（检测技术与自动化装置专业论文）纳米级超精密抛光机控制系统研制.pdf

浙江大学硕士论文 致谢 首先要感谢我的导师教育部“长江计划”特聘教授褚健博 士，正是由于褚健教授的亲切关怀和悉心指导，本文的完成才成为 可能。在三年多的读研期间，褚健教授在各个方面给予我终生难忘 的教诲：他学术上的严谨态度和求是创新精神强化了我脚踏实地的 工作作风；他事业上的高瞻远瞩和博大胸襟成为我不断努力的方向； 他强烈的爱国热情和“以振兴民族工控工业为己任”的报国之志时 时激励我为祖国的腾飞丽奋发努力。 需要特别感谢金建祥研究员、苏宏业教授、吴俊研究员：感谢 他们在学习生活中的帮助和指导，他们开阔的思路和踏实的工作作 风，常使我受益匪浅。此外，现在浙大中控的黄文君高工、冯冬芹 副教授、丁云高工、施一明副教授，以及程建国、周蔚、邓凌、郑 红华、刘志勇等师兄弟们的刻苦精神和非凡才华亦激励着本文工作 的顺利进行。在此并表示感谢。 需要特别感谢的是袁巨龙教授，在本课题的研究进展中，他的严 谨的工作态度和渊博的学识、平易近人的工作作风和务实的治学精 神，令我受益匪浅。他的悉心指点和关注促使了本文的完善和进展。 同时还要感谢邢彤老师和吕冰海、常敏、王智伟硕士，他们的刻苦 精神和非凡才华亦激励着本文工作的顺利进行。此外还要感谢远在 上海交大的马利庄教授及徐晓燕女士，感谢他们在我攻读期间给与 的关心与支持。 最后需要感谢我的夫人卢淑慧女士及我们的父母家人，正是他 们给予我的充分理解和无私支持，以及物质和精神上无微不至的关 怀，爿得以使我安心地完成学业，他们是我的精神支柱。 浙江大学硕士论文 摘要 本文主要从抛光机理出发，阐明了各抛光参数与抛光效率及精 度的关系，提出了切实可行的控制方法，并实现了产品化。抛光机是 最精密的工作母机，周围诸多因素直接或间接的影响着抛光效果，本 文主要就抛光盘运行、抛光液温度、抛光盘平面修整三个方面的硬件 关键技术及控制技术作了详细的描述。抛光盘运行主要采用了基于规 则的控制方法，实现了缓速上升一稳定运行一缓速下降一精确定位的控 制模式以及小于5 的转速稳定度，小于0 4 。的定位精度，2 12 0 r p m 的转速范围。抛光液温度控制主要采用了基于知识的具有自学习功能 的智能控制方法，达到了小于0 3 的抛光液温度稳定度。从电火花 加工机理出发，描述了抛光盘平面度修整的方法，并研制了一种适用 于电火花修整的专用脉冲电源，实现了精微修整过程中电极的微小模 糊进给。考虑了抛光整机的电磁兼容性、可靠性设计。最后以水晶加 工为例，详细说明了整个抛光过程，从t a l y s t e p 测量数据来分析， 采用自行研制的抛光机，完全能获得水晶的超平滑表面，最大表面粗 糙度值介于1 2 n m 之间波动( 理想状态时可获得0 2 n m 以下的表面 粗糙度) 。同时抛光效率和产品质量的一致性也得到大幅提高。 浙江大学硕士论文 a b s t r a c t b a s e do np 0 1 i s h i n gm e c h a n i s m ， t h er e l a t i o n sb e t w e e np 0 1 i s h i n g p a r a m e t e r sa n dp o l i s h i n ge f f i c i e n c y a n dp r e c i s i o na r ed i s c u s s e d ，t h e r e a li z a b l em e t h o do fc o n t r o lw h i c hc a nb ei n d u s t r i a l i z a t i o ni sp u t f o r w a r d t h ep 0 1i s h i n gm a c h i n ei st h em o s t p r e c i s i o nm a s t e r ， t h e p o l is h i n ge f f e c ti si n f l u e n c e db ym a n yp a r a m e t e r sd i r e c t l yo ri n d i r e c t l y t h ep a p e rd e s c r i b e st h ek e yt e c h n i q u eo fh a r d w a r eo nt h ep a do p e r a t i o n ， t h e t e m p e r a t u r eo fs l u r r ya n dt h ep l a n ec o n d i t i o n i n go fp a da n dt h e t e c h n i q u eo fc o n t r o ld e t a i l e d l y t h em e t h o do fc o n t r 0 1b a s e do nr u l e s i sa p p l i e dt ot h eo p e r a t i o no fp a d ，s ot h a tt h em o d eo fs l o wa c c e l e r a t i o n s t e a d yr o t a t i n g s l o wd e c e l e r a t i o na c c u r a t e1 0 c a t i o ni so b t a i n e dt h e r o t a t i n gs t a b i l i t yi su pt o5 ，a n dt h el o c a t i o np r e c i s i o ni su pt o0 4 。