超声抛光

超声抛光（共4篇）

超声抛光 篇1

0 引言

抛光作为模具型腔加工的一道重要工序,目前其加工时间占整个模具制造时间的30%～50%,其成本占全部制造成本的5%～ 30%[1],模具型腔的抛光,尤其是模具的复杂型腔、窄槽、狭缝和盲孔的内表面抛光显然已经成为模具制造过程中的瓶颈。现阶段的模具生产厂家在用电火花加工出形状复杂的模具型腔和不规则的凹槽后,基本上都需要雇佣大量工人采用手工抛光的方式来降低模具的表面粗糙度。

手工抛光时工人手持市场上可以买到的小型超声模具抛光机,抛光机的变幅杆后面连接有各式各样的直径很小的工具头,抛光面积只有30 cm2左右的凹槽大约要花费人工3 h,可见手工抛光模具的效率很低。不仅如此,由于抛光过程受到工人技术水平的影响很大,没经验的抛光工人往往还会在表面上弄出“桔皮”状纹路和凹痕来[1]。无法保证抛光品质的一致性,这种手工抛光根本无法实现低成本高效率连续加工,难以满足模具生产厂家的需求。因此,现在模具行业亟需不依赖于加工者技术水平并且加工效率较高的新型抛光设备。

如果模具的复杂型腔是通过和被加工型腔相配对的成形工具电极来进行加工,那么可以考虑在电火花加工出模具型腔后,继续利用成形电极将其安装在超声变幅杆的末端作为下一步抛光的工具头,这样可以一次性连续高效的对模具型腔进行抛光加工。

1 超声自动抛光基本原理

本文致力于研究一种超声自动抛光设备来解决现在模具内腔的抛光瓶颈问题,其主要组成部分有超声波发生器、换能器、变幅杆、工具头、悬浮液等。超声抛光的基本原理是利用超声波发生器产生超声振动,通过换能器将振动能量传递给变幅杆,变幅杆将换能器的振幅放大后传递给磨料悬浮液中的磨粒,磨粒对工件表面撞击和划擦[2],从而使工件表面的粗糙度降低而达到精加工工件表面的目的(图1)。

如果模具的复杂型腔是通过和被加工型腔相配对的成形工具电极来加工出来的,那么可以考虑在电火花加工出模具型腔后继续利用成形电极或者更换新的相同形状的成形电极作为下一步超声抛光的工具头,这样不仅可以降低模具型腔抛光的成本,而且便于实现连续高效的自动的进行模具型腔抛光加工(图2)。

例见图2,凹模的形状是一个半球形,那么成形电火花加工就需要有一个带有球形的凹模电极来与之配对[3],以便加工出模具的球形凹槽。如果凹模电极的材料不适合于作为超声抛光的工具头,可以考虑采用其他材料来制作一个在几何形状、公差方面与原来电极完全一样的新的凹模工具头,这样材料的选择范围可以变得很广泛,甚至可以选择热塑性材料来制作[4]。这种加工方法的优点是适应性好,当需要对大小差不多而形状不同的模具凹槽进行抛光时,只需要将变幅杆后面连接的成形工具头换成与新的凹槽互补配对的成形工具头即可,这样使得一套超声抛光设备适用于形状各异的模具凹槽的抛光,大大降低抛光成本并且节约时间提高加工效率。

2 超声自动抛光变幅杆的研究

当利用超声自动抛光设备去抛光形状不同的模具凹槽时,需要根据凹槽的形状来更换相适应的成形工具头,例如,加工方形凹槽需要更换成方形的成形工具头。由于超声波发生器、换能器和变幅杆一旦制作装配好后就很难更换,因此就需要研究不同形状和不同材料的工具头在安装到变幅杆末端后对整个变幅杆的振动性的影响,如果工具头的更换使得变幅杆的共振频率发生较大的变化,那么将导致整个超声自动抛光设备的能量转换效率很低,甚至设备有可能根本无法正常的工作。

2.1 未带工具头的变幅杆设计

考虑到工具头虽然形状各异但一般尺寸较小,质量也远远小于变幅杆,因此在设计变幅杆时可以先忽略工具头对于变幅杆性能的影响,如果差别很大的话,可以在设计好变幅杆后进一步优化。

实际应用中最常用的单一变幅杆有阶梯形、圆锥形、指数形和悬链线形,其中圆锥形变幅杆是四种变幅杆中最稳定的一种[5],当圆锥形变幅杆受到的激振频率在设定值10%以内波动时,圆锥形变幅杆放大系数的变化也是四种常用变幅杆中最小的[6]。因此,在此选用圆锥形变幅杆作为新型自动抛光设备的变幅杆形状。

