固結(jié)磨料研磨拋光加工微晶玻璃的工藝研究

孫祥

摘要 ：微晶玻璃憑借其優(yōu)越的綜合性能將成為下一代硬盤基板材料的最佳選擇。然而微晶玻璃屬于硬脆材料，用傳統(tǒng)的加工方法很難獲得高質(zhì)量的超光滑表面。針對微晶玻璃超精密加工中的困難，本文探索用親水性固結(jié)磨料研磨拋光墊（FAP）對其進行研磨拋光的新工藝，并通過實驗來研究其加工后所獲得的表面質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 ：固結(jié)磨料拋光 微晶玻璃 表面粗糙度

引言

微晶玻璃是一種很好的結(jié)構(gòu)材料，具有良好的機械性能和較高溫度下的化學(xué)穩(wěn)定性，因而引起人們的廣泛注意。近年來，隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展對計算機的外部存儲器，作為硬盤基板新的材料的微晶玻璃在計算機發(fā)展中越來受到青睞。由于微晶玻璃微觀組成中的結(jié)晶相與玻璃相的結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分都不相同，顯微硬度也非常高，傳統(tǒng)的加工方法難以加工出亞納米級光滑表面，因而化學(xué)機械拋光（CMP）成為唯一有效用于加工微晶玻璃的技術(shù)。因此，探索采用固結(jié)磨料拋光墊研磨拋光微晶玻璃的工藝方法，可以為微晶玻璃超精密加工工藝的制訂提供依據(jù)。

一、微晶玻璃加工方法

目前國內(nèi)外主要是根據(jù)微晶玻璃特殊的微觀組成結(jié)構(gòu)和性能特點，對其表面進行精密和超精密的磨削加工，從而達到納米級的表面質(zhì)量和平面度。中科院長春光機所韓榮久等人的研究表明，微晶玻璃的晶粒尺寸大約為30～40 nm。因此，要實現(xiàn)其原子量級的去除，獲得超光滑表面，必須采用納米級的拋光磨料。微晶玻璃表面原子在磨料微粒的撞擊作用下脫離工件主體，從而被去除。而原子的去除過程則是磨料與工件在原子水平的碰撞、擴散和填補過程。因此研磨和拋光加工是現(xiàn)階段加工微晶玻璃的主要工藝方法。

二、固結(jié)磨料研磨拋光加工微晶玻璃的工藝研究

1. 研磨拋光實驗設(shè)置

1.1研磨拋光平臺

研磨拋光試驗在PHL-350型平面高速研磨拋光系統(tǒng)上進行，為了提高研磨盤的平面度，減小行為誤差，通常在加工之前將研磨盤兩兩互研，并用刀口尺檢查研磨盤的平面度，以保證被加工工件的表面質(zhì)量。

1.2拋光墊

拋光墊在CMP過程中具有貯存拋光液并把它們運送到工件的整個加工區(qū)域、維持拋光所需的機械和化學(xué)環(huán)境、傳遞材料去除所需的機械載荷等作用[1]。因此，本文采用粒度為W14的金剛石親水性FAP作為拋光墊，以實現(xiàn)高效高質(zhì)低成本的CMP加工具有重要的意義。

1.3 研磨拋光液

采用去離子水和其它化學(xué)添加劑作為拋光液，省去了傳統(tǒng)游離磨料拋光中拋光漿料和懸浮微粒的處理以及pH值的變化造成磨粒性能不穩(wěn)定及沉淀等問題，簡化了傳統(tǒng)游離磨料拋光中拋光廢液的處理，具有綠色環(huán)保的特點[2]。本實驗中所使用的拋光液僅為去離子水。

2、壓力P、轉(zhuǎn)速ω1、偏心距e的變化對工件表面質(zhì)量的影響

2.1 表面質(zhì)量

被加工工件表面質(zhì)量是作為評價FAP加工性能的另一重要指標(biāo)，包括工件三維輪廓表面粗糙度Sa，Ra和工件的平面度。其中，三維輪廓表面粗糙度Sa，Ra和局部平面度PV由ADEMicroXAM系統(tǒng)測得，測量的范圍為868μm×646μm，掃面深度50nm，放大倍數(shù)為5×2.0。

2.2 壓力P的變化對Sa，Ra的影響

分別選取壓力P為0.05Mpa，0.075Mpa，0.1Mpa，其他參數(shù)如下：ω1=150rpm，e=70mm，對微晶玻璃片進行研磨，每片的研磨時間為10min。研磨前后用酒精清洗表面，烘干后分別在工件中間、中部、邊緣3個位置取2個測量點測量其Sa和Ra，取平均值，計算標(biāo)準(zhǔn)差，分析3種壓力下研磨加工微晶玻璃不同位置處的表面粗糙度對比結(jié)果，可以看出：1）壓力的變化會影響微晶玻璃研磨的粗糙度，過高的壓力不利于研磨拋光微晶玻璃表面質(zhì)量的提高。2）微晶玻璃加工后的粗糙度邊緣位置要優(yōu)于中部和中間位置，利用固結(jié)磨料加工微晶玻璃時壓力不應(yīng)過高。

