超精密雙面拋光的加工原理

        超精密雙面拋光加工是應(yīng)用化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)技術(shù)，靠工件、磨粒、拋光液及拋光盤的力學(xué)作用，在工件的拋光過程中，產(chǎn)生局部的高溫和高壓，從而使直接的物理化學(xué)變化直接發(fā)生在工件與磨粒、拋光液及拋光盤之間，導(dǎo)致工件的表面產(chǎn)生物理化學(xué)變化的反應(yīng)物。由于力學(xué)作用與化學(xué)作用的重迭，使得工件表面的反應(yīng)物不斷被磨去，從而使工件表面平滑化。雙面拋光技術(shù)是在單面拋光加工技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，由于它在薄片工件的加工過程中能有效地避免應(yīng)力差與粘結(jié)誤差引起的變形問題。

　　因此與單面拋光加工相比，雙面拋光具有加工效率高，表面變形小，易獲得超光滑加工表面的優(yōu)點。

　　一般的超精密雙面拋光系統(tǒng)是由承載工件和下拋光盤的工作臺、施加載荷的上拋光盤、帶動工件旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的行星輪以及供給拋光液的裝置四大構(gòu)件組成，系統(tǒng)構(gòu)造如圖所示。在雙面拋光的過程中，由于拋光液與拋光墊之間的物理運(yùn)動，導(dǎo)致拋光液內(nèi)部的化學(xué)溶液以及磨粒于工件產(chǎn)生化學(xué)變化，同時在上拋光盤對工件的旋轉(zhuǎn)壓力的作用下，使工件表面產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)物得到切除。其原理就是，在不斷的化學(xué)變化中工件表面生成一種化學(xué)膜，同時由于旋轉(zhuǎn)機(jī)械摩擦切除作用去除這一層化學(xué)膜，在不停地交替中獲得超精密表面，這種超精密表面加工也被稱為游離磨料的CMP。在這種加工中，不能選用比工件硬度高地磨粒，只能選用硬度比工件軟或是與之相當(dāng)?shù)哪チ！Ｔ跈C(jī)械與化學(xué)的雙重作用下，工件表面不斷生成一層極薄的化學(xué)膜，同時又被切除，達(dá)到極薄表面的加工，所以可以實現(xiàn)高精度、低表面粗糙度、無表面加工缺陷的工件表面。但是目前的研究在反應(yīng)層的產(chǎn)生與去除的細(xì)節(jié)問題上還不是很清晰，需要進(jìn)一步深入研究。

超精密雙面拋光的運(yùn)動原理

　　雙面拋光機(jī)整個運(yùn)動機(jī)構(gòu)可看成為一個差動式的行星輪系。其結(jié)構(gòu)簡如圖2-2 ( a > 所示。四個伺服電動機(jī)通過帶傳動分別帶動四根主軸轉(zhuǎn)動后，中心輪、外齒圈、上拋光盤以及下拋光盤分別以設(shè)定的角速度進(jìn)行轉(zhuǎn)動。將需要拋光的工件放置與行星輪中，使其與行星輪的內(nèi)壁有一定的間隙，這樣工件就可以在行星輪之中實現(xiàn)小范圍的自由移動。根據(jù)差動原理，我們可以得到，在中心輪與外圈齒輪的做反向旋轉(zhuǎn)時，行星輪通過齒輪的禍合關(guān)系將被其帶動，以一定的角速度繞中心軸實現(xiàn)轉(zhuǎn)動，同時還帶自轉(zhuǎn)，這樣就實現(xiàn)了工件的公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)。在上拋光面載荷力的作用下，工件通過與上下拋光墊的發(fā)生摩擦運(yùn)動，由于摩擦力的作用，工件與上下拋光墊、拋光液以及拋光液中的磨粒發(fā)生物理化學(xué)變化，由此工件的表層材料發(fā)生反應(yīng)并被去除，以獲得超光滑表面的效果。

　　雙面拋光的運(yùn)動原理如圖2 ( b )所示。在拋光開始前，沒有通電源，中心輪與外齒圈都處于靜止?fàn)顟B(tài)，此時工件也處于靜止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)拋光開始時，上下拋光盤在各自的電機(jī)轉(zhuǎn)動下，實現(xiàn)角速度為口:的反方向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，中心輪與外齒圈也分別在各自電機(jī)轉(zhuǎn)動下，以各自的角速度口，與口3進(jìn)行反方向的自轉(zhuǎn)運(yùn)動，行星輪9隨著中心輪與外齒圈做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，而其中的待加工工件便隨之一起被動運(yùn)動。拋光液通過上拋光盤3流入拋光區(qū)域，提供相應(yīng)的磨削與潤滑的效果，同時提供化學(xué)變化的材料。

　　雙面拋光加工時，上拋光盤的向下載荷由氣缸6向下加壓，同時在壓力傳感器7的實時監(jiān)測下，實現(xiàn)壓力的實時控制。上下拋光盤的轉(zhuǎn)速基本相同，但方向相反，這樣的做的目的是為了減少工件所受的作用力。工件的運(yùn)動有兩種情況，當(dāng)行星輪9靜止不動時，此時工件的運(yùn)動比較簡單，就是在上下拋光盤的反相摩擦力作用下，實現(xiàn)自轉(zhuǎn)運(yùn)動; 當(dāng)行星輪繞中心軸轉(zhuǎn)動時，此時工件的運(yùn)動就比較復(fù)雜，工件隨行星輪的公轉(zhuǎn)的同時，又有上下拋光面摩擦力帶來的自轉(zhuǎn)運(yùn)動，因而工件做復(fù)雜的曲線運(yùn)動，這樣能更好地使工件表面獲得均勻的拋光。

　　1一下拋光盤2一外齒圈3一上拋光盤4一拋光墊5一中心輪

　　6一氣缸7一壓力傳感器8一工件9一行星輪10一皮帶11-減速器12一電機(jī)

　　圖2雙面拋光的加工原理