现在假设选用#45钢作为变幅杆的材料,其密度为7 850 kg/m3,弹性模量为E=210 GPa,设备的额定工作频率为f=20 kHz,纵波声速(在细棒中)为C=5 170 m/s,变幅杆的大端直径为d1=60 mm,小端直径为d2=20 mm。根据参考文献[7]中的设计公式,可以计算出变幅杆的各项参数见表1。在ANSYS里把圆锥形变幅杆建立出实体模型,然后通过模态分析计算出未加工具头时的变幅杆的共振频率为20.13 kHz,这个值相比我们的额定值20 kHz稍微大了一点,但考虑到变幅杆后还要连接工具头,而整个变幅杆的纵振频率将随着工具头的增加而减小,因此在这里不再进行修正了。

2.2 带有工具头的变幅杆研究

超声自动抛光设备可以加工各种形状的模具凹槽,每当凹槽形状变化时都需要更换相对应的成形工具头,工具头的形状是千变万化,因此在设计变幅杆时不可能把每一种具体的情况都考虑进去,但是通过观察发现模具厂家难加工的模具凹槽大多面积不大,因此在这里把各式各样的成形工具头简化为圆柱体来进行统一的研究。

针对本超声自动抛光设备的加工对象模具窄槽和小的复杂型腔,将成形工具头简化为圆柱体,见图3,工具头有长度Lt和直径d两个尺寸,因此需要研究这两个尺寸不同的圆柱工具头的更换对于变幅杆的影响。研究表明整个变幅杆纵振频率随工具头长度的增大而减小,圆锥杆和工具头长度变化相同值时,前者对纵振频率的影响要大于后者[8]。因此,如果工具头的长度和直径都很小时,可以预料工具头的更换对于变幅杆的影响很小,不失一般性,在本文中研究体积较大的工具头形状,在此圆柱体的直径设定为4 mm和6 mm两类,圆柱体的长度设定为 12 mm、16 mm和 20 mm。工具头的材料选择#45 钢和紫铜这两类密度比较大的材料,因为材料密度比较小时工具头对于变幅杆纵振频率的影响很小,在这里紫铜的密度取为8 900 kg/m3,弹性模量为E=110 GPa。

工具头与变幅杆的连接采用螺纹连接,在实际联接时为了避免由于间隙而造成超声振动能量大量损失在接触面的间隙处,可以在螺纹连接处涂上凡士林油以消除空气间隙[5]。在ANSYS里建立实体模型时不考虑螺纹连接的影响,单元分析类型选择SOLID10node187,模型的模态提取方法选用Subspace。带有十二种不同的工具头的变幅杆的模态变化不大,其在20 kHz时的共振图都类似于图4的情况,具体的加上不同工具头后的变幅杆的模态值见表2。

为了更直观的观察不同工具头加到变幅杆后的变化趋势,对比不同参数对于变幅杆纵振频率的影响,将上表的数据图形化,具体见图5。

从表2的数据和图5的图表,再结合前面的分析可以得出如下结论:

1) 在工具头直径和长度相同的情况下,带有紫铜工具头的变幅杆和带有#45钢工具头的变幅杆的纵振频率相差很小。

2) 在工具头直径和材料相同的情况下,工具头的长度越长,则变幅杆的纵振频率越低。

3) 在工具头长度和材料相同的情况下,工具头的直径越大,则变幅杆的纵振频率越低。

4) 从图5可以看出,在同种材料的前提下,工具头直径的变化相比工具头长度的变化对于整个变幅杆频率的影响要大一些。

5) 工具头长度最长、直径最大和选择密度稍大的紫铜材料时,变幅杆的纵振频率降低的最多,但最多也就比设定值20 kHz仅仅降低了0.13 kHz,降低幅度为0.65%,因此可以认为在此情况下,工具头的更换对于整个变幅杆的纵振频率的影响可以忽略。

3 具体应用

图6是某模具厂在进行电火花加工时用的成形电极的三维造型,电极的材料是紫铜,成形电极的底座是10× 6×2的长方体,整个成形电极的高度约为8 mm。从图中可以看出成形电极的表面是由曲面所组成,其电火花加工生成的凹槽也同样是由相对应的曲面组成,由于这种凹槽的空间很小,即使是采用人工抛光的方法也很难使凹槽的表面粗糙度达到较高水平,因此在这种情况下,使用本文所提出的带有成形工具头的超声抛光方法的优势便凸显出来了。

