1、1 引 言氮 化 镓 ( G a N ) 基 半 导 体 是 继 硅 单 晶 之 后 , 人 类 目 前 所发 现 的 最 重 要 的 新 型 光 电 子 材 料 1 随 着 发 光 二 极 管 的 问 世 ,全 球 正 在 进 行 着 一 场 新 的 产 业 革 命 固 体 照 明 革 命 2 。 由于 发 光 二 极 管 是 冷 光 源 , 在 同 样 亮 度 下 , 固 体 照 明 灯 耗 电仅 为 普 通 白 炽 灯 的 十 分 之 一 , 而 寿 命 却 是 白 炽 灯 的 1 0 0 多倍 , 同 时 它 具 有 免 维 护 环 保 等 优 点 。目 前 氮 化 镓 薄 膜 生 长
2、 主 要 采 用 金 属 有 机 物 化 学 气 相 沉积 ( M e t a l O r g a n i c C h e m i c a l V a p o r D e p o s i t i o n , 简 称 M O C V D ) 工艺 在 蓝 宝 石 ( - A l2O3) 衬 底 基 片 上 生 长 , 该 工 艺 要 求 衬 底基 片 表 面 是 超 光 滑 无 损 伤 表 面 3 。 通 常 超 光 滑 表 面 是 指 4 : 表 面 粗 糙 度 小 于 1 n m ( R M S ) 的 表 面 ; 无 损 伤 表 面 是 指 5 :加 工 表 面 不 能 有 加 工 变 质
3、 层 , 且 表 面 晶 格 完 整 。 如 果 衬 底基 片 的 质 量 稍 差 , 会 使 制 造 出 来 的 发 光 二 极 管 发 光 性 能低 劣 , 甚 至 做 不 出 管 子 来 6 。由 于 蓝 宝 石 衬 底 材 料 的 脆 性 大 硬 度 高 ( 是 莫 氏 9 . 3级 , 仅 次 于 莫 氏 1 0 级 的 金 刚 石 ) , 对 其 进 行 机 械 加 工 已 经十 分 困 难 , 无 损 伤 超 光 滑 表 面 抛 光 技 术 更 加 复 杂 。 目 前 为止 , 化 学 机 械 抛 光 是 获 得 无 损 伤 超 光 滑 蓝 宝 石 晶 片 表 面的 最 好 方
4、法 。2 蓝 宝 石 晶 片 化 学 机 械 抛 光 原 理蓝 宝 石 晶 片 双 面 抛 光 的 工 作 原 理 如 图 1 所 示 。 抛 光 垫固 定 在 上 抛 光 盘 和 下 抛 光 盘 的 表 面 , 被 加 工 晶 片 放 在 由中 心 轮 和 内 齿 齿 轮 组 成 的 差 动 轮 系 内 。 抛 光 压 力 则 由 气缸 加 压 上 抛 光 盘 实 现 。 为 减 少 抛 光 时 晶 片 所 受 的 作 用 力 ,一 般 使 上 抛 光 盘 和 下 抛 光 盘 分 别 按 照 方 向 相 反 的 角 速 度旋 转 。 晶 片 的 运 动 由 行 星 轮 带 动 , 同 时 在
5、 上 、 下 抛 光 盘 抛光 压 力 的 作 用 下 产 生 自 转 , 因 此 晶 片 的 运 动 是 行 星 运 动和 自 转 运 动 的 合 成 运 动 。在 蓝 宝 石 晶 片 抛 光 过 程 中 , 主 要 发 生 如 下 的 水 解 反应 、 酸 与 碱 的 中 和 反 应 及 盐 的 复 分 解 反 应 7 。A l2O3+ H2O f 2 A l O ( O H ) A l2O3+ 3 H2O f 2 A l( O H )3A l2O3+ 6 H+f 2 A l3 + 3 H2O A l( O H )3+ 3 H+f A l3 + 3 H2OA l O ( O H ) + 3
6、 H+f A l3 + 2 H2O A l2O3+ 2 O H-f 2 A l O-2+ H2OA l( O H )3+ O H-f A l O-2+ 2 H2O A l2O3+ 2 S i O2+ 2 H2O f A l2S i2O7 2 H2O化 学 机 械 抛 光 是 一 个 复 杂 的 多 相 反 应 , 它 存 在 着 两 个动 力 学 过 程 : ( 1 ) 抛 光 首 先 使 吸 附 在 抛 光 布 上 的 抛 光 液 中的 化 学 物 质 与 晶 片 表 面 进 行 化 学 反 应 , 即 化 学 反 应 过 程 。( 2 ) 抛 光 表 面 反 应 物 脱 离 蓝 宝 石 晶