，w i t ht h er o t a t es p e e df r o m2t o1 2 0 r p m ：t h ei n t e l l i g e n tc o n t r 0 1b a s e d o ni n f o r m a t i o nw i t ht h ec a p t i v i t yo fa u t o n o m i cs t u d yi s a d o p t e dt o c o n t r o lt h et e m p e r a t u r eo fs l u r r yw i t ht h es t a b i l i t yu pt o0 3 c ：b a s e d o nt h em e c h a n i s mo fe l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g ( e d m ) ，t h em e t h o do f p l a n ec o n d i t i o n i n gi sd e s c r i b e d ， a n das p e c i a lp u l s eg e n e r a t o rf o re d m i sd e v e l o p e dt oo b t 8 i nt h et i n yf u z z yf e e do ft h ep 0 1 ei nt h eo p e r a t i o n o fd e l i c a t em o d i f i c a t i o n t h ee l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t ya n dt h e r e li a b i l i t yo ft h ep 0 1 i s h i n gm a c h i n ea r ec o n s i d e r e d f i n a l l y ，t h ew h o l e p r o c e s si sa n a l y z e dw i t hc r y s t a l8 st h ew o r k p i e c e ，u l t r a s m o o t hs u r f a c e o f t h em a x i u mr o u g h n e s sw a v e sb e t w e e n1t o2 n m ( u pt oo 2 n mu n d e rt h e p e r f e c ts t a t e ) i so b t a i n e d ，a n dt h ee f f i c i e n c ya n dt h ec o n s i s t e n c yo f t h ep r o d u c tq u a l i t ya r ei m p r o v e dm a r k e d l y ，a c c o r d i n gt ot h em e a s u r ed a t e s f r o mt a l y s t e pw i t ht h ep 0 1 i s h i n gm a c h i n e 3 浙江大学硕士论文 第一章绪论 1 1 现代制造技术的发展 现代制造技术已经是一个国家经济发展的重要手段之一，不少国家十分重视现 代制造技术的水平和发展，利用它进行产品革新、扩大生产和提高国际经济竞争能 力。当前，美国、日本、德国等国家的经济发展在世界上处于领先水平的重要原因 之一就是他们把它看作是现代国家经济上获得成功的关键因素。日本在第二次世界 大战后，为了迅速恢复经济，大力发展制造技术，特别是精密加工技术，提出了“技 术立囤”的道路，使机械制造业有了长足进步，有力地支持了其他工业的发展，在 汽车制造业和微电子工业上取得了显著成绩，在短短3 0 年中发展成为世界上的经 济强困。美国经过认真的总结，认识到进入8 0 年代后，在重要的、高速增长的技 术市场上失利的一个重要原因是美国没有把自己的技术应用到制造上。美国国家工 程科学院的国家研究理事会经过反复研究，提出要把注意力重新放在制造技术和制 造问题上，而不是象前些年那样，把制造放到从属于设计的地位上。 1 1 1 制造技术发展的特点 制造已经成为一个系统制造是从产品概念到最终产品的集成活动，是一个 功能体系和信息处理系统。这个系统向着柔性化、集成化、智能化方向发展。并行 工程、神经网络、面向制造的设计等都是前沿研究课题。制造能够发展成为系统主 要是由于传统制造技术和计算机技术、信息技术相结合的结果。 设计与工艺一体化人类处于小生产、手工生产时，设计和工艺是密切结合 的，有时甚至统一在同一个人身上。