成形电极继续作为抛光的工具头,在这里采用螺纹连接的方式将工具头与前面设计的圆锥形变幅杆连接起来,然后采用ANSYS中的模态分析方法提取出加上工具头后的整个变幅杆在20 kHz左右的纵振频率为 20.01 kHz(图7)。

从这个具体的实例中可以看出,尽管成形工具头的形状是由曲面组成,但是由于成形工具头的质量较小,在加到圆锥形变幅杆的末端后对于原变幅杆的纵振频率影响很小,因此整个变幅杆的共振频率仍然保持在设定的20 kHz的附近,整个变幅杆系统的纵振频率变化很小,完全满足实际加工的要求。

4 总结

超声自动抛光是解决现在模具内腔的抛光瓶颈问题的有效方法,由于要加工各种不同形状的模具凹槽,当凹槽形状变化时,就需要更换与之相对应的成形工具头,因此带有成形工具头的变幅杆的设计就成为设计整个超声自动抛光设备的关键技术之一。成形工具头的尺寸和形状千变万化,本文将它们统一简化为圆柱形,通过有限元分析方法研究了当工具头的材料、直径和长度不同时对整个变幅杆纵振频率的影响。研究结果表明在工具头尺寸相比变幅杆很小的情况下,更换不同材料、不同长度和不同直径的工具头对于整个变幅杆的纵振频率的影响小于1%。同时通过一个具体的应用实例表明,在超声自动抛光设备中更换小型的成形工具头对于整个变幅杆纵振频率的影响可以忽略不计,因此设计研发可以更换成形工具头的自动化超声抛光设备是可行的。

参考文献

[1]宋红文,夏季,刘继光.模具型腔表面振动抛光新技术的研究[J].轻工机械,2005,(3):85-87.

[2]马立,李艺.超声抛光的理论模型和试验分析[J].机械制造与自动化,2009,(6):37-39.

[3]潘晓斌,雷天才,周林,等.成型模具中高精度凹模的电火花加工[J].机床与液压,2001,39(20):32-33.

[4]A Curodeau,J Guay,D Rodrigue,et al.Ultrasonic abrasiveμ-machining with thermoplastic tooling[J],International Journal ofMachine Tools&Manufacture,2008,48:1553-1561.

[5]林仲茂.超声变幅杆的原理和设计[M].北京:科学出版社,1987.

[6]ZhaoMing,LiYi,KaoHaitao.Design and Dynamic Analysis of hornfor Ultrasonic polishing[J].Applied Mechanics and Materials,v121-126,p 2619-2623,2012,Frontiers of Manufacturing and DesignScience II.

[7]曹凤国.超声加工技术[M].北京:化学工业出版社,2005.

[8]翁雷,郑子文,李圣怡.超声研磨工具的有限元优化设计[J].航空精密制造技术,2008,44(3):10-14.

超声抛光 篇2

1 材料和方法

1.1 设备

P5型洁牙机 (法国塞特力, 碧兰公司) , 慢速手机, 橡皮杯, 抛光膏 (雅晧乳膏) ;#PE-J手持式喷砂机 (上海沃森生物科技有限公司) 。压力:橡皮杯抛光压力为0.5 N, 每牙20~30 s;喷砂压力为0.3 N, 时间为每牙2 s, 控砂剂量为0.4~0.5 g。

1.2 临床资料

选择半年内在我院就诊并按时复诊、无牙缺失的牙周病患者40 例。男女各20 例, 年龄18~45 岁。所有病例均身体健康, 无口呼吸习惯。纳入标准:菌斑指数 (PLI) >3、牙石指数 (CI) ≥2。龈沟出血指数 (SBI) >2。

1.3 临床检查、实验方法

①菌斑指数 (PLI) :以Turesky提出的指数为标准。用菌斑染色剂染色, 再根据菌斑面积记分。②牙龈出血指数 (SBI) 根据Mazzza提出的龈沟出血指数为标准[1]。由同一名医生完成对40 名患者常规超声洁治治疗, 去除牙上附着的菌斑和牙石。然后用30 ml/L的过氧化氢液和生理盐水交替冲洗患牙。将同一受试者口内牙齿以左右尖牙为界分为3 个区段。随机对同一受试者3 个区段中的任意2 个区段的牙齿分别进行橡皮杯抛光和喷砂抛光, 对照区域的牙齿不抛光。并对受试患者进行口腔卫生维护宣教及正确刷牙方法训练。

