功能陶瓷超精密加工技术现状与发展.pdf

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1、功能陶瓷超精密加工技术的现状与发展袁巨龙吕冰海常敏浙江工业大学机电学院杭州310014摘要介绍了功能陶瓷超精加工技术尤其是超精密抛光的技术概要对各种先进的超精密抛光原理与方法进行了简单描述与评价阐述了功能陶瓷超精密抛光技术的国内外研究现状与发展趋势归纳了技术发展的特点提出了功能陶瓷超精密抛光技术的发展前景关键词功能陶瓷超精密加工技术抛光0前言随着微电子技术和信息技术的飞速发展新材料发展的重点已经从结构材料转向功能材料尤其陶瓷材料得到了惊人的发展具有不同性能的陶瓷材料相继研制成功逐步成为高技术发展的重点关键材料功能陶瓷主要是指利用材料的电磁声光热等方面直接的或耦合的效应以实现某

2、种使用功能的陶瓷由于功能陶瓷本身所具有的特殊物理性能使之在电子通信计算机激光航空航天等技术领域的发展中起到越来越重要的作用目前利用纳米微粒的特性可以制备出有特殊性能的纳米功能陶瓷材料使其具有更诱人的应用前景由于大部分功能陶瓷属于硬脆材料加工难度很大其最终加工精度表面加工质量和损伤层深度直接对元器件的性能产生影响为了获得电子器件的高性能功能陶瓷元器件如制造大规模集成电路的硅片石英晶体铌酸锂基片水晶振子基片计算机硬盘等不仅要求有极高的平面度和无损伤超平滑表面还要求两端面严格平行且无晶向误差对加工技术提出了巨大的挑战功能陶瓷的超精密加工技术水平已成为影响功能陶瓷应用及其元器件性能的

3、主要因素近年来国内外在功能陶瓷超精密加工领域的研究极其活跃大量的CIRP文献提供了国外的研究成果我国国家自然科学基金也已经将其列入十五首批重大攻关项目1功能陶瓷的超精密抛光技术由于超精密抛光是超精密机械加工方法中精度最高表面质量也最好的加工方法因此目前超精密抛光通常作为功能陶瓷元器件基片的最终加工方法而平面抛光成为各种元件基片最常用也是最重要的加工方式1.1超精密抛光机理的研究由于抛光过程的复杂性和不可视性往往是通过特定的实验条件下获得的实验结果来说明抛光的机理到目前为止还难以形成一个完整的学说对于脆性材料的抛光机理归纳起来主要有如下解释一般认为抛光是以磨粒的微小塑性切削生成

4、切屑为主体而进行的如图1所示在切除过程中会由于局部高温高压而使工件与磨粒加工液及抛光盘之间存在着直接的化学作用并在工件表面产生反应生成物由于这些作用的重迭以及抛光液磨粒及抛光盘的力学作用生成物不断被除去而使表面平滑化随着新的抛光工艺的出现抛光机理也各有不同*浙江省自然科学基金501097501096浙江省自然科学基金杰出青年科技人才培养项目基金资助项目软质材料抛光器运动方向微小磨粒工件微小切屑图1抛光加工的模型目前超精密抛光过程中纳米级微粒的粒子行为研究已经成为抛光机理研究的一大热点作者提出了一种基于LIFLaserInducedFluorescence光学测量技术来研究功能

5、陶瓷材料>级表面流体动力学基础建立数学模型通过荧光跟踪动态在线分析抛光过程中的粒子行为1.2界面反应抛光当工件与磨粒摩擦界面处于高温高压状态时工件表面容易形成一层化合物在表层深度极浅的反应物很容易通过研抛去除最终可高效地获得表面粗糙度为数纳米以下的完美表面主要有化学机械抛光和水合抛光两种方法1.2.1化学机械抛光运动方向微小反应区软质磨粒工件硬质晶体图2化学机械抛光的点接触模型化学机械抛光CMP,ChemicalMechanicalPolishing是目前应用最广泛抛光质量和效率较高技术比较成熟的一种抛光方法从原理上讲可以加工任何材料图2是化学机械抛光的点接触模型Yasuna

6、ga等人使用SiO2抛光蓝宝石BaCO3,CeO2和CaCO3抛光单晶硅Fe2O3和MgO抛光石英19741977-1979获得了光滑无损伤表面表面粗糙度接近1nm首次提出并验证了化学机械抛光的概念此后化学机械抛光反应由于能解决机械抛光所造成的划痕凹坑微裂纹等表面损伤被广泛的应用于蓝宝石单晶硅砷化镓氮化硅等材料最后的精加工Namba,Tsuwa,1977,1978;Karaki-doy,1993;KawataTani,1993;Kikuchi等19901992目前主要有四种模型描述CMP加工过程的研磨机理基于CMP过程结果的唯象研究Preston,1927Burke,Warn

7、ock,19这是一种机械模型并未完全揭示磨损机理基于流体动力学理论Runnels,1994的模型认为抛光液的腐蚀是主要磨损机理忽略了抛光垫表面磨粒的机械磨损基于接触理论的研究Yu等1993Larsen-Basse和Liang,1999的模型认为是抛光液中磨粒产生的磨损是CMP的主要去除机理最后一种模型则建立在接触力学和流体力学的基础上Srinivasa-Murthy,1997;Tichy,1999;Cho和Park2001这些模型在揭示CMP加工过程的本质上还有一定的局限性国内外对CMP的工艺以及关键技