第第5章章 超精密研磨与抛光超精密研磨与抛光Chapter 5 Ultra Precision Lapping and Polishing 5.1 研磨和抛光的概述研磨和抛光的概述n利用工件与研具相对运动，利用工件与研具相对运动，通过研磨剂作用而获得高质通过研磨剂作用而获得高质量、高精度的加工方法量、高精度的加工方法n研磨和抛光的历史很长研磨和抛光的历史很长n中国古代的铜镜中国古代的铜镜n眼镜，眼镜，最早出现于最早出现于1289年的意大利佛罗伦萨年的意大利佛罗伦萨n望远镜和显微镜是在文艺望远镜和显微镜是在文艺复兴时期发明的复兴时期发明的 现在，除已实现批量生产透镜和棱镜外，现在，除已实现批量生产透镜和棱镜外，其加工水平已能完成光学镜面和保证高形其加工水平已能完成光学镜面和保证高形状精度的光学平晶、平行平晶以及具有特状精度的光学平晶、平行平晶以及具有特定曲率的球面等标准件的加工定曲率的球面等标准件的加工就实施超精密加工而言，在各种加工方法就实施超精密加工而言，在各种加工方法中，研磨和抛光方法最为有力中，研磨和抛光方法最为有力为适应零件加工的要求，不断进行技术改为适应零件加工的要求，不断进行技术改造和开发新加工原理的超精密研磨和抛光造和开发新加工原理的超精密研磨和抛光技术。
技术 5.2 研磨和抛光的机理和特点研磨和抛光的机理和特点5.2.1 研磨研磨加工的机理和特点加工的机理和特点n研磨加工通常使用研磨加工通常使用1μm到几十到几十μm的的氧化铝和碳氧化铝和碳化硅等磨粒和铸铁等硬质材料的研具化硅等磨粒和铸铁等硬质材料的研具磨粒的工作状态磨粒的工作状态1)磨磨粒粒在在工工件件与与研研具具之之间间进行转动进行转动;2)由由研研具具面面支支承承磨磨粒粒研研磨磨加工面加工面;3)3)由工件支承磨粒研磨加由工件支承磨粒研磨加工面 研磨的机理研磨的机理由于工件、磨粒、研具和研磨液等的不同，上述三种研磨方法的由于工件、磨粒、研具和研磨液等的不同，上述三种研磨方法的研磨表面状态也不同表面的形成，是在产生切屑、研具的磨损和研磨表面状态也不同表面的形成，是在产生切屑、研具的磨损和磨粒破碎等综合在一起的复杂情况下进行的磨粒破碎等综合在一起的复杂情况下进行的 n硬脆材料的研磨硬脆材料的研磨n微小破碎痕迹构成的无光泽面；n磨粒不是作用于镜面而是作用在有凸凹和裂纹等处的表面上，并产生磨屑 n金属材料的研磨金属材料的研磨 n表面没有裂纹；n对于铝材等软质材料，研磨时有很多磨粒被压入材料内；n对刀具和块规等淬火工具钢等可确保有块规那样的光泽表面。
5.2.2 抛光加工的机理和特点抛光加工的机理和特点n使用使用<1μm的微细磨的微细磨粒；粒；n软质材料抛光垫：沥软质材料抛光垫：沥青、石蜡、合成树脂青、石蜡、合成树脂和人造革等和人造革等n微小的磨粒微小的磨微小的磨粒微小的磨粒被抛光器弹性地夹粒被抛光器弹性地夹持研磨工件因而，持研磨工件因而，磨粒对磨粒对工件的作用力工件的作用力很小，即使抛光脆性很小，即使抛光脆性材料也不会发生裂纹材料也不会发生裂纹 抛光的加工机理抛光的加工机理1)由由磨磨粒粒进进行行的的机机械械抛抛光光可可塑塑性性地地生生成成切切屑屑但但是是它它仅仅利利用用极极少少磨磨粒粒强强制制压压入入产产生作用2)借借助助磨磨粒粒和和抛抛光光器器与与工工件件流流动动摩摩擦擦使使工工件表面的凸因变平件表面的凸因变平3)在加工液中进行化学性溶析在加工液中进行化学性溶析4)4)工件和磨粒之间有直接的化学反应而有工件和磨粒之间有直接的化学反应而有助于上述现象助于上述现象 5.2.3 5.2.3 研磨的加工变质层研磨的加工变质层 n加加工工变变质质层层使使工工件件材材质质的的结结构构、、组组织织和和组组成成遭遭到到破破坏坏或或接接近近于于破破坏坏状状态态。
