冰冻固结磨料抛光单晶锗薄片的机理与工艺研究

发布时间：2017-03-24 14:07

  本文关键词：冰冻固结磨料抛光单晶锗薄片的机理与工艺研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：锗是除硅以外最重要的半导体材料,不仅在半导体工业,而且在高频、红外、航空航天、太阳能电池、化学催化剂、生物医学等领域都有广泛的应用。工业上,在纳米级面型精度和表面粗糙度的要求下,对作为基底材料的单晶锗片,还提出了表面和亚表面的无损伤,及厚度达到薄片的加工要求。而锗属于脆性材料,想获得高质量表面的单晶锗薄片难度很大。本文针对单晶锗薄片超精密加工中的困难,提出一种基于浅低温塑性去除的单晶锗薄片冰冻固结磨料抛光创新工艺。对单晶锗薄片脆塑转变机理、冰冻固结磨料抛光盘的制备及其抛光机理与工艺开展深入研究,为该工艺的实用化开展积极探索。本文完成的主要工作如下:1.低温条件下单晶锗片的脆塑转变机理采用维氏硬度计研究了单晶锗片在-10℃和25℃下的硬度和裂纹长度,分析了温度对单晶锗薄片脆塑转变机理的影响。在同等载荷下,温度的降低,可使裂纹的长度变短。2.单晶锗片塑性加工临界切深利用划痕仪,在25℃下对单晶锗片进行了压、划痕实验,分析了单晶锗片的动态脆塑转变过程,相应的临界划痕深度为302.4 nm。对晶体动态脆塑转变的临界切削深度模型进行了分析,根据单晶锗片特性进行了参数修正,所得修正模型符合实验数据。结合模型公式分析得出-10℃下的临界切深略大于25℃下的临界值,即常温下得到的单晶锗片临界划深可用于低温情况。3.水相体系纳米α-Al2O3悬浮液的分散性能通过合理选用球磨时间、球料比、球磨机转速,研究了各因素对纳米α-Al2O3抛光液悬浮性的影响,得出了最佳分散工艺条件,为开发性能优良的纳米α-Al2O3抛光液提供了理论指导。并通过分散后抛光液的粒径分布对分散结果进行了验证。4.冰冻固结磨料抛光盘的制备设计制作了带热阻层的冰冻固结磨料抛光盘模具,利用已分散好的抛光液,采用分层喷洒和分层冷冻工艺制作了冰冻固结磨料抛光盘,所冻结的抛光盘磨料分布均匀,分层可控,使用寿命增加。研究了抛光盘的磨损特性,提出了除传统的摩擦磨损外的融化磨损,为多层冰冻固结磨料抛光盘的厚度设计提供理论依据。5.冰冻固结磨料抛光温度场的仿真研究利用ABAQUS软件,建立了环形冰冻固结磨料抛光盘抛光的温度场有限元分析模型,利用温度测试装置验证了模型的可靠性。利用所建立的温度场仿真模型,分析了环境温度、抛光时间、气缸压力、主轴转速和偏心距对抛光盘温度的影响规律。结合实验,得出了冰冻固结磨料抛光盘的平均融化速度,为合理选择抛光盘冻制厚度和抛光时间提供了理论依据。6.基于运动轨迹仿真的抛光材料去除模型仿真分析了偏心距对冰冻抛光盘与工件的转速比的影响,建立了冰冻抛光盘抛光去除模型;分析了气缸压力、主轴转速、磨料浓度对抛光去除速率的影响,得出了冰冻固结磨料抛光盘的平均去除速率,为合理选择抛光时间提供了理论依据。7.冰冻固结磨料抛光单晶锗薄片的工艺研究根据温度场仿真结果,发明了环境温度-10℃和喷入有机水溶液辅助抛光的冰冻固结磨料浅低温抛光新工艺。利用田口法和综合评定法对单层冰冻固结磨料抛光单晶锗薄片开展了工艺优化,结合优化结果利用多层冰冻磨料抛光盘对单晶锗薄片进行了粗抛-半精抛-精抛一次装夹低温抛光,获得了Sa 1.45nm的光滑表面。为冰冻固结磨料抛光的实用化发展进行了积极探索。
【关键词】：单晶锗片 冰冻固结磨料抛光 脆塑转变 纳米磨料 抛光盘磨损 温度场 去除模型 表面粗糙度 材料去除率
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN305.2
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-17
• 注释表17-19
• 第一章 绪论19-33
• 1.1 引言19-20
• 1.2 锗晶圆的研究现状20-25
• 1.2.1 锗晶片的加工技术21-22
• 1.2.2 锗晶片的需求和标准22-24
• 1.2.3 锗晶片的抛光技术现状24-25
• 1.3 抛光技术的研究现状25-29
• 1.3.1 固结磨料抛光技术26-27
• 1.3.2 低温抛光技术27-28
• 1.3.3 抛光去除机理的理论研究28-29
• 1.4 研究目的、意义和内容29-31
• 1.4.1 目的与意义29
• 1.4.2 主要研究内容29-31
• 1.5 本章小结31-33
• 第二章 单晶锗片的脆塑转变机理研究33-48
• 2.1 引言33
• 2.2 低温下单晶锗片的脆塑转变机理33-37
• 2.2.1 实验装置与方法33-35
• 2.2.2 结果分析与讨论35-37
• 2.3 压痕法研究单晶锗片的力学性能37-41
• 2.3.1 实验装置与方法38-39
• 2.3.2 结果分析与讨论39-41
• 2.4 划痕法研究单晶锗片的脆塑转变性能41-47
