CN110355617B - 预芬顿处理和磁场联合的均匀高效抛光方法 - Google Patents
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Abstract
一种预芬顿处理和磁场联合的均匀高效抛光方法，所述均匀高效抛光通过低压磨粒流实现；所述低压磨粒流在楔形流道内抛光碳化硅工件，所述楔形流道的上顶面倾斜角度可调，通过置于加工装置内的角度调整机构实现；所述芬顿预处理是对碳化硅工件的表面预处理，在抛光前通过芬顿反应使碳化硅工件表面生成二氧化硅薄层，降低工件表面硬度；所述磁场为置于加工装置正下方的电磁铁所产生的垂直工件表面的强度可调均匀磁场，在所述磁场的作用下，流场中的磁性磨粒被磁化，受磁场力作用向工件表面运动；所述磁性磨粒为镀镍碳化硅磨粒。本发明使碳化硅工件抛光后表面粗糙度均匀、表面质量提高、加工效率提高的。
Description
技术领域
本发明属于超精密加工领域，是一种预芬顿处理和磁场联合的均匀高效抛光方法。
背景技术
碳化硅是作为第三代半导体材料，具有禁带宽度大、临界击穿场强高、电子迁移率高、热导率高等特点，在磨料、冶金、LED固体照明和精密电子元件等领域具有广泛应用。其中，精密电子元件等领域对碳化硅晶片有表面损伤小、表面粗糙度低且分布均匀等表面质量要求，但碳化硅的硬度大、脆性高等特点使其表面抛光十分困难。
传统的碳化硅表面抛光工艺，如研磨，是在研磨盘上通过游离磨粒对工件表面进行抛光，由于游离磨粒在研磨盘上的分布具有很大的不均匀性，容易导致研磨加工后工件表面各处的表面粗糙度不等，且易造成表面损伤，严重影响工件的性能。将磨粒相对固定在研磨盘上的研磨方法虽然能够使磨粒分布保持均匀，但由于研磨过程中磨粒距离研磨盘回转中心的距离不同，不同位置的磨粒线旋转速度不相等，导致靠近研磨盘边缘的磨粒磨损程度远大于靠近回转中心的磨粒，从而导致工件表面的抛光程度不同，使加工表面质量下降。目前较为先进的磁性研磨加工过程中，磁性磨粒在随磁场高速旋转时离心作用明显，边缘处磨粒脱离磁场约束向外飞散，最终也会导致加工区域内抛光力分布不均匀的问题。
相比与上述碳化硅抛光工艺，低压磨粒流抛光是一种新型的碳化硅表面抛光技术，以流体作为磨粒的载体，通过磨粒相对碳化硅工件表面的流动进行抛光处理。低压磨粒流抛光的有益之处体现在抛光后的碳化硅工件具有更低的表面粗糙度、更均匀的表面质量和更小的表面损伤率等方面。此外，低压磨粒流抛光的优势还体现在对各类具有复杂几何形状的碳化硅工件抛光上，传统的抛光工艺由于抛光工具的限制难以对复杂形状的碳化硅工件进行彻底的加工，但低压磨粒流抛光过程中磨粒可以随流体流经工件各处，几乎不存在加工死角，实现一次加工到位。
尽管低压磨粒流抛光有许多无可比拟的优越性，低压磨粒流抛光中仍存在很多问题，具体体现在以下三个方面：（1）加工过程中流体与工件表面的摩擦和磨粒与工件表面的碰撞会导致能量损失，造成加工区域内的流体沿流动方向上压力下降，使工件表面的抛光力分布不均匀，最终导致抛光后工件表面粗糙度值分布不均匀，使表面质量下降。（2）由于碳化硅工件的硬度很高，普通磨粒对其加工困难，达到理想加工效果需要较长时间。（3）低压磨粒流抛光的物料切蚀率较低，磨粒对工件表面的压力不足导致磨粒对工件表面波峰的剪切力较小。磨粒在垂直流体流动方向的截面内分布较为随机，只有少部分在工件表面附近的磨粒能起到实际抛光作用，大部分磨粒只是随流体流经加工腔体，没有参与抛光加工，磨粒利用率低，抛光效率低。
发明内容
为了克服低压磨粒流抛光中存在的抛光后碳化硅工件表面粗糙度不均匀、加工效率低的问题，本发明提供一种使碳化硅工件抛光后表面粗糙度均匀、表面质量提高、加工效率提高的预芬顿处理和磁场联合的均匀高效抛光方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种预芬顿处理和磁场联合的均匀高效抛光方法，所述均匀高效抛光通过低压磨粒流实现；所述低压磨粒流在楔形流道内抛光碳化硅工件，所述楔形流道的上顶面倾斜角度可调，通过置于加工装置内的角度调整机构实现；所述预芬顿处理是对碳化硅工件的表面预处理，在抛光前通过芬顿反应使碳化硅工件表面生成二氧化硅薄层，降低工件表面硬度；所述磁场为置于加工装置正下方的电磁铁所产生的垂直工件表面的强度可调均匀磁场，在所述磁场的作用下，流场中的磁性磨粒被磁化，受磁场力作用向工件表面运动；所述磁性磨粒为镀镍碳化硅磨粒。
