【摘要】：超精密加工技術(shù)在近幾年的時間里得到不斷的發(fā)展。當(dāng)前該技術(shù)的發(fā)展主要集中在發(fā)展新的加工工藝并提高加工精度。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,越來越多的與半導(dǎo)體相關(guān)企業(yè)和單位成立,它們對超光滑表面零件的數(shù)量需求越來越多,對該類型產(chǎn)品的質(zhì)量的要求也越來越高。以往的加工精度已經(jīng)不能滿足軍用甚至民用企業(yè)的要求,嚴(yán)重影響了如軍用導(dǎo)彈的硅片、大規(guī)模集成電路和高精度的攝像機傳感器等相關(guān)產(chǎn)品的產(chǎn)量,這對超精密加工提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。硅基材料作為第三代半導(dǎo)體材料,被公認(rèn)為是先進工程應(yīng)用和光學(xué)儀器工業(yè)的理想材料。它具有高溫強度高、熱膨脹系數(shù)低、傳熱性能好、抗氧化性好、熱穩(wěn)定性好、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)良特點。廣泛應(yīng)用于國防、航空航天、核能開發(fā)、石油鉆探等國家戰(zhàn)略領(lǐng)域。然而,由于硅基材料具有很高的脆性和較高的硬度,這使得該材料在加工過程中容易出現(xiàn)側(cè)面斷裂的現(xiàn)象,從而使表面處理變得十分困難。如果用磨削等傳統(tǒng)機械拋光方法對含有硅基材料的光學(xué)儀器進行表面處理時,不僅材料去除率太低,不適合球面零件加工,而且在加工過程中會留下大量的表面劃痕等材料損傷,從而降低表面質(zhì)量及精度。因此,傳統(tǒng)加工方法因影響其質(zhì)量而受到限制。哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)提出了使用大氣等離子拋光(APPP)技術(shù)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)加工工藝。該拋光過程的原理是由粒子激發(fā)產(chǎn)生的等離子體與硅基材料表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成氣態(tài)產(chǎn)物離開被加工材料表面,從而完成拋光工藝�，F(xiàn)已有很多學(xué)者已經(jīng)開發(fā)并應(yīng)用了這種復(fù)雜的等離子體態(tài)的化學(xué)反應(yīng)來完成刻蝕需求。因為這屬于化學(xué)去除方法,可以有效地避免像傳統(tǒng)機械加工所產(chǎn)生的加工損傷。此外,這種方法可以達(dá)到納米級的精度,因此在超精密加工領(lǐng)域中得到了應(yīng)用。但是由于大氣等離子拋光技術(shù)是基于等離子態(tài)的化學(xué)反應(yīng),它的拋光時間將比傳統(tǒng)的接觸式加工更長。因為大氣等離子體刻蝕硅基材料時所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)速率受溫度影響很大,溫度越高,反應(yīng)速率越快,拋光效率也就越高,所以本文將根據(jù)Arrhenius方程討論并分析溫度與去除速率之間的關(guān)系,并建立相關(guān)函數(shù)模型和實驗驗證,從而克服大氣等離子拋光技術(shù)的加工時間較長的缺點,使其具有更廣泛的應(yīng)用前景。在第二個章節(jié)中,本文將會介紹大氣等離子拋光技術(shù)的原理和實驗平臺。大氣等離子拋光過程中會產(chǎn)生大量的等離子體,它們會與樣品表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并產(chǎn)生氣態(tài)生成物。首先,我們研究了等離子體產(chǎn)生器,它是等離子體刻蝕樣品的關(guān)鍵。等離子體是在等離子體炬的放電區(qū)域產(chǎn)生,然后與下方的樣品發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氣態(tài)生成物。這是基于化學(xué)刻蝕反應(yīng)的大氣等離子拋光的基本原理。其次,為了產(chǎn)生活性更好的等離子體,分析了不同的氣體配比對加工的影響。在實驗過程中,我們使用了CF_4,O_2和He三種氣體。其中CF_4作為反應(yīng)氣體,產(chǎn)生能夠與硅基材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的等離子體;O_2作為輔助氣體,可以使電離出的活性等離子體不再重新聚合成含氟聚合物,保證等離子體的刻蝕效率,而且還可以與CF_4電離出的含C聚合物生成氣態(tài)CO_2,避免富碳層的產(chǎn)生;He作為基底氣體,為等離子體電離提供穩(wěn)定的氣體環(huán)境。氣體配比不同,等離子體的濃度不同,產(chǎn)生的輝光不同,刻蝕效果及加工速率也就不同。通過當(dāng)前的實驗,可以確定最佳的氣體配比。最后,本文引入了大氣等離子拋光實驗平臺,并且詳細(xì)介紹了平臺中的每個系統(tǒng)的作用及功能。