1 引言

目前,用于氮化镓生长的最普遍的衬底是蓝宝石。蓝宝石化学性质稳定,加工出的器件质量较好^[1-4]。由于衬底的几何尺寸不断缩小,光刻精度要求越来越高。为了提高光刻精度,需选用较短波长的光,但随之引发焦深减小的问题。当光刻表面凹凸不平时,光刻过程会产生曝光不良甚至不曝光等问题,因此要求光刻表面凹凸变化降至焦深范围内,即实现表面的高度平坦化^[5-8]。有学者提出采用固结磨料磨盘进行加工,由于磨盘表面磨粒分布均匀而且磨粒的运动轨迹可控,故由固结磨料磨盘加工的工件表面质量较高^[9-11]。然而,尽管固结磨料磨盘能够提高加工效率,但是存在磨盘的剧烈磨损和工件表面损伤等问题。为了克服这些问题,有学者提出采用磨盘图案化的方法实现对衬蓝宝石等脆硬材料的精密研磨加工。

图案化磨盘主要是在磨盘表面加工出不同沟槽图案并对其进行切屑的容屑、排屑。改善磨粒在磨盘上的位置分布,能够有效避免切屑对工件表面的二次划伤,并能减少磨盘的堵塞和磨损,进而获得较高的表面质量。因此,大量学者针对图案化磨盘的设计进行一系列的研究。Wang等^[12]研究了沟槽磨盘对材料去除率的影响,设计的沟槽磨盘与无开槽磨盘的对比实验表明:开槽后磨盘加工区域接触压力增大,研磨液流动速率增大,材料去除率高。虽然实验验证了沟槽磨盘的加工性能优于无开槽盘的加工性能,但该学者未研究不同沟槽图案磨盘对加工质量的影响规律。Dong等^[13]建立了材料去除分布模型,发现不同金刚石丸片排布具有不同的材料去除均匀性。虽然,由模型求出的不同排布下磨盘加工性能表现不同,但该学者未研究如何通过优化排布来改善研磨工具的加工性能。Fang等^[14]分析了不同固结磨料磨盘表面图案对蓝宝石片加工的影响规律,运用轨迹非均匀性进行表征,不同图案磨盘所对应的轨迹非均匀性不同。通过优化图案,可以不断降低轨迹非均匀性。丘健等^[15]采用Pro/E软件对金刚石磨盘上的磨粒进行同心圆、纵横、螺旋线三种排布设计,并采用轨迹均匀程度和重合度进行表征,结果表明:三种工具盘加工性能从高到低依次为纵横排布、螺旋线排布和同心圆排布。

然而,在磨盘制备过程中,不仅要获得良好的表面质量,还需要降低磨盘磨损以延长磨盘寿命^[16]。但目前磨盘图案设计较为单一,所设计的槽型很难同时获得较好的磨粒分布和顺畅的切屑容排,这使得加工质量难以进一步提高。因此,为了提高磨盘寿命和工件表面质量,本文设计了一种双图案非均匀耦合结构的磨盘(DPP),磨盘采用螺旋槽作为排屑槽,其作用是提高磨盘排屑能力,减小磨盘堵塞;采用同心圆槽作为调控槽,其作用是控制磨粒分布,目的是使工件材料的去除更加均匀。基于该原理,制备出新型磨盘,用于对蓝宝石材料的研磨,与传统网格槽盘(GGP)进行实验比较,并从材料去除率、材料去除均匀性、表面粗糙度以及磨盘磨损等角度进行比较。

2 基本原理

2.1 DPP设计原理及结构

DPP的结构如图1所示,排屑槽采用螺旋型槽,主要作用是增强磨盘排屑效果,减少研磨过程中磨盘的堵塞;同心圆槽结构则主要用于控制磨盘表面金刚石的分布,使得工件材料去除更加均匀。

图 1. DPP示意图

Fig. 1. Schematic diagram of DPP

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该磨盘的最大特点在于槽型结构的设计。螺旋槽结构是基于阿基米德螺线原理设计的。螺旋线是通过一点沿某一方向作匀速运动同时绕该点作匀速圆周运动而形成的。这一运动与研磨液在加工过程中随磨盘作离心运动相似。螺旋槽结构避免了传统固结磨盘沟槽竖直交错而引起研磨液流动不连续的缺点,而且能够及时排除磨屑,不会对工件表面形成二次损伤。螺旋结构函数表达式为

r=Rt,0<t<1,(1)x=rcos(θt),(2)y=rsin(θt),(3)