7、 片 表 面 , 即 解 吸 过 程 ,使 未 反 应 的 蓝 宝 石 单 晶 重 新 裸 露 出 来 。在 整 个 化 学 机 械 抛 光 过 程 中 , 化 学 反 应 作 用 是 影 响 蓝宝 石 表 面 的 晶 格 完 整 和 表 面 粗 糙 度 的 主 要 因 素 , 而 机 械作 用 是 影 响 表 面 粗 糙 度 和 平 面 度 的 主 要 因 素 。 粗 糙 度 和平 面 度 与 抛 光 的 压 力 、 抛 光 盘 的 运 动 轨 迹 有 较 大 的 关 系 ,本 文 重 点 对 蓝 宝 石 晶 片 抛 光 运 动 状 况 进 行 分 析 、 仿 真 和实 验 研 究 。3 晶
8、 片 抛 光 运 动 分 析3 . 1 抛 光 运 动 轨 迹 方 程在 晶 片 抛 光 过 程 中 , 表 面 宏 观 形 状 的 形 成 主 要 取 决 于工 件 盘 和 抛 光 盘 之 间 的 相 对 运 动 轨 迹 。 在 实 际 抛 光 过 程蓝 宝 石 晶 片 抛 光 过 程 运 动 仿 真 及 实 验 分 析王 兵1顾 建 峰1何 辉 辉1汤 云 霞1周 海2陈 西 府2冶 远 祥3( 1 . 盐 城 工 学 院 B D 机 制 0 5 2 班 , 盐 城 2 2 4 0 5 1 ; 2 . 盐 城 工 学 院 机 械 工 程 学 院 , 盐 城 2 2 4 0 5 1 ; 3
9、. 兴 化 祥 盛 光 电 子 材 料 公 司 , 兴 化 2 2 5 7 6 1 )摘 要 : 本 文 分 析 了 双 面 抛 光 机 的 抛 光 原 理 , 建 立 了 晶 片 在 抛 光 过 程 中 运 动 的 数 学 模 型 , 采 用 V C 语 言 对双 面 抛 光 加 工 进 行 运 动 仿 真 , 分 析 了 不 同 参 数 对 抛 光 效 果 的 影 响 , 获 得 了 最 合 理 的 抛 光 运 动 参 数 , 并 且 在 抛 光机 上 得 到 了 验 证 。关 键 词 : 蓝 宝 石 化 学 机 械 抛 光 运 动 分 析 计 算 机 仿 真基 金 项 目 : 江 苏 省
10、 科 技 厅 科 技 攻 关 项 目 ( B E 2 0 0 7 0 7 7 ) ;江 苏 省 高 校 自 然 科 学 基 础 研 究 项 目 ( 0 6 K J B 4 6 0 1 1 9 ) ;江 苏 省 大 学 生 实 践 创 新 训 练 计 划 项 目 ( 0 7 S S J C X 0 1 1 ) ;盐 城 市 科 技 局 科 技 发 展 计 划 项 目 ( Y K 2 0 0 7 0 1 8 ) 。图 1 双 面 抛 光 机 工 作 原 理 简 图设 计 与 研 究1 72 0 0 8 第 4 期 总 第 1 8 5 期现 代 制 造 技 术 与 装 备中 , 我 们 可 以 简
11、化 抛 光 盘 和 工 件 盘 为 两 个 做 相 对 平 面 运动 的 平 面 。 可 以 用 下 列 三 个 坐 标 系 表 示 8 : 固 结 于 抛 光 盘上 的 静 坐 标 系 ; 固 结 于 抛 光 盘 以 ( p- w) 做 匀 速 运 动 的旋 转 坐 标 系 1; 固 结 于 工 件 盘 中 心 以 角 速 度 a做 匀 速 圆周 运 动 的 坐 标 系 2。先 只 对 坐 标 系 2上 的 运 动 进 行 分 析 , 见 图 2 。工 件 盘 上 任 意 取 一 点 A , A 点 相 对 于 工 件 表 面 上 的 坐标 系 2做 匀 速 圆 周 运 动 , 其 角 速
12、度 为 a, 半 径 为 r , 则 可得 A 点 在 2下 的 运 动 方 程 为 :xA= r c o s AtyA= - r s i n A!t( 1 )根 据 奇 次 坐 标 变 换 原 理 , 可 先 由 2 进 行 平 移 变换 , 再 由 1进 行 旋 转 变 换 , 可 得 A 点 相 对 于 抛 光 盘的 相 对 运 动 轨 迹 方 程 如 下 :xAyA“#1c o s c o s( 9 0 + ) 0c o s( 9 0 - ) c o s 00 0 1“ $0 1 e0 1 00 0 1% $r c o s At- r s i n At“ $1( 2 )( 2 ) 式
13、中 : 为 经 过 时 间 t 后 坐 标 系 与 之 间 的 相 对 转角 = ( p- w) t ; e 为 抛 光 盘 中 心 o 与 工 件 盘 中 心 o2之 间的 距 离 。由 双 面 抛 光 机 的 抛 光 原 理 分 析 得 : 抛 光 盘 以 一 定 的 角速 度 ( p) 与 内 齿 圈 ( t) 以 及 工 件 盘 组 成 一 个 周 转 轮 系 , 运动 原 理 如 图 3 所 示 。it pw=twpwt- wp- w= -z3z1( 3 )it aw=twawt- wa- w= -z2z1( 4 )综 合 ( 1 ) 式 、 ( 2 ) 式 、 ( 3 ) 式 、