1.4 疗效评价

分别在治疗后的当日、3、6 个月检查菌斑指数 (PI) 。1 周、3、6 个月检查龈沟出血指数 (SBI) 。菌斑指数检查选定Ramfjord指数牙即

。通过菌斑染色剂检查2 种不同抛光方法的抛光效果。

1.5 统计分析

龈沟出血指数 (SBI) 、菌斑指数 (PLI) 用undefined表示。由统计人员利用SPSSPC软件进行资料统计分析。

2 结 果

结果见表 1~2。

① 3 个区段的比较P=1.00; ② 3 个区段比较P>0.05; ③ 2 种不同抛光方法抛光无明显差异 (P>0.05) , 但均比未抛光区下降明显 (P<0.05) 。

① 3 个区段的比较P=1.00;②未抛光区与抛光区比较P<0.05; ③ 2 种抛光区比较P>0.05; ④ 3 个区域的平均菌斑指数明显回升, 基本同治疗前, 3 区段比较无明显差别P>0.05。

3 讨 论

使用橡皮杯抛光术和喷砂抛光术均可去除牙面上细小的牙石和色素, 效果无明显差异。喷砂抛光术是一种物理和化学的过程。通过喷砂机将抛光砂 (碳酸氢钠和石英砂 ) 混合高压气水与牙面呈向上45°角喷向牙面, 不能对准牙龈[2]。对于分布广泛、多集中在邻面牙间隙的色素, 牙釉质发育不全, 釉面不光滑的牙齿, 选择喷砂抛光术, 可以高速快捷地去除色素, 使牙面光洁。对于牙面光滑, 色素少, 牙龈缘红肿的牙齿, 可选择橡皮杯抛光术;抛光时, 对于红肿的牙龈边缘, 可稍加压力使橡皮杯的薄边缘深入龈下, 使牙面光洁无划痕, 不利于菌斑的堆积。

参考文献

[1]曹采方.牙周病学[M].2版.北京:人民卫生出版社, 2005:94-95.

古典法抛光中抛光液的正确使用 篇3

基于化学作用理论,不同牌号的光学玻璃化学组成不同,因而在抛光中表现出的性质也不同。在基本工艺相对稳定的情况下,在对各种牌号玻璃抛光时,抛光液都有其p H值的最佳选择。可以说,抛光液的p H值在很大程度上决定着零件表面的抛光质量。

在抛光过程中,要以同一种抛光液满足各种光学零件的加工,不但理论上不可行,而且实际中也是难以办到的。要想正确掌握抛光液的使用,首先必须了解各种光学玻璃的化学组成和特性,以及其在抛光工艺中的特点,因此,将常用光学玻璃按其化学组成和特性进行分类(见表1)。

由表1可以看出,第一,A类玻璃含SiO2,PbO较多,二者均为难溶组分,故抗腐蚀性较强。B类玻璃含SiO2较少,含BaO较多,BaO代替了A类玻璃中的PbO。而BaO比PbO易溶于酸,因此,这类玻璃易腐蚀倾向较A类玻璃大。C类玻璃中SiO2含量降低,而含BaO,PbO,B2O3较多,这类玻璃难溶组分减少,易溶组分增加,因此,化学稳定性差,极易腐蚀[1]。综上所述,就玻璃的化学稳定性而言,由强到弱的顺序是:第一类(A)→第二类(B)→第三类(C)。第二,就抛光液的酸度选择而言,A类玻璃适宜在酸性液中抛光,B类玻璃适宜在弱酸性液中抛光,C类玻璃适宜在中性液中抛光。对于大多数玻璃来说,碱性抛光液都是非常有害的。了解了各种玻璃的抛光特点后,对应的任务就是如何选择抛光液。

1 抛光液的类别

抛光液一般由抛光粉、水(或蒸馏水)和添加剂(有时不加)混合配制而成。配制抛光液的抛光粉种类很多,例如氧化铈、三氧化二铁、氧化锆、氧化铬、氧化铝等。由于生产效率、资源利用、生产环境、使用习惯等多方面的原因,目前国内普遍使用的是前两种。但运用最广、工艺最成熟、综合使用效果最好的还是氧化铈。氧化铈属于立方晶系,颗粒外形呈多边形,棱角明显,莫氏硬度为6～8,抛光能力强且污染小,因此,氧化铈已成为目前最主要的抛光用材料。三氧化二铁(俗称红粉)属于斜方晶系,颗粒外形呈球形,边缘有絮状物,莫氏硬度为4～7,抛光能力较低,但抛光表面光洁度较高,一般仅用于手工返修零件或个别表面光洁度要求较高的零件,其他方面几乎不用[2]。

