固结磨料研磨抛光加工微晶玻璃的工艺研究

孙祥

摘要 ：微晶玻璃凭借其优越的综合性能将成为下一代硬盘基板材料的最佳选择。然而微晶玻璃属于硬脆材料，用传统的加工方法很难获得高质量的超光滑表面。针对微晶玻璃超精密加工中的困难，本文探索用亲水性固结磨料研磨抛光垫（FAP）对其进行研磨抛光的新工艺，并通过实验来研究其加工后所获得的表面质量。

关键词 ：固结磨料抛光 微晶玻璃 表面粗糙度

引言

微晶玻璃是一种很好的结构材料，具有良好的机械性能和较高温度下的化学稳定性，因而引起人们的广泛注意。近年来，随着计算机技术的飞速发展对计算机的外部存储器，作为硬盘基板新的材料的微晶玻璃在计算机发展中越来受到青睐。由于微晶玻璃微观组成中的结晶相与玻璃相的结构、化学成分都不相同，显微硬度也非常高，传统的加工方法难以加工出亚纳米级光滑表面，因而化学机械抛光（CMP）成为唯一有效用于加工微晶玻璃的技术。因此，探索采用固结磨料抛光垫研磨抛光微晶玻璃的工艺方法，可以为微晶玻璃超精密加工工艺的制订提供依据。

一、微晶玻璃加工方法

目前国内外主要是根据微晶玻璃特殊的微观组成结构和性能特点，对其表面进行精密和超精密的磨削加工，从而达到纳米级的表面质量和平面度。中科院长春光机所韩荣久等人的研究表明，微晶玻璃的晶粒尺寸大约为30～40 nm。因此，要实现其原子量级的去除，获得超光滑表面，必须采用纳米级的抛光磨料。微晶玻璃表面原子在磨料微粒的撞击作用下脱离工件主体，从而被去除。而原子的去除过程则是磨料与工件在原子水平的碰撞、扩散和填补过程。因此研磨和抛光加工是现阶段加工微晶玻璃的主要工艺方法。

二、固结磨料研磨抛光加工微晶玻璃的工艺研究

1. 研磨抛光实验设置

1.1研磨抛光平台

研磨抛光试验在PHL-350型平面高速研磨抛光系统上进行，为了提高研磨盘的平面度，减小行为误差，通常在加工之前将研磨盘两两互研，并用刀口尺检查研磨盘的平面度，以保证被加工工件的表面质量。

1.2抛光垫

抛光垫在CMP过程中具有贮存抛光液并把它们运送到工件的整个加工区域、维持抛光所需的机械和化学环境、传递材料去除所需的机械载荷等作用[1]。因此，本文采用粒度为W14的金刚石亲水性FAP作为抛光垫，以实现高效高质低成本的CMP加工具有重要的意义。

1.3 研磨抛光液

采用去离子水和其它化学添加剂作为抛光液，省去了传统游离磨料抛光中抛光浆料和悬浮微粒的处理以及pH值的变化造成磨粒性能不稳定及沉淀等问题，简化了传统游离磨料抛光中抛光废液的处理，具有绿色环保的特点[2]。本实验中所使用的抛光液仅为去离子水。

2、压力P、转速ω1、偏心距e的变化对工件表面质量的影响

2.1 表面质量

被加工工件表面质量是作为评价FAP加工性能的另一重要指标，包括工件三维轮廓表面粗糙度Sa，Ra和工件的平面度。其中，三维轮廓表面粗糙度Sa，Ra和局部平面度PV由ADEMicroXAM系统测得，测量的范围为868μm×646μm，扫面深度50nm，放大倍数为5×2.0。

2.2 压力P的变化对Sa，Ra的影响

分别选取压力P为0.05Mpa，0.075Mpa，0.1Mpa，其他参数如下：ω1=150rpm，e=70mm，对微晶玻璃片进行研磨，每片的研磨时间为10min。研磨前后用酒精清洗表面，烘干后分别在工件中间、中部、边缘3个位置取2个测量点测量其Sa和Ra，取平均值，计算标准差，分析3种压力下研磨加工微晶玻璃不同位置处的表面粗糙度对比结果，可以看出：1）压力的变化会影响微晶玻璃研磨的粗糙度，过高的压力不利于研磨抛光微晶玻璃表面质量的提高。2）微晶玻璃加工后的粗糙度边缘位置要优于中部和中间位置，利用固结磨料加工微晶玻璃时压力不应过高。

