硬脆材料超声波振动辅助研磨抛光的仿真与试验研究

发布时间：2017-09-16 15:27

  本文关键词：硬脆材料超声波振动辅助研磨抛光的仿真与试验研究

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【摘要】：随着科学技术的高速发展，特别是信息通讯水平的不断提升，当前集成电路正朝着超大规模集成、超高频、更高性能的方向发展。半导体材料作为组成集成电路的核心材料，对国际电子产业起到了关键性的作用，也是制约各国电子信息发展的关键要素。与此同时，半导体材料当中有相当一部分还是重要的光学材料，用于制造多种光学元件，在军事、航空航天、深空探索等领域发挥着极为重要的作用。半导体材料大多数为硬脆材料，这类材料对加工过程提出了更高的要求，如要求材料表面加工质量高、材料性能保持性好以及批量化生产中均一性和一致性等。为了使这类难以加工的硬脆材料实现高效高质量的平坦化加工，研磨与抛光的加工方法应运而生。 研磨与抛光加工是半导体单晶硅片制造的最后两道工序，研磨主要是为了迅速地去除单晶硅表面的微凸起部分，并保证硅片的平面度；抛光主要是为了降低硅片的表面粗糙度，使其加工表面镜面化，并且降低材料因加工而造成的表面与亚表面损伤。为了最大程度地提升电子产品的使用性能，作为电子芯片的核心部件半导体单晶硅必备的加工工艺研磨与抛光加工技术也得以不断完善，然而这两种技术的加工机理比较复杂，在材料去除机理、工艺参数优化等方面仍需研究与完善。本文采用超声波振动辅助研磨抛光试验与有限元仿真相结合的方式，研究不同工艺参数对研磨抛光加工性能的影响，同时分析了超声波振动辅助加工条件下研磨抛光中的材料去除机理。 论文首先论述了研磨抛光加工的意义，从研磨抛光加工技术的理论模型和工艺改善角度较为系统地综述了国内外发展现状。在此基础上，通过综合分析超声波振动辅助加工技术较常规机械加工的优越性，，提出了本文拟开展超声波振动辅助研磨抛光加工研究的命题。 在常规研磨抛光机的基础上，搭建了超声波振动辅助加工平台，详细介绍了论文试验部分所使用的试验设备、检测装置，论述了详细的实验步骤和操作流程。结合影响研磨抛光的工艺参数制定详细的试验方案，根据试验方案介绍了试验材料与试剂。 从单晶硅研磨抛光试验入手，通过超声波振动辅助加工装置，开展了不同工艺条件下的研磨抛光试验，根据整理后的试验数据，阐述不同工艺参数对材料去除率和表面形貌的影响，对比常规研磨抛光与超声波振动辅助加工下的试验结果，进而提出研磨抛光材料去除过程和超声波振动下的材料去除机理。 在上述工作的基础上，论文还采用ABAQUS有限元仿真软件，建立了三维单体磨粒研磨抛光加工模型，开展了研磨抛光加工过程中材料变形损伤与去除机制的研究，根据整理后的仿真数据，阐述不同工艺参数对加工后试件材料的形貌、残余应力、材料去除率等方面的影响。 论文通过有限元仿真和试验研究，深入地探讨了工艺参数对研磨抛光加工技术的影响，同时通过利用超声波振动辅助加工的方法来改善加工工艺，并分析了研磨抛光加工的材料去除机理，为硬脆材料的超精密加工技术的深入研究奠定了一定基础。
【关键词】：研磨 抛光 超声波振动 有限元仿真 材料去除率 表面粗糙度
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG580.6
【目录】：

• 本文工作得到下列项目资助4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-24
• 1.1 研究背景及意义12-13
• 1.2 国内外研究现状与发展趋势13-23
• 1.2.1 研磨与抛光加工的理论模型13-16
• 1.2.2 研磨与抛光加工技术的工艺改善16-20
• 1.2.3 超声波振动加工20-23
• 1.3 本文研究内容23-24
• 第2章 超声波振动辅助研磨抛光加工试验装置24-40
• 2.1 试验装置组成24-29
• 2.1.1 超声波振动辅助研磨抛光加工装置24-27
• 2.1.2 超声波振动装置27-29
• 2.1.3 试验辅助装置29
• 2.2 试验方案与流程29-36
• 2.2.1 试验方案29-32
• 2.2.2 试验流程及注意事项32-36
• 2.3 试验材料与试剂36-39
• 2.3.1 单晶硅材料36-37
• 2.3.2 研磨与抛光试剂37-38
• 2.3.3 试验原料和试剂38-39
• 2.4 本章小结39-40
• 第3章 超声波振动辅助研磨抛光加工的试验研究40-66
• 3.1 工艺参数对研磨加工的材料去除率和表面粗糙度变化值的影响40-50
• 3.1.1 研磨压强的影响40-42
• 3.1.2 研磨转速的影响42-44
• 3.1.3 磨粒尺寸的影响44-46
• 3.1.4 研磨液浓度的影响46-48
• 3.1.5 研磨时间的影响48-50
• 3.2 工艺参数对抛光加工的材料去除率和表面形貌的影响50-58
• 3.2.1 抛光压强的影响50-52
• 3.2.2 抛光转速的影响52-54
• 3.2.3 抛光液流量的影响54-56
• 3.2.4 超声波振动辅助抛光对加工试件表面形貌的影响56-58
• 3.3 超声波振动辅助研磨抛光加工过程的材料去除机理58-64
• 3.3.1 研磨材料去除过程58-60
• 3.3.2 抛光材料去除过程60-62
• 3.3.3 超声波振动下的研磨抛光材料去除机理62-64
• 3.4 本章小结64-66
• 第4章 研磨抛光加工过程的有限元仿真分析66-90
• 4.1 有限元仿真软件的介绍66
• 4.2 有限元仿真模型的建立66-70
• 4.2.1 三维仿真几何模型66-68
• 4.2.2 材料本构模型68-69
• 4.2.3 仿真原理69-70
• 4.2.4 仿真数据提取模型70
• 4.2.5 仿真条件70
• 4.3 仿真方案及流程70-74
• 4.3.1 仿真方案70-72
• 4.3.2 仿真流程72-74
• 4.4 研磨抛光过程的三维有限元仿真结果与分析74-88
• 4.4.1 粘连系数的影响74-79
• 4.4.2 磨粒尺寸的影响79-82
• 4.4.3 切削深度的影响82-85
• 4.4.4 超声波振动的影响85-88
• 4.5 本章小结88-90
• 第5章 结论与展望90-94
• 参考文献94-102
• 作者简介及攻读学位期间的论文及专利成果102-104
• 一、作者简介：102
• 二、主要研究成果102-104
• 致谢104

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 许雪峰;马冰迅;黄亦申;彭伟;;利用复合磨粒抛光液的硅片化学机械抛光[J];光学精密工程;2009年07期

2 赵永武,刘家浚;半导体芯片化学机械抛光过程中材料去除机理研究进展[J];摩擦学学报;2004年03期

中国博士学位论文全文数据库 前2条

1 赵明利;多频率超声辅助磨削纳米氧化锆陶瓷表面/亚表面损伤机理研究[D];河南理工大学;2010年

2 杨卫平;超声椭圆振动—化学机械复合抛光硅片技术的基础研究[D];南京航空航天大学;2008年

本文编号：863873