任瑩暉 周家恒 李 偉 周志雄 李陳方

湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，長沙，410082

1 適用于硬脆材料的超精密加工方法

單晶硅、多晶硅、碳化硅、石英玻璃、藍(lán)寶石等半導(dǎo)體和光學(xué)硬脆材料因具有高硬度、高強(qiáng)度、高耐磨性、較高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)良的物理化學(xué)特性而被廣泛應(yīng)用于航空航天、國防軍工、汽車工業(yè)、集成電路以及民用光電等領(lǐng)域[1-4]。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ζ骷阅芤蟮奶岣?，對上述材料器件的加工質(zhì)量和精度提出了納米級加工要求。但由于硬脆材料的硬度高、脆性大，故采用傳統(tǒng)機(jī)械去除加工時，容易出現(xiàn)脆性斷裂、崩邊、亞表面裂紋等影響器件使役性能的加工缺陷?；瘜W(xué)機(jī)械磨削(chemo-mechanical grinding, CMG)[5]由于能通過化學(xué)機(jī)械作用實(shí)現(xiàn)納米級面形精度及表面質(zhì)量的高質(zhì)低損加工，逐漸成為單晶硅、石英玻璃等硬脆材料平坦化超精密加工領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。

目前，圍繞硬脆材料的材料特性和超精密加工質(zhì)量要求，國內(nèi)外學(xué)者展開了諸多研究，如在線電解修整磨削[6-7](electrolytic in-process dressing, ELID)、超聲振動輔助磨削[8-10](ultrasonic vibration assisted grinding, UVAG)、電火花機(jī)械復(fù)合磨削[11-13](electro discharge diamond grinding, EDDG)、化學(xué)機(jī)械拋光[14-17](chemical mechanical polishing, CMP)、磁流變拋光[18-20](magnetorheological polishing, MR polishing)、激光拋光[21](laser polishing)、等離子體輔助拋光[22-23](plasma assisted polishing, PAP)等。表1總結(jié)了現(xiàn)階段部分相關(guān)超精密加工技術(shù)加工硬脆材料的材料去除和表面/亞表面質(zhì)量的特點(diǎn)以及不足。表1中提及的超精密加工技術(shù)在硬脆材料的曲面成形、平面光整和微結(jié)構(gòu)成形方面已能實(shí)現(xiàn)納米級表面質(zhì)量和介觀尺度材料去除的加工，但還存在諸多影響工業(yè)化生產(chǎn)效率和成本控制等問題有待解決。例如，ELID技術(shù)的砂輪存在無效損耗，UVAG的亞表面損傷和刀具磨損明顯，PAP產(chǎn)生SiF4有害氣體，CMP效率極低并且拋光液帶來環(huán)境污染等，這些問題制約了上述技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的普及應(yīng)用。

表1 適用于硬脆材料的超精密加工方法及特點(diǎn)

化學(xué)機(jī)械磨削最早由日本茨城大學(xué)周立波教授團(tuán)隊(duì)提出[5]，是一種借助軟磨料固結(jié)磨具與工件間的固-固相化學(xué)反應(yīng)弱化材料去除難度，再通過軟磨料磨具的機(jī)械磨削復(fù)合作用實(shí)現(xiàn)硬脆材料高質(zhì)低損超精密加工的技術(shù)。從現(xiàn)有報(bào)道可見，CMG技術(shù)已能夠?qū)崿F(xiàn)單晶硅[25]、石英玻璃[26]、藍(lán)寶石[27]等硬脆材料納米級面形精度和表面粗糙度的平坦化超精密減薄加工。圍繞硬脆材料展開的CMG材料去除機(jī)理研究、軟磨料砂輪研制以及新型復(fù)合工藝開發(fā)逐漸成為了國內(nèi)外CMG的研究熱點(diǎn)。雖然CMG技術(shù)已表現(xiàn)出優(yōu)異面形精度和表面質(zhì)量加工能力，但還未能探明軟磨料與工件間固-固相反應(yīng)閾值條件，從而還未將CMG的化學(xué)-機(jī)械協(xié)同高質(zhì)低損的加工優(yōu)勢推廣至其他材料的超精密加工領(lǐng)域。此外，由于CMG磨具的軟磨料硬度低于被加工的硬脆工件硬度，所以磨具損耗速度較快，加工效率難以滿足日益增長的器件加工需求。揭示軟磨料與工件間的固-固相化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，突破被加工材料的局限，開發(fā)新型工藝提高CMG加工效率，解決化學(xué)機(jī)械軟磨料砂輪磨損與加工效率和質(zhì)量的矛盾等問題，成為了CMG技術(shù)發(fā)展的研究難點(diǎn)。

