（机械工程专业论文）超薄玻璃的固结磨料研磨抛光研究.pdf

南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文 摘要 超薄玻璃广泛应用于仪器仪表、集成电路以及各种显示器中，与国防科技、电子信息、国 民生活息息相关。为应对超薄玻璃巨大的市场需求，研究超薄玻璃加工工艺，探索快速、高效 获得高材料去除率和表面质量的超薄玻璃加工方法非常重要。固结磨料研磨抛光技术能以较低 的成本获取较高的加工效率，且工艺的可控性强对环境的污染小，适用于超薄玻璃的加工。本 文通过单面和双面研磨抛光两种途径，以材料去除率和表面质量为评价指标，探索超薄玻璃加 工工艺，开展的主要研究工作和获得的结论如下： ( 1 ) 开展了单面研磨抛光超薄玻璃加工工艺研究。针对研磨和抛光阶段的不同要求，开展 了不同磨料及粒度对材料去除率和表面质量影响的研究，优化选择w 3 0 金刚石固结磨料研磨垫 和3 “m 的c e 0 2 固结磨料抛光垫组合对超薄玻璃进行加工，获得了厚度约为o 2 m m ，表面无破 损、无明显划痕的超薄玻璃，形成了以单面研磨抛光方式实现超薄玻璃两面加工的加工工艺。 ( 2 ) 开展了双面研磨抛光超薄玻璃加工研究。采用双面研磨抛光加工超薄玻璃，研究了抛 光盘的转速、抛光液流量、抛光液p h 值对材料去除率和表面质量的影响。综合考虑材料去除 率和表面质量，选取超薄玻璃研磨阶段优化的工艺参数组合为：抛光盘转速为6 0 r n l i n ，p h 值 为1 0 ，流量为1 0 5 m i i l ，玻璃上表面的材料去除率小于下表面的材料去除率，而上、下表面 的表面质量差别不大。选取超薄玻璃抛光阶段优化的工艺参数组合为：抛光盘转速为3 0 r m i n ， p h 值为1 0 ，流量为1 3 0 m 妇l i n 。上抛光盘的对玻璃的抛光效果要好于下抛光盘。 ( 3 ) 建立了双面研磨抛光运动轨迹的数学模型，建立了工件与抛光盘的相对运动轨迹方程， 分析了参数对运动轨迹分布的影响，并优化获得了均匀的研磨抛光轨迹，得出结论：工件在行 星轮中的位置远离行星轮的回转中心，行星轮与整个抛光盘半径比为o 3 ，抛光盘的转速是内齿 轮的转速的l q 倍，内外齿轮的转速比在3 8 的范围内，工件运动的轨迹相对比较复杂，分布 比较均匀，是最优的研磨抛光轨迹。 最后，概括了全文的主要结论，并在此基础上进一步对理论和技术上尚存在的问题和所要 做的工作做出了展望。 关键词：超薄玻璃，固结磨料研磨抛光垫( f ：久p ) ，单面研磨抛光，双面研磨抛光，数学建模 超薄玻璃的固结磨料研磨抛光研究 a bs t r a c t u l n a - m i ng l 硒sw a sw i d e l yu s e di ni n s t m m e n t a t i o n ，i n t e g r a t e dc i r c u i t sa i l dav a r i e 哆o fd i s p l a y s ， a n dc l o s e l yr e l a t e dt od e f e n s et e c h n o l o g y ，e l e c 仃o n i ci n f o m a t i o nt e c h n o l o g y ，a 1 1 dn a t i o n a ll i f e i n r e s p o n s et ot h eh u g cm a d ( e td e m a l l df o ru i n 静t h i ng l a s s ，ap r o c e s s i n gt c c h n o l o 留o fu l t r 孙t h i ng l 觞s w 雒s t u d i e d i ti sv e ui m p o r t a n tt 0e x p l o r ep r o c e s s i n gm e t h o d sb yw i l i c hh i g hm a t e r i a lr e m 0 v mr a t e a n d9 0 0 ds u r f a c eq u a l i 够o fu l 臼a - t h i ng l a s sc a i lb eq u i c k l ya i l de 伍c i e n t l ya c h i e v e f i x - a b r 舔i v e l 印p i n ga 1 1 dp o l i s h i n gt e c 量l i l o l o g yc a i lb eu s e dt os a v ec o s t s ，r e d u c ee n v i r o m e n t a lp o l l u t i o na i l dk e e p t h ep m c e s su n d e rc o n 缸d 1 h 1m i sp a p e r ，t 1 1 eu