14、( 4 ) 式 , 得 :xA= r c o s( z1z2- z1z3- z2z3) p- ( 2 z1z2- z1z3) tz2( z1+ z3)t + e c o sp- tz1+ z3z1tyA= r s i n( z1z2- z1z3- z2z3) p- ( 2 z1z2- z1z3) tz2( z1+ z3)t + e s i np- tz1+ z3z1z2为 工 件 盘 齿 数 ; z3为抛 光 盘 齿 数 ; r 为 工 件 盘 上 任 意 一 点 到 工 件 盘 中 心 的 距离 ; t 为 仿 真 运 动 时 间 。 这 就 是 A 点 相 对 于 抛 光 盘 的 相 对运
15、 动 轨 迹 方 程 。3 . 2 仿 真 结 果 及 其 轨 迹 线 分 析从 ( 5 ) 式 可 以 看 出 , 影 响 抛 光 盘 的 相 对 运 动 轨 迹 的 因素 有 : 内 齿 轮 齿 数 z1、 工 件 盘 齿 数 z2、 抛 光 盘 齿 数 z3、 抛 光盘 角 速 度 p、 内 齿 轮 角 速 度 t。 当 抛 光 机 的 型 号 确 定 之后 , 能 够 调 整 的 参 数 只 有 p和 t, 我 们 在 计 算 机 上 V B 语言 对 抛 光 盘 的 相 对 运 动 轨 迹 进 行 了 计 算 机 仿 真 , 其 结 果如 图 4 所 示 。( a ) p/ t= 0
16、 . 0 7 4 ( b ) p/ t= 1 . 1 5 ( c ) p/ t= 1 2 . 6图 4 不 同 参 数 下 的 抛 光 轨 迹 形 状从 图 4 的 五 幅 图 形 对 比 中 , 我 们 可 以 看 出 : 双 面 抛 光轨 迹 线 形 状 是 由 p/ t的 值 决 定 的 。 当 p/ t值 很 小 时 , 如p/ t= 0 . 0 7 4 , 轨 迹 形 状 如 图 4 ( a ) 所 示 , 其 轨 迹 线 形 状 为 平滑 的 圆 弧 线 。 轨 迹 线 形 状 相 对 比 较 简 单 , 此 时 轨 迹 容 易 重复 , 不 利 于 抛 光 加 工 ; 随 着 p
17、/ t值 的 增 加 , 如 p/ t= 1 . 1 5时 , 轨 迹 线 形 状 如 图 4 ( b ) 所 示 , 相 对 于 ( a ) 图 而 言 要 复 杂得 多 , 在 实 际 抛 光 过 程 中 , 希 望 轨 迹 线 形 状 越 复 杂 越 好 , 轨迹 不 容 易 重 复 ; 随 着 p/ t值 的 进 一 步 增 加 , 如 p/ t= 1 2 . 6时 , 轨 迹 线 形 状 又 趋 于 简 单 , 如 图 4 ( c ) 所 示 , 也 并 不 利 于实 际 抛 光 加 工 过 程 。可 见 , p/ t取 值 的 大 小 直 接 关 系 到 双 面 抛 光 运 动 的
18、 轨迹 线 的 形 状 。 由 上 述 5 幅 图 比 较 可 以 得 出 : 在 其 他 参 数 不变 的 情 况 下 , p/ t的 值 不 能 取 太 小 , 但 是 也 不 能 取 太 大 ,为 了 能 获 得 最 理 想 的 抛 光 效 果 , 经 过 仿 真 实 验 , p/ t的 值范 围 应 该 在 0 . 8 1 . 4 之 间 为 宜 。4 晶 片 抛 光 实 验 分 析为 了 验 证 仿 真 结 果 , 我 们 在 Y P 6 4 0 精 密 抛 光 机 上( r = 5 、 z1= 4 6 、 z2= 4 9 、 z3= 1 4 4 ) , 以 角 速 度 p= 6 6
19、 、 t= 6 0 , 即p/ t= 1 . 1 。 其 他 抛 光 条 件 是 : 以 胶 体 S i O2为 抛 光 液 , 抛 光 液的 浓 度 为 3 % 、 粒 子 直 径 为 7 n m 、 p H = 1 0 时 , 在 聚 氨 脂 抛 光布 上 , 对 蓝 宝 石 晶 片 进 行 化 学 机 械 抛 光 , 清 洗 后 的 晶 片 进行 原 子 力 显 微 镜 ( A F M ) 分 析 。图 5 所 示 的 是 晶 片 抛 光 面 的 A F M 检 测 结 果 , 图 5 ( a )是 放 大 十 万 倍 后 的 蓝 宝 石 晶 片 表 面 三 维 形 貌 ; 图 5 (