本文圍繞現(xiàn)已報(bào)道的CMG技術(shù)研究成果，介紹其材料去除機(jī)理、磨削工藝和復(fù)合加工工藝方面的研究現(xiàn)狀，綜述CMG材料去除機(jī)理研究的分析方法，以及CMG工藝參數(shù)、軟磨料磨具特性以及復(fù)合工藝對化學(xué)機(jī)械磨削質(zhì)量以及效率的影響規(guī)律，分析現(xiàn)階段CMG研究方面存在的問題，并對CMG技術(shù)的發(fā)展提出展望。

2 CMG材料去除機(jī)理研究

采用金剛石等傳統(tǒng)超硬磨料磨削硬脆材料時，被加工材料主要是脆性去除[28]。有研究表明，當(dāng)應(yīng)變被限制在0.02%～0.03%范圍內(nèi)時，大多數(shù)脆性材料表現(xiàn)出塑性特征[29]。為獲得高質(zhì)量加工表面，常采用更細(xì)磨粒、更小切深以控制磨粒的最大未變形切削厚度的方式實(shí)現(xiàn)硬脆材料延性域磨削[30]。但是在延性去除過程中，塑性應(yīng)變會在磨削加工表面產(chǎn)生并積累，導(dǎo)致工件表面形成殘余應(yīng)力和結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，無法獲得無缺陷的表面[31]。有研究者認(rèn)為，可通過克服工件表面原子晶格使化學(xué)鍵斷裂，同時克服表面勢壘能，從而達(dá)到原子級材料去除的目的[32]。CMG技術(shù)就是在傳統(tǒng)磨削中引入化學(xué)作用以降低工件材料表面勢壘能的超精密加工方法。相較而言，傳統(tǒng)磨削加工通常采用高于工件材料硬度的磨料對硬脆材料進(jìn)行脆性或塑性去除；而CMG通過磨料及添加劑與工件材料表面發(fā)生的固-固相化學(xué)反應(yīng)，以及機(jī)械應(yīng)力的協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)材料去除，因此，可采用硬度低于或接近工件材料的軟磨料磨具進(jìn)行磨削加工。由此可見，CMG與傳統(tǒng)磨削方法在材料去除機(jī)理方面存在很大區(qū)別。研究者認(rèn)為，CMG的材料去除過程可分為圖1所示的機(jī)械接觸、鈍化層預(yù)生成、鈍化層生成以及鈍化層去除四個階段[33]。

圖1 化學(xué)機(jī)械磨削材料去除原理圖[33]

由圖1可知，CMG實(shí)現(xiàn)材料去除的關(guān)鍵是在磨削過程中通過化學(xué)反應(yīng)生成軟質(zhì)鈍化層，因此加工效率的提高可通過加強(qiáng)磨削過程中的化學(xué)作用來實(shí)現(xiàn)，而這需要建立在對其固-固相化學(xué)反應(yīng)機(jī)理充分理解的基礎(chǔ)上。雖然已有研究人員通過CMG技術(shù)實(shí)現(xiàn)了單晶硅等硬脆材料的高質(zhì)加工[5,26-27,34]，但是對于如何確定磨料、添加劑與工件表面材料之間的固-固相化學(xué)反應(yīng)條件閾值，如何通過化學(xué)反應(yīng)降低被加工材料表面勢壘能從而實(shí)現(xiàn)原子級材料去除等問題還沒有統(tǒng)一的理論解釋。