2 抛光液的配制

2.1 抛光液的浓度

抛光液的浓度与抛光粉的粒度和抛光速度、压力有关。采用自动加抛光液时,抛光液的浓度要进行适当的控制。对于氧化铈抛光液,较好的浓度是氧化铈与水之比为1∶5或稍稀些。

抛光液的浓度会对抛光效率产生较大的影响。抛光液的浓度太低时,由于抛光液中水量过多,降低了零件表面温度,同时也相应地减少了参与抛光的抛光粉颗粒的数量,从而降低了抛光效率。但当抛光液浓度太高时,抛光液中含水量降低,使零件表面产生局部误差,同样也会造成抛光效率的降低。

抛光液的浓度也会影响抛光表面的质量。当抛光液浓度过高时,抛光过程中玻璃容易发热,模子易变形,往往使抛光表面容易产生擦痕(俗称“道子”),也容易发生腐蚀现象(俗称“油斑”)。

在古典法抛光中,一般用毛笔加抛光液,此时,抛光液的浓度只能按工艺中的要求,凭经验来控制。

2.2 抛光液的pH值和添加剂成分

抛光液的酸碱度(pH值)及添加成分也影响抛光效率和抛光表面的质量。当抛光液的pH值约为7时,抛光过程进行得比较正常也较平稳。当pH值小于3或大于9时,则抛光效率明显下降。因此,采用水作液相既合理又经济,因为水的pH值约为7。一般来说,对于大部分牌号的玻璃,氧化铈抛光液略偏酸性(pH值=5～6)较为好用。

在抛光液的实际应用中,由于考虑各种光学零件的形状尺寸、加工方法、精度等级、表面庛病等级以及抛光粉等工艺材料的差异,各类抛光液的指标只能给出一个有效范围。表2中列出了太原光学仪器厂使用的抛光液类型,表中pH值指抛光液的初始值。

3 验证实例

从上述实验结果可看出,在抛光液中加入适量的添加剂,能在不同程度上提高抛光效率,其中,尤以硫酸锌更为有效(见表3)。尤其对于成盘较大的零件,如太原光学仪器厂为协作单位加工的烟气排放连续监测系统上所用的监测探头物镜1(玻璃牌号BaK8),凸面曲率半径为98.43 mm,抛光时在抛光液中加入硫酸锌后,抛光液不易往下流,不但节省了抛光粉,而且提高了抛光效率。从理论上分析,添加剂所以能起加速作用,是由于添加剂中的阳离子对玻璃表面的阴离子具有吸附作用的结果。

另外,添加剂的使用也在很大程度上改善了零件抛光表面质量,大大减少了抛光表面腐蚀现象(俗称“油斑”)的发生。比如太原光学仪器厂产品针孔摄像头所配透镜J(玻璃牌号ZF7),原来在加工过程中总出现“油斑”,自从修改了加工工艺,用蒸馏水取代自来水,并在抛光液中加入适量硫酸锌,抛光表面起“油斑”现象大为减少。

为解决抛光表面起“油斑”的问题,试用了长春理工大学研制的“PW型抛光液稳定剂”。该产品具有以下优异性能:可显著提高抛光粉的悬浮性,大量减少抛光粉的用量;对抛光液产生良好的消泡作用,不仅有利抛光,而且减少了环境污染;明显提高抛光表面玻璃的去除率,提高抛光效率;抛光表面无腐蚀率可达90%。该稳定剂的性能在针孔摄像头上所用的透镜4(玻璃牌号ZF6)和透镜6(玻璃牌号ZK11)的抛光过程中得到了很好的验证,可以说,“PW型抛光液稳定剂”在提高抛光效率和改善抛光表面质量两方面的表现都达到了令人满意的效果。

4 结束语

一系列的实验结果表明,抛光不同种类的玻璃,使用与之相匹配的添加剂和适宜的抛光液浓度,可有效提高抛光效率,改善抛光表面质量,从而缩短加工周期,降低成本,大幅提高生产效率,增加企业效益。

应当强调的是,以上介绍的抛光过程中玻璃稳定性规律是大量实验的总结,有其普遍性,对指导光学加工有实际意义。但是有时不同的研究者在特定的条件下也会得到不同的结果。这就告诉我们,在按照规律性选择合理的抛光液浓度和pH值时,既要掌握普遍性(原则性),又要考虑到特殊性(灵活性)。

摘要：通过实验分析,找到适合不同种类光学玻璃的抛光液类型,以有效提高抛光效率,改善抛光表面质量。

关键词：抛光,抛光液,pH值

参考文献

[1]蔡立,田守信.光学零件加工技术[M].南京:华中工学院出版社,1987.