在在变变质质层层部部分分存存在在变变形形和和应应力力，，还还有有其其物物理理的的和和化化学学的的影影响响等等硬硬度度和和表面强度变化等机械性质和耐腐蚀性等化学性质也与基体材料不同表面强度变化等机械性质和耐腐蚀性等化学性质也与基体材料不同 n硬硬脆脆材材料料经经研研磨磨后后的的表表面面 ，，经经研研磨磨的的单单晶晶硅硅表表面面，，使使用用氟氟、、硝硝酸酸系系列列的的溶溶液液进进行行化化学学浸浸蚀蚀，，依依次次去去掉掉表表层层，，用用电电子子衍衍射射法法进进行行晶晶体体观观察察时时，，从从表表层层向向内内部部的的顺顺序序为为非非晶晶体体层层或或多多晶晶体体层层、、镶镶嵌嵌结结构构层层、、畸畸变变层层和和完完全全结结晶晶结结构构另另外外，，从从使使用用X射射线线衍衍射射法法的的弹弹塑塑性性学学的的观观点点来来评评价价，，则则表表层层是是由由极极小小的的塑塑性性流流动动层层构构成成，，其其下下是是有有异异物物混混人人的的裂裂纹纹层层，，再再下下则则是是裂裂纹层、弹性变形层和主体材料纹层、弹性变形层和主体材料n在在研研磨磨金金属属材材料料时时，，虽虽不不发发生生破破碎碎，，但但是是磨磨粒粒转转动动和和刮刮削削时时，，由由于于材材料料承承受受了了塑塑性性变变形形，，通通常常形形成成与与上上述述硅硅片片相相类类似似的的加加工工变变质质层层。
相相反反，，例例如如是是多多晶晶的的金金属属材材料料，，则则越越接接近近被被加加工工的的表表层层，，晶晶粒粒越越微微细细，，累累积积位位错错在在最最表表层层，，变变成成非非晶晶质质状状态态在在这这部部分分，，金金属属与与大大气气中中的的活活性性氧氧结结合合，，变得活跃另外，有时发生因塑性变形而使磨粒等容易嵌进金属变得活跃另外，有时发生因塑性变形而使磨粒等容易嵌进金属 5.2.45.2.4抛光的加工变质抛光的加工变质层层n关于抛光的加工变质层，即使工件是硬脆材料，抛光时也不会出现裂纹，加工变质层的结构与深度应当与研磨有相当大的不同 n由氧化铈磨粒和沥青研具精加工的石英振子镜面，其加工变质层的结构可使用氟化氨的饱和水溶液腐蚀来检测根据检测结果得知，由表层向组织内部的结构顺序是抛光应力层，经腐蚀出现的2次裂纹应力层，2次裂纹影响层和完全结晶层，整个深度为3um 5.3 研磨和抛光的主要工艺因素研磨和抛光的主要工艺因素项项 目目内内 容容研磨法研磨法加工方式加工方式加工运动加工运动驱动方式驱动方式单面研磨、双面研磨单面研磨、双面研磨旋转、往复旋转、往复手动、机械驱动、强制驱动、从动手动、机械驱动、强制驱动、从动研具研具材料材料形状形状表面状态表面状态硬质、软质、人造、天然硬质、软质、人造、天然平面、球面、非球面、圆柱面平面、球面、非球面、圆柱面有槽、有孔、无槽有槽、有孔、无槽磨粒磨粒种类种类材质、形状材质、形状粒径粒径金属氧化物、金属碳化物、氮化物、硼化物金属氧化物、金属碳化物、氮化物、硼化物硬度、韧性、形状硬度、韧性、形状0.01um～～几十几十um加工液加工液水质水质油质油质酸性酸性~碱性、界面活性剂碱性、界面活性剂界面活性剂界面活性剂工件、研具相对速度工件、研具相对速度1~100m/min加工压力加工压力0.01~30N/cm2加工时间加工时间～～10h环境环境温温 度度室温设定温度室温设定温度±0.1℃℃ 尘尘 埃埃利用净化槽、净化操作台利用净化槽、净化操作台 5.4 超精密平面研磨和抛光n超精密研磨和抛光是加工误差<0.1 μm，表面粗糙度Ra<0.02 μm的加工方法。