20、b ) 晶片 表 面 微 观 粗 糙 度 。 可 以 看 出 : 晶 片 表 面 光 滑 , 表 面 粗 糙度 为 R M S = 0 . 4 6 2 n m 。 通 过 进 一 步 宏 观 尺 寸 检 测 , 平 面 度= 4 . 5 m 、 翘 曲 度 = 2 . 6 m 。 ( 下 转 第 2 5 页 )图 2 任 意 点 A 运 动 方 程 的 建 立p为 抛 光 盘 角 速 度 , t为 内 齿 圈 角 速 度 ,a为 工 件 盘 自 转 角 速 度 , w为 工 件 盘 公 转 角 速 度图 3 周 转 轮 系1 8( 上 接 第 1 8 页 )5 结 论在 蓝 宝 石 晶 片 双
21、 面 抛 光 中 , 抛 光 盘 角 速 度 p、 内 齿 轮角 速 度 t之 比 p/ t, 直 接 关 系 到 双 面 抛 光 运 动 的 轨 迹 线的 形 状 。 p/ t的 值 不 宜 太 小 , 也 不 宜 太 大 , 为 了 能 获 得 较理 想 的 抛 光 效 果 , 的 值 范 围 应 该 在 0 . 8 1 . 4 之 间 为 宜 。在 Y P 6 4 0 精 密 抛 光 机 上 , 取 p/ t= 1 . 1 , 以 胶 体 S i O2为抛 光 液 , 对 蓝 宝 石 晶 片 进 行 化 学 机 械 抛 光 , 获 得 了 晶 片 表面 粗 糙 度 为 R M S 为 0
22、 . 4 6 2 n m 、 平 面 度 为 4 . 5 m 、 翘 曲 度 为2 . 6 m 的 超 光 滑 蓝 宝 石 晶 片 。通 过 对 蓝 宝 石 晶 片 抛 光 过 程 的 运 动 分 析 和 计 算 机 仿真 , 能 够 有 效 的 指 导 蓝 宝 石 晶 片 的 化 学 机 械 抛 光 实 验 , 优化 蓝 宝 石 晶 片 抛 光 工 艺 参 数 。参 考 文 献 1 孙 志 君 . 向 商 用 市 场 阔 步 迈 进 的 G a N 紫 色 和 蓝 色 激 光 二 极 管器 件 J . 今 日 电 子 . 2 0 0 4 , 1 : 4 3 - 4 4 . 2 梁 春 广 ,
23、 张 翼 . G a N 第 三 代 半 导 体 的 曙 光 J . 半 导 体 学 报 .2 0 0 0 , ( 2 ) : 8 9 - 9 9 . 3 杨 力 . 先 进 光 学 制 造 技 术 M . 北 京 : 科 学 出 版 社 , 2 0 0 1 . 4 袁 哲 俊 , 王 先 逵 . 精 密 和 超 精 密 加 工 技 术 M . 北 京 : 机 械 工 业出 版 社 , 1 9 9 9 . 5 P . A . M c k e o w n , T h e R o l e o f P r e c i s i o n E n g i n e e r i n g i n M a n u
24、 f a c t u r i n go f t h e F u t u r e J , A n n a l s o f t h e C I R P , 2 0 0 0 ( 2 ) : 4 9 5 - 5 0 1 . 6 刘 玉 岭 . 超 大 规 模 集 成 电 路 衬 底 材 料 性 能 及 加 工 测 试 技 术 工程 . 北 京 : 电 子 工 业 出 版 社 . 2 0 0 2 . 3 7 王 银 珍 , 周 圣 明 . 蓝 宝 石 衬 底 的 化 学 机 械 抛 光 技 术 的 研 究 .人 工 晶 体 学 报 . 2 0 0 4 , 3 3 ( 3 ) : 4 4 1 - 4 4
25、7 . 8 金 杨 福 , 李 伟 , 胡 刚 翔 , 胡 晓 珍 . 双 面 抛 光 加 工 运 动 过 程 分 析与 数 学 模 型 的 建 立 J . 南 京 航 空 航 天 大 学 学 报 , 2 0 0 5 , 3 7( 1 ) : 9 2 - 9 5 .A n a l y s i s o n t h e K i n e m a t i c S i m u l a t i o n a n d E x p e r i m e n to f P o l i s h i n g f o r S a p p h i r e W a f e rW A N G B i n1, G U J i a
26、 n f e n g1, H E H u i h u i1, T A N G Y u n x i a1, Z H O UH a i2, C H E N X i f u2, Y E Y u a n x i a n g3( 1 . C l a s s B D 0 5 2 , Y a n c h e n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y , Y a n c h e n g2 2 4 0 5 1 ; 2 . D e p a r t m e n t o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g , Y a