l t m t 1 1 i ng l a s sp r o c e s s i n gt e c t l l l o l o g yw a sd e v e l o p e d t h e m a i l l 、v o r ka n dr e s u l t so nm eu l 仃a - t h i ng l a s sp r o c e s s i n gt e c h l l o l o g ya r ea sf o l l o w s ： 1 as i n g l e s i d e dl 印p i n g 锄dp o l i s h i n gt e c l n o l o g ) ro fu l t m - t h i ng l a s sw 弱s t l l d i e d t h ee 彘c t so f d i 虢r e n ta b i i 嬲i v es i z eo nm a t e r i a lr e l ：l l o v a lr a t ea j l ds u f f a c eq u a l 时w e r ed i s c u s s e d a n dt h ew 3 0 d i 锄o n df i x e da b r i 觞i v ep a d ( f a p ) a 1 1 d3 岬c e 0 2f a pw e r es e l e c t e dt 0u s ei nt h eu l t r a - t h i ng l a l s s p r o c e s s i n g f i n a l l y ，t h eu l n 小t l l i ng l 弱sa b o u t0 2 m mw a so b t a i n e d ，a 1 1 das i n g l e s i d e dl a p p i n g 卸d p o l i s h i n gp r o c e s st e c h i l o l o g y0 np r o c e s s i n gb o t hs i d e so ft h eu l 仃；l - t h i ng l 硒sw a l sf o m e d 2 ad o u b l e - s i d e dl 印p i n g 锄dp o l i s h i n gp r o c e s so fu l 船t l l i ng l a s sw 笛咖d i e d 1 1 1 ee 彘c t so f d i 饪- e r e n tp r o c e s sp a m m e t e r so nm a t e r i a lr e m o v a lr a t ea n ds u r f a c eq u a l i t ) rw e r ed i s c u s s e d t h es p e e d o fp a d ，s l u r 巧f l o wr a t e ，锄dp ho fs l u r i yw e r es t u d i e d d u r i n gn l el a p p i n gp r o g 陀s s ，m eo p t i m a l p 猢e t e r so fm ep r o c e s sa 陀0 b t a i 鹏da sf o l l o w ：l 印p i i 培s p e e di s6 0 r m i i l ，p hi s 1o ，t l l en o w0 f s l u r 巧i s1 0 5 m “m i l l t h em a t e r i a lr e m o v a lr a t eo f m eg l a s so nt l l eu p p e rs u r f a c ei sl e s st l l a nt l l el o 、e r s u r f k e ，w h i l e 廿l es u r f k eq 岫j i 够i sn o tv e 巧d i f f b r e n tb e t w e e nt l l eu p p e ra n dl o w e rs u r f a c e d u r i n g t 1 1 ep o l i s h m gp r o g 佗s s ，t h eo p t i m a lp a r a m c t e r so fm ep r o c e s sa r co b t a i n e d 雒f o l l o w ：p o l i s h i n gs p e e d i s3 0 r m i n ，p hi sl o ，t l l en o wo f s l 硼叮i s1 3 0 m i n 1 1 1 es u m l c eq u a l n yo f t h eu p p e ri sb e 吮rt 1 1 锄 t h el o w e r 3 t h em o v e m e n to fd o u b