n用于制造高精度高表面质量的零件，如大规模集成电路的硅片，不仅要求极高的平面度，极小的表面粗糙度，而且要求表面无变质层、无划伤光学平晶、量块、石英振子基片平面，除要求极高平面度、极小表面粗糙度外，还要求两端面严格平行 行星轮式双面平面研磨机 行星轮式双面平面研磨机 超精密平面研磨机n可以用单面研磨，也可以用双面研磨n进行高质量平行平面研磨时，需使用双面研磨 单面研磨机 平面研磨的研具n为确保几何形状精度，研磨端面小的高精度平面工件时要使用弹性变形小的研具；除特种玻璃外，可以用在加工成平面的金属板上涂一层四氟乙烯，或镀铅和铟；n为获得高的表面质量，在工件材料较软时，有时使用半软质（如锡）和软质（如沥青）的研磨盘，主要问题是不易保持平面度，优点是表面变质层小、表面粗糙度小 抛光机n多头、单头抛光机Substrate CarrierPolishOverarmPolish TableSubstrate Carrier with Polish Overarm 抛光垫形状外貌 抛光垫材料和类型Type I注入聚合物的毛毡注入聚合物的毛毡Type II微孔材料微孔材料Type III充填聚合物充填聚合物Type IV未充填聚合物未充填聚合物 抛光垫的修整抛光前 抛光后 修整器 三种磨粒分布方式均匀分布型 任意分布型 成簇分布型 抛光液类型抛光液类型絮状抛光液絮状抛光液胶状抛光液胶状抛光液 高质量平面的研磨抛光工艺规律高质量平面的研磨抛光工艺规律n研磨运动轨迹应能达到研磨痕迹均匀分布，并且不重叠；研磨运动轨迹应能达到研磨痕迹均匀分布，并且不重叠；n硬质研磨盘在精研修形后，可以获得平面度很高的研磨表面，但要求很硬质研磨盘在精研修形后，可以获得平面度很高的研磨表面，但要求很严格的工艺条件。
硬质研磨盘要求材质均匀，并有微孔容纳微粉磨料严格的工艺条件硬质研磨盘要求材质均匀，并有微孔容纳微粉磨料n软质和半软质研磨盘容易获得表面变质层小、和表面粗糙度极小的研磨软质和半软质研磨盘容易获得表面变质层小、和表面粗糙度极小的研磨抛光表面，主要问题是不易保持面型，不易获得很高的平面度抛光表面，主要问题是不易保持面型，不易获得很高的平面度n使用金刚石微粉等超硬磨料可以达到很高的研磨抛光效率在最后精密使用金刚石微粉等超硬磨料可以达到很高的研磨抛光效率在最后精密抛光硅片、光学玻璃、石英晶片时，使用抛光硅片、光学玻璃、石英晶片时，使用SiO2,CeO2微粉和软质研磨盘微粉和软质研磨盘容易得到表面变质层和表面粗糙度小的优质表面，不易获得很高的平面容易得到表面变质层和表面粗糙度小的优质表面，不易获得很高的平面度n研磨平行度要求很高的零件时，可采用上研磨盘浮动以消除上下研磨盘研磨平行度要求很高的零件时，可采用上研磨盘浮动以消除上下研磨盘不平行误差；小研磨零件实行定期不平行误差；小研磨零件实行定期180°方位对换研磨，以消除因零件厚方位对换研磨，以消除因零件厚度不等造成上研磨盘倾斜而研磨表面不平行度不等造成上研磨盘倾斜而研磨表面不平行。