进一步，实现所述方法的系统包括由压力表、加工装置、磨粒缸、泵、控制阀组成的低压磨粒流回路，置于加工装置下方的电磁铁，置于磨粒缸中的搅拌器和水冷装置以及系统控制器；在搅拌器和水冷装置的作用下，均匀且恒温的磨粒流通过泵从磨粒缸吸出并送入管道，经过控制阀和压力表后流入配备了电磁铁的加工装置中，再通过管道回流到磨粒缸，整个加工过程通过系统控制器实现自动控制。
再进一步，所述角度调整机构包括顶盖、调整板、固定销、固定套和销轴，调整板左侧通过销轴与顶盖联接，调整板可以绕销轴转动，当转动角度确定后，通过调整板右端的定位销和定位套固定调整板的位置；顶盖的下凸缘两侧开有设定数量对限位孔，由于加工装置体积的限制以及调整板绕销轴转动时引起的右端垂直位移较小，各个限位孔开在同一圆弧上会产生重叠，因此把限位孔开在三个半径不同的圆弧上，所述加工装置加工时低压磨粒流从左侧进入，右侧流出。加工过程中流体和磨粒与加工装置腔体或工件表面的摩擦碰撞会导致能量损失，引起流场内沿流动方向上的压力下降，进而导致磨粒对工件表面的剪切力下降，所述角度调整机构能够使楔形流道上顶面的倾斜角在设定范围内按整数角度改变，实现流道截面积沿磨粒流动方向的逐渐缩小，弥补流场内沿流动方向上的压力下降，从而弥补工件表面沿流动方向上的剪切力下降，使工件表面的抛光力分布均匀，抛光后工件表面粗糙度分布均匀。
更进一步，所述低压磨粒流指磨粒流的压力在0.05~2MPa。相比于高压磨粒流，低压磨粒流中的磨粒流动速度慢，对工件表面的剪切力较小，材料去除量少，可控性好。
所述预芬顿处理是对碳化硅工件的表面预处理，在抛光前通过芬顿反应使碳化硅工件表面生成二氧化硅薄层，降低工件表面硬度，先把碳化硅工件置于PMMA材质的工件套内，只露出需要抛光的薄层，再放入芬顿反应试剂中；所述芬顿反应试剂由硫酸亚铁溶液和过氧化氢溶液配制而成，控制芬顿反应试剂中硫酸亚铁和过氧化氢的质量分数分别为0.02%和5%，在二价铁离子的催化作用下，过氧化氢分解生成具有强氧化性的羟基自由基，暴露在芬顿反应试剂中的碳化硅薄层被氧化生成二氧化硅薄层；二氧化硅的硬度相对碳化硅较低，这有利于后续磨粒流抛光，使抛光后工件表面粗糙度降低并提高加工效率。碳化硅工件被PMMA工件套包裹的部分未参与反应，不受影响。
所述磁场为施加于楔形流道内且垂直于工件表面的强度在0.01~1.00T区间内可调的均匀磁场，其通过置于加工装置正下方的电磁铁生成，磁场强度由系统控制器调整，通过改变电磁铁线圈中的电流大小实现磁场强度的调节。
所述磁性磨粒在强度可调的均匀磁场作用下被磁化，磁场强度为B，磁场方向垂直工件表面向上，被磁化的磁性磨粒受到垂直指向工件表面的磁场力作用，在楔形流道内沿平行于工件表面方向流动的同时沿垂直指向工件表面方向流动。磁场力在增大磁性磨粒对工件表面压力的同时使原本在流道截面内无序分布的磁性磨粒向工件表面聚集，提高磨粒在工件表面的驻留时间，从而提高加工效率、缩短加工时间。
所述磁性磨粒为镀镍碳化硅磁性磨粒，粒径0.2~5μm，在磨粒流中的质量分数介于5~15%，磁性磨粒中的碳化硅作为磨粒，通过化学作用镀在碳化硅表面的镍作为磁性层，使磨粒能在磁场作用下被磁化。
所述泵发热和控制阀节流会导致加工回路内的磨粒流温度上升，而磨粒流温度上升会导致磨粒流粘度变化，造成工件表面抛光力变化，最终造成抛光质量下降。为避免磨粒流温度升高导致上述不良影响，在磨粒缸中安装水冷装置，通过系统控制器调节水冷装置的冷却水流量以维持磨粒流的温度在15~45℃范围内。
本发明的有益效果主要表现在：通过角度调机构补偿因加工过程中流体和磨粒与加工装置腔体或工件表面的摩擦碰撞导致的能量损失所引起的流场内沿流动方向上的压力下降，使工件表面的抛光力分布均匀，抛光后工件各处表面粗糙度一致，提高表面质量。通过芬顿反应降低碳化硅工件表面硬度，降低抛光后工件表面粗糙度，并提高加工效率。同时，通过磁场辅助使磨粒对工件表面的压力增大，并使原本在流道截面内无序分布的磨粒向工件表面聚集，提高工件表面附近磨粒浓度，使磨粒得到充分利用，进一步提高加工效率。