2.3 转速ω1的变化对Sa，Ra的影响

分别选取转速ω1为100rpm， 150rpm，200rpm，其他加工参数如下：P=0.075Mpa，e=70mm，对微晶玻璃片进行研磨，每片的研磨时间为10min。研磨前后用酒精清洗表面，烘干后分别在工件中间、中部、边缘3个位置取2个测量点测量其Sa和Ra，取平均值，计算标准差，分析3种转速下研磨加工微晶玻璃不同位置处的表面粗糙度对比结果，可以看出：1）转速对微晶玻璃粗糙度值的影响呈现正态分布，转速适当提高有利于稳定微晶玻璃粗糙度值。2）微晶玻璃加工后的粗糙度边缘位置要明显优于中部和中间位置。

2.4 偏心距e的变化对Sa，Ra的影响

分别选取偏心距e为50mm，70mm，90mm，其他加工参数如下：P=0.075Mpa， ω1=150rpm，对微晶玻璃片进行研磨，每片的研磨时间为10min。研磨前后用酒精清洗表面，烘干后分别在工件中间、中部、边缘3个位置取2个测量点测量其Sa和Ra，取平均值，计算标准差，分析3种偏心距下研磨加工微晶玻璃不同位置处的表面粗糙度对比结果，可以看出：1）偏心距增大，研磨速度增加，可以获得更高的表面精度。2）边缘部位的表面粗糙度较中间和中部更低。

2.5 工艺参数对表面质量的影响分析

综合上述对比结果可知，用固结磨料研磨加工微晶玻璃可以获得优于传统加工方式的表面质量。而从不同压力、转速、偏心距下研磨微晶玻璃所获得的Sa，Ra和Pv值的对比分析可知，根据加工的要求合理选择压力、转速、偏心距等主要工艺参数。

三、微晶玻璃研磨加工后的表面形貌

下图是在工具显微镜1500倍率观察下的经过固结磨料研磨加工后的微晶玻璃表面形貌，从中可以看出其研磨后的表面几乎全是无规则的点坑，却没有划痕，这说明微晶玻璃在研磨过程中材料的去除方式主要是脆性去除，而不是塑性去除，从而也说明了微晶玻璃属于脆硬材料，其结构属于多晶体，因此采用固结磨料研磨加工的方式非常适合。

四、总结

微晶玻璃以优良的物理特性被广泛用于各个领域，因此对于微晶玻璃的研究有着重大的意义。因此本文开展了固结磨料研磨抛光加工微晶玻璃的工艺研究，借助实验研究、理论分析等手段，深入地研究了固结磨料研磨抛光加工微晶玻璃的工藝方法和工艺参数，以解决传统的加工方式难加工材料的问题[3]。现将本文完成的工作和研究成果总结如下：

（1）分析了微晶玻璃的发展情况、结构组成和国内外对于微晶玻璃的研究成果，阐述了微晶玻璃作为一种新型材料的广阔运用前景和发展潜力。

（2）通过实验的方法探究了固结磨料研磨抛光加工微晶玻璃的加工工艺和主要工艺参数，研究所得到结论如下：

压力、转速、偏心距是固结磨料研磨加工微晶玻璃的主要加工参数，这些参数的变化会影响表面质量，应该综合加工要求、精度要求和经济性要求来合理选择。

参考文献：

[1] 魏昕， 熊伟， 黄蕊慰，等. 化学机械抛光中抛光垫的研究[J].金刚石与磨料磨具工程， 2004，（5）：40～43.

[2] 杜宏伟. 光电子材料钽酸锂晶片化学机械抛光过程研究[D]. 广州：广东工业大学， 2004.

[3] 周亮. 微晶玻璃冰冻固结磨料抛光工艺研究[D]. 南京：南京航空航天大学， 2010.