大规模、大批量生产出现后，由于生产需要， 设计与工艺分开了，甚至造成了工艺从属于设计的现象。但是随着社会的发展和人 类生活水平的不断提高，多品种单件小批生产在整个生产中占多数，产品规格式样 不断更新的需求越来越大，从而导致设计与工艺的一体化，出现了工艺过程主宰产 品的现象。为了保证将设计变成现实、工程一次成功，并行工程技术应运而生，而 面向制造的设计成为并行工程的一个新方法、新途径。 形成了制造科学制造已经具有不同对象和时间而改变的功能结构，建立了 表达功能的模型和功能之间的信息流和物流，可以对制造系统进行分析并找出控制 其性能的规则，预测情况变化时所产生的影响。 l1 2 现代制造技术包含的内容 传统加工工艺的改造和革新这一方面的技术潜力很大，高速切削、超高 速切削( 切削速度 1 k m s ) 、高速磨削( 磨削速度达到1 2 0 m s ) 、强力磨削( 大吃 刀 硅缓进给磨削) 、砂带磨削、涂层刀具、超硬材料刀具( 会刚石、立方氮化硼、 陶瓷等) 、超硬材料磨具( 金刚石、立方氮化硼等) 的出现都对加工质量和效率的 提高有重要意义。另一方面，旧设备的改造和挖潜，如普通机床改造成数控机床， 对整个工业的发展是不容忽视的。 浙江大学硕士论文 精密工程 它包括精密加工 和超精密加工技 术、微细加工和超 微细加工技术、微 型机械等方面，当 前，以纳米技术为 代表的超精密加 工技术和以微细 加工为手段的微 型机械技术有重 要意义。它们代表 了这一时期精密 工程的方向。 非传统加 工方法非传统 加方法是指一些 物理的、化学的特 种加工方法，如电 火花加工、电解加 工、超声波加工、 激光加工、离子束 加工等。从加工方 法本身又包括分 离( 去除) 加工、 童 辇 墨 l 互 捌 。o 测量仪器 ：o 机睐 激光干涉仪 = 1 n 三一自动机床一 习 面形貌彤 - - ： ； 蜘精癌 电对云积 ，精， 。l 付乙 勰 一 i ) u 沥 挝 】青度 千分： _ ：i t l ： _ i t3 精度 ； 一 月 多d 一i t5 _ ： 盯7 - _ 铣床加二i ； 一i tq 自动仿形 一7 ， ：蠢车床 车床 ；么 ， 床 1 8 5 01 9 0 01 9 5 02 0 0 0 ( 辱) 田i - l 测量仪器，机床、自动机床所柏达到的最高糟崖与年代的关系 附着( 注入) 加工和变形加工，即加工的概念不仅包含使工件的形状、尺寸产生变 化，还包括表面层材料的化学成分、组织结构、机械物理性质的变化。非传统加工 方法的主要对象是难加工材料的加工，如超硬材料的加工，其加工精度可达分子级 加工单位或原子级加工单位，所以它又常常是精密加工和超精密加工的重要手段。 当前最值得注意的是激光加工、电子柬加工、离予束加工，传统加工和非传统加工 相结合的复合加工有较大的发展前途。 制造系统的自动化、集成化和智能化机械制造过程是一种离散的生产过 程，与连续的生产过程相比，实现其自动化更为困难。机械制造自动化的发展经历 了单机自动化、刚性自动线、数控机床和加工中心、柔性制造系统( f m s ) 和计算机 集成制造系统( c i m s ) 等几个阶段，向柔性化、集成化、智能化进一步发展。自动 化、集成化和智能化的目的不仅是提高生产效率、保证产品质量和改善劳动条件， 而且往往是和一些加工方法本身联系在一起的，成为其重要的不可分割的组成部 分，因为这些加工方法是很难用手工或简单机械操纵所能够完成的。 1 2 精密加工和超精密加工的现状和发展 浙江大学硕士论文 1 2 1 精密加工的历史及其发展趋势的研究 f i 本学者很重视对精密加工的研究成果进行历史回顾和发展展望的研究，从而 对指导现阶段的工作和预测下阶段的发展有重要作用，著名学者谷口纪男教授在其 所著“纳米技术的应用和基础一超精密，超微细加工和能束加工”一书中，从综合 加工精度( 尺寸中心偏移误差+ 尺寸分布误差) 出发，将加工的发展分为普通加工、 精密加工、高精密加工和超精密加工4 个阶段，预计在2 1 年代初，加工精度可达到 纳米级，由于物质的原子或分子的尺寸大小，即原子晶格间距是0 2 n m 0 4 n m ，因 此纳米加工技术是当今的极限工艺。图卜l 表示了随着年代的推移，各种测量仪器、 机床和自动机床所能达到的最高精度。 1 2 2 超精密加工机床新型结构的研究 美国、日本、英国等国家很重视新型超精密加工机床的研究。美国l a w r e n c e l i v e r i n o r e 国立实验室推出的大型光学金刚石机床，它是为镜面加工大直径光学镜 头而丌发的，采用双立柱立式车床结构，多重光路激光干涉测长进给反馈，六角刀 盘驱动，大型超精密主轴，低热膨胀材料组合等技术，对超精密机床的发展有很大 影响。 英国国立物理学实验室( n p l ) 开发的四面体结构立轴超精密磨床由6 个柱连 接四个支持球构成一个罐状的四面体，静刚度为1 0 n n m ，加工精度可达1 n m 以上。 当然，还有一些实际问题需要解决。 同本盒式超精密立式车床，其结构设计有以下特点：整个机床采用了盒式 结构，加工区域形成封闭空间，自成系统，不受外界影响。采用热对称结构， 低热变形复合材料，从结构上使热变形得到抑制。采用冷却液淋浴、恒温油循 环、热源隔离等措施，以保持整个机床处于恒温状态。