超声抛光 篇4

化学机械抛光(chemical mechanical polishing,CMP)[1,2]技术几乎是迄今为止唯一可对硅衬底及集成电路互连结构提供全局平面化的技术,而包含固液两相的抛光液则是影响晶片全局平面化的关键因素之一。复合磨粒CMP技术在保持单一磨粒抛光液优点的同时,改善了其去除率低、容易产生塌边等不足。文献[3]采用液相沉淀工艺制备粒径为150～200nm的CeO2/PS复合磨粒用于硅热氧化片表面的抛光。文献[4,5,6]利用无机磨粒CeO2和SiO2组成的复合磨粒抛光液对铜、钛及其他一些氧化物、氮化物进行了CMP实验,其方法获得的抛光速率比单一磨料抛光液的抛光速率高,且晶片表面缺陷少。文献[7,8]利用静电吸附和化学键两种机理配制不同的PMMA/SiO2核壳式复合磨粒,抛光结果表明静电结合形成的复合磨粒抛光液具有更好的抛光性能。上述文献研究均未讨论获得荷电聚合物微球的方法和提供复合磨粒具体的制备工艺。

针对上述问题,本文利用静电层层自组装技术(layer-by-layer self-assembly,LbL)[9],以表面带有电荷的胶体粒子做模板,利用静电吸引作用,交替组装高分子聚电解质或表面带电荷的无机纳米颗粒。

本文在分析苯代三聚氰胺甲醛微球(benzoguanamine formaldehyde,BGF)、阳离子聚电解质聚二烯丙基二甲基氯化铵(poly diallyl dimethyl ammonium chloride,PDADMAC)和SiO2磨粒层层吸附机理的基础上,通过实验比较了单一磨粒抛光液、混合磨粒抛光液和n-SiO2/BGF复合磨粒抛光液对硅片的抛光性能,研究了聚合物表面磨粒的吸附层数、游离磨粒浓度和聚合物粒径对复合磨粒抛光液抛光性能的影响。

1 实验部分

1.1实验材料

BGF微球(微球平均粒径为1～2μm);FAO/S8010型硅片抛光液(pH值为10.0～12.0,密度大于1.1g/cm3,磨粒SiO2的平均粒径为40nm,其质量分数为35%);FAO/S8010型无SiO2磨粒的抛光液。阳离子聚电解质PDADMAC(20%水溶液,平均分子量MW为(2～3.5)×105,Aldrich);KOH溶液。

1.2n-SiO2/BGF复合磨粒及抛光液的制备

在pH值为10.5的碱性抛光液中,SiO2和BGF微球的Zeta 电位均为负,通过阳离子型聚电解质PDADMAC对BGF微球及复合磨粒进行表面改性,利用静电层层自组装技术,制备吸附多层SiO2的复合磨粒及其抛光液。为便于表达,将经一次PDADMAC改性、吸附一层SiO2的BGF/SiO2复合磨粒简化表示为1-SiO2/BGF,将经多次PDADMAC改性、吸附多层SiO2的复合磨粒BGF/PDADMAC/SiO2…/SiO2表示为n-SiO2/BGF,未经阳离子电解质改性的BGF与SiO2的混合液称为混合磨粒抛光液。

以KOH溶液为pH值调节剂,配置1000mL pH值为10.5、BGF的质量分数为3.0%的BGF悬浮液。在BGF悬浮液中加入37.5mL体积分数为1%的PDADMAC溶液,搅拌后超声振荡30min,使PDADMAC粒子充分吸附于BGF微球表面,结束后用离心机在3000r/min转速下离心分离10min,除去上面清液。将获得的改性BGF微球(离心固体)配置成800mL悬浮液,即BGF/PDADMAC悬浮液。然后在悬浮液中加入143mL的SiO2抛光液和57mL的无磨粒抛光液,最终形成1000mL含复合磨粒1-SiO2/BGF的抛光液。