27、 n c h e n g I n s t i t u t eo f T e c h n o l o g y , Y a n c h e n g 2 2 4 0 5 1 ; 3 . X i n g h u a X i a n g s h e n g O p t o - e l e c -t r o n i c M a t e r i a l C o . , L t d , X i n g h u a 2 2 5 7 0 0 )A b s t r a c t : T h i s a r t i c l e h a s a n a l y z e d t h e t w o - s i d e d
28、b u f f i n g m a c h i n ep o l i s h i n g p r i n c i p l e , h a s e s t a b l i s h e d t h e c h i p i n t h e p o l i s h i n g p r o c e s st h e m o v e m e n t m a t h e m a t i c a l m o d e l , u s e s t h e V i s u a l C + + l a n g u a g e t oc a r r y o n t h e m o v e m e n t s i m u
29、 l a t i o n t o t h e t w o - s i d e d p o l i s h i n g p r o c e s s i n g ,a n a l y z e d t h e d i f f e r e n t p a r a m e t e r t o p o l i s h t h e e f f e c t t h e i n f l u e n c e , h a so b t a i n e d t h e m o s t r e a s o n a b l e p o l i s h i n g p a r a m e t e r o f m o v e
30、 m e n t , a n d o b -t a i n e d t h e c o n f i r m a t i o n o n t h e b u f f i n g m a c h i n e .K e y w o r d s : s a p p h i r e , c h e m i s t r y m a c h i n e r y p o l i s h i n g , m o v e m e n ta n a l y s i s , c o m p u t e r s i m u l a t i o n 5 田 国 富 , 孙 书 慧 , 程 艳 辉 . 桥 式 起 重 机
31、箱 形 梁 的 优 化 设 计 . 沈阳 工 业 大 学 学 报 , 2 0 0 0 , 2 2 ( 6 ) : 4 6 2 4 6 5 . 6 杜 克 利 斯 基 . 起 重 机 设 计 手 册 . 北 京 : 机 械 工 业 出 版 社 , 1 9 6 6 . 7 马 爱 军 . 周 传 月 . 王 旭 . P a t r a n 和 N a s t r a n 有 限 元 分 析 专 业 教程 . 北 京 : 清 华 大 学 出 版 社 , 2 0 0 4 . 8 刘 兵 山 , 黄 聪 . P a t r a n 从 入 门 到 精 通 . 北 京 : 中 国 水 利 水 电 出版 社
32、 , 2 0 0 2 . 9 S c h m i t L . A . S t r u c t u r a l d e s i g n b y s y s t e m a t i c s y n t h e s i s . P r o c . O f C o n f .o n E l e c t r o n i c C o m p u t a t i o n , A S C E . N e w Y o r k , 1 9 9 0 , 1 0 5 - 1 2 2 . 1 0 M S C . S o f t w a r e , H o m o g e n i z a t i o n D e s i