整个机床有隔振结构。 从这台超精密机床的结构上可以看出，其主要特点是控制热变形，现代超精密机床 除了要考虑高精密主轴系统、进给系统、外部环境( 恒温、防振) 等之外，在结构 上考虑热变形，并形成封闭空间是十分重要的，它反映了现代超精密机床的趋向。 1 2 3 金刚石砂轮超精密磨削 目前精密和超精密加工的主要手段有：金刚石刀具超精密切削、会刚石砂轮和 c b n 砂轮超精密磨削、超精密研磨和抛光、精密特种加工和复合加工等。 金刚石砂轮超精密磨削是当前超精密加工的重要研究方向之一，其主要加工方 式有外圆磨、无心磨、沟槽磨和切割等，被加工材料有陶瓷、半导体等难加工材料。 研究的关键问题有金剐石砂轮的修整、微粉金刚石砂轮超精密磨削等。 会刚石砂轮的修整包括整形和修锐两都分，对于密实型无气孔的仓刚石砂轮， 如会槭结合剂金刚石砂轮。一般在整形后还必须修锐；有气孔型陶瓷结合剂盒刚石 砂轮在整形后即可使用。金刚石砂轮的修整方法很多。常用的有单点余刚石笔、烧 结体多点金刚石笔、g c 砂轮制动式修浆器等。总的说来，这些修整方法都不甚满意。 r 本东北大学庄司克雄教授研究出用g c 杯形砂轮来修整陶瓷结合剂金刚石砂 轮，圾得了满意的效果。g c 杯形砂轮修整器与制动式修整器不同，g c 杯形砂轮由小 瑶l u 饥带动。杯形砂轮外径7 5n l n l ，宽度l0 m m ，宽度内缘的线速度为3 l 0 m n l i n 。修 浙江大学硕士论文 整时，将修整器固定在磁力工作台上，g c 杯形砂轮的回转轴线必须和工作合垂直， 工作台作往复进给运动，同时又沿金刚石砂轮宽度方向作横向进给运动，吃刀量一 般为10 u m ，进给速度为1 0 0 删m i n 。利用3 d 法测量原理，可从一对立体照片中测 量出磨粒的突出高度，即在不同角度对同一物体照两张照片并进行对比，则可获得 该物体在深度上的位置，这就是用立体照片测量磨粒突出高度的方法。在金刚石砂 轮磨削时，磨粒突出高度与磨削性能有密切关系，如何测量磨粒突出高度是研究磨 削性能的关键技术。 另外，日本物理化学研究所大森整博士研究出用电解加工来修整金刚石砂轮， 获得了良好效果。 1 2 4 先进超精密抛光加工 f 1 本十分注意研究和开发新型精密研磨和抛光方法，出现了油石研磨、磁性研 磨、滚动研磨、弹性发射加工、液体动力抛光、液中抛光、磁流体抛光、挤压研抛、 砂带研抛、超精研抛、机械化学抛光、化学机械抛光等众多有成效的加工方法。 在超精密研磨抛光中，有几个动向值得注意：采用软质磨粒( 或称软质粒子) ， 甚至比工件还要软的磨粒，加s i 0 ：、z r 0 ：等，在抛光时不易造成工件被加工表面的 机械损伤，如微裂纹、磨粒嵌入、洼坑、麻点等。抛光工具和工件不接触，即 非接触抛光，或称浮动抛光，抛光工具与工件被加工面之间有薄层磨料流，其特点 是减小被加工表面的机械损伤。整个抛光工作在恒温液中进行，这样一方面整 个抛光工作由于在恒温状态下可减小热变形的影晌，另一方面可防止空气中的尘埃 或杂物混入抛光区影响加工质量。采用复合加工，汇集利用各种加工方法的优 点，如化学机械抛光、砂带研抛等。在砂带研抛中利用接触轮的材料硬度来达到在 加工时兼有研磨和抛光的特点。 1 2 5 超平滑加工 这种方法是利用离子束溅射蚀刻从被加工表面去除原予而获得超平滑面。其 离子柬入射角、离子能量与表面粗糙度有关，当离子能量为5 0 e v 时，表面粗糙度值 r r m s = o 0 2 n r n 表面粗糙度是用x 射线散射法来进行测量的。 1 2 6 高分解、高密度刻线技术 虽然激光检测有很广泛的应用前景，但激光干涉仪价格高昂，激光管使用寿 命不够理想，丽光栅检测仍不失为一种有效的精密测量、加工定位装置，近年来， 在这方面研究较多，其关键问题是刻线技术。日本东北大学科学计测研究所长期从 事高分解、高密度刻线技术的研究。所刻的玻璃镀膜光栅可达1 0 0 0 线咖，而玻璃 光栅可达2 0 0 0 0 线咖，在日本处千领先地位。刻刀移动由同步电机带动，并由回转 码盘发出相位信号。工件滑板由脉冲电机经精密蜗杆蜗轮和丝杠带动( 蜗轮齿数4 5 6 个) ，其移动距离由氦一氖激光系统检测，位移误差由压电晶体微进给装置补偿。刻 线时，刻刀移动和工件滑板位移有时序要求，由相位比较器控制。该机设计指标是 6 0 0 一一50 0 0 线n m l ，工件表面凹凸的曲率半径为5 0 0 n l m ，刻线面积为3 0 m m 5 0 m m ，刻 线精发为l o n j n ，整个机器由微机控制。 总之，精密和超精密加工是向着纳米级精度发展，向着去除、| j | 着原子级、分 浙江大学硕士论文 子级加工的方向发展。除传统加工方法外，非传统加工方法将越来越占有重要地位， 其中最有前途的是能束加工，如激光束、电子束、离子束等粒子能束。由于这种加 工已深入到物质微观领域，某些物理量的转变是以最小单位一量子跳跃式进行，而 不是连续的，因此，超精密加工将以量子为基础，以量子力学为指导进行发展，并 与空间科学、激光核融合、信息设备、放射光科学、生物科学相结合，2 1 世纪将是 量子能量应用的时代，可见超精密加工在今后科技发展中的重要意义。 1 3 本课题研究的意义 超精密加工技术是一门新兴的综合性加工技术。