目前多通過檢測磨削過程中的中間生成物來研究固-固相化學(xué)反應(yīng)的過程，以初步揭示CMG的材料去除機(jī)理。油艷紅[35]利用XRD檢測技術(shù)在CeO2砂輪磨削K9光學(xué)玻璃的磨屑中檢測到了Ce2SiO5、Ce2O3、Na2Si2O5等新的化合物，認(rèn)為在CMG過程中發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。高尚[36]利用XPS技術(shù)檢測CeO2砂輪磨削后清洗和未清洗的硅片表面，XPS圖譜分析表明磨削后表面反應(yīng)膜中含有新生成物Ce2O3，認(rèn)為軟磨料砂輪與單晶硅片在接觸面發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。WU等[37]采用SiO2和Cr2O3軟磨料砂輪對藍(lán)寶石進(jìn)行CMG加工，并利用XPS技術(shù)檢測磨削前和磨削產(chǎn)物中Si和Cr原子2p軌道上電子的結(jié)合能，通過檢測的結(jié)合能變化來證明生成了新物質(zhì)，并提出了如下反應(yīng)式：

3Al2O3+2SiO2=3Al2O3·2SiO2

xAl2O3+yCr2O3=xAl2O3·yCr2O3

上述研究均證明了SiO2、Cr2O3、CeO2等軟磨料與藍(lán)寶石、K9光學(xué)玻璃和單晶硅等硬脆材料在化學(xué)機(jī)械磨削過程中發(fā)生了固-固相化學(xué)反應(yīng)。

為了進(jìn)一步揭示軟磨料與工件材料之間的固-固相化學(xué)反應(yīng)機(jī)制，KAMIYA等[38]利用XRD分析技術(shù)，分別對加熱的CeO2與Si混合粉末及CeO2砂輪磨削硅片后的表面產(chǎn)物進(jìn)行了晶相分析檢測，在加熱到900 ℃以上的混合粉末及工件磨削表面產(chǎn)物中都檢測到了SiO非晶相，認(rèn)為加熱條件下產(chǎn)生非晶相的原因是Si被氧化，而在化學(xué)機(jī)械磨削中產(chǎn)生非晶相的原因是Si與CeO2發(fā)生了固相化學(xué)反應(yīng)。雖然混合粉末的加熱顯示出了與化學(xué)機(jī)械磨削過程相似的化學(xué)反應(yīng)，但是混合粉末的靜態(tài)加熱過程不足以反映磨粒與工件材料間摩擦?xí)r的化學(xué)和機(jī)械作用。此外，RAJENDRAN等[39]通過緊束縛量子化學(xué)分子動力學(xué)模擬了CeO2磨粒對SiO2進(jìn)行CMP加工時的表面力學(xué)特征和化學(xué)反應(yīng)過程(圖2)，認(rèn)為在加工過程中，CeO2中的Ce-O鍵和SiO2中的Si-O鍵斷裂，隨后CeO2中的O原子和SiO2中的Si原子生成新鍵，SiO2表面原子由于部分鍵的斷裂導(dǎo)致結(jié)合力降低，繼而被機(jī)械劃擦作用帶離表面，以此實(shí)現(xiàn)材料的去除，并認(rèn)為產(chǎn)生這種結(jié)果的原因是Ce存在+3和+4兩種價(jià)態(tài)，容易形成CeO2和Ce2O3兩種氧化物。

圖2 CeO2磨粒對SiO2表面CMP過程的分子動力學(xué)仿真[39]