n在研磨剂中加入一定量的化学活性物质，可以提高研磨抛光的效率和表在研磨剂中加入一定量的化学活性物质，可以提高研磨抛光的效率和表面质量面质量 圆柱面的研磨 球面的研磨 5.5 新原理的超精密研磨抛光新原理的超精密研磨抛光n传统的研磨抛光方法是完全靠微细磨粒的机械传统的研磨抛光方法是完全靠微细磨粒的机械作用去除被研磨表面的材质，达到很高的加工作用去除被研磨表面的材质，达到很高的加工表面n最近出现新原理的研磨抛光方法其工作原理有最近出现新原理的研磨抛光方法其工作原理有些已不完全是纯机械的去除，有些不用传统的些已不完全是纯机械的去除，有些不用传统的研具和磨料这些新的研磨抛光方法可以达到研具和磨料这些新的研磨抛光方法可以达到分子级和原子级材料的去除，并达到相应的极分子级和原子级材料的去除，并达到相应的极高几何精度和无缺陷无变质层的加工表面高几何精度和无缺陷无变质层的加工表面 5.5.1 液中研磨液中研磨n磨料：磨料：微细微细的的Al2O3磨粒磨粒n研具：研具：聚氨酯聚氨酯n加工液：加工液：过滤水、蒸馏水、净化水过滤水、蒸馏水、净化水n机理：机理：将研磨操作浸入在含有磨粒的研磨剂中将研磨操作浸入在含有磨粒的研磨剂中进行，借助水波效果，利用浮游的微细磨粒进进行，借助水波效果，利用浮游的微细磨粒进行研磨加工。
以磨粒的机械作用为中心，由加行研磨加工以磨粒的机械作用为中心，由加工液进行磨粒的分散，起缓冲和冷却作用工液进行磨粒的分散，起缓冲和冷却作用n应用：应用：加工硅片，可以得到完全高质量的镜面加工硅片，可以得到完全高质量的镜面 5.5.2 化学机械抛光化学机械抛光n微细磨粒＋软质抛光垫＋酸性（或碱性）液n利用磨粒的机械作用和加工液的腐蚀作用的双重作用的加工方法 5.5.3 非接触研磨技术非接触研磨技术n非非接触研磨技术是以弹性发射加工（接触研磨技术是以弹性发射加工（EEM)的理的理论为基础的论为基础的 EEM方法是利用微方法是利用微细粒子在材料表面上滑细粒子在材料表面上滑动时去除材料的加工动时去除材料的加工微细粒子以接近水平的微细粒子以接近水平的角度与材料碰撞，在接角度与材料碰撞，在接近材料表面处产生最大近材料表面处产生最大的剪断应力，既不使基的剪断应力，既不使基体内的位错、缺陷等发体内的位错、缺陷等发生移动（塑性变形），生移动（塑性变形），又能产生微量的又能产生微量的“弹性弹性破坏破坏”，以进行去除加，以进行去除加工 弹性发射加工弹性发射加工－－EEM（（Elastic Emission Machining））n加工时研具于工件不接触，使微细加工时研具于工件不接触，使微细粒子在研具与工件表面之间自由状粒子在研具与工件表面之间自由状态流动，当使微细粒子撞击工件表态流动，当使微细粒子撞击工件表面时，则产生弹性破坏物质的原子面时，则产生弹性破坏物质的原子结合，从而获得无干扰的加工表面。
结合，从而获得无干扰的加工表面n加工单位为加工单位为0.1 μm以下，原理上是以下，原理上是采用喷射粒子的加工方式，要尽量采用喷射粒子的加工方式，要尽量以小角度撞击加工表面，其加工精以小角度撞击加工表面，其加工精度接近于原子级，可获得相当好的度接近于原子级，可获得相当好的表面n加工方法是使用聚氨酯球作加工头，加工方法是使用聚氨酯球作加工头，在微细粒子混合均匀的悬浮液中，在微细粒子混合均匀的悬浮液中，使加工头边回转边向工件表面靠近，使加工头边回转边向工件表面靠近，是混合液中的微细粒子在工件表面是混合液中的微细粒子在工件表面的微小面积（的微小面积（Φ1~2mm）内）内产生作产生作用，进行加工用，进行加工 n微细粒子撞击工件表面时，在接触点产生高温高压微细粒子撞击工件表面时，在接触点产生高温高压高温使工件表层原子晶格中空位增大；高压使磨粒的高温使工件表层原子晶格中空位增大；高压使磨粒的原子扩散到工件表层的原子空位上，工件表层的原子原子扩散到工件表层的原子空位上，工件表层的原子也扩散到磨粒中扩散到工件中的磨粒原子成为表层也扩散到磨粒中扩散到工件中的磨粒原子成为表层的杂质原子，减弱了本体原子的联系。