式中:r为不同时刻t与坐标原点之间的距离;R为磨盘的半径;θ为不同时刻坐标点与原点的连线与初始方向的夹角的变化率(也称螺旋角度),在其他参数不变的情况下改变θ的值将改变螺旋线的形状。复合磨盘螺旋角度为60°、沟槽的宽度为3 mm、深度为2 mm、数量为20条。

在单点加压工况下,工件中心区域的压力高于外圈区域的压力,因此改变工件中心区域与外圈区域的磨粒分布来改善工件表面的压力分布,可以使得工件表面材料去除更加均匀。该方法解决了单一形式沟槽带来压力不均的问题,不仅使工件的受力均匀,而且使磨盘在加工时各区域的磨损区域一致。磨盘图案分布如图1所示:A区域为外圈部分,槽间距为5 mm;B区域为中心区域,槽间距为10 mm;同心圆沟槽宽度同为1 mm、槽深2 mm。

2.2 磨盘图案制备

由于磨盘图案设计较为复杂,运用传统加工方式难以成型,而且传统加工在进刀和退刀过程中会产生边界效应。为了解决上述问题,本磨盘制备采用消失模法,模具结构如图2所示,该模具采用3D打印而成,采用水溶性聚乙烯醇(PVA)材料,这种材料打印的模具强度高,易于脱模。选用3301#型树脂和306#型树脂配制无磨料的树脂混料,其中3301#型树脂的质量分数占比为63%~70%,将配制好的树脂混料铺在基体盘上[见图3(a)],在紫外光下固化15 min左右,形成无磨料固化层[见图3(b)]。再将无磨料树脂和金刚石微粉按质量比3∶1进行混合,加入气相二氧化硅、分散剂(两者质量占主成分质量的0.5%),搅拌均匀,铺平后放入模具[见图3(c)],最后用紫外光固化2 h。当树脂固结后放入水中浸泡3 h后用水冲洗即可获得脱模成型模具[见图3(d)]。用消失模法制备可设计出复杂且难以加工的图案,还可避免加工过程造成崩边和边界效应,能够保证磨盘的强度和耐用度。

图 2. 磨盘模具

Fig. 2. Mould of DPP

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图 3. 制备过程图。(a)基体盘;(b)具有无磨料层的基底;(c)加磨料层并放入模具;(d)脱模成型

Fig. 3. Preparation process. (a) Basic plate; (b) basic plate with non-abrasive layer; (c) adding abrasive layer and putting it into the mold; (d) demoulding forming

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2.3 研磨设备及实验

本研究所有实验均在型号为UNIPOL-1200S的科晶自动压力研磨抛光机上进行,并选用蓝宝石衬底为工件材料,开展单面研磨实验,以验证磨盘的加工效果。试样为2 inch(1 inch=2.54 cm)C向蓝宝石衬底。

研磨时,工件贴在载物盘上作自转运动,同时绕磨盘作公转运动,研磨压力由载物盘提供,使衬底与上、下盘面压合并通过相对运动实现研磨加工。为了更好地比较新型磨盘的性能,选用传统GGP分别进行实验(见图4),具体实验参数如表1所示。实验过程中,对研磨前后衬底的厚度、表面粗糙度和表面形貌进行测量,最后在加工完成后检测磨盘的表面形貌。工件的厚度采用测厚仪进行测量;衬底表面粗糙度采用3D光学轮廓仪,选取P1、P2、P3三个点进行观测对比;磨具表面形貌采用光学显微镜进行观测。

图 4. 两种实验盘。(a) DPP; (b) GGP

Fig. 4. Two test pads. (a) DPP; (b) GGP

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3 分析与讨论

磨盘的研磨压力和转速比是影响研磨加工质量的重要参数。为了评价压磨盘的加工效果,实验分别在不同研磨压力和转速比下开展,并从表面粗糙度、材料去除率和磨盘形貌三方面进行评价。

3.1 衬底表面质量

用3D光学轮廓仪观测衬底的表面形貌。研磨转速比为1.1,偏心距为85 mm,研磨时间为1 h,研磨压力为4g kg。由于DPP通过同心圆槽对磨粒位置进行调控,使得工件表面的压力分布更加均匀,故工件表面材料去除均匀性好。衬底表面形貌如图5所示。从3D光学轮廓仪拍摄的工件表面形貌来看,DPP的加工工件表面凹坑和划痕比网格槽更少。为了能够对比DPP和GGP两种磨盘下的实际加工差异,需要对工件表面划痕和凹坑等缺陷进行定量统计。鉴于加工后工件表面破碎凹坑具有明显的盆地特征,采用数字图像处理技术中的分水岭分割方法对采集的图像进行识别标记,处理前后的图像如图6所示。通过计算破碎凹坑在工件表面的像素占比,得出采用DPP加工后的工件表面破碎凹坑约为采用GGP加工的35%,加工缺陷明显减少。因此,选择DPP进行蓝宝石研磨加工,能够获得更好的工件表面质量。

