淺談化學機械磨削技術研究現狀與展望

黃國鋒

（大慶石化建設有限公司，黑龍江 大慶 163714）

1 適用于硬脆材料的超精密加工方法

硅的化合物被廣泛應用于半導體行業，例如單晶硅、碳化硅等，這些硅的化合物因其硬度高、強度大而具有優良的耐磨性，同時具有很好物理穩定性，可以抵御高溫和一般性的化學腐蝕，在航天、軍工、汽車、光電等行業得到了廣泛的應用。隨著技術的不斷進步，上述行業對產品的性能提出了更高的要求，硅的化合物這種材料的加工精度也進入了納米級，眾所周知，這種高硬度的化合物往往具有較高的脆性，不能適應傳統的機械加工方式，在外力作用下很容易發生斷裂和裂紋，不僅妨礙加工的繼續進行，也為企業帶來很多的材料損失。

針對這種高硬度的無機物材料，科學家們很早就提出了化學機械磨削的加工方法，日本學者周立波對此進行了深入研究，并提出了基于軟磨料與固相化學反應的表面材料去除方式，使這種高硬度無機物材料的加工難度進一步降低，在這種磨削方式下，軟磨料借助機械設備實現表面的切削，具有非常高的加工精度，可以用于多種硬脆材料的加工，根據現有的文獻資料可知，這種加工方法在單晶硅、石英玻璃、藍寶石等材料的加工中都實現了非常高的加工精度，材料的表面粗糙度均可達到納米級。

關于化學機械磨削技術的研究已經成為國內外的熱門課題，在材料的去除原理、軟磨料砂輪的制備和研磨工藝等方面都取得了較大的進展。雖然現有研究成果都證實了化學機械磨削技術在硬脆材料加工中具有無可替代的優勢，但仍未有研究者能準確的給出軟磨料與固相反應的閾值條件，這也限制了這種新型磨削技術向其他超精密加工領域拓展。此外，在化學機械磨削技術中，軟磨料的使用也注定了模具的損耗比傳統磨削方式更快，及加工效率仍然無法與傳統磨削方式相比較，這也成為限制這種技術推廣的又一瓶頸。當前急需深入挖掘軟磨料與固相化學反應相結合的磨削機理，使這種磨削方式能夠適用于更多種類材料，急需改進現有磨削工藝，使軟磨料磨具的加工效率得到大幅度提升，攻克學術界研究難點。

本文梳理了現階段化學機械磨削技術的研究成果，系統的分析了磨削原理、工藝的研究現狀，總結了化學機械磨削技術的研究方法，對現有工藝參數、軟磨料磨具進行了進一步探索，力求找到上述因素對加工效率的影響規律，為更多研究者指明方向，共同推動化學機械磨削技術的進一步發展。

2 化學機械磨削加工工藝研究

僅僅使用軟磨料模具實現固相化學反應是非常困難的，要想使磨料與被加工件產生足夠多的化學反應，就需要加入新的物質來促進各項化學反應的發生，這種被添加的物質也稱為添加劑，在化學機械磨削加工中，添加劑的使用非常重要，能夠取到決定加工效率的作用。

以氯氧化鎂作為結合劑的砂輪要比樹脂做結合劑的砂輪的磨削效果更好，可以實現更高的表面加工精度，這是因為氯氧化鎂這種結合劑可以實現更好的固化作用，如圖1所示在常溫下的氣孔率更高，這也有利于砂輪保持很好的自銳性，從而達到很好的磨削效果，為了試驗這種砂輪的磨削特性，制作了如圖2所示的2種不同形狀的砂輪，通過硅片磨削來測試二者的磨削性能，試驗結果顯示截斷形狀的砂輪可以獲得更高的磨削效率。為了驗證更多種類砂輪的磨削特性，還采取無結合劑的方式制作了砂輪，并在藍寶石磨削中對砂輪性能做進一步檢驗，結果表明無結合劑砂輪磨削效率要高于采用樹脂作為結合劑的砂輪，但無結合劑砂輪自身損耗也比較快速，因此得出結論：燒結溫度是決定砂輪磨削效率和磨損速度的首要因素。

圖1 不同結合劑的CMG砂輪

圖2 不同形狀的CMG砂輪

圖3 無結合劑磨料磨具

由此可見，磨料的選擇和添加劑的使用是決定化學機械磨削效率的主要因素，在相同磨料的條件下，模具制作工藝也會影響磨削效率，因此，要想提高化學機械磨削的效率，不僅要關注不同材料與磨料的化學反應，還需要考慮機械作用對化學反應的促進性，從磨料配方、模具結構等方面綜合考慮對磨削性能的影響，才能從根本上提升化學機械磨削的效率。

3 化學機械磨削復合加工工藝研究

在化學機械磨削中，固定模具的磨削效率雖然高于游離抹料的加工形式，但與實際生產所需的加工效率還有一定差距。為了進一步提高磨削效率，科研人員提出了一種復合工藝方法，將磨削效率提升到了一個新的層次。國內學者王振忠等提出了超聲波輔助磨削技術，并在單晶硅磨削中進行了實際測試，與沒有采用超聲波輔助磨削技術相比，磨削效率提高了2倍，表面質量也進一步提升。學者LI等將這種超聲波輔助技術進一步推廣到石英石的加工中，與傳統工藝相比加工效率提高了50%，表面粗糙度穩定控制在2nm以下。經過多方面的實驗測試，超聲波輔助磨削技術都能夠顯著提高磨削效率，如圖4所示，通過傳統磨削工藝與超聲波輔助磨削相比可知，超聲波輔助磨削技術能夠在保障磨削質量的前提下大幅提高磨削效率。這也從側面印證了復合加工工藝是打破化學機械磨削效率瓶頸的突破口。通過深入的研究發現，復合工藝能夠有效降低固相化學反應的閥值，起到提升反應速度的作用，從而提高了化學機械磨削的效率。截止目前為止，還沒有其他成熟的復合加工工藝出現，但磁輔助、電輔助與激光輔助等復合加工技術已呈現出很大的研究前景。

圖4 不同振動方式對CMG加工硅片表面形貌的影響

4 結語

化學機械磨削技術自出現以來就成為超精加工領域研究的焦點，這種技術不僅可以獲得優異的表面質量，還能達到優良的形狀精度，但其磨削效率與傳統的機械磨削還有較大差距，無法滿足高效生產的要求，隨著國內外學者的不斷努力，已經取得了不錯的研究成果，但大多依然處于磨削機理研究與工藝研究階段，在材料的去除原理、軟磨料磨具的制備、研磨工藝、復合加工工藝方面還未取得突破性的進展。材料去除原理進一步掌握化學機械磨削規律的關鍵，不僅關系到磨削質量，更關系到磨削效率。在化學機械磨削技術中，材料的去除不僅依靠機械作用，還要依靠化學作用，這也導致其技術原理的研究與現有機械加工技術研究有較大的不同，現階段的研究成果主要集中于通過化學作用弱化被加工材料表面原子勢能等機理，對物質間的化學作用來提升磨削效率的研究也多以動力學模型為參照，通過檢測化學反應的生成物來達到研究目的，對一些特殊產物的產生原理解釋還不夠透徹，沒有形成相應的系統性理論。對化學機械磨削技術的加工原理、化學反應的過程與誘因、表層物理結構與性狀的改變、磨具的磨損、磨具的制造、復合工藝等進行深入的研究，對磨削過程進行實時監控，取得詳細的數據與圖像，打造基于大數據的智能推理，借助智能技術研究這一理論的關鍵點是將來學術界的發展方向。