由上述研究報(bào)道可見，研究人員為了揭示CMG的材料去除機(jī)理并提高其加工效率，對化學(xué)機(jī)械磨削過程中的化學(xué)反應(yīng)機(jī)制，以及磨削時的溫度場、磨削壓力等反應(yīng)條件進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，同時輔助以分子動力學(xué)仿真為代表的數(shù)值模擬分析手段，模擬了磨削時被加工材料與砂輪磨料、添加劑等發(fā)生的原子交換方式，能從微觀層面探明發(fā)生固-固相化學(xué)反應(yīng)的具體條件閾值及其反應(yīng)機(jī)理。比較可見，實(shí)驗(yàn)研究有助于在明確反應(yīng)機(jī)理的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整合適的工藝參數(shù)以及選用特定的磨料、添加劑等來提高化學(xué)反應(yīng)速率從而提高CMG加工效率。但目前分子動力學(xué)仿真還多用單顆磨粒來模擬磨削過程，而且現(xiàn)有單顆磨?？虅澰囼?yàn)方法還不能準(zhǔn)確表征滑擦、耕犁、成屑三個階段，同時仿真模型還難以結(jié)合砂輪特性、加工參數(shù)以及設(shè)備狀態(tài)等因素，因此，數(shù)值仿真分析現(xiàn)階段僅為實(shí)驗(yàn)研究的輔助參考，還需進(jìn)一步完善其模擬仿真手段及固-固相反應(yīng)檢測方法。

3 CMG加工工藝研究

化學(xué)機(jī)械磨削過程是化學(xué)和機(jī)械協(xié)同作用的復(fù)雜過程，伴隨著磨粒對工件材料的擠壓、摩擦、剪切以及固-固相化學(xué)反應(yīng)作用，影響加工質(zhì)量以及加工效率的因素很多。研究人員多從磨削工藝參數(shù)以及磨具本身特性對化學(xué)機(jī)械磨削質(zhì)量以及加工效率的影響展開研究。

3.1 磨削工藝參數(shù)

化學(xué)機(jī)械磨削時的碰撞和磨損會在磨具以及工件間形成微小區(qū)域，該區(qū)域中的溫度和壓力會突然升高，這有助于固-固相化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，因此CMG的加工效率會受到砂輪轉(zhuǎn)速、工件轉(zhuǎn)速以及加工環(huán)境等磨削工藝參數(shù)的影響。WU等[40]研究了加工環(huán)境pH值對Cr2O3砂輪CMG加工藍(lán)寶石的影響，結(jié)果表明隨著pH值的增加，材料去除率(material removal rate, MRR)有所提高，同時表面粗糙度值相比于中性環(huán)境下減小了約30 nm。同時WU等[41]還采用直徑300 mm的Cr2O3砂輪對藍(lán)寶石晶片進(jìn)行了CMG實(shí)驗(yàn)，針對不同砂輪轉(zhuǎn)速及工件轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn)，研究其對磨削藍(lán)寶石基片表面粗糙度的影響，結(jié)果表明適當(dāng)提高工件轉(zhuǎn)速能減小表面粗糙度值，但砂輪轉(zhuǎn)速的影響不明顯。除此以外，仇中軍等[26]和油艷紅[35]分別通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在有磨削液的條件下，CMG加工石英玻璃和K9光學(xué)玻璃的加工效率相比于在干式磨削條件下有所提高。

通過控制合適的加工工藝參數(shù)，CMG技術(shù)可獲得表面粗糙度Ra<1 nm的超光滑表面[25-26,42-43]，其磨削表面質(zhì)量可以與CMP技術(shù)相媲美。有研究人員對超細(xì)粒度金剛石砂輪磨削、CMP以及CMG三種超精密加工技術(shù)的加工質(zhì)量進(jìn)行了對比研究[25,44]。如圖3所示，三種方式都能將單晶硅基片加工成鏡面表面[25]。用掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope, SEM)及透射電子顯微鏡(transmission electron microscope, TEM)進(jìn)一步觀察單晶硅的表面形貌及亞表面損傷情況(圖4、圖5)[44]，由圖4可見，超細(xì)粒度金剛石砂輪磨削表面留下深淺不一、分布均勻的劃痕；而CMG 加工表面質(zhì)量接近CMP加工表面質(zhì)量，均無明顯劃痕。對比圖5可見，CMG加工后的單晶硅樣品的亞表面損傷層厚度約為30 nm，遠(yuǎn)小于金剛石砂輪加工的約90 nm的亞表面損傷層厚度，略大于CMP加工的10 nm亞表面損傷層厚度。ZHOU等[32,45]用TEM觀察經(jīng)CMG加工后的硅片，未發(fā)現(xiàn)亞表面損傷，證明了在合適的參數(shù)下CMG可以實(shí)現(xiàn)無亞表面損傷加工。WU等[40]認(rèn)為CMG是化學(xué)和機(jī)械雙重作用的過程，只有當(dāng)兩種作用達(dá)到一定的平衡時才能獲得無亞表面損傷的表面，當(dāng)機(jī)械作用強(qiáng)于化學(xué)作用時，就會產(chǎn)生一定厚度的亞表面損傷層。