图 5. 两种磨盘加工工件形貌。(a) GGP加工工件表面形貌;(b) DPP加工工件表面形貌

Fig. 5. Morphologies of the workpiece processed by two kinds of pads. (a) Surface morphology of the workpiece processed by GGP; (b) surface morphology of the workpiece processed by GGP

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图 6. 工件表面缺陷提取。(a)工件原形貌;(b)缺陷提取后工件形貌

Fig. 6. Extraction of surface defects on the workpiece. (a) Original morphology of workpiece; (b) morphology of workpiece after defect extraction

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为了定量化比较不同磨盘的加工性能,对其加工后表面质量进行检测。图7给出不同研磨压力和转速比下研磨蓝宝石衬底的表面粗糙度,比较得出DPP研磨后衬底的表面粗糙度明显低于GGP,同时可以看出转速比小数位为奇数时的粗糙度值低于相邻偶数值的转速比。当转速比小数位为奇数时磨粒轨迹在工件上的重复率低,材料去除更均匀,从而表面粗糙度值更小,而且在不同转速比下DPP平均表面粗糙度为129.4 μm,比GGP的平均粗糙度低16.2%,平均峰谷(PV)值为6.6 μm,比GGP低12.2%。另外,衬底的粗糙度随压力的增大而减小。当研磨压力从2g kg增大到4g kg时,两种磨盘表面粗糙度快速降低,在不同压力下,DPP平均表面粗糙度比GGP低10.6%,平均PV比GGP低9.1%。这主要是因为随着研磨压力的增大,磨盘表面更多的磨粒参与切削,快速去除衬底表面不平整的部分,从而使得衬底粗糙度降低得非常明显。但随着压力继续增大,有效磨粒数不再增加,磨粒也会向黏合剂内回退,使得粗糙度难以进一步降低。但总的来说,采用DPP能获得更小的表面粗糙度,表面粗糙度在80~100 nm以内。同时,随着转速比的增大,PV值也在逐渐降低。且在整个加工过程中,DPP对应的PV值均比网格磨盘对应的PV值小很多,且DPP的PV值减小幅度更加明显,最小值可达到5.829 μm(如图8所示)。

图 7. 不同磨盘研磨蓝宝石衬底的表面粗糙度。(a)转速比对表面粗糙度的影响;(b)压力对表面粗糙度的影响

Fig. 7. Surface roughness of sapphire substrate polished by different pads. (a) Influence of rotational speed ratio on surface roughness; (b) influence of pressure on surface roughness

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图 8. 不同磨盘研磨蓝宝石衬底的PV值。(a)转速比对PV的影响;(b)压力对PV的影响

Fig. 8. PV of sapphire substrate polished by different pads. (a) Effect of rotational speed ratio on PV; (b) effect of pressure on PV

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3.2 材料去除率

不同研磨压力和转速比下蓝宝石衬底的材料去除率如图9所示。随着转速比的增大,材料去除率处于波动状态,材料去除率在转速比小数位为偶数时偏低,转速比小数位为奇数时偏大,分析原因:转速比小数位为奇数时,磨粒轨迹重合率低,磨粒有效轨迹长度比转速比小数位为偶数时长,去除的材料多[见图9(a)]。随着压力的增大,材料去除率先增大然后减小。压力逐渐增大,参与加工的磨粒数也逐渐增多,但磨粒超过最大切深时,随着压力的增大,磨盘排屑能力降低,导致材料去除率降低[见图9(b)]。但在加工过程中,DPP的材料去除率始终低于GGP,在不同转速下,DPP平均材料去除率比GGP低14.3%,在不同压力下,DPP平均材料去除率比GGP低14.7%。在工件与磨盘接触的工作区域,由于DPP在工件中心增加更多的沟槽,使得DPP的有效面积小于GGP,故参与加工的磨粒数较少,导致材料去除率也始终低于GGP,但从数据上可以看出差距很小。虽然DPP的效率略低,但材料去除分布更均匀。

图 9. 不同研磨参数下材料去除。(a)转速比对材料去除率的影响;(b)压力对材料去除率的影响

Fig. 9. Material removal under different polishing parameters. (a) Effect of rotational speed ratio on material removal rate; (b) effect of pressure on material removal rate