的杂质原子，减弱了本体原子的联系 EEM方法的剪切作用n加了速的加了速的微小微小粒子弹性冲击粒子弹性冲击被加工表面的被加工表面的原子晶格，使原子晶格，使表层不平的原表层不平的原子晶格受到极子晶格受到极大的剪切力，大的剪切力，从而移去这层从而移去这层不平的原子，不平的原子，这是不需经过这是不需经过扩散过程的机扩散过程的机械作用的结果械作用的结果 弹性发射弹性发射加工装置加工装置n对聚氨酯对聚氨酯球的球的加工加工头和工作头和工作台采用数台采用数控装置，控装置，则能进行则能进行曲面加工曲面加工 非接触研磨加工装置n半导体基板、半导体基板、各种晶体、玻各种晶体、玻璃基板的非接璃基板的非接触研磨装置触研磨装置n研具是使用有研具是使用有辐射状倾斜平辐射状倾斜平面组成的圆环面组成的圆环装平板平面装平板平面工件放在圆环工件放在圆环中 动压效应动压效应n当当圆盘在液圆盘在液体中回转时，体中回转时，在倾斜平面在倾斜平面部位产生动部位产生动压效应，使压效应，使平面板上浮，平面板上浮，工件将是悬工件将是悬浮状态，由浮状态，由微细粒子进微细粒子进行研磨 浮动抛光浮动抛光 浮浮动动抛抛光光（（Float Float PolishingPolishing））使使用用高高平平面面度度平平面面并并带带有有同同心心圆圆或或螺螺旋旋沟沟槽槽的的锡锡抛抛光光盘盘，，使使抛抛光光盘盘及及工工件件高高速速回回转转，，在在二二者者之之间间抛抛光光液液呈呈动动压压流流体体状状态态，，形形成成一一层层液液膜，从而使工件在浮起状态下进行抛光。
膜，从而使工件在浮起状态下进行抛光 19771977年年，，NambaNamba和和TsuwaTsuwa首首次次使使用用了了浮浮动动抛抛光光加加工工蓝蓝宝宝石石单单晶晶体体时时表表面面粗粗糙糙度度低低于于1nm1nm此此技技术术发发展展应应用用到到抛抛光光不不锈锈钢钢、、铸铸铁铁、、镍镍等等金金属属（（19801980）），，以以及及硼硼硅硅酸酸盐盐玻玻璃璃，，熔熔融融硅硅和和低低膨膨胀胀系系数数等等光光学学材材料料（（1980-19871980-1987）），，工工件件表表面面粗粗糙糙度度达达到到了了1-2 1-2 Å TougeTouge和和MatsuoMatsuo（（19961996））研研究究了了铁铁酸酸盐盐多多晶晶体体的的浮浮动动抛抛光光，，采采用用金金刚刚石石磨磨料料，，其其抛抛光光速速度度要要比比传传统统抛抛光光方方法法高高2.72.7倍倍目目前前，，采采用用浮浮动动抛抛光光方方法法抛抛光光计计算算机机磁磁头头的的磁磁隙隙面面，，可可防防止止出出现现晶晶界界差差，，获获得得Rz2nmRz2nm的的表表面面粗粗糙糙度度于于浮浮动动抛抛光光容容易易获获得得很很高高精精度的平面形状，可用于光学平晶，铌酸锂、水晶等功能陶瓷材料基片批量加工度的平面形状，可用于光学平晶，铌酸锂、水晶等功能陶瓷材料基片批量加工。
