于電解加工的優(yōu)勢。電解-機械加工過程中,首先由于電解作用,使工件表面發(fā)生陽極溶解而形成氧化膜,再通過合適的機械運動將這些氧化膜破碎刮除,以達到去金屬的目的。由于工件原始表面的微觀不平,使得高點處的氧化膜首先被刮除。高點處所露出的新的金屬表面繼續(xù)受到電解溶解—成膜—機械刮除作用,使得該部位的材料被不斷地去除,而表面的微觀低點或凹陷部位由于氧化膜不被刮除而只能以較低速度去除。這一過程的連續(xù)進行,可以使得工件表面得以迅速整平電解-機械復(fù)合拋光技術(shù)加工范圍廣,只要有合適的電解工作液就可以加工幾乎任何高硬度或高韌性的金屬材料;生產(chǎn)效率高,用于模具拋光,其效率相對機械研磨拋光提高3～9倍;表面質(zhì)量優(yōu)良,可以穩(wěn)定地獲得電解-機械復(fù)合拋光技術(shù)在高精度加工、難加工材料加工以及獲得高表面質(zhì)量等方面都展示出了誘人的前景3超聲-電解拋光加工特點超聲波-電解拋光技術(shù)可解決電火花加工后在模具型腔面留下的一些缺陷,提高模具型腔面質(zhì)量和降低表面粗糙度,以及提高生產(chǎn)率,減少工具損耗。采用超聲波-電解拋光技術(shù)拋光模具型腔面,可收到良好的效果,達到所需要的光潔型面超聲波-電解拋光是由電解作用與超聲波振動作用相結(jié)合的一種復(fù)合加工方法。其中,金屬電解加工陽極溶解為主,超聲波振動拋光為輔,并伴隨著微量火花放電作用。超聲波-電解拋光加工工作時,超聲波中的超聲頻引起機械振動,并伴隨著以拋光工具作陰極、工件作陽極,工件與拋光工具之間有滾動的電解液(磨料混入電解液內(nèi))的電解作用。工件表面金屬在電解作用下產(chǎn)生陽極溶解,在陽極溶解過程中,陽極表面會被氧化成一層極薄的氧化物(即陽極薄膜),阻礙電流通過,影響著電解繼續(xù)進行。但是,剛剛形成的陽極薄膜被具有超頻振動中的磨料迅速去除,于是陽極工件又露出新的金屬表面,從而繼續(xù)被電解溶解。這樣,電解作用和磨料的細微去除陽極薄膜的作用交替進行以達到加工目的超聲波-電解拋光加工模具型腔面時,下凹部分的陽極薄膜,磨料微細切削不到,仍被留在工件表面上,另一方面,由于凹處距陰極較凸出處遠,也增大了電阻,降低了該處的電流密度,所以,金屬表面溶解量小,溶解速度慢。而凸起處的陽極薄膜被微細磨料去除,且該凸出處的金屬電流密度大,溶解快。正由于凸、凹處金屬溶解速度的不同,所以有利于達到整個金屬表面平整與光滑,從而獲得高質(zhì)量的模具型腔面。超聲波-電解拋光加工技術(shù)具有可加工高硬度、高強度、高韌性等難加工金屬材料,適應(yīng)性好,模具型腔面無殘余應(yīng)力和毛刺,表面光潔,工具磨損較低,并可解決電解加工中陽極鈍化現(xiàn)象而有利于提高生產(chǎn)率等特點。加工硬質(zhì)合金時,生產(chǎn)率可達400～800mm綜上所述,采用超聲波-電解拋光模具型腔面,是目前模具制造業(yè)中一種可行的、很有發(fā)展前景的光整加工方法。4洛侖茲力作用磁力-電解拋光是指在電解拋光時電極間引入外加磁場,電離離子在洛侖茲力和電場力的共同作用下而實現(xiàn)的一種復(fù)合光整加工新技術(shù)。在拋光過程中,電場的作用為電極接通電源以后,電解液在電場的作用下發(fā)生電離并定向移動而構(gòu)成導(dǎo)電通路,使陽極不斷失去電子,而正離子不斷溶解析出。磁場的作用為電離離子在洛侖茲力的作用下,改變運動軌跡,增加擴散能力,提高溶液電導(dǎo)率,改變電解反應(yīng)。與電解拋光相比:1)變直線運動為復(fù)雜螺旋曲線運動,增加與未電離電解質(zhì)的碰撞機會。2)陰離子受洛侖茲力和電場力的共同作用,曲線向陽極運動,改變了到達陽極的方式,即從側(cè)向而不是正面到達。3)洛侖茲力的攪動作用,加速了離子的擴散和遷移,改善電極極化過程,改變了電解反應(yīng),從而提高加工效率和降低表面粗糙度磁力-電解拋光是為了更有效地提高電解拋光效率和降低表面粗糙度而出現(xiàn)的復(fù)合加工新技術(shù)。磁力-電解復(fù)合拋光和材料的機械性能無關(guān),拋光后不會產(chǎn)生微裂紋、殘余應(yīng)力、冷作硬化、燒傷等缺陷。日本和我國的一些學(xué)者,在對不銹鋼、SnSb合金等難加工材料的精加工中,運用磁力電解復(fù)合拋光,取得了良好的效果,加工后的表面粗糙度達到5超聲-超聲波研磨技術(shù)電火花-超聲復(fù)合拋光應(yīng)用于加工表面粗糙度值電火花-超聲復(fù)合拋光包括兩層意義。1超聲振動的影響拋光工具在超聲振動的同時,與工件之間產(chǎn)生電火花放電。這是指工件與拋光工具相對,并分別接脈沖電源的正極和負極,也就是采用正極性加工。當拋光工具端部相對工件表面的距離處于一個合理的范圍內(nèi)時,火花放電就受到超聲振動的調(diào)制。即在超聲振動時,可以認為該距離是按正弦規(guī)律變化的:當拋光工具端部和工件表面的距離處在放電區(qū)內(nèi)時,間隙被擊穿,產(chǎn)生火花放電;當距離大于放電區(qū)間,則間隙開路,放電停止。在產(chǎn)生火花放電時,就使被加工工件表面發(fā)生融蝕而被拋光。超聲振動使拋光工具端部產(chǎn)生超聲振動,除了調(diào)制電火花放電加工外,還具有排屑和加速切削液循環(huán)的作用。2模具型腔拋光技術(shù)電火花-超聲復(fù)合拋光也是為了提高模具整體質(zhì)量和使用壽命,有效縮短模具生產(chǎn)周期,大幅度降低模具制造成本而發(fā)明的一門技術(shù),主要應(yīng)用于模具型腔的拋光。該拋光技術(shù)具有生產(chǎn)效率高、拋光工具磨損較小、拋光工具容易制造、工件表面不易損傷、更適合型腔底部加工的特點。電火花-超聲復(fù)合拋光的最終的加工表面粗糙度值可達到6復(fù)合拋光方法上述5種復(fù)合拋光方法,是傳統(tǒng)拋光技術(shù)的創(chuàng)新,拋光效果及拋光工藝都