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为了进一步比较材料去除分布效果,在研磨转速比为1.1,研磨压力为4g kg的条件下观察不同槽型磨盘材料去除分布(见图10)。从图可以看出,DPP的平均去除厚度为18.70 μm,GGP的平均去除厚度为21.05 μm,GGP的去除效率略高于DPP,但GGP加工后的工件表面去除厚度值波动远大于DPP,计算得到GGP的去除厚度非均匀性值(CV)为0.0731,而DPP的去除厚度非均匀性值为0.0494,GGP的去除厚度非均匀性值比DPP高32%。这反映出DPP对材料的去除更均匀,工件表面更加平整。

图 10. GGP与DPP的去除厚度分布。(a) GGP的去除厚度分布;(b) DPP的去除厚度分布

Fig. 10. Removal thickness distribution of GGP and DPP. (a) Removal thickness distribution of GGP; (b) removal thickness distribution of DPP

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3.3 磨盘表面形貌

为了对比GGP与DPP表面加工后的堵塞情况,在相同加工条件下,基于两种磨盘分别加工蓝宝石片,并观察在40,80,120 min时的磨盘表面形貌(见图11)。随着研磨时间的增加,磨盘表面的亮斑渐渐增多,这是由磨盘堵塞逐渐加剧造成的。同时磨盘表面出现凹坑说明有少量磨粒脱落,但磨盘表面的磨粒数没有明显减少,这反映出磨盘的自锐性较好。通过对比两个磨盘的表面形貌,可以看出,DPP的表面凹坑数和白色亮点数都少于GGP,同样采用图像处理的方法来计算磨盘,由于磨屑造成的堵塞具有明显的磨屑色泽特征,适合采用阈值法进行图像分割处理(见图12),获得堵塞面积,计算出DPP的亮斑面积比GGP低70%。由此说明DPP的堵塞程度低于GGP的堵塞程度。形成这种巨大差异的原因在于:GGP的沟槽为十字型,会与研磨液偏摆流动方向形成运动干涉,导致研磨液流动不通畅,从而易导致磨屑在磨盘沟槽交汇处形成堵塞堆积[见图13(a)];而DPP采用阿基米德摆线设计的沟槽与研磨液加工时的流动方向相吻合,研磨液和磨屑更易排出[见图13(b)]。

图 11. 两种磨盘表面形貌。(a) GGP表面形貌;(b) DPP表面形貌

Fig. 11. Surface morphologies of the two pads. (a) Surface morphologies of GGP; (b) surface morphologies of DPP

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图 12. 磨盘形貌图。(a)磨盘原形貌图;(b)磨盘磨屑提取图

Fig. 12. Morphology of the FAP. (A) Original morphology of the FAP; (b) extraction of debris from the FAP

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图 13. 两种槽型盘磨屑流动示意图。(a) GGP磨屑流动示意图;(b) DPP磨屑流动示意图

Fig. 13. Schematic diagram of abrasive debris flow in two kinds of groove plates. (a) Schematic diagram of abrasive debris flow in GPP; (b) schematic diagram of abrasive flow in DPP

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4 结论

针对传统固结磨盘由于表面沟槽形式单一使得加工蓝宝石等脆硬材料加工质量难以保证的问题,提出了一种螺旋槽与同心圆槽耦合结构的固结磨盘的设计与实验研究,并从理论上分析了该磨盘的加工机理和加工质量。从工件表面形貌、表面粗糙度、材料去除率以及磨盘表面形貌等角度,对比分析了新型磨盘DPP与传统磨盘GGP的加工性能。研究结果表明:采用GGP研磨蓝宝石时比采用DPP研磨时的材料去除率略高,在不同转速比和压力时分别提高了14.3%和14.7%,这主要是由于DPP磨盘表面的有效加工面积略低于GGP磨盘(约11.4%)。但是,采用DPP研磨的工件材料去除厚度非均匀性更低,约低于GGP的32%。通过对比研磨后的工件表面形貌、表面粗糙度和PV,发现采用DPP研磨后的工件表面破碎凹坑更少,其数量约为GGP的35%;采用DPP研磨后的工件表面粗糙度在不同转速比和压力下也分别降低了16.2%和10.6%。相应地,采用DPP研磨后的工件PV也分别降低了12.2%和9.1%。对研磨后的磨盘进行表面形貌进行检测和统计分析,发现DPP因表面具有复杂耦合图案可很好地抑制堵塞磨损,其堵塞磨损程度较GGP降低了约70%。由此可见,与单一图案的固结磨盘相比,复杂耦合图案对提升磨盘的加工性能具有明显的促进作用。面对越来越大的由工件加工尺寸带来的大接触加工区和难排屑等问题,这种新型复杂耦合图案磨盘的优越性将更加凸显。