将制得的抛光液再离心分离后,重复上述改性、离心、洗涤、再溶解等操作,得到含n-SiO2/BGF的复合磨粒抛光液。在每吸附一层PDADMAC或SiO2后均取出少量悬浮液,稀释后用于样品的表征。

1.3样品的表征

采用Zeta PALS型电位分析仪测出吸附前后及不同聚合物微球表面的Zeta电位。利用JEM-1230型透射电子显微镜(TEM)观察磨粒与改性前后BGF微球在抛光液中的分散和吸附情况。

1.4抛光实验

以沈阳科晶设备制造有限公司生产的UNIPOL-1260型研磨抛光机为抛光实验平台,使用与抛光机配套的聚氨酯抛光垫。工件采用规格为33mm×33mm方形P(1,1,1)型单晶硅片,厚度为(525±10)μm,表面粗糙度为Ra0.3μm。硅片用石蜡对称粘贴在载样盘上。抛光液为含BGF或n-SiO2/BGF与普通抛光液调配而成的混合或复合磨粒抛光液。硅片抛光采用的基本工艺参数:抛光压力为20kPa,抛光时间为60min,抛光液pH值为10.5,工作台与载样盘的转速均为50r/min。抛光前后的硅片厚度用精度为1μm的高度测量仪进行测量,从而获得抛光材料的去除率。

2 结果与讨论

2.1Zeta电位ζ测定

图1所示为根据静电层层自组装原理,通过阳离子型聚电解质在聚合物微球表面改性后,吸附不同层数聚电解质PDADMAC或SiO2磨粒的复合磨粒表面Zeta电位。由图1可以看出,由于交替吸附PDADMAC和SiO2(偶数层为SiO2吸附层,奇数层为PDADMAC吸附层),复合磨粒表面Zeta电位也呈现出有规律的正负交替变化。

2.2样品的TEM观察

图2所示为通过TEM观察到的离心后改性前后的大粒径的BGF微球在pH=10.5溶液中对小粒径的SiO2磨粒(平均粒径30～40nm)的吸附情况。如图2a所示,由于SiO2磨粒在pH=10.5的溶液中的表面Zeta电位约为-43mV,而改性前BGF微球的表面电位约为-42.3mV,两者电位同号产生排斥作用,因此在BGF微球表面几乎没有SiO2磨粒。如图2b所示,经质量分数为1.25%的阳离子型聚电解质PDADMAC改性后,BGF微球的表面Zeta电位由负变为+35mV,双电层静电作用力使一定量的SiO2磨粒吸附在BGF微球表面。如图2c、图2d所示,随着改性和吸附次数的增加,BGF微球表面吸附的SiO2磨粒也逐渐增多。当改性和吸附次数增加到4次以后,复合磨粒开始呈现不规则的状态,如图2e、图2f所示。由图2可知,通过对BGF微球表面进行多次改性和吸附,利用静电层层自组装可提高聚合物微球对SiO2磨粒的吸附能力。

2.3单一磨粒、混合磨粒和复合磨粒抛光液对材料去除能力的比较

图3所示为单一磨粒、混合磨粒、复合磨粒(1-SiO2/BGF)抛光液对硅片抛光时的材料去除率平均值。混合磨粒抛光液比单一磨粒抛光液具有更高的材料去除率,是因为聚合物微球BGF在硅片和抛光垫抛光区域之间起着微型抛光垫的作用,使更多的SiO2磨粒能够有效地参与机械抛光作用,使得对硅片的材料去除率有所提高。复合磨粒对硅片具有更高的材料去除率,这是由于经PDADMAC改性之后的BGF微球表面吸附了更多的SiO2磨粒,使得BGF微球在起到微型抛光垫作用的同时,表面的SiO2磨粒也参与了抛光作用,从而提高了对硅片的材料去除率。

2.4不同层数的n-SiO2/BGF复合磨粒抛光液对材料去除率的影响

图4所示为吸附不同层数SiO2的复合磨粒抛光液对硅片CMP的材料去除率。由图4可知,吸附一层SiO2磨粒的复合磨粒抛光液对硅片的CMP抛光材料去除率最小;随着SiO2磨粒吸附层数的增加,复合磨粒抛光液的抛光材料去除率逐渐增大,在吸附层数为3时达到最大值368.767nm/min;尔后,随着SiO2磨粒吸附层数的继续增加,材料的去除率反而有所下降。原因可能是用PDADMAC改性之后,BGF微球表面能够吸附更多的SiO2磨粒,抛光过程中有效的SiO2磨粒也随之增加,从而提高了材料的去除率。但当SiO2磨粒吸附层大于3层之后,复合磨粒形状的不规则化会导致有效的SiO2磨粒有所减少,从而引起材料去除率的略微减小。