它集成了现代机械、光学、电 子、计算机、测量及材料等先进技术成就，使得超精密加工的精度从6 0 年代初的 微米级提高到目前的0 0 1 叫级，在短短几十年内使产品的加工精度提高了l 2 个 数量级，极大地改善了产品的性能和可靠性。 目前，超精密加工技术已成为国家科学技术发展水平的重要标志之一。随着各 种新型功能陶瓷材料的不断研制成功，以及用这些材料作为关键元件的各类装置的 高性能化，要求功能陶瓷元件的加工精度达到纳米( n m ，1 n m = 1 lo m ) 级甚至更 高，这些都有力地促进了超精密加工技术的进步。近年来，纳米技术的出现促使超 精密加工向其极限加工精度原子级加工进行挑战。 超精密加工技术、制造自动化是先进制造技术的两大领域。超精密加工要靠自 动化技术才能达到预期目标，而制造自动化有赖于精密加工才能得以准确实现。精 密工程、微细工程和纳米技术是现代制造技术的前沿，也是未来技术的基础。 在国防工业中，激光陀螺的平面反射镜所要求的平面度为0 0 3 o 0 6 岬，表面 粗糙度为2 a ，反射率9 9 8 。又如，哈勃空间望远镜( h s t ，h u b b l es p a c et e l e s c o p e ) 中的直径2 4 m ，重9 0 0 k g 的大型反光镜，形状精度要求达到0 0 1 “m 。 当前集成电路已达到特大规模集成电路( u l s i ) 阶段，要求减小电路微细图案 的最小线条宽度使在有限的微小面积上能容纳更多的电子元件。因此，提高超精密 加工水平成了提高集成度的技术关键。砷化镓( g a a s ) 半导体大规模集成电路的快 速性比相应的硅芯片高10 倍左右、工作可靠、抗辐射能力强，其制造也需要一整套 超精密磨削、研磨、抛光工艺。 在信息产业和民用产品中，计算机芯片、磁盘和磁头，录像机的磁鼓、复印机 的感光鼓、光盘和激光头，激光打印机和扫描仪的多面体棱镜等都要靠超精密加工 才能达到产品性能要求。 可见，超精密加工技术在国防工业、信息产业和民用产品的制造中占有非常重 要地位且有着广阔的市场需求，同时也是加强经济和国防竞争能力的强有力的手 段。超精密加工技术在高技术迅猛发展的今天向着各个领域迅速渗透，有着非常美 好的发展前景。 但是，目前我国在航天、航空及微电子工业所需的超精密加工设备都有赖于进 口，磁盘、激光打印机的多面棱镜及信息产业用的大部分高性能功能陶瓷元器件几 乎都依赖进口。这些都严重抑制了我国在这些领域的深入发展，降低了国际竞争力， 我国必须大力发展超精密加工技术。 浙江大学硕士论文 1 4 本课题研究任务 抛光加工是超精密加工的最终加工工序，也是最终决定工件表面具有晶格完整 性、高平面度及洁净度的关键加工技术。要获得工件质量的高度一致性，除了要有 一整套加工工艺保证外，抛光设备的制造精度和自动化程度起到决定性的作用。但 是，目前国内外超精密抛光机普遍存在以下问题： 1 ) 抛光盘平面修整速度慢，效果差。 2 ) 整个抛光过程抛光盘总转数( 与材料去除量成正比) 控制精度低，难以保证 加j ：量总误差在1 n m 以内。抛光机起动和停止时抛光盘转速无缓升缓降过程，对工 件有冲击而影响抛光质量。 3 ) 抛光液、抛光盘温度不能精确控制。很难保证工件加工质量的高度一致性。 4 ) 每台抛光机均独立操作和控制，加工质量的离散度大，人为影响因素多， 对操作人员的技术水平要求高，容易造成加工质量不稳定、工段不连续和加工效率 低下。 为满足超精密抛光技术发展的需求，本项目拟进行抛光机控制技术研究。其目 的是解决目前抛光机存在的上述问题，使抛光精度稳定地达到纳米级水平( 即加工 量总误差在1 n m 以内) ：使工件( 如陶瓷、硅片) 获得完美的表面质量和2 n m 以下( 最 高可达0 2 n m 以下) 的表面粗糙度；保证抛光加工质量的高度一致性。 1 5 小结 超精密加工技术是一门新兴的综合性加工技术。它集成了现代机械、光学、电 子、计算机、测量及材料等先进技术。目前，超精密加工技术已成为国家科学技术 发展水平的重要标志。近年来，纳米技术的出现促使超精密加工向其极限加工精度 原子级加工进行挑战。抛光加工是超精密加工的最终加工工序，也是最终决定 工件表面具有晶格完整性、高平面度及洁净度的关键加工技术。要获得工件质量的 高度一致性，除了要有一整套加工工艺保证外，抛光设备的制造精度和自动化程度 起到决定性的作用。但是，目前国内外超精密抛光机普遍存在各抛光参数不能精确 控制，对操作人员的技术水平要求高，人为影响因素多，如在更换和调整工件时， 必须由人工调整各抛光工艺参数，并通过多次试验调整来达到最佳的工艺状况。从 而很难保证硅片加工质量的高度一致性。 浙江大学硕士论文 第二章抛光机理与控制所面临的问题 根据加工方法的机理和特点，最基本的超精密加工方法可以分为去除加工、结 合加工和变形加工三大类。按加工方式来说，超精密加工又可以分为切削加工、磨 料加工( 分固结磨料和游离磨料) 、特种加工和复合加工四类。超精密加工还可分为 传统加工、非传统加工和复合加工。传统加工是指刀具切削加工、固着磨料和游离 磨料加工：非传统加工是指利用电能、磁能、声能、光能、化学能、核能等对材料 进行加工和处理；复合加工是采用多种加工方法的复合作用。