l e - s i d e dp o l i s h i n gp m c e s si sd i s c u s s e d ，锄dt l l em a n l e m a t i c a lm o d e lo f t h e 仃萄e c t o 巧i se s t a b l i s h e d ，w h i c hr e f e r st oa n yp o i mo ft h ep l a n e t a d ，g e 甜r e l a t i v et 0t i l ep a d b y c h 锄g i n gt t l ep 踟e t e 璐o fm ee q u a t i o n ，l ed i s t r i b u t i o no f 仃萄e c t o r i e sa n d 廿l ee 腩c to fd i 仃e r e n t p a m m e t e r sa r eo b s e n ，e d ，锄df i n a l l yt l l eo p t i m a lp 猢e t e r so ft l l e 订萄e c t o 叮a r eo b t a j n e d a st h e r e s u h ss h o 、v r l ，w h e n l ew o r k p i e c ei nm ep l a n e t a 巧g e a rk e e p sa w a yf b mt h ec e n t e r0 fp l 锄e t s ，a n d t l l em d i u sr a t i ob e t 、v e e np l 觚e t a r yg e a ra n dt o pp l a t ei s0 3 ，a 1 1 dt h er e l a t i v es p e e dm g eb e 坩e e nt 叩 p l a t e 锄ds u i lg e a ri s3 8 ，a 1 1 dt l l es p e e dr a t i om g e b e t 、e e nr i n gg e a r 锄ds i l i lg e a ri si nt 1 1 et i m e1 4 ， i i 南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文 t h eo p t i m a lt r a j e c t o 巧i so b t a i n e d a n df i n a l l y ，m e 允r t h e rw o r ko nt h et h e o 叫a n dt e c l l i l o l o g yo fu l 仃a - t h i ng l a s si sp r o s p e c t e d k e yw o r d s ：u l t r a - t h i ng l a s s ，f i x e da b r a s i v ep a d ( f a p ) ，l a p p i n ga n dp o l i s h i n g ，d o u b l e s i d el a p p i n g 锄dp o l i s l l i n g ，m 【a c h e m a t i c a lm o d e l i i i 超薄玻璃的固结磨料研磨抛光研究 南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文 图表清单 图1 1 化学机械研磨抛光原理图3 图1 2 固结磨料研磨抛光原理图4 图1 3 游离磨料固结磨料研磨抛光加工的对比4 图1 4 本文研究路线图9 图2 1 单面研磨抛光试验平台图l o 图2 2 固结磨料抛光垫图一1 1 图2 3 超薄玻璃贴片流程图。1 2 图2 4 超声波清洗槽。1 3 图2 5 数显螺旋测微器。13 图2 6m i t u l o y o ( 三丰) 工具测量显微1 3 图2 7 磨粒粒径对材料去除率的影响1 4 图2 8 不同粒径的金刚石形貌比较。1 5 图2 9 工件原始表面形貌一1 5 图2 1 0w 4 0 金刚石f a p 研磨后工件表面形貌1 6 图2 1 lw 3 0 金刚石f a p 研磨后工件表面形貌1 6 图2 1 2 不同抛光垫对m r r 的影响1 7 图2 1 3w 1 4 金刚石f a p 抛光后工件表面形貌1 8 图2 1 43 蝉i 氧化铈f a p 抛光后工件表面形貌1 8 图2 1 5 单面研磨抛光工艺路线设计1 9 图2 1 6 第一条工艺路线加工后的表面形貌2 0 图2 1 7 第二条工艺路线加工后的表面形貌2 0 图2 1 8 第三条工艺路线加工后的表面形貌2 1 图2 1 9 超薄玻璃两面加工工艺路线设计2 2 图2 2 0 加工后a 、b 两面的表面形貌对比2 2 图2 2 l 原始样件与加工后的超薄玻璃的实物图对比2 3 图2 