水面滑行抛光水面滑行抛光 水面滑行抛光（水面滑行抛光（HydroplanHydroplan Polishing Polishing），），是是借助流体压力使工件基片从抛光盘面上浮起，借助流体压力使工件基片从抛光盘面上浮起，利用具有浸蚀作用的液体作加工液的抛光方法，利用具有浸蚀作用的液体作加工液的抛光方法，不使用磨料，是一种化学抛光方法不使用磨料，是一种化学抛光方法 GormleyGormley（（19811981））等人以及等人以及IvesIves（（19881988））等等人为获得人为获得GaAsGaAs, , InPInP 和和HgCdTeHgCdTe等半导体晶体的等半导体晶体的光滑、无损伤表面采用了此抛光方法工件受光滑、无损伤表面采用了此抛光方法工件受到甲醇、甘醇和溴的混合物的侵蚀，到甲醇、甘醇和溴的混合物的侵蚀，在在H2H2气中、气中、600℃600℃高温下热腐蚀高温下热腐蚀1515分钟，以分钟，以10μm10μm／／minmin 的的去除率进行去除率进行GaAsGaAs，，InPInP基板表面无损伤抛光。
基板表面无损伤抛光直径直径 2.5cm2.5cm 基板，其平面度基板，其平面度在在 0.3μm0.3μm以内以内1. 1.工件工件 2. 2.水晶平板水晶平板 3. 3.调节螺母调节螺母 4. 4.腐蚀液腐蚀液 5. 5. 抛光盘抛光盘 5.5.4 无磨料抛光无磨料抛光水合抛光水合抛光（（Hydration polishing））水合抛光是一种利用在工件界面上产生水合反应的新型高效、超精密抛光方法主水合抛光是一种利用在工件界面上产生水合反应的新型高效、超精密抛光方法主要特点是不使用磨粒和加工液，加工表面无污染要特点是不使用磨粒和加工液，加工表面无污染 使用杉木抛光盘抛光蓝宝石，最使用杉木抛光盘抛光蓝宝石，最终表面粗糙终表面粗糙度度Rz小于小于1nm 1.水蒸气发生器水蒸气发生器 2.工件工件 3.抛光盘抛光盘 4.载荷载荷 5.保持架保持架 6.蒸汽喷嘴蒸汽喷嘴 7.加热器加热器 8.偏心凸轮偏心凸轮 5.5.5电场和磁场抛光加工 电场和磁场抛光加工是利用和控制电、磁场的强弱使电场和磁场抛光加工是利用和控制电、磁场的强弱使磁流体带动磨粒对工件施加压力从而对高形状精度、高磁流体带动磨粒对工件施加压力从而对高形状精度、高表面质量和晶体无畸变的表面进行加工的抛光方法。
主表面质量和晶体无畸变的表面进行加工的抛光方法主要用于信息设备和精密机械高性能元件的加工通过对要用于信息设备和精密机械高性能元件的加工通过对电、磁场的控制也可以加工自由曲面主要：电、磁场的控制也可以加工自由曲面主要：磁力抛光磁力抛光磁力抛光磁力抛光磁悬浮抛光磁悬浮抛光磁悬浮抛光磁悬浮抛光 磁流流变抛光磁流流变抛光磁流流变抛光磁流流变抛光 电泳抛光电泳抛光电泳抛光电泳抛光 磁力抛光的加工原理n磁性磨料在磁场作用下形成磁性磨料在磁场作用下形成柔性磨料刷柔性磨料刷n柔性磨料刷柔性磨料刷与工件相对运动与工件相对运动n产生切削、刻划、滑擦、挤压和滚动等现象产生切削、刻划、滑擦、挤压和滚动等现象n形成研磨、抛光、去毛刺等形成研磨、抛光、去毛刺等 加工机理n微量切削与挤压n多次塑变磨损n摩擦腐蚀磨损n电化学腐蚀磨损 磁力研磨加工的应用n非磁性直管内壁的磁力研磨n利用永久磁铁产生磁场n利用电磁场n非磁性弯管内壁的磁力研磨n复杂曲面的磁力研磨n异型件的抛光、去毛刺n球面零件的磁力研磨加工n磁力滚抛 非磁性管内壁的磁力抛光非磁性管内壁的磁力抛光（磁场由永久铁产生）进给 磁力环 循环泵循环泵工件磁 性磨粒线圈磁极 非磁性弯管内壁的磁力抛光 球面和复杂曲面的磁力研磨 异型件的抛光、去毛刺磁性磨粒工 件磁极磁极 磁力滚抛加工 磁力悬浮研磨 磁流体研磨加工(Magnetic Fluid Grinding) n10nm以下的强磁性微粒nFe3O4（<10nm）、铁粉(<3nm)n表面活性剂n基液(媒体)§6060年代，美国首先用于宇航工业年代，美国首先用于宇航工业 陶瓷球的磁流体研磨氮化硅氮化硅 Si3N4 磁流体抛光 。