(a)金剛石 (b)CMP (c)CMG

(a)金剛石 (b)CMP (c)CMG

(a)金剛石 (b)CMP (c)CMG

上述研究表明，通過合理選擇砂輪轉(zhuǎn)速、工件轉(zhuǎn)速、加工環(huán)境pH值等工藝參數(shù)以及使用磨削液能有效提高CMG技術(shù)的加工效率以及加工表面質(zhì)量。另外有研究表明[46]，CMG技術(shù)可以消除前道工序中金剛石砂輪在工件表面留下的劃痕等表面缺陷，因此可先用金剛石砂輪進(jìn)行較大余量的高效加工，再用CMG進(jìn)行高質(zhì)量加工以獲得高精度表面。但是雙道工序會引入新的重復(fù)定位誤差以及其他不確定誤差，因此提高CMG技術(shù)的加工效率仍是實(shí)現(xiàn)高效超精密平坦化加工的關(guān)鍵。目前，如何量化衡量CMG加工過程中的化學(xué)能和機(jī)械能，不同的磨削工藝參數(shù)會產(chǎn)生怎樣的磨削力和磨削熱，以及如何針對不同材料建立化學(xué)能與機(jī)械能的平衡狀態(tài)的能量方程仍沒有相關(guān)報(bào)道，因此，還需進(jìn)一步從能量分配和傳遞角度完善工藝參數(shù)對加工效率、加工質(zhì)量的影響研究。

3.2 軟磨料磨具

單獨(dú)的軟磨料通常難以在普通磨削方式下達(dá)到固-固相化學(xué)反應(yīng)的條件，為了降低磨料與工件材料間的反應(yīng)閾值以促進(jìn)固-固相化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，還需在CMG專用軟磨料磨具配方中增加適當(dāng)?shù)拇龠M(jìn)固-固相化學(xué)反應(yīng)的添加劑。對于CMG，其專用軟磨料磨具的磨料、添加劑種類以及磨具結(jié)構(gòu)等對最終加工效率及質(zhì)量有重要影響。