2 2 加工后的样品2 3 图3 1 双面研磨抛光平台实物图2 5 图3 2n a n o m 印5 0 0 l s 三维轮廓仪2 6 图3 3 行星轮三维示意图2 6 v i i 超薄玻璃的固结磨料研磨抛光研究 v i i i 图3 4 工件与承载片粘结示意图2 7 图3 5 工件在行星轮中装夹示意图2 7 图3 6 厚度测量点分布图2 8 图3 7 研磨盘转速对材料去除率影响一31 图3 8p h 对材料去除率影响图3 1 图3 9 流量对材料去除率影响图一3 2 图3 1 0 正交试验极差分析3 2 图3 1 1 工件加工前后表面形貌对比3 3 图3 1 2 工件加工前后粗糙度测量对比3 3 图3 1 3 转速对表面粗糙度影响3 6 图3 1 4 流量对表面粗糙度的影响3 7 图3 1 5p h 对表面粗糙度的影响3 7 图3 1 6 正交试验极差分析3 8 图3 1 7 超薄玻璃双面加工工艺流程3 9 图4 1 双面抛光机运动三维图4 2 图4 2 双面抛光机运动简图一4 3 图4 3 工件一点相对于上抛光盘的运动一4 4 图4 4 工件一点相对于下抛光盘的运动4 6 图4 5 抛光盘内外齿轮不同转速比m 的运动轨迹4 8 图4 6 上抛光盘与内齿轮的不同转速比n 的运动轨迹一4 9 图4 7 行星轮与抛光盘的不同半径比k 的运动轨迹4 9 图4 8 抛光盘上不同位置的点的运动轨迹5 0 表2 1 单面研磨工艺参数设置1 4 表2 2 单面抛光工艺参数设置一1 7 表3 1 双面研磨实验参数及对应水平2 8 表3 2 双面研磨实验表头设计2 8 表3 3 上玻璃材料去除率实验结果2 9 表3 4 下玻璃材料去除率实验结果3 0 表3 5 双面抛光实验参数及对应水平3 4 表3 6 双面抛光实验表头设计3 4 表3 7 上玻璃粗糙度正交分析3 5 表3 8 下玻璃粗糙度正交分析3 5 南京航空航天大学全日制专业学位硕= 二学位论文 注释表 电致发光显示器 行星轮的位置参数 固结磨料研磨抛光垫 场致发光显示器 中心齿轮与外圈齿轮的半径 半导体发光二极管 材料去除率 齿轮模数 抛光盘与中心齿轮的转速比 等离子体显示器 压电陶瓷扫描 外圈齿轮半径 表面粗糙度 中心齿轮半径 浅沟道隔离 扫描探针显微镜 研磨抛光时间 超大规模集成电路 紫外光 中心轮齿数 行星轮齿数 外圈齿轮齿数 中心齿轮角速度 行星轮自转角速度 外圈齿轮角速度 行星轮公转角速度 抛光盘角速度 肋 e 附 皿 k 皿 一 m n 肼 唧 r 勋 ， 蛐 善； 。 一 w 蜀磊乙 铆 蛳 蛳 唧 南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 超薄玻璃是相对于普通玻璃而言的，其厚度一般在0 1 1 5 m m 之问。超薄玻璃具有厚度薄、 透光率高、光电性能好等优点，是一种新兴的高技术含量、高附加值的优质玻璃。超薄玻璃的 应用极其广泛，涉及工业、科技以及民用等各个领域，如各种显示器、数码产品、仪器仪表、 集成电路和其他高端产品中所使用的玻璃【l 。1 。超薄玻璃在各种电子产品中的广泛应用，特别 是在显示器中的使用，对电子产业的发展具有重要的意义。由于当今世界液晶显示器( l c d ) 、 场致发光显示器( f e d ) 、等离子体显示器( p d p ) 及电致发光显示器( e l d ) 等技术的迅猛发展，为 生产科技含量较高的体积小、重量轻、便于携带的平板显示器提供了可靠的技术保证，而超薄 玻璃恰好是其中最为重要且又不可或缺的组成部分之一。平板显示器所使用的1 毫米及1 毫米 以下超薄玻璃如今已成为国际国内市场的抢手货，这给超薄玻璃的生产和销售大市场带来了无 限生机，使超薄玻璃在平板显示器中的应用成为其发展的关键所在【4 巧】。随着超薄玻璃应用日益 广泛、市场需求与日俱增，超薄玻璃的加工成为人们关注的焦点。 近年来，随着高科技产业、电子产业以及高端产品的飞速发展，超薄玻璃作为其产品的重 要组成部分，对表面粗糙度和平整度的要求越来越高，尤其在高端产品中，甚至要求加工后的 超薄玻璃达到纳米级超光滑且无变形、无损伤的超精密表面，即表面无任何破损和划痕、亚表 层无破坏、无表层应力【6 j 。因此如何高效地获得超薄玻璃超光滑无损伤表面已成为超精密加工 技术的重要研究方向。近年来，光学和微系统技术迅速发展，由于超薄玻璃具有良好的微加工 性能，在玻璃上制作微米、纳米尺度的微结构和微器件的技术，已广泛应用于光电子、微波技 术、衍射光学元件等众多领域。但是，由于光学和微电子学器件的粗糙表面可引起光散射和信 号损失，从而降低器件性能，因此超薄玻璃的精密、超精密加工对提高光学和微电子学器件的 性能具有十分重要的意义，成为光学和微电子学研究的重要课题之一p 母】。而化学机械研磨抛光 作为玻璃表面加工的重要手段，应用于超薄玻璃的加工，不仅都能获得厚度较薄的玻璃，同时 还能获得较高的玻璃表面质量。