固結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，用傳統的加工方法很難獲得高質量的超光滑表面。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量。

關鍵詞 ：固結磨料拋光 微晶玻璃 表面粗糙度

引言

微晶玻璃是一種很好的結構材料，具有良好的機械性能和較高溫度下的化學穩定性，因而引起人們的廣泛注意。近年來，隨著計算機技術的飛速發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展中越來受到青睞。由于微晶玻璃微觀組成中的結晶相與玻璃相的結構、化學成分都不相同，顯微硬度也非常高，傳統的加工方法難以加工出亞納米級光滑表面，因而化學機械拋光（CMP）成為唯一有效用于加工微晶玻璃的技術。因此，探索采用固結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。

一、微晶玻璃加工方法

目前國內外主要是根據微晶玻璃特殊的微觀組成結構和性能特點，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階段加工微晶玻璃的主要工藝方法。

二、固結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域、維持拋光所需的機械和化學環境、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，以實現高效高質低成本的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添加劑作為拋光液，省去了傳統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定及沉淀等問題，簡化了傳統游離磨料拋光中拋光廢液的處理，具有綠色環保的特點[2]。本實驗中所使用的拋光液僅為去離子水。

2、壓力P、轉速ω1、偏心距e的變化對工件表面質量的影響

2.1 表面質量

被加工工件表面質量是作為評價FAP加工性能的另一重要指標，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系統測得，測量的范圍為868μm×646μm，掃面深度50nm，放大倍數為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，計算標準差，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量的提高。2）微晶玻璃加工后的粗糙度邊緣位置要優于中部和中間位置，利用固結磨料加工微晶玻璃時壓力不應過高。

2.3 轉速ω1的變化對Sa，Ra的影響

分別選取轉速ω1為100rpm， 150rpm，200rpm，其他加工參數如下：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，計算標準差，分析3種轉速下研磨加工微晶玻璃不同位置處的表面粗糙度對比結果，可以看出：1）轉速對微晶玻璃粗糙度值的影響呈現正態分布，轉速適當提高有利于穩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，計算標準差，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 工藝參數對表面質量的影響分析

綜合上述對比結果可知，用固結磨料研磨加工微晶玻璃可以獲得優于傳統加工方式的表面質量。而從不同壓力、轉速、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，根據加工的要求合理選擇壓力、轉速、偏心距等主要工藝參數。

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倍率觀察下的經過固結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，其結構屬于多晶體，因此采用固結磨料研磨加工的方式非常適合。

四、總結

微晶玻璃以優良的物理特性被廣泛用于各個領域，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，深入地研究了固結磨料研磨拋光加工微晶玻璃的工藝方法和工藝參數，以解決傳統的加工方式難加工材料的問題[3]?，F將本文完成的工作和研究成果總結如下：

（1）分析了微晶玻璃的發展情況、結構組成和國內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展潛力。

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

壓力、轉速、偏心距是固結磨料研磨加工微晶玻璃的主要加工參數，這些參數的變化會影響表面質量，應該綜合加工要求、精度要求和經濟性要求來合理選擇。

參考文獻：

[1] 魏昕， 熊偉， 黃蕊慰，等. 化學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機械拋光過程研究[D]. 廣州：廣東工業大學， 2004.

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