軟磨料砂輪作為CMG專用磨具，通常需要滿足四個條件[47]：①磨料硬度低于工件硬度；②磨料能與工件發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；③砂輪添加劑能與工件發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或能夠促進(jìn)磨料與工件的化學(xué)反應(yīng)；④砂輪添加劑能夠改善砂輪特性(如氣孔率、硬度)等。CMG專用磨具常用的軟磨料有CeO2、MgO、SiO2、Cr2O3、Fe2O3等，其莫氏硬度低于被加工的單晶硅、石英玻璃以及藍(lán)寶石等硬脆材料的莫氏硬度[34,48-50]。目前針對樹脂基軟磨料砂輪，常用的添加劑有NaHCO3、CaCO3、ZnSO4、KMnO4、Cu粉、CaO等[51-53]。DAI等[42]針對K9光學(xué)玻璃設(shè)計(jì)了CeO2、MgO、Fe2O3三種不同磨料的CMG砂輪，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明CeO2砂輪對K9玻璃的磨削效果最好。高尚等[47-48]比較了CeO2和MgO砂輪對硅片的磨削效果，發(fā)現(xiàn)MgO砂輪在磨削比和得到的表面粗糙度等方面均優(yōu)于CeO2砂輪。WU等[41]在用Cr2O3和SiO2砂輪磨削藍(lán)寶石時發(fā)現(xiàn)Cr2O3砂輪材料去除率較高，認(rèn)為這是因?yàn)镃r2O3與Al2O3有相似的六方晶體結(jié)構(gòu)，它與藍(lán)寶石之間的化學(xué)活性高于SiO2，從而更容易實(shí)現(xiàn)原子之間的交換，使得Cr2O3砂輪對藍(lán)寶石的加工效果優(yōu)于SiO2砂輪。TAKAHASHI等[54]通過設(shè)計(jì)不同碳酸鈉添加劑和CeO2磨料含量的砂輪來研究碳酸鈉對砂輪性能的影響，發(fā)現(xiàn)碳酸鈉可以有效減弱CeO2鍵間的結(jié)合力，使砂輪在磨削過程中有良好的自我修整能力。仇中軍等[26]比較了磨料含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為25%和65%的CeO2砂輪磨削石英玻璃的性能，結(jié)果表明采用較高含量磨料的砂輪會導(dǎo)致較低的材料去除率以及較差的表面質(zhì)量。這主要是由于過高的磨料含量減小了磨具中的氣孔比例，從而砂輪自銳性及容屑能力降低。高尚等[44,48]制作的氯氧化鎂結(jié)合劑CMG砂輪相對于樹脂砂輪能得到更好的表面質(zhì)量及更低的亞表面損傷，分析認(rèn)為這是由于氯氧化鎂結(jié)合劑在常溫常壓下固化，其砂輪具有更高的氣孔率(圖6)及自銳性，從而具有更好的磨削效果。SASAKI等[55]設(shè)計(jì)了圖7所示的節(jié)段形狀和環(huán)形兩種結(jié)構(gòu)形式的CMG砂輪，并進(jìn)行了硅片的磨削加工實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明節(jié)段形狀砂輪有更高的材料去除率。除了上述傳統(tǒng)樹脂結(jié)合劑CMG砂輪以外，WANG等[56]還設(shè)計(jì)制作了無結(jié)合劑磨料磨具(磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為100%和99.5%)，如圖8所示，旨在提高藍(lán)寶石基片化學(xué)機(jī)械磨削過程的材料去除率，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了無結(jié)合劑CMG磨具相對于傳統(tǒng)樹脂結(jié)合劑CMG磨具有更高的材料去除率，但磨具自身磨損更快，由此得出磨具的磨損對材料去除率有較大影響，同時提出磨具制作過程中的燒結(jié)溫度可能是實(shí)現(xiàn)材料去除率和磨具磨損之間平衡的重要因素。

(a)氯氧化鎂結(jié)合劑

(a)節(jié)段形狀 (b)環(huán)形砂輪

(a)100% (b)99.5%

由此可見，針對不同工件選擇合適的磨料以及添加劑可有效提高CMG的加工效率，同時磨具本身的制作工藝也會對加工效率產(chǎn)生影響。因此，不但需要研究分析工件材料與不同磨料間的化學(xué)反應(yīng)機(jī)制，更需要考慮化學(xué)與機(jī)械作用的耦合效應(yīng)來優(yōu)化磨削工藝參數(shù)和磨具特性，包括組織配方、幾何結(jié)構(gòu)以及制造工藝等方面對磨具性能的影響，從而提高CMG的加工質(zhì)量以及加工效率。

4 CMG復(fù)合加工工藝研究

受CMG磨具軟磨料特性的影響，CMG技術(shù)的加工效率雖然高于采用游離磨料加工的CMP技術(shù)，但仍然難以滿足高效加工的要求。于是，研究人員提出在保證磨削加工質(zhì)量的前提下采用復(fù)合工藝方法來提高CMG技術(shù)的加工效率。如王振忠等[57]提出二維超聲振動輔助CMG技術(shù)，對單晶硅進(jìn)行了工藝試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，二維超聲振動輔助CMG技術(shù)的材料去除率是無超聲輔助CMG技術(shù)的2倍，且達(dá)到了Ra=5 nm的表面粗糙度。LI等[58]研究了超聲振動輔助磨削對熔融石英加工質(zhì)量的影響，結(jié)果表明超聲振動輔助可以將材料去除率提高50%以上并且表面粗糙度值可達(dá)到2 nm以下。YANG等[59]通過實(shí)驗(yàn)研究了超聲振動輔助CMG加工硅片的影響，實(shí)驗(yàn)證明超聲振動輔助可以提高材料去除率，并且引起很小亞表面損傷甚至無亞表面損傷，同時對比了不同超聲振動方式對表面加工質(zhì)量的影響，如圖9所示。以上研究表明，超聲振動輔助CMG在不犧牲磨削質(zhì)量的前提下能提高加工效率。由此可見復(fù)合加工工藝是解決CMG技術(shù)加工效率較低的有效途徑。復(fù)合工藝技術(shù)有助于通過其他能場的輔助作用降低軟磨料與硬脆材料固-固相化學(xué)反應(yīng)的閾值，或者可以提高反應(yīng)速率，從而間接提高機(jī)械應(yīng)力的去除效率，但目前除了超聲振動輔助以外，還未見其他能場復(fù)合CMG技術(shù)的相關(guān)報(bào)道，因此，CMG技術(shù)與磁場、電場、激光等能場的復(fù)合加工技術(shù)將成為CMG技術(shù)領(lǐng)域未來研究探索的新方向。