国内外超薄玻璃的市场需求与日俱增，据资料显示，目前市场 对超薄玻璃的需求量以每年2 0 的速度递增，化学机械抛光加工超薄玻璃将成为应对超薄玻璃 大量需求的主要手段，同时也将为国内急需的超薄玻璃提供新的供货市场【1 0 。1 2 】，因此研究超薄 玻璃的研磨抛光技术具有很大的科研意义，同时也存在巨大的商业价值。 化学机械研磨抛光是保证光学玻璃的表面完整性和表面粗糙度的核心技术，研磨直接去除 玻璃原始切削造成的表面损伤层和腐蚀变质层，改善工件的表面质量并获得高的平面度，为抛 光过程获得超光滑表面做准备，抛光去除研磨带来的细微的表面损伤，从而进一步提高工件的 1 超薄玻璃的固结磨料研磨抛光研究 表面质量。在加工过程中，如果研磨过程达不到预想的效果，就会影响后续的抛光过程的进行， 就会导致生产效率的下降，且抛光无法达到所需的表面质量。传统的玻璃超精密加工方法大多 采用游离磨料化学机械抛光的平整方法，其存在一定的缺陷和不足。随着对光电子产品表面质 量要求的不断提高，表面平坦化技术的要求也在不断提高 13 1 。人们对原有的加工原理和加工方 法进行了变革和创新，同时随着超精密检测技术水平的不断提高，以及人们对超精密表面成型 原理认识的不断深入，研究人员在传统的研磨抛光基础上，研发出新的加工工艺技术，形成了 新的高精度、无表面损伤的超精密加工方法一固结磨料研磨抛光技术，目前，固结磨料研磨 抛光成为人们应用较广，性价比较高的加工方法，因此对固结磨料研磨抛光工艺的研究已成为 超薄玻璃加工的研究重点i l4 | 。 综上所述，超薄玻璃具有较高的使用价值，以及广泛的应用市场，其对人类生活的作用已 不可取代，超薄玻璃的加工和制造具有广阔的前景和较高的商业价值。作为超精密加工的主要 手段，固结磨料研磨抛光技术是实现超薄玻璃高效超精密加工的重要途径。并且随着尖端科技 产业的发展，对超薄玻璃加工精度的要求日益提高，固结磨料研磨抛光技术将为超薄玻璃的发 展带来新的更广阔的前景。 1 2 固结磨料研磨抛光技术 1 2 1 固结磨料研磨抛光概述 化学机械研磨抛光采用化学腐蚀和机械切削对工件的表面进行平坦化处理，是工件表面精 密加工最主要的工艺之一。化学机械研磨抛光在大规模集成电路( u l s i ) 制造方面的应用，使 得化学机械研磨抛光技术得到了飞速的发展，化学机械研磨抛光技术在表面平坦化的效果上较 传统的平坦化技术有了极大的改进，从而逐渐的被应用到军事国防、航空航天、以及国民生活 等多个领域，成为制造业中一项重要工艺。而各个领域对化学机械抛光的应用和推广，进一步 推动了化学机械研磨抛光技术的发展。化学机械抛光技术在实现全局平坦化方面的优良效果， 使人们意识到化学机械研磨抛光技术的应用前景，以及研究化学机械抛光技术的深远意义。 在化学机械研磨抛光的过程中，既可以以化学作用作为主导作用，也可以以机械作用作为 主导作用，针对不同材料的工件采用有针对性的加工方式是化学机械研磨抛光研究的重点，而 作为化学机械研磨抛光研究的基础，对其原理的研究更是化学机械研磨抛光研究重中之重。化 学机械研磨抛光是化学作用和机械作用的综合作用，其原理如图1 1 所示，待加工工件被粘结 在承载器上，在外界压力的作用下，与抛光垫接触，抛光盘在电机的驱动下旋转，与工件产生 相对运动，带有磨料的抛光液不断滴入抛光盘上，随抛光盘旋转，磨料随抛光液被甩到抛光盘 的各个角落，从而在磨料和抛光盘的共同作用下，对工件表面实现均匀机械去除，机械作用的 大小主要取决于磨料的粒度。此外抛光液中含有各种化学成分，其作用是对工件的表面材料进 2 南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文 行化学作用，改变工件表面材料的化学键，在工件的表面形成一层易去除的软化层，降低了材 料去除的难度，可以实现以较小机械作用获得较大的材料去除，从而减小了机械作用带来的表 面划痕和损伤，提高了工件表面的加工质量和面型精度”1 。 承载器 工件 r t |卜 r 0 图1 1 化学机械研磨抛光原理图 传统的化学机械研磨抛光存在许多的缺点和不足。传统的化学机械研磨抛光采用含有游离 磨料的抛光液，加工过程中抛光液中磨料的分布是不确定的，且分布的均匀性无法控制，而要 提高材料的去除率和表面质量，需要精确的控制抛光过程的各个参数，所以传统的抛光技术不 能达到要求，同时磨料的分布的不均匀，也会造成某些磨料分布较多的部分，化学机械作用较 强，材料去除率较大，很容易发生研磨抛光切削不均匀现象，因此工件的表面精度难以保证。 此外，游离磨料的抛光过程中，工件表面切削下来的废料难以清除，影响工件的加工质量，成 为游离磨料加工工件需要解决的一项难题。而游离磨料研磨抛光过程中磨料的利用率低、工艺 过程难以控制、加工中废料难以清除以及抛光液的消耗非常大等问题也造成了游离磨料研磨抛 光加工工件所需要的成本往往非常高。此外，游离磨料研磨抛光对环境污染也是不容忽视一个 问题。因此，诸多的缺点限制了传统的化学机械研磨抛光技术的发展1 1 n 1 。 