集群磁流變效應(yīng)拋光墊特性及其加工機理研究.pdf

1、隨著光電子/微電子器件應(yīng)用的日益廣泛，對相關(guān)元件的質(zhì)量提出了更高的要求需要在加工過程中最大限度地提高加工質(zhì)量，其中對以單晶硅/碳化硅為代表的硬脆材料晶片的形狀精度、表面粗糙度及表面完整性要求愈來愈高，拋光是實現(xiàn)硬脆材料超光滑平坦化加工的關(guān)鍵工藝。磁流變液作為一種智能材料，在磁場的作用下發(fā)生磁流變效應(yīng)可以由牛頓流體轉(zhuǎn)變?yōu)锽ingham粘彈性體，將拋光磨料混入磁流變液制成磁流變拋光工作液，在拋光盤內(nèi)陣列多個磁性體則在磁場作用下在拋光盤面形成

2、粘彈性集群磁流變效應(yīng)拋光墊，在拋光過程中產(chǎn)生磨?！叭輿]”效應(yīng)，使不同尺寸磨粒均等作用于被加工表面，避免大尺寸磨粒對加工表面的損害，可以實現(xiàn)硬脆材料表面高效平坦化加工。本文針對集群磁流變效應(yīng)拋光墊的性能特性及其加工機理進行了系統(tǒng)性研究，提出磨?！叭輿]”效應(yīng)模型，設(shè)計相應(yīng)的試驗及測試裝置進行分析，深入研究了集群磁流變效應(yīng)拋光力特性及其材料去除機理。
　　通過優(yōu)化設(shè)計集群磁流變效應(yīng)拋光盤磁極點陣結(jié)構(gòu)及磁場分布，改造集群磁流變效應(yīng)拋光試驗

3、加工裝置，實現(xiàn)集群磁流變效應(yīng)拋光墊性能及厚度精確控制。在對集群磁流變拋光加工過程中磨粒加工行為分析基礎(chǔ)上，基于集群磁流變效應(yīng)拋光墊的Bingham體粘彈性，提出了集群磁流變效應(yīng)拋光墊的磨?！叭輿]”效應(yīng)模型。對比實驗分析在磁流變拋光工作液中人為摻雜大尺寸磨粒的拋光加工表面粗糙度和表面形貌，驗證了磨?！叭輿]”效應(yīng)作用效果。實驗研究了大尺寸磨粒粒徑、濃度，磁流變粒子（羰基鐵粉）粒徑、濃度以及拋光磨料種類與工件材料對拋光墊磨?！叭輿]”效應(yīng)作用效

4、果的影響，通過正交試驗優(yōu)化分析，獲得了最佳的工藝參數(shù)。
　　集群磁流變效應(yīng)拋光墊的性能對拋光過程中磨?！叭輿]”效應(yīng)具有決定性影響，實驗測試分析以及優(yōu)化控制集群磁流變效應(yīng)拋光墊的性能尤為重要。利用環(huán)氧樹脂膠固化不同條件下形成的集群磁流變效應(yīng)拋光墊，通過超景深顯微鏡檢測固化后的集群磁流變效應(yīng)拋光墊的結(jié)構(gòu)形貌特征以及采用邵氏硬度計測量固化后的拋光墊表面硬度，分別從定性和定量兩個方面分析集群磁流變效應(yīng)拋光墊的粒子分布特點。提出了一種集群磁

5、流變效應(yīng)拋光墊性能（硬度、彈力）測試方法及其裝置，實現(xiàn)準確測量集群磁流變效應(yīng)拋光墊的正壓力和剪切力，獲得正壓力和剪切力沿拋光墊徑向（X軸）與法向（Z軸）的變化曲線，實驗研究得到的粒子分布與力場分布的測量結(jié)果與磁場仿真分析結(jié)果具有一致性。
　　基于搭建的集群磁流變效應(yīng)拋光三向測力平臺對模擬狀態(tài)的集群磁流變效應(yīng)拋光加工過程拋光力（法向力Fn和切向力Ft）進行了系統(tǒng)實驗研究，探討了加工過程中主要工藝參數(shù)和工件材料對拋光力的影響。結(jié)果表明

6、，實驗條件下2英寸單晶硅片集群磁流變平面拋光法向力Fn最大達到62.35N，拋光切向力Ft最大達到32.25N，切向力Ft與法向力Fn之比為0.46～0.77;拋光力隨著加工間隙的增大而減小、隨著磁場強度和羰基鐵粉濃度的增大而增大;隨著磨料濃度的增大而增大當(dāng)磨料濃度達到5％ wt后隨著磨料濃度的增大而減小;隨著拋光盤轉(zhuǎn)速、磁流變液流量、工件擺動幅度與擺動速率的增大而連續(xù)增大并逐漸趨于穩(wěn)定。對集群磁流變平面拋光力影響最大的工藝參數(shù)是磁場強

7、度與加工間隙，其次是羰基鐵粉與磨料的濃度、磁流變液流量、拋光盤轉(zhuǎn)速;集群磁流變平面拋光力大小以及切向力與法向力比值隨著工件材料硬度的增大而增大，集群磁流變效應(yīng)拋光對高硬度的工件材料的拋光力表現(xiàn)出低正壓力高剪切力的特征，這有利于提高硬脆材料超光滑平坦化拋光加工效果。
　　采用集群磁流變效應(yīng)拋光方法對硬脆材料進行系統(tǒng)性拋光加工實驗，分析在拋光過程中磨?！叭輿]”效應(yīng)的作用效果、工件材料去除方式及加工表面的形成過程。在不同磨料（不同種類、