• 2.4.1 实验方法41-42
• 2.4.2 实验结果与分析42-47
• 2.5 本章小结47-48
• 第三章 低温抛光工具的制备48-69
• 3.1 引言48
• 3.2 微纳米粒子的分散技术48-51
• 3.2.1 微细颗粒在液相中的分散原理48-49
• 3.2.2 微细颗粒在液相介质中的分散方法49-50
• 3.2.3 微细颗粒液相分散性的评价方法50-51
• 3.3 纳米 α-Al_2O_3在水相介质中的分散性能研究51-56
• 3.3.1 实验方法51
• 3.3.2 结果分析与讨论51-56
• 3.4 冰冻固结磨料抛光盘的制备56-63
• 3.4.1 冻冰模具的设计56-58
• 3.4.2 热阻层厚度分析58-61
• 3.4.3 冰冻固结磨料抛光盘的制备工艺61-63
• 3.5 冰冻固结磨料抛光盘的磨损63-67
• 3.5.1 磨粒磨损的特征与机理63-64
• 3.5.2 冰冻固结磨料抛光盘的磨损特性64-67
• 3.6 本章小结67-69
• 第四章 冰冻固结磨料抛光单晶锗片的温度场研究69-80
• 4.1 引言69
• 4.2 冰冻固结磨料抛光温度场有限元模拟69-72
• 4.2.1 冰冻固结磨料抛光温度场有限元模型的建立69-71
• 4.2.2 冰冻固结磨料抛光温度场计算流程71-72
• 4.3 冰冻固结磨料抛光温度场计算结果与分析72-79
• 4.3.1 温度测量系统72-73
• 4.3.2 冰冻固结磨料抛光温度场的仿真值验证73-74
• 4.3.3 不同环境温度下抛光时间对抛光盘温度场的影响74-76
• 4.3.4 气缸压力对抛光盘温度场的影响76-77
• 4.3.5 抛光盘转速对抛光盘温度场的影响77-78
• 4.3.6 偏心距对抛光盘温度场的影响78-79
• 4.4 本章小结79-80
• 第五章 冰冻固结磨料抛光运动轨迹及去除速率仿真80-94
• 5.1 引言80
• 5.2 冰冻固结磨料抛光运动轨迹仿真80-85
• 5.2.1 冰冻固结磨料抛光运动轨迹理论分析80-82
• 5.2.2 工件旋转方向的确定82-83
• 5.2.3 冰盘和工件间的摩擦力矩83
• 5.2.4 压头和工件承载器的摩擦力矩83-84
• 5.2.5 工件转速的理论计算84-85
• 5.3 冰冻抛光盘单颗磨粒抛光运动轨迹85-89
• 5.3.1 冰冻抛光盘上磨粒位置对其运动轨迹的影响85-86
• 5.3.2 冰冻抛光盘与工件之间转速比对单颗磨粒运动轨迹的影响86-87
• 5.3.3 冰冻抛光盘多颗磨粒抛光运动轨迹87-88
• 5.3.4 冰冻抛光盘抛光运动轨迹对锗片表面质量的影响88-89
• 5.4 冰冻抛光盘抛光锗片去除速率的预测89-93
• 5.4.1 冰冻固结磨料抛光去除模型建立89-91
• 5.4.2 数值模拟分析91-93
• 5.5 本章小结93-94
• 第六章 分层冰冻固结磨料抛光单晶锗薄片的工艺研究94-121
• 6.1 引言94
• 6.2 冰冻固结磨料抛光单晶锗薄片的实验方法94-99
• 6.2.1 单晶锗片的粘结工艺94-96
• 6.2.2 单晶锗片的加工流程96
• 6.2.3 冰冻抛光盘表面的修整96
• 6.2.4 单晶锗片的表面形貌表征方法96-98
• 6.2.5 单晶锗片的材料去除率测定98-99
• 6.3 单层冰冻固结磨料抛光单晶锗片的工艺研究99-104
• 6.3.1 环境温度对单晶锗片去除率的影响99-102
• 6.3.2 抛光盘沟槽对锗片抛光的影响102-103
• 6.3.3 不同磨料抛光盘对工件表面粗糙度和去除率的影响103-104
• 6.4 单层冰冻固结磨料低温抛光单晶锗片的工艺优化104-110
• 6.4.1 田口法105-109
• 6.4.2 综合评定法109-110
• 6.5 多层冰冻固结磨料抛光盘低温抛光单晶锗片的工艺研究110-119
• 6.5.1 多层冰冻固结磨料抛光盘的总体设计111-112
• 6.5.2 多层冰冻固结磨料抛光盘的抛光工艺设计112-114
• 6.5.3 多层冰冻固结磨料抛光垫的各层厚度设计114-115
• 6.5.4 多层冰冻固结磨料抛光盘的抛光性能验证115-119
• 6.5.5 单晶锗片抛光塑性去除分析119
• 6.6 本章小结119-121
• 第七章 结论与展望121-124
• 7.1 全文总结121-123
• 7.1.1 本文完成的主要工作121-122
• 7.1.2 本文的创新点122-123
• 7.2 展望123-124
• 参考文献124-134
• 致谢134-135
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文135

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本文编号：265714