(a)傳統(tǒng)CMG (b)縱向超聲振動

5 結(jié)論與展望

化學(xué)機(jī)械磨削技術(shù)作為超精密加工領(lǐng)域的新興技術(shù)，因可獲得與化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)接近的表面/亞表面質(zhì)量，同時還能保持優(yōu)異的面形精度，并且其加工效率高于化學(xué)機(jī)械拋光而受到國內(nèi)外研究人員的關(guān)注，且取得了一定的研究成果。目前對化學(xué)機(jī)械磨削技術(shù)的研究還處于原理探索和工藝優(yōu)化階段，在化學(xué)機(jī)械磨削的材料去除機(jī)理、化學(xué)機(jī)械磨削工藝參數(shù)、專用軟磨料磨具研制、復(fù)合加工工藝等方面還有許多問題需要解決，主要表現(xiàn)在以下三個方面。

(1)磨削機(jī)理方面。充分理解化學(xué)機(jī)械磨削的材料去除機(jī)理是保證加工質(zhì)量的同時提高加工效率的關(guān)鍵?；瘜W(xué)機(jī)械磨削的材料去除是化學(xué)和機(jī)械協(xié)同作用的過程，因此需從化學(xué)和機(jī)械兩部分對其材料去除機(jī)理展開研究。從現(xiàn)有的研究成果可見，化學(xué)作用部分起弱化被加工材料表面原子勢壘能以及生成軟質(zhì)反應(yīng)層的作用，但對化學(xué)作用部分的研究多停留在檢測中間生成物以及分子動力學(xué)模擬的層面上，目前對非晶相及部分產(chǎn)物的反應(yīng)條件及生成機(jī)理的解釋依舊不明晰。機(jī)械作用部分，一方面提供一定機(jī)械應(yīng)力及磨削熱作為化學(xué)反應(yīng)的輸入能量，另一方面以劃擦方式機(jī)械去除工件表面的軟質(zhì)反應(yīng)層，因此，傳統(tǒng)機(jī)械磨削理論中的劃擦、耕犁、切削過程模型不能完整描述化學(xué)機(jī)械磨削材料去除過程。此外，目前有關(guān)化學(xué)機(jī)械磨削的磨削力理論模型以及磨削熱的模擬模型的研究尚未成熟，這主要是因?yàn)檐浤チ仙拜喤c工件間的應(yīng)力作用機(jī)理、能量消耗與傳遞方式與傳統(tǒng)磨削加工不同，涉及到材料表層物理機(jī)械性能及成分官能團(tuán)變化等因素的影響。因此，有待基于化學(xué)和機(jī)械協(xié)同效應(yīng)，從能量分配和傳遞角度建立起適合化學(xué)機(jī)械磨削過程的有效理論模型。