化学机械研磨抛光作为一种最有效的全局平坦化方法，广泛应用于光学、微电子学、国防 工业的各种元器件的加工过程中，其研究和使用价值日益凸显，为此在传统的研磨抛光工艺基 础上，进一步研究和改进化学机械研磨抛光方法成为一项重要的课题，而固结磨料研磨抛光技 术的出现为化学机械研磨抛光技术的发展带来了新的突破。 研究人员研究了游离磨料的材料去除机理，针对游离磨料存在的许多问题，提出了固结磨 料的研磨抛光的工艺方法，其原理如图1 2 所示。对图1 1 和1 2 进行对比，可以看出固结磨料 研磨抛光技术采用固结磨料抛光垫( f m ，) 取代传统的游离磨料，采用无磨料的抛光液取代含 有磨料的抛光液，形成了新的化学机械研磨抛光加工工艺方法，解决了传统的游离磨料研磨抛 光的缺点和不足。固结磨料研磨抛光技术以游离磨料研磨抛光为基础，对抛光垫和抛光液进行 了研究和改进，使其具有游离磨料研磨抛光技术所无法取代的诸多优点。 超薄玻璃的固结磨料研磨抛光研究 承载器 工件 r o 、 夕 4 抛光 抛光 臣； 抛光 抛光 1 什 d 缩蜘村 地光 ( a ) 游离磨料研磨抛光( b ) 固结磨料研磨抛光 图1 3 游离磨料固结磨料研磨抛光加工的对比 器 | | | | | i | | | | | | | | | | i | | | | 南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文 1 2 2 固结磨料研磨抛光研究现状 固结磨料研磨抛光技术在表面平坦化方面的突出表现，吸引了国内外学者和业界人士的普 遍关注，并对固结磨料化学机械研磨抛光的去除机理、加工工艺及应用做了大量的研究。 l e e 等人【2 l 】针对芯片进行固结磨料化学机械研磨抛光研究，分析了磨料粒径、抛光压力、 工件与抛光盘的相对转速和工件硬度等因素对材料去除率的影响，形成了芯片的加工工艺参数 和材料去除率之间的影响关系。c h o i 等人【2 2 】以亲水性聚合物为原料采用紫外光( u v ) 固化的 方法制备抛光垫，并用此抛光垫对磨具钢进行注射模抛光，获得了较好的加工表面而且材料去 除率比传统的研磨抛光方式提高了3 0 。l v 等人1 2 3 j 将金刚石固结在光敏树脂中，制备形成固 结磨料抛光垫，并用此抛光垫对氮化硅陶瓷进行研磨加工，研究了固结磨料抛光垫对氮化硅陶 瓷的材料去除率和表面质量的影响，形成了陶瓷球的粗加工和半精加工的加工工艺。h u a n g 等 人【2 4 】采用a 1 2 0 3 固结磨料抛光垫对电镀c u 膜进行固结磨料化学机械研磨抛光，研究了分别由 双氧水、双氧水一柠檬酸和羟胺制成的抛光液对材料去除率和表面质量的影响，分析了不同抛光 液对材料去除率和表面质量影响的原因。 l i n 等人【2 5 】针对研磨抛光材料去除率和表面质量进行研究，得出了抛光液流量、压力等因 素对研磨抛光表面质量的影响，并且得出研磨抛光的非均匀性去除规律。a l l i l 等人【2 6 j 通过对 a l 进行双面研磨抛光，研究抛光压力、磨粒浓度等参数对抛光表面质量的影响，优化分析抛 光参数，得出了最优的抛光压力、磨粒浓度的参数值，并且实验加工出了较好的表面质量。l e e 等人f 2 7 】研究了化学机械研磨抛光的加工性能的影响因素，通过对压力、转速等抛光参数的分析， 研究了不同的加工参数对双面研磨抛光加工性能的影响。 t 0 s h i 等人【2 8 】提出了一种新的数学建模方法，利用工件运动的几何关系，分析建立了运动轨 迹的数学方程，直观的表达了工件的运动过程，同时通过实验分析去除率方程w = k p v 中参数p 与v 对去除率的影响，提供了一种新的数学建模理念，分析了参数对去除率的影响。w 色n s l 【i 等 人【2 9 1 根据双面抛光运动的几何关系建立运动轨迹模型，对运动轨迹进行仿真，分析轨迹参数之 间的关系，通过试验在纳米显微镜下观察被抛光工件的表面质量来验证轨迹参数选择的优劣。 b a n l e v 等人从双面研磨材料去除率角度建立模型，研究工件上下表面的材料去除率的差别， 并通过实验发现双面抛光上表面的材料去除率仅为下表面的四分之一，通过仿真与实验共同论 证了上下表面材料去除率的差别。 杨建东等人【3 l 】分析了单面研磨抛光和双面研磨抛光的材料去除影响因素，并采用环氧树脂 将金刚石丸片与磨具粘结形成固结磨料研磨盘，研究了固结磨料研磨抛光材料去除机理及工件 的均匀磨损理论，为以后研究单面、双面研磨加工工艺提供了理论基础。苏建修等人【3 2 3 3 】对固 结磨料化学机械研磨抛光的抛光机和抛光液了研究，比较了游离磨料和固结磨料的优缺点，得 出了固结磨料化学机械研磨抛光硅片后会产生的典型缺陷和处理方法。 5 超薄玻璃的固结磨料研磨抛光研究 袁巨龙等人【3 4 】采用氧化铈抛光粉对石英基片进行双面研磨抛光加工，研究抛光盘的弹性变 形和工件的运动轨迹以及抛光盘的形状和精度对石英基片平面精度的影响，并通过实验分析验 证了抛光盘的转速和材质、抛光压力、抛光液的浓度对材料的去除率的影响，以双面研磨抛光 取代单面研磨抛光，获得了大批量生产石英基片的加工工艺。