当前，在制造业中， 占主要地位的仍是传统加工方法，以切削、磨削和研磨为代表。非传统加工和复合 加工是超精密加工重要的发展方向。 在最近的多性能的复杂形态的元件加工中，往往是几种加工法的复合作用。近 年来，随着新加工工艺方法和新的加工手段不断出现以及超精密加工技术的不断成 熟，超精密加工已成为现代尖端产业的重要生产技术。 抛光一般是超精密加工的最后工序。抛光是指用高速旋转的低弹性材料( 棉布、 毛毡、普通皮革等) 抛光盘，或用低速旋转的软质材料( 塑料、沥青、石蜡、锡等) 抛光盘，加抛光剂，具有一定研磨性质的获得光滑表面的加工方法。一般不能提高 工件形状精度和尺寸精度。近代发展的加工方法，如浮动抛光、水合抛光等除能降 低表面粗糙度、改善表面质量，还能同时提高形状精度和尺寸精度。 抛光与研磨在磨料和研具材料的选择上不同。抛光通常使用的是1um 以下的微 细磨粒，抛光盘用沥青、石蜡、合成树脂和人造革、锡等软质金属或非金属材料制 成。对硬脆材料的研磨，当磨粒小到一定的粒度，并且采用软质材料研磨盘时，由 于磨料与研磨盘的性质的不同而引起研磨与抛光的差异，工件材料的去除机理及表 面形成机理就发生变化。除机械切削作用外，加工氛围的化学起了重要作用。研磨 是用比较硬的金属盘作研具的，材料的破坏以微小破碎为主。抛光是用弹性研具进 行的，它加给磨料的作用力不能使工件产生裂纹。抛光时磨粒的状态如图4 9 所示。 由抛光盘弹性地夹持住微细磨粒来加工工件，磨粒对工件的作用力很小，因而，即 使抛光脆性材料也不会发生裂纹， 2 1 超精密抛光过程 2 1 。l 抛光机理 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： 认为抛光是以磨粒的微小塑性切削生成切屑为主体而进行的。在材料切除过程 中会t “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，使工件表面的生成物不断被除去而使表面平滑化。 浙江大学硕士论文 采用工件、磨粒、抛光盘和加工液等的不同组合，可实现不同的抛光效果。工 件与抛光液、磨料及抛光盘间的化学反应有助于抛光加工。 2 1 2 微小机械去处与化学作用 抛光加工面的表顽粗糙度是机械的、化学的切屑形成后的痕迹，而存在于加工变 质层中的弹塑性变形及微小裂纹可认为是所供给生成切屑的机械能的一部分产生 的。因此，为保证加工质量，在超精密加工抛光中，应采用使表面粗糙度低和加工 变质层小的切屑生成条件。 设想材料去除的最小单位是一层原子的话，那么，最基本的材料去除是将表面 的一层原子与内部的原子切开。事实上，完全除去材料一层原子的加工是不可能的。 机械加工必然残留有加工变质层，并且随着工件材料性质及加工条件的不同，加工 变质层的深度也不同。由于加工中还伴随着化学反应等复杂现象，因此，抛光加工 中，材料去除层的厚度为从一层原子到数层原子乃至数十层原子几种状态的复合。 目前，抛光加工中材料的去除单位已在纳米甚至是亚纳米级，在这种加工尺度 内，加工氛围的化学 作用就成为超精密抛 光加工不可忽视的一 部分。图2 一l 表示的 是物理作用与化学作 用复合的加工方法。 例如，玻璃的光 学抛光中，氧化物磨 粒的机械作用产生软 质变质层，使得材料 的去除率高。硅片的 化学机械抛光，加工 液在硅片表面生成水 合膜，可以使加工变 质层的发生减少。因 此，在加工过程中的 化学反应结果对材料 的去除及减少加工变 图2 一l 化学作用和物理作用相结合的复合加工方法 质层是有利的。 蓝宝石的干式化学机械抛光时采用石英玻璃抛光盘，及干燥状态下的o 0 1 邮 直径的s i o ：磨粒来抛光蓝宝石。磨粒与蓝宝石之间发生界面固相反应，生成富铝红 柱石( m u l l i t e ) ，然后再将其从蓝宝石表面剥离，实现抛光加工。 由于抛光技术具有很广阔的应用领域，近年来人们对抛光技术的_ ：1 = 发和应用作 了讥多工作，并创造出许多新的抛光法( 浮动抛光、切断、丌槽及端面抛光、机械 化学抛光、非接触化学抛光、胶态s i o ：抛光、水合抛光等) ，其机理因限于篇幅不 作介绍。 浙江大学硕士论文 2 1 3 抛光表面形成过程 从抛光表面的形成过程可见，初始阶段主要是除去前工序留下的微小凸出部分， 此阶段的实际抛光面积是极微小的，单位面积上承受的抛光压力较大，因此，这阶 段抛光表面的形成速率就大。随着抛光过程的进行，试被件抛光的表面积越来越大， 单位面积上承受的压力逐渐减小，抛光表面积的形成速率也逐渐减小。这一阶段主 要是抛光整个表面。第三阶段，是抛光过程中花费时间最长的阶段。大部分抛光表 面业已在第二阶段形成，这一阶段的主要任务是抛除试件表面上的个别大缺陷，至 少要比第一，第二阶段多花一倍的时间来除去这些大缺陷。 2 2 抛光主要工艺因素 2 2 1 运动轨迹 抛光运动轨迹应能保证工件加工表面和抛具表面上各点均有相同或相近的被切 削条件和切削条件。对抛光运动轨迹的基本要求如下： ( 1 ) 工件相对抛光盘作平面平行运动，能使工件上各点具有相同或相近的抛光行 程。 ( 2 ) 工件上任一点，尽量不出现运动轨迹的周期性重复。 ( 3 ) 抛光运动平稳，避免曲率过大的运动转角。 ( 4 )保证工件走遍整个抛光盘表面，使抛光盘得到均匀磨损，进而保证工件表 面的平面度。 ( 5 ) 及时变换工件的运动方向，使抛光纹路复杂多变，有利于降低表面粗糙度 并保证表面均匀一致。 超精密抛光常用的运动轨迹有：次摆线、外摆线和内摆线轨迹等。 抛光盘本身的表面形状在某种程度上也左右着试件的平面精度。虽然复杂运动 轨迹的重复性较小，但运动轨迹的重复仍是不可避免的。抛光盘表面形状就会“复 印”到工件表面上。为消除抛光运动轨迹重复对试件平面精度的影响，要求所采用 的抛光机具有较少的重复次数。另外，还应保证抛光盘具有较高的平面精度。为此， 抛光机上应专门备有抛光盘的高精度平面修整装置。 2 2 2 抛光盘 实现高精度平面抛光，关键取决于抛光盘平面精度及其精度保持性。所以，采 用高平面精度的抛光盘是获得工件高精度平面的加工基础。因此，抛光小面积的高 精度平面工件时要使用弹性变形小，并始终能保持平面度的抛光盘。 采用特种玻璃或者在平面金属盘上涂一层弹性材料或软金属材料作为抛光盘， 都可以得到好的表面加工质量。 为获得无损伤的平滑表面，在工件材料较软时，例如加工光学玻璃时，有时使 用半软质抛光盘( 如锡盘、铅盘) 和软质抛光盘( 如沥青盘、石蜡盘) 。使用软质抛光 盘的优点是抛光表面加工变质层和表面粗糙度都很小，缺点是不易保持平面度，因 而影| | 向工件的平面度。 用软质抛光盘时，为确保抛光加工的高精度，可采取以下措施： 浙江大学硕士论文 ( 1 )尽可能用耐磨损变形的抛光盘； ( 3 )修正磨损变形。可采用人工修整抛光盘的形状，也可利用标准平板与抛 光盘对研修整。本文采用电火花、在线修正环修整。 磨料按硬度可分为硬磨料和软磨料两类。常用的磨料有氧化铝系、碳化物系、 功能陶瓷超精密抛光加工液主要起对工件冷却润滑、在抛光盘表面均布磨粒和 ( 4 ) 化学物理性能稳定，不因放置或温升而分解变质： 在抛光过程中抛光液应保持恒温，以免引起工件、抛光盘的热变形。 为了获得电子元件的高性能，制造大规模集成电路的硅片、水晶振子基片、铌 酸锂基片、钽酸锂基片等晶体基片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。目前，这些元件基片的最终加工均采用超精 密平面抛光，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。了解超精 密平面的抛光工艺规律，也就掌握了基本的抛光规律。下面介绍一种采用修正环型 篓娄耋皂妻机要凳攀票丰几 图2 2 行翟伦武t 件保持架 望篓跫堡鐾二望套壬譬圭 。，t 件仪持架揣；矗、；嚣茗：。i 嚣i i 磊，：件保持架彤式 得到均匀不重复的抛光轨 一 迹，i ：件保持架制成行星轮形式，外面和内齿轮啮合，里面和小齿轮啮合，如图2 2 所，j i 。工作时工件自转和公转，作行星运动。上抛光盘加载并有一定的浮动，以避 浙江大学硕士论文 免两抛光盘不平行造成工件两抛光面的不平行。 双面研磨技术可用于功能陶瓷材料平行薄片加工。使用双面研磨法能避免由夹 具的粘结误差及薄片两面的应力差引起的变形问题。当工件的厚度只有几十肿时， 工件与抛光盘面紧密接触会使加工阻力增大，极易引起硬脆工件的破损。因此，对 厚度为几十岍的硬脆材料薄片工件，现在仍采用单面抛光加工。 在传统的透镜抛光机上用软质抛光盘进行高精度平面抛光时，由于抛光盘面的 变形和磨损，通常需凭工人的经验，频繁地将抛光盘在标准平板上进行手工对研来 修i f 抛光盘面的变形，以实现高精度的平面加工。 为了尽可能排除透镜抛光机对工人熟练程度的要求，开发了修正环型平面抛光 加工法，修正环型抛光机的外观如图2 3 “1 所示。其特点是：将切片后的薄片工件粘 贴在平行平面夹具上，使薄片工件与夹具成为一体，作为名义大口径厚工件加工， 并通过修正环的连续旋转来实时修正抛光盘的平面度。这种加工方法，可通过理论 公式推导出高精度的平面加工条件。并可通过在粘结工件薄片的加工夹具上，附加 个与加工夹具同直径的斜切圆柱体砝码，作为偏心载荷来修正平行度。且易于操 作，修正结果的再现性也高。采用偏心载荷修正法，直径为6 0 m m 的玻璃光学平晶的 平面度能加工到v 1 0 0 以下，可用于水晶片、铌酸锂基片、硅片等平面工件的加工。 图2 3 修正正环型抛光机原理示意图 l 一载物孔2 一环状工作面抛光盘 3 一滚动轴承4 一修正环保持架( 可调) 5 一修正坏6 一载物环 可通过改变修正环与抛光盘中心距的大小来修整抛光盘的平面度。如图2 3 所 示，当抛光盘呈凸形时，通过调节修正环保持架的角度，使修正环向中心移动，反 之向外移动。移动量般不超过5 咖。 2 3 各抛光参数对抛光效率及表面粗糙度的影响 花超精密抛光加工过程中，不同的抛光参数对抛光加工的影响巧i 同。如抛光速 度：抛光路径；抛光液温度、浓度；抛光工件压力等加工参数各自影响着抛光效率 ( 抛光效率也称作材料去除率，以单位时间内材料去除层厚度来表示) 以及表面粗 糙度。这样，人为因素将影响着超精密加工的全过程，给超精密一致加工增加了困 难。 浙江大学硕士论文 2 3 1 控制抛光速度对抛光效率 及表面粗糙度的影响 抛光速度是指工件与研具的 相对速度。抛光速度增大使研磨 效率提高。