低損傷超精密磨削硬脆晶體的摩擦化學反應機理研究

《低損傷超精密磨削硬脆晶體的摩擦化學反應機理研究》是依託大連理工大學,由高尚擔任醒目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：低損傷超精密磨削硬脆晶體的摩擦化學反應機理研究
• 依託單位：大連理工大學
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：高尚

項目摘要

面向光學元件、微電子和光電子器件製造等領域對硬脆晶體零件低損傷超精密加工技術的需要，為解決金剛石超硬磨料砂輪超精密磨削時機械作用導致的加工損傷問題，提出引入化學作用的軟磨料砂輪機械化學磨削工藝。針對該工藝，主要研究力、熱作用下磨料與工件材料間的化學反應機理與材料匹配關係，軟磨料砂輪磨削環境下工件表面的摩擦化學反應機理與工藝條件，以及機械化學磨削硬脆晶體的表面材料去除機理。為此，提出利用高頻機械振動和微波加熱方式對磨料和工件材料混合物施加力、熱複合作用的化學反應模擬試驗方法，通過化學反應模擬試驗和軟磨料砂輪磨削試驗，確定與工件材料發生摩擦化學反應的磨料匹配體系和工藝條件。通過研究機械化學磨削過程中工件表面的摩擦/磨損行為、粘結/吸附行為和微觀力學行為，結合工件表面微觀形貌和表面/亞表面微觀組織的變化規律，揭示工件表面材料的去除本質，建立材料去除模型。為硬脆晶體的低損傷超精密加工提供理論指導。

結題摘要

面向微電子和光電子器件製造等領域對單晶矽、藍寶石等硬脆晶體基片低損傷超精密加工技術的需求，本項目提出了採用軟磨料引入化學作用、弱化機械作用的機械化學磨削新原理新技術，研究了軟磨料砂輪機械化學磨削的基礎理論、加工工具及其工藝。根據單晶矽和藍寶石的材料特性以及機械化學磨削原理，建立了機械化學磨削單晶矽和藍寶石的磨料體系，突破了軟磨料砂輪的組織成分設計和製造工藝，研製出系列化軟磨料砂輪。通過分析軟磨料砂輪磨削矽片的表面微觀形貌及其物相變化，揭示了軟磨料砂輪利用機械和化學的交替複合作用實現矽片低損傷磨削加工的材料去除和表面形成機理，建立了軟磨料砂輪機械化學磨削矽片的材料去除模型。通過系統的矽片磨削試驗確定了軟磨料機械化學磨削的加工條件和合理加工參數，加工矽片的表面粗糙度Ra≤0.5 nm，亞表面損傷深度≤15 nm，材料去除率≥1 μm/min，接近於化學機械拋光的加工效果，但材料去除率為化學機械拋光的1.5~2倍，實現了矽片高效超低損傷磨削。結合金剛石砂輪磨削和軟磨料砂輪機械化學磨削的特點，提出矽片一次裝夾定位下，依次採用金剛石砂輪粗磨、精磨和軟磨料砂輪機械化學磨削的高效低損傷磨削新工藝，利用該工藝磨削減薄矽片的厚度可以達到40μm。