张楷亮等人【3 粥6 j 采用自制的抛光 液对硅晶体实施双面研磨抛光，并与进口n a l c 0 2 3 5 0 抛光液进行比较，研究加工的材料去除率 和表面质量差别，研究得出通过自制的抛光液不仅可以提高抛光速率，还可以有效的改善抛光 表面的平坦性和粗糙度。李伟等人【3 h o 】研究了双面抛光对硅片的加工工艺，对硅晶体双面加工 的工艺参数进行了优化，此外设计双面抛光机的控制系统，改进了传统双面抛光机的结构，提 高双面抛光机的加工效率和加工精度。 库黎明等人【4 】j 利用齐次坐标变换建立轨迹方程，进而求出速度、加速度方程，利用速度、 加速度求出轨迹的曲率方程，通过曲率大小来判定参数值对轨迹的影响。金杨福等人【4 2 j 利用微 元积分法对双面抛光进行受力分析，利用力与力矩的关系建立运动轨迹的力学模型，根据力矩 平衡原理，获得了轨迹的数学方程表达式，从表达式中可以直观的看出对轨迹有影响的参数值。 刘建河等人【4 3 】运用图形变换的方法建立了行星机构双面研磨的轨迹方程，并对轨迹进行仿真， 研究了研磨盘的半径与轨迹分布的关系，找出了研磨盘上轨迹分布均匀的环形带，获得了优化 的加工工艺参数。 南京航空航天大学朱永伟等人【4 4 枷】提出一种亲水性固结磨料研磨抛光的方法，以树脂作为 基体将磨料固结在抛光垫中，形成固结磨料抛光垫，针对光学玻璃进行研磨抛光实验，通过对 比固结磨料和游离磨料研磨抛光的去除率和表面质量发现利用亲水性固结磨料抛光垫对光学玻 璃进行研磨抛光，其在材料去除率、表面质量方面的效果非常好，并探索和研究固结磨料研磨 抛光垫对k 9 玻璃、手机面板玻璃以及其他光学玻璃的加工工艺。 固结磨料研磨抛光的研究解决了游离磨料研磨抛光的缺点和不足，满足了现代化高端产品 对工件表面质量的要求，但随着光学、微电子学、航空航天以及国防科技的飞速发展，其对高 精度超薄玻璃的需求量不断增大，仅仅采用单面研磨抛光的方式已不能满足超薄玻璃的大量需 求，这对化学机械研磨抛光领域提出了新的要求。双面研磨抛光加工效率高，适用于工件的大 批量生产，成为满足超薄玻璃大批量需求的重要加工手段。研究双面研磨抛光加工工艺方法对 超薄玻璃的发展具有重要的意义。目前，国内的双面研磨抛光技术在许多方面仍须进一步的改 进和发展，在加工精度方面，国内的双面加工水平仍然无法满足高精度光电子生产对光学材料 加工的精度要求。在生产效率方面，随着光电子元件的应用日益广泛，对高精度加工的光学材 料的需求量与日俱增，国内的光学材料的加工效率缓慢，远远不能满足市场的需求，而且加工 工艺的稳定性差，很难进行大批量、高精度、高要求产品的加工。因此，固结磨料双面研磨抛 光技术的研究具有重要的生产指导意义。 6 南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文 1 3 超薄玻璃加工研究现状 随着高科技时代的来临，超薄玻璃作为许多精密元器件的重要组成部分，广泛应用于航空 航天、军事国防及人们日常生活中，其表面平整度、透光性能、耐腐蚀性能以及表面精度等品 质的要求也越来越高。由于超薄玻璃加工的难度大，对加工设备的要求高，普通的玻璃加工方 法，不能满足超薄玻璃的大批量、高精度的加工要求。因此，对超薄玻璃精密、超精密加工方 法的研究成为人们研究的热点。 美国学者研究了通过提高抛光盘的精度和采用独特的抛光垫材料可以实现超薄晶片的研磨 抛光加工，并能获得较好的加工精度和表面质量。t o u g e 等人【4 8 j 研究了研磨和抛光过程中超薄 基板的表面质量和材料去除率的变化规律，分析了在聚氯乙烯树脂和金刚石磨粒制成的抛光垫 作用下，研磨抛光过程材料去除率和表面质量随时问的变化规律，并采用研磨抛光的方法加工 超薄基板，获得了最小厚度为0 4 n l l l l 的超薄基板。m i l l e r 和m a n i n 等人【4 9 - 删研究出了一种超薄 镜的新加工工艺。采用与镜坯材质相同的材料作为基底，在基底和镜坯上分别磨削出曲率相同 的凸球面和凹球面，然后将两个球面配合进行相对磨合，直至两个球面完全贴合。然后将镜坯 和基底放入加热炉内进行加热，并用沥青使两个面粘合，待其冷却后对镜坯的另一面进行研磨 抛光加工，使镜坯的厚度达到2 i m 且表面精度符合一定的要求，加工后的超薄镜放到设计好 的调整机构上进行调整，使其面型达到要求。根据该方法进行了实验研究，加工出了直径为 1 9 5 c m ，厚度为1 6 m m 的超薄镜，获得了一些超薄镜的加工经验。d u 等人【”l 介绍了几种典型超 薄晶体材料的超精密加工技术的发展，研究了几种超薄材料的加工设备，如超薄平面晶体研磨 机等，总结了单晶硅、石英玻璃、k 9 玻璃等超薄晶体的加工方法，并探讨了超精密加工的发展 趋势。 应永伟等人弦5 3 1 研究了一种高精度超薄玻璃基片制备工艺。