33、g n M e t h o d ( H M D ) . 1 1 J i e S h e n . D a v i d Y o o n . A N e w S c h e m e f o r E f f i c i e n t A n d D i r e c tS h a p e O p t i m i z a t i o n o f C o m p l e x S t r u c t u r e s R e p r e s e n t e d b yP o l y g o n a l M e s h e s . D e p a r t m e n t o f C o m p u t e r S
34、c i e n c e , U n i v e r s i t yo f M i c h i g a n , D e a r b o r n , M I 4 8 1 2 8 , U S A 2 0 0 3 . 1 2 E . L . C a r d o s o . J . S . O . F o n s e c a . C o m p l e x i t y C o n t r o l I n t h eT o p o l o g y O p t i m i z a t i o n o f C o n t i n u u m S t r u c t u r e s . A B C M . V
35、o l .X X V , N o . 3 , J u l y - S e p t e m b e r 2 0 0 3A S t u d y f o r S t r u c t u r a l O p t i m i z a t i o n D e s i g n o f B r i d g eC r a n e B o x G i r d e rY A N G M e n g l i n , Q I N D o n g c h e n , L I U Z h u l i , W A N G Y i n g j i a( S c h o o l o f M e c h a n i c a l E
36、 n g i n e e r i n g , Z h e n g z h o u U n i v e r s i t y ,Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 1 , C h i n a )A b s t r a c t : B r i d g e c r a n e i s a t y p e o f h o i s t i n g m a c h i n e r y . I t s p e r -f o r m a n c e d e p e n d s l a r g e l y o n i t s b o x g i r d e r s t r u c t u r
37、e . F i r s t l y , a c o m -p r e h e n s i v e a n a l y s i s t o t h e b o x g i r d e r i s g i v e n a n d a n o p t i m i z a t i o nm o d e l t o t h e b r i d g e c r a n e g i r d e r s t r u c t u r e i s e s t a b l i s h e d . S e c o n d l y ,t h e b o x g i r d e r i s o p t i m i z e
38、 d w i t h f i n i t e e l e m e n t s o f t w a r e P a t r a n / N a s -t r a n a n d M M A a l g o r i t h m p r o g r a m . F i n a l l y , t h e s a t i s f i e d r e s u l t s a r eo b t a i n e d .K e y w o r d s : b r i d g e C r a n e , b o x g i r d e r , o p t i m i z a t i o n d e s i g n , f i n i t ee l e m e n t , P a t r a n / N a s t r a n , M M A!设 计 与 研 究2 5