2.3 轉(zhuǎn)速ω1的變化對Sa，Ra的影響

分別選取轉(zhuǎn)速ω1為100rpm， 150rpm，200rpm，其他加工參數(shù)如下：P=0.075Mpa，e=70mm，對微晶玻璃片進行研磨，每片的研磨時間為10min。研磨前后用酒精清洗表面，烘干后分別在工件中間、中部、邊緣3個位置取2個測量點測量其Sa和Ra，取平均值，計算標(biāo)準(zhǔn)差，分析3種轉(zhuǎn)速下研磨加工微晶玻璃不同位置處的表面粗糙度對比結(jié)果，可以看出：1）轉(zhuǎn)速對微晶玻璃粗糙度值的影響呈現(xiàn)正態(tài)分布，轉(zhuǎn)速適當(dāng)提高有利于穩(wěn)定微晶玻璃粗糙度值。2）微晶玻璃加工后的粗糙度邊緣位置要明顯優(yōu)于中部和中間位置。

2.4 偏心距e的變化對Sa，Ra的影響

分別選取偏心距e為50mm，70mm，90mm，其他加工參數(shù)如下：P=0.075Mpa， ω1=150rpm，對微晶玻璃片進行研磨，每片的研磨時間為10min。研磨前后用酒精清洗表面，烘干后分別在工件中間、中部、邊緣3個位置取2個測量點測量其Sa和Ra，取平均值，計算標(biāo)準(zhǔn)差，分析3種偏心距下研磨加工微晶玻璃不同位置處的表面粗糙度對比結(jié)果，可以看出：1）偏心距增大，研磨速度增加，可以獲得更高的表面精度。2）邊緣部位的表面粗糙度較中間和中部更低。

2.5 工藝參數(shù)對表面質(zhì)量的影響分析

綜合上述對比結(jié)果可知，用固結(jié)磨料研磨加工微晶玻璃可以獲得優(yōu)于傳統(tǒng)加工方式的表面質(zhì)量。而從不同壓力、轉(zhuǎn)速、偏心距下研磨微晶玻璃所獲得的Sa，Ra和Pv值的對比分析可知，根據(jù)加工的要求合理選擇壓力、轉(zhuǎn)速、偏心距等主要工藝參數(shù)。

三、微晶玻璃研磨加工后的表面形貌

下圖是在工具顯微鏡1500倍率觀察下的經(jīng)過固結(jié)磨料研磨加工后的微晶玻璃表面形貌，從中可以看出其研磨后的表面幾乎全是無規(guī)則的點坑，卻沒有劃痕，這說明微晶玻璃在研磨過程中材料的去除方式主要是脆性去除，而不是塑性去除，從而也說明了微晶玻璃屬于脆硬材料，其結(jié)構(gòu)屬于多晶體，因此采用固結(jié)磨料研磨加工的方式非常適合。

四、總結(jié)

微晶玻璃以優(yōu)良的物理特性被廣泛用于各個領(lǐng)域，因此對于微晶玻璃的研究有著重大的意義。因此本文開展了固結(jié)磨料研磨拋光加工微晶玻璃的工藝研究，借助實驗研究、理論分析等手段，深入地研究了固結(jié)磨料研磨拋光加工微晶玻璃的工藝方法和工藝參數(shù)，以解決傳統(tǒng)的加工方式難加工材料的問題[3]?，F(xiàn)將本文完成的工作和研究成果總結(jié)如下：

（1）分析了微晶玻璃的發(fā)展情況、結(jié)構(gòu)組成和國內(nèi)外對于微晶玻璃的研究成果，闡述了微晶玻璃作為一種新型材料的廣闊運用前景和發(fā)展?jié)摿Α?/p>

（2）通過實驗的方法探究了固結(jié)磨料研磨拋光加工微晶玻璃的加工工藝和主要工藝參數(shù)，研究所得到結(jié)論如下：

壓力、轉(zhuǎn)速、偏心距是固結(jié)磨料研磨加工微晶玻璃的主要加工參數(shù)，這些參數(shù)的變化會影響表面質(zhì)量，應(yīng)該綜合加工要求、精度要求和經(jīng)濟性要求來合理選擇。

參考文獻：

[1] 魏昕， 熊偉， 黃蕊慰，等. 化學(xué)機械拋光中拋光墊的研究[J].金剛石與磨料磨具工程， 2004，（5）：40～43.

[2] 杜宏偉. 光電子材料鉭酸鋰晶片化學(xué)機械拋光過程研究[D]. 廣州：廣東工業(yè)大學(xué)， 2004.

[3] 周亮. 微晶玻璃冰凍固結(jié)磨料拋光工藝研究[D]. 南京：南京航空航天大學(xué)， 2010.