该工艺涉及研磨和抛光设备工 艺参数设置、浆料配置、加工后玻璃基片的平面度检测和表面质量检验，并针对厚度在1 5 咖 以上的光学玻璃进行表面研磨抛光加工，最终成功加工了平面度、平行度、光洁度、粗糙度较 好的平面玻璃，其厚度可以达到o 5 m m 。林烽、林申旺等人【5 4 j 研究了厚度为o 0 5 i m 偏硼酸钡 超薄形晶体零件的加工新工艺，通过研磨和抛光工艺，对超薄形晶体进行两面加工，介绍了下 料、第一次上盘、细磨、抛光、第二次上盘、控制厚度、第二面磨砂、第二面抛光的一整套详 细的加工工艺过程，提出了零件在加工中易碎裂、变形及平行度难以控制等各种难题的解决办 法。陈小莲和黄启泰等人5 5 毒6 1 研究了一种新的超薄玻璃的加工方法，针对超薄玻璃的刚度差、 易变形等缺点进行了工艺改进。由于传统的工件粘结方法，超薄玻璃加工后面型精度较好，但 工件取下的过程容易使超薄玻璃发生变形而影响工件的面型精度，因此，研制出采用真空模具 吸附法将工件固定避免工件在加工和装卸过程中的变形，该方法降低了加工时不均匀压应力的 影响且装卸不需要加热，不仅降低了加工难度，提高了加工效率而且减少工件的变形，使得加 7 超薄玻璃的固结磨料研磨抛光研究 工后的工件的面形精度与加工过程中相近，从而保证了工件的加工精度。叶露等人 5 7 】研制成功 了2 0 0 m m 口径薄膜型反射镜的加工工艺方法。以大理石为基底加工出与所要加工的超薄玻璃 的曲率半径相近的球面，然后将原始厚度为5 m m 左右的k 9 材料平板玻璃放置在大理石上，将 大理石基底连同k 9 平面玻璃一同放入炉内进行加热，平板玻璃受热后软化，其悬空的部分向下 塌陷并与球面的大理石基底贴合，待完全贴合后将其冷却成型。然后将成型的超薄玻璃粘结在 大理石基底上进行表面加工，通过粗磨和精磨将其厚度减薄到3 m m 左右后，对磨削的表面进 行抛光处理，最后把超薄玻璃从大理石基底上取下，成为满足所需要求的超薄玻璃。 超薄玻璃研磨抛光加工中存在许多的困难，针对这些困难研究了相应的改善措施，主要包 括： 超薄玻璃不易装夹，且加工过程中受温度和应力变化容易发生碎裂、变形，此外，超薄玻 璃加工易产生厚度不均匀、平行度难以控制等问题。针对超薄玻璃厚度极薄、装夹比较困难的 问题，在研磨、抛光过程中把超薄玻璃粘结在玻璃承载片上使其厚度得到延展，以适于加工的 需要。此外，超薄玻璃加工中极易受到应力和温度的影响，因此调慢转速，减轻压力，控制好 温差，可以很好的减少和避免加工过程中出现破碎、变形现象。为解决加工厚度不均匀问题， 采用双面抛光的方法，在双面等量去除的条件下，可得到厚度均匀的抛光玻璃。为控制平行度， 在玻璃粘结处的胶层要尽量压得薄而均匀，使研磨抛光玻璃与玻璃承载片平行，防止加工过程 中发生塌边现象。至于平面度，只要选择固化收缩率小、软化点高、透过率好、流动性强的胶体， 就可以获得较好的平面度【5 8 】。 1 4 本文研究的主要内容 由于超薄光学玻璃的应用广泛，采用固结磨料研磨抛光加工超薄玻璃，不仅可以获得厚度 极薄的超薄玻璃，而且可以获得较高的表面质量。因此，开展固结磨料研磨抛光工艺研究，对 超薄玻璃的发展具有重要的意义，且可以获得较高的经济收益。在探索和研究的基础上，本文 主要针对厚度为0 6 毫米的超薄光学玻璃进行化学机械研磨抛光研究，通过研磨、抛光两个步 骤，研究如何获得在厚度和表面质量均符合加工要求的超薄玻璃。通过单面研磨抛光和双面研 磨抛光两个方向对超薄玻璃的加工进行实验，研究单面研磨抛光超薄玻璃的研磨抛光垫的选择， 获得超薄玻璃加工的工艺路线，并通过实验进行验证。此外，进行双面研磨抛光的加工工艺参 数的探索和优化，研究超薄玻璃的双面研磨抛光加工工艺。 本课题在国家自然基金项目资助( 5 0 9 0 5 0 8 6 ) ，以及中航集团横向课题的支持下主要从实验 出发，研究超薄玻璃单面、双面研磨抛光加工工艺。针对单面研磨抛光加工超薄玻璃，研究不 同研磨抛光垫对材料去除率和表面质量的影响，并选择适合的抛光垫组合对超薄玻璃进行加工， 探索超薄玻璃双面研磨抛光加工的工艺参数，在超薄玻璃双面研磨抛光实验的基础上，研究超 8 南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文 薄玻璃双面加工的工艺路线，并对双面研磨抛光进行数学建模和轨迹优化从理论上对双面研磨 抛光工艺参数进行研究与分析。 综上所述，本文的主要研究内容包括以下三个方面： 1 、探索超薄玻璃单面研磨抛光的加工工艺。首先针对超薄玻璃的研磨和抛光两个过程，通 过对材料去除率和表面质量的实验结果分析，研究金刚石和氧化铈研磨抛光垫对材料去除率和 表面质量的影响，选择出最优的抛光垫组合对超薄玻璃进行加工，探索超薄玻璃加工的加工工 艺。 2 、在单面研磨抛光研究的基础上，开展超薄玻璃双面研磨抛光研究。通过实验研究双面研 磨抛光过程中盘光盘的转速、抛光液的流量、抛光液的p h 值对材料去除