采用溶胶-凝胶技术合成Al2O3刚玉前驱体, 以SiO2-MgO-CaO为助烧剂, α-Al2O3纳米粉体为晶种, 利用传统烧结技术制备微晶陶瓷刚玉(SG)磨料。借助透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)及热重-量热扫描(TG-DSC)等技术分析了晶种的特性和凝胶前驱体的热学性能, 探讨了烧结温度和烧结时间对SG磨料微观结构和力学性能的影响。结果表明, 纳米α-Al2O3晶种的添加使θ-Al2O3α-Al2O3相变温度降低了250 ℃。单颗粒抗压强度和密度随烧结温度的升高和烧结时间的延长先增大后减小, 晶粒形貌由等轴晶转变为片状晶。在1 320 ℃烧结45 min制备的SG磨料的单颗粒抗压强度和密度分别为40.2 N和3.88 g/cm3, 平均晶粒粒径为0.56 μm, 优于用传统烧结技术制备的微米晶种磨料样品。

在对蓝宝石衬底进行粗磨时，需采用大颗粒高硬度磨料以缩短用时。考虑到大颗粒磨料流动性和悬浮性弱的特征，通过监测去除量的指针的摆动情况研究粗磨过程中磨料颗粒的分布和运动规律，表明磨料层的动态平衡性对衬底的厚度均匀性和表面质量具有决定性影响，而该平衡的建立依赖于致密、均匀的初始磨料层，粗磨过程中补充的磨料仅能维持已有的平衡，不能在已失衡的情况下进行补救。该工作有助于提高粗磨工艺控制水平，并对深入研究研磨过程中磨料颗粒的运动情况具有一定的指导意义。

4H-SiC单晶是典型的难加工材料, 研磨加工后表面损伤的密度和深度直接影响后续抛光工序的质量和效率。采用普通铸铁盘研磨工艺会导致晶圆表面划痕多、边缘破片以及去除率不稳定等问题。本实验采用聚氨酯垫研磨工艺, 减少研磨划痕, 提高了研磨后的表面质量, 实现了SiC衬底的精准研磨。通过改变金刚石磨料粒度、磨抛盘转速、研磨压强进行SiC衬底的研磨实验, 探究最优工艺参数及各条件对研磨效果的影响规律。实验结果表明: 随着研磨盘速度增大, 研磨的去除率增大, 其对应的粗糙度先降低后升高; 增大金刚石磨料的粒径会增大研磨的去除率, 但研磨后表面粗糙度也会持续增大; 通过增加研磨压强, 材料的去除率和表面粗糙度都将增加, 但去除率增加的速率由快变慢, 而粗糙度增加的速率逐渐加快。综合考虑, 采用聚氨酯垫研磨时, 较优研磨工艺参数为: 金刚石研磨液浓度为3%, 金刚石粒径为1 μm, 研磨液供给速度为5 mL/min, 研磨压强为47 kPa, 研磨转速35 r/min。该工艺下SiC材料的去除率为0.7 μm/h, 研磨后SiC衬底的表面粗糙度为24 nm。

研磨作为4H碳化硅(4H-SiC)晶片加工的重要工序之一，对4H-SiC衬底晶圆的质量具有重要影响。本文研究了金刚石磨料形貌和分散介质对4H-SiC晶片研磨过程中材料去除速率和面型参数的影响，基于研磨过程中金刚石磨料与4H-SiC晶片表面的接触情况，推导出简易的晶片材料去除速率模型。研究结果表明，磨料形貌显著影响4H-SiC晶片的材料去除速率，材料去除速率越高，晶片的总厚度变化(TTV)越小。由于4H-SiC中C面和Si面的各向异性，4H-SiC晶片研磨过程中C面的材料去除速率高于Si面。在分散介质的影响方面：水基体系研磨液的Zeta电位绝对值较高，磨料分散均匀，水的高导热系数有利于控制研磨过程中的盘面温度；乙二醇体系研磨液的Zeta电位绝对值小，磨料易发生团聚，增大研磨过程的磨料切入深度，晶片的材料去除速率提高，晶片最大划痕深度随之增大。

作为碲锌镉衬底表面加工的重要工序, 化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing, CMP)的加工效果决定了碲锌镉衬底的表面质量和生产效率。抛光液是CMP的关键影响因素之一, 直接影响衬底抛光后的表面质量。对碲锌镉衬底CMP工艺使用的抛光液进行了研究, 探究了以二氧化硅溶胶和过氧化氢为主体的抛光液体系在不同pH值、不同磨料浓度下对衬底抛光表面质量和去除速率的影响。结果表明, 使用改进后的抛光液体系对碲锌镉衬底进行CMP, 能够在获得超光滑表面的同时实现高效率加工, 为批量化制备高表面质量的碲锌镉衬底奠定了良好基础。

材料表面应力状态对材料的冲蚀磨损行为起着重要作用。本文利用有限元方法探讨了冲蚀角度、冲蚀速度、磨料粒径对微晶玻璃涂层冲蚀应力的影响, 利用常温冲蚀试验机对微晶玻璃涂层在不同冲蚀角度下的体积磨损率进行了测定。结果表明, 随冲蚀角度、冲蚀速度、磨料粒径增大, 涂层的冲蚀应力均逐渐增大。在相同的冲蚀角度和冲蚀速度条件下, 磨料粒径对涂层冲蚀应力的提升效果显著。微晶玻璃涂层冲蚀磨损率随冲蚀角度的增大而增加, 其变化规律与冲蚀应力变化趋势基本一致, 从而验证了有限元应力模拟的可靠性。

化学机械抛光法是制作超光滑单晶硅镜片的常用工艺,抛光过程中的各类杂质粒子经常会导致加工表面产生划痕,降低镜片的表面质量。为系统研究不同晶向单晶硅表面塑性划痕与抛光液中杂质的关系,设计了金刚石微粉掺杂抛光Si(111)、Si(110)和Si(100)晶面的实验。利用轮廓仪测量了不同晶向、不同掺杂浓度下的划痕形貌,并通过计算载荷归一化后的划痕宽度分布、划痕深度分布、粗糙度和二维功率谱密度来评估划痕形貌。结果显示,抛光液中杂质粒子粒径、硅片表面的划痕宽度均服从正态分布。随着杂质粒子浓度的增加,划痕形貌从非周期性特征转变为周期性波动,粗糙度出现突跃点。此外,在同浓度金刚石微粉掺杂情况下,Si(110)面在划痕产生初期有更好的杂质粒子容忍度。

本文通过固结磨料球与KDP晶体对磨的单因素试验探究固结磨料球中反应物种类、磨粒浓度、反应物浓度、基体硬度对摩擦系数、磨痕截面积和磨痕处粗糙度的影响，试验结果表明：KHCO3固结磨料球对磨后磨痕对称性好，磨痕处的粗糙度值低；磨痕截面积随磨粒和反应物浓度的增加而增大，随基体硬度的增大而降低；磨痕处粗糙度随磨粒和反应物浓度的增加先降低后上升，随基体硬度的增大先上升后降低；摩擦系数受磨粒和反应物浓度影响不明显，随基体硬度的增大而降低。选择KHCO3作为反应物，Ⅰ基体，磨粒浓度为基体质量的100%，反应物浓度为15%制备固结磨料球与KDP晶体对磨后的磨痕轮廓对称度好且磨痕处粗糙度值低，以该组分制备固结磨料垫干式抛光KDP晶体，可实现晶体表面粗糙度Sa值为18.50 nm，材料去除率为130 nm/min的高效精密加工。