但当速度过高时，由 于离心力作用，使抛光剂甩出工 作区，抛光运动平稳性降低，抛 光器具磨损加快，从而影响抛光 加工精度。抛光速度过大会造成 表面质量下降( 即表面粗糙度增 大) ，甚至会引起脆性材料薄片 破碎。图2 4 为抛光速度与抛光 图2 4 抛光速率与抛光盘转速实验 效率的关系曲线。曲线表明，随着抛光速度的增大，抛光效率成正比地提高，这是 因为，抛光速度越大，一方面，使得单位时间内磨料与试件接触面发生作用的次数 增加，另一方面，磨粒与试件之间的摩擦速度加快，使得适应表面的磨损增加，宏 观上反映为抛光量的增加。 2 3 2 控制抛光路径对抛光效 率及表面粗糙度的影响 在保证工件加工表面和抛 光器具表面上各点均有相同或 相近的被切削条件和切削条件 下，( 即尽量不出现运动轨迹 的周期性重复；保证工件走遍 整个抛光盘表面，并使工件上 各点具有相同或相近的抛光行 程) ，并保证其它抛光参数不 变的情况下，抛光路径总长度 与总去除量成正比。有效控制 抛光路径长度是控制抛光精度 重要因素之一。图2 5 为抛光 路径o j 抛光速率的关系曲线。 曲线表明，在各抛光参数不变 的情况下，抛光路径总长度与 总去除量成正比。抛光路径总 长度不影响表面粗糙度。 2 3 3 抛光液温度对抛光效率 及表面粗糙度的影响 图2 5 抛光路径与抛光速率实验 如图2 6 所示，随着抛光液温度的升高，抛光液中抛光微粉活性增大，软质抛 光黜的粘性增大，从而增大了抛光效率。但是随着抛光液温度的增大，抛光盘的弹 浙江大学硕士论文 性复形增加，抛光盘的弹性变形将会使试件产生“塌边”现象，是工件平面度变差。 使用具有较大刚性的抛光盘可避免“塌边”现象。 2 3 4 抛光压力对抛光效率及表 面粗糙度的影响 将研具单位面积上的抛光痕 数量与留存的磨料粒子数量之 比称为磨料作用率。磨料作用率 与抛光压力之间的关系如图所 示。由图2 7 可见，随着抛光压 力的增加，磨料作用率增加。亦 即，单颗磨粒作用在工件表面上 的力增加，使得在工件表面上产 生的裂纹长度增加，进而引起工 件的表面去除率增加。在一定范 围内，增加抛光压力可提高抛光 图2 7 抛光压力与抛光速率实验 效率。但当压力大到一定值时，由于磨粒破碎及抛光接触面积增加，实际接触点的 接触压力不成正比增加，抛光效率提高并不明显。和抛光速度一样，抛光压力过大 也会造成表面质量下降( 即表面粗糙度下降) ，甚至会引起脆性材料薄片破碎。 抛光压力的计算公式如下： p 风。面( m p a ) 式中严一工件抛光表面所承受的总压力( n ) ： 一每次抛光的工件总数： ， 一单个工件实际接触面积( 咖2 ) 。 采用同样的磨粒，抛光压力减少对降低表面粗糙度有利，在功能陶瓷材料最终 抛光阶段，如采用仅靠工件自重进行悬浮抛光。可获得极好的表面质量。 2 3 5 控制抛光液浓度对抛光效率及粗糙度的影响 图2 - 8 是抛光浓度对抛光速率影响的实验曲线，试验曲线表明，随着浓度的增 大，抛光效率逐步增大。当浓度达到某一数值( 图中为1 0m ) 时，抛光效率达到 最大值，此后再增大抛光液浓度，抛光效率反而出现下降豹趋势。这是因为，当浓 度在1 0 叭以下由小到大地逐渐增大时，作用在被加工表面磨粉数也逐渐增大，故 抛光效率提高。当浓度大于1 0 叭以后，则磨料的滚动性变差，一方面不易进入抛 光区，另一方面刚由于液体量的减少使得切削不易排出，阻碍了磨料的有效切削作 用，因此出现抛光效率反而下降的结果。在用s i 0 2 抛光蓝宝石的研磨液浓度与抛光 效率的关系曲线与本试验的曲线变化趋势一致。随着抛光液浓度的增加，工件表面 粮糙度呈增加趋势。 q目三静嘲糕鬟 浙江大学硕士论文 2 3 6 抛光参数最佳范围的确定 以上研究表明，随着抛光速度、 抛光液温度、抛光压力的增大，都 将引起抛光效率成正比地增大。抛 一 光液浓度增大到某一数值时 莒 ( 1 0 州) 时，抛光效率达到最大 盖 值，如再继续增大浓度，则抛光效 凳 率将下降。为了保证有较高的抛光 舞 效率，拟采用较大的速度、压力、 温度和浓度( 不大于1 0 州) ，但抛 光压力如大于5 0 0 9 c m 2 易引起试件 破损；抛光盘转速太大时，如本实验抛 光机n 1 2 0 l p m ( 合试件平均线速度 图2 8 抛光液浓度与抛光速率实验 1 5 0 m m i n ) 时，抛光液易被甩出抛光区域，反而影响了抛光效率；抛光液温度较高时 易产生“塌边现象”，影响产品平面度。实验表明抛光压力取1 0 0 一3 0 0 c m 2 ，抛光速 度取7 5 1 2 0 耐m i n ，浓度取5 1 0 、v t ，抛光液温度取2 0 一4 0 范围内时抛光效果最好。 另外，随着抛光对象的材料，抛光液中抛光微粉的不同，最佳抛光速度、抛光 压力、抛光液浓度、温度、等参数也随之改变。这些参数的相互关系很难用特定的 式子或模型来描述。只有依靠专家通过实验获取多组不同条件下最佳的实验数据， 构筑适于控制的抛光工艺数据库，实现对纳米级抛光机全过程抛光控制。 2 4 超精密测量技术 从6 0 年代起，由于航天技术的发展、大规模集成电路( l s i ) 及超大规模集成 电路( v l s i ) 的发展，测量精度的提高非常显著。特别是近年来由于x