2.5n-SiO2/BGF复合磨粒抛光液中游离磨粒浓度对材料去除率的影响

选择吸附3次SiO2磨粒的复合磨粒进行游离SiO2磨粒抛光液材料去除率实验,如图5所示。由图5可知,在无游离SiO2磨粒时,材料的去除率达到了256.48nm/min,这是因为聚合物微球经过3次改性后,表面已经吸附了大量的SiO2磨粒,在抛光时具有良好的机械抛光和化学腐蚀催化作用。 随着抛光液中游离磨粒浓度的提高, 材料的去除率也随之增大, 在游离SiO2磨粒的质量分数为5%时达到最大值,为368.767nm/min。之后,材料去除率基本保持不变,其原因可能是SiO2磨粒含量达到一定程度后,SiO2磨粒的腐蚀催化作用不再增强,参与抛光的SiO2磨粒达到饱和。

2.63-SiO2/BGF复合磨粒抛光液抛光后的硅片表面质量

经3-BGF/SiO2复合磨粒抛光液抛光后的硅片的AFM微观三维形貌如图6所示。利用复合磨粒抛光液时,硅片的表面粗糙度Ra在0.5～0.9nm之间,峰谷值Rpv在10nm以内,表面划痕明显减少。一方面抛光产物能通过抛光液及时排出,另一方面此时的材料去除率较大,能在相同加工时间内更多地去除表面材料,消除表面原始划痕,并且快速去除在抛光过程中可能产生的新的划痕,最终使硅片表面划痕显著减少,Ra和Rpv值达到最小。因此,复合磨粒抛光液既具有高的材料去除能力,又能保证工件表面低的粗糙度及缺陷率,在金属互连层材料、低介电材料以及硅衬底等的化学机械抛光中具有应用价值。

2.7聚电解质改性对复合磨粒抛光液稳定性的影响

图7所示为改性前后BGF微球、复合磨粒在SiO2磨粒抛光液中的分布情况。由图7a可知,初始时,改性前的BGF微球(1号试管)、改性后的BGF微球(2号试管)、混合磨粒BGF+SiO2(3号试管)以及n-SiO2/BGF复合磨粒(4号试管)在抛光液中均具有较好的分散性。图7b和图7c所示分别是溶液静置3h和12h后的状态,显然1号试管较2号试管的沉淀量更多,且上层溶液较2号试管更清,说明改性后的BGF粒子具有更好的分散稳定性;同样,由图7b和图7c中的3号与4号试管可以得出,与改性前相比,改性后的n-SiO2/BGF复合磨粒具有比较好的分散稳定性。

1.改性前BGF微球2.改性后BGF微球3.混合磨粒BGF+SiO2 4.n-SiO2/BGF复合磨粒

3 结论

(1)根据静电层层自组装技术的原理,选择阳粒子型聚电解质PDADMAC对BGF微球进行表面改性,改善聚合物微球对SiO2磨粒的吸附能力,交替吸附PDADMAC和SiO2磨粒使BGF微球的表面Zeta电位出现正负交替变化;制备出不同的n-SiO2/BGF复合磨粒抛光液;当SiO2磨粒吸附层数为3时,SiO2磨粒的吸附效果最理想。

(2)传统单一SiO2磨粒抛光液的硅片材料去除率为241.827nm/min;BGF+SiO2混合磨粒抛光液的硅片材料去除率为268.063nm/min;1-SiO2/BGF复合磨粒抛光液的硅片材料去除率最高,为301.2nm/min。实验表明:复合磨粒抛光液的材料去除能力优于单一磨粒抛光液和混合磨粒抛光液。

(3)吸附多层的n-SiO2/BGF复合磨粒抛光液的抛光实验表明:吸附三层SiO2磨粒的3-SiO2/BGF复合磨粒抛光液的材料去除率最高,为368.767nm/min;复合磨粒抛光液中,游离SiO2磨粒的质量分数为5%时,材料去除率取得较大值。在上述3-SiO2/BGF复合磨粒抛光液抛光后的10μm×10μm硅片表面, 其表面粗糙度 ()()Ra从0.3μm降至0.9nm,峰谷值Rpv小于10nm。由此可见,复合磨粒抛光液对硅片表面具有良好的抛光作用。

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