(2)專用軟磨料磨具方面。目前研究的化學(xué)機(jī)械磨削專用磨具都存在磨損較快的問題，其較短的使用壽命是影響化學(xué)機(jī)械磨削技術(shù)廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一，且由于化學(xué)機(jī)械磨削磨具磨損較快，現(xiàn)常用于硬脆非金屬材料的平坦化加工，以使磨具能夠均勻磨損從而保持形狀精度。目前，針對化學(xué)機(jī)械磨削專用磨具磨損機(jī)理、復(fù)雜結(jié)構(gòu)化學(xué)機(jī)械磨削用砂輪的研究鮮見報(bào)道。為將化學(xué)機(jī)械磨削技術(shù)的優(yōu)勢從平坦化加工向較復(fù)雜結(jié)構(gòu)加工的方向拓展，并提高加工效率從而降低生產(chǎn)成本，需進(jìn)一步分析磨具制作過程的工藝參數(shù)對磨具性能的影響、磨具磨損機(jī)理以及磨具磨損對加工表面質(zhì)量和面形精度的影響規(guī)律。

(3)加工工藝方面。雖然化學(xué)機(jī)械磨削技術(shù)已能實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量表面加工，但由于化學(xué)機(jī)械磨削是機(jī)械和化學(xué)雙重作用的過程，要實(shí)現(xiàn)低損傷甚至無損傷的加工，就必須實(shí)現(xiàn)兩種作用的相對平衡，因此，如何實(shí)現(xiàn)兩種作用的平衡，以及加工工藝參數(shù)和磨具的形狀等因素會對兩種作用產(chǎn)生何種影響，還有待進(jìn)一步研究。另外，關(guān)于復(fù)合能場對化學(xué)機(jī)械磨削質(zhì)量和效率的影響的研究還較為單一，需拓展研究多種能場對化學(xué)機(jī)械磨削復(fù)合加工技術(shù)的可行性及有效性。

在化學(xué)機(jī)械磨削領(lǐng)域，除了亟待解決上述影響磨削質(zhì)量和效率的關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問題以外，有必要拓展以下幾個方面的研究，以期促進(jìn)化學(xué)機(jī)械磨削技術(shù)更加廣泛的應(yīng)用。

(1)加工對象多樣化。目前關(guān)于化學(xué)機(jī)械磨削的研究都存在于單晶硅、石英玻璃等硬脆非金屬材料上，因此，在對化學(xué)作用機(jī)理充分研究的基礎(chǔ)上，還可將應(yīng)用范圍擴(kuò)充至工程陶瓷、硬質(zhì)合金以及復(fù)合材料等硬脆難加工材料之上。

(2)較復(fù)雜結(jié)構(gòu)加工應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展?，F(xiàn)階段化學(xué)機(jī)械磨削技術(shù)主要應(yīng)用于光學(xué)和半導(dǎo)體器件的平坦化加工，因此，在對化學(xué)反應(yīng)閾值、軟磨料磨具制備充分研究的基礎(chǔ)上，還可以將加工領(lǐng)域擴(kuò)展至曲面結(jié)構(gòu)、三維結(jié)構(gòu)以及微結(jié)構(gòu)等復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件的超精密加工，有助于發(fā)揮化學(xué)機(jī)械磨削技術(shù)高質(zhì)量低損傷的加工特點(diǎn)。

(3)多能場新型復(fù)合加工工藝研究。研究表明，對于化學(xué)機(jī)械磨削中材料去除率較低的問題，可通過采用超聲振動復(fù)合加工的方式進(jìn)行提高，因此，拓展多能場與化學(xué)機(jī)械磨削技術(shù)的結(jié)合，如與超聲振動、激光、電場、磁場等能場的結(jié)合，探索新型復(fù)合加工技術(shù)，有助于發(fā)揮現(xiàn)有技術(shù)潛能拓展化學(xué)機(jī)械磨削技術(shù)研究領(lǐng)域新分支。

(4)化學(xué)機(jī)械磨削智能加工數(shù)據(jù)庫開發(fā)。在揭示化學(xué)機(jī)械磨削機(jī)理的基礎(chǔ)上，對化學(xué)反應(yīng)條件、物理機(jī)械屬性變化、材料去除及磨具磨損進(jìn)行預(yù)測和監(jiān)控，形成控形控性的閉環(huán)反饋的智能數(shù)據(jù)推理和決策，是結(jié)合智能技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)推動化學(xué)機(jī)械磨削加工技術(shù)未來發(fā)展的方向。