第三章主要建立并優(yōu)化了時間駐留函數(shù)模型。在大氣等離子拋光過程中,等離子體刻蝕的點并不是連續(xù)的,而是離散的。因為駐留在每個刻蝕點的時間不同,所以去除的材料量不同。這就意味著時間駐留函數(shù)會對樣品表面精度造成直接的影響。因此在優(yōu)化氣體配比后,需要根據(jù)定量去除的原理,得到在單位時間內(nèi)的去除函數(shù)模型,再根據(jù)該模型進行駐留點的分布和優(yōu)化。駐留時間的算法有很多種,其中傅里葉變換方法因其穩(wěn)定性很差,會有較大波動而不采用;穩(wěn)定性較強的矩陣算法卻因為其計算負(fù)荷大且得到的去除函數(shù)尺寸過小也不采用;Lucy-Richardson迭代算法具有較好的穩(wěn)定性和計算效率,因此本文采用該算法來確定駐留函數(shù)模型,從而為分析后續(xù)的實驗奠定基礎(chǔ)。因為本文采用的大氣等離子拋光實驗室屬于離散型去除加工方法,所以通過公式,本文計算了收斂比,設(shè)置了加工余量,再根據(jù)實際各個駐留點的分布情況建立了駐留函數(shù),并進行了駐留時間迭代。最后本文對離散加工方法進行了分析,討論了離散加工的特點,并根據(jù)駐留點對周圍區(qū)域的影響設(shè)定了殘差閾值,根據(jù)加工的面型及其去除量優(yōu)化了駐留時間函數(shù),為后續(xù)的基于溫度誘導(dǎo)的大氣等離子體刻蝕實驗提供了所需的算法基礎(chǔ)。在第四章中,為了研究溫度對去除量的影響,本文在樣品多個位置進行了不同溫度下的單點刻蝕實驗。在做完實驗后,使用白光干涉儀對刻蝕后的樣品進行檢測,并得到樣品表面的橫截面形狀。通過上述過程確定了不同溫度下的材料去除形狀。利用這些去除形狀,可以在Matlab軟件中推導(dǎo)出去除函數(shù)的三維模型。根據(jù)這些模型,可以發(fā)現(xiàn):去除函數(shù)模型的形狀與高斯曲面相似,影響其形狀有兩個關(guān)鍵性參數(shù)。其中一個是深度,通過不同溫度下去除函數(shù)模型的深度對比,可以證明隨著溫度升高,去除深度也隨之增加。另一個重要的因素是寬度,溫度越高,寬度也大。通過這兩個參數(shù),可以對不同溫度下的去除深度和寬度進行整理計算,根據(jù)去除函數(shù)的形狀,可以計算出不同溫度下的去除量。此外,通過得到的計算結(jié)果,我們還可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)加工溫度升高時,去除量也隨之增加,并且去除量的變化與Arrhenius方程曲線有關(guān)。從實驗結(jié)果中可以得到Arrhenius方程中最重要的一個參數(shù),也就是活化能。然后通過活化能和Arrhenius方程曲線,可以擬合出基于材料去除實驗的Arrhenius多項式。通過這個Arrhenius多項式,和Lucy-Richardson駐留函數(shù)模型相結(jié)合,我們可以計算出在單個點刻蝕時的駐留時間,從而可以根據(jù)駐留點密度而推導(dǎo)出完成整個區(qū)域的大氣等離子拋光任務(wù)所需要的總時間。實驗的模擬結(jié)果表明,隨著加工溫度的升高,拋光時間也隨之縮短。根據(jù)實驗數(shù)據(jù),我們可以得到駐留時間與溫度之間的關(guān)系曲線,該曲線與Arrhenius相似。當(dāng)拋光溫度在150攝氏度時,要達(dá)到相同的去除效果,拋光時間相對室溫下的拋光時間縮短69%,這就意味著加工溫度的升高可以有效地提高大氣等離子體拋光技術(shù)的效率。在第五章中,在較高溫度下對邊緣效應(yīng)進行有效的去除。本文介紹了幾種消除邊緣效應(yīng)的方法,并對其進行優(yōu)化處理,繪制了消除邊緣效應(yīng)的不同方法所需要的時間,通過對比找到最佳的消除邊緣效應(yīng)的方法。通過數(shù)據(jù),可以發(fā)現(xiàn)在不影響樣品刻蝕后的表面精度的前提下,優(yōu)化后的方法可以減少42%的加工時間,這有效地提高加工效率。其次,通過實驗,我們可以得到在不同溫度下,想要去除相同體積的材料所需要的刻蝕時間。此外,本文還分析了影響表面精度的卷積效應(yīng)。因為在大氣等離子拋光實驗中,等離子體炬在加工區(qū)域中所有離散點的駐留時間不是均勻的,這就意味著加工點是離散的。當(dāng)?shù)入x子體在某一點進行加工時,將刻蝕附近的其他點,使其他點也產(chǎn)生一定大小的去除量,這就造成了卷積效應(yīng)。根據(jù)實驗數(shù)據(jù),駐留點之間的距離越小,卷積效應(yīng)越小,但加工時間也就越長,這將大大降低等離子體拋光的效率,因此需要再控制卷積效應(yīng)的同時,盡量地提高加工速率,也就是說需要在這兩個參數(shù)中選擇最優(yōu)解。本文對駐留點的間距從0.3mm到0.7mm進行了仿真,并對加工后的表面質(zhì)量進行分析,最終確定了最優(yōu)的駐留點間距。通過本文的這些實驗數(shù)據(jù),希望為半導(dǎo)體超精密加工領(lǐng)域的研究做出一定貢獻(xiàn)。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN305.2

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本文編號：2715042