附图说明
图1为加工系统示意图。
图2为加工装置示意图。
图3为加工装置截面图。
图4为加工装置爆炸图。
图5为角度调整机构示意图。
图6为芬顿反应示意图。
图7为磁场示意图。
图8为磁性磨粒受力示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1~图8，一种预芬顿处理和磁场联合的均匀高效抛光方法，所述均匀高效抛光通过低压磨粒流实现；所述低压磨粒流在楔形流道内抛光碳化硅工件，所述楔形流道的上顶面倾斜角度可调，通过置于加工装置内的角度调整机构实现；所述预芬顿处理是对碳化硅工件的表面预处理，在抛光前通过芬顿反应使碳化硅工件表面生成二氧化硅薄层，降低工件表面硬度；所述磁场为置于加工装置正下方的电磁铁所产生的垂直工件表面的强度可调均匀磁场，在所述磁场的作用下，流场中的磁性磨粒被磁化，受磁场力作用向工件表面运动；所述磁性磨粒为镀镍碳化硅磨粒。
实现所述方法的系统如图1所示，包括：由压力表1，加工装置2，磨粒缸6，泵8，控制阀9组成的低压磨粒流回路，置于加工装置2下方的电磁铁3，置于磨粒缸6中的搅拌器4和水冷装置5，以及系统控制器7。整个加工系统通过系统控制器7实现自动控制。
加工过程如下：对碳化硅工件表面进行芬顿反应预处理后，启动加工系统，电磁铁3通电，生成垂直于工件表面的均匀磁场，磁场强度可通过系统控制器7在0.01~1.00T范围内调整。搅拌器4启动，将磨粒缸内的磁性颗粒和复合磨粒搅拌均匀。泵8启动，控制阀9打开，将磨粒流送入加工装置2，向加工装置2的角度可调楔形流道空间内提供0.05~2MPa的低压，进行抛光加工。水冷装置5启动，系统控制器7通过安装在磨粒缸内的温度计测得磨粒缸内的温度并控制水冷装置5的冷却水流量，将磨粒流温度维持在允许范围内。
加工装置3如图2所示，其内部结构如图3所示，其零件组成如图4所示。加工装置由螺钉201、顶盖202、调整板203、固定销204、固定套205、销轴206、密封圈207、工件槽208、腔体209、双向螺纹连接件210、导流件211组成。
加工装置中的顶盖202、调整板203、固定销204、固定套205、销轴206构成角度调整机构，角度调整机构如图5所示。调整板左侧通过销轴与顶盖联接，调整板可以绕销轴转动，当转动角度确定后，通过调整板右端的定位销和定位套固定调整板的位置。顶盖的下凸缘两侧开有10对限位孔，由于加工装置体积的限制以及调整板绕销轴转动时引起的右端垂直位移较小，10个限位孔开在同一圆弧上会产生重叠，为保证连接的可靠性，把10个限位孔开在三个半径不同的圆弧上。当调整板右端通过定位销和定位套固定在这10个限位孔位置上时，对应的流道上顶面倾斜角为0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10度，即所述角度调整机构能够使楔形流道上顶面的倾斜角在0~10度范围内按整数角度改变，实现流道截面积沿磨粒流动方向的逐渐缩小，弥补流场内沿流动方向上的压力下降，从而弥补工件表面沿流动方向上的剪切力下降，使工件表面的抛光力分布均匀，抛光后工件表面粗糙度分布均匀。
配置芬顿反应试剂，芬顿反应试剂由硫酸亚铁溶液和过氧化氢溶液配制而成，控制芬顿反应试剂中硫酸亚铁和过氧化氢的质量分数分别为0.02%和5%。
对碳化硅工件表面进行芬顿反应预处理，如图6所示，先把碳化硅工件101置于PMMA材质的工件套102内，只露出需要抛光的薄层，再放入芬顿反应试剂103的容器104中。在二价铁离子的催化作用下，过氧化氢分解生成具有强氧化性的羟基自由基，暴露在芬顿反应试剂中的碳化硅薄层被氧化生成二氧化硅薄层，而被PMMA工件套包裹的部分不受影响。碳化硅工件表面生成的二氧化硅薄层的硬度相对较低，有利于后续磨粒流抛光，使抛光后工件表面粗糙度降低并提高加工效率。
把经过芬顿反应预处理的工件212放置于工件槽208中，再把工件槽放置于腔体209中。采用可拆卸式工件槽，在加工不同形状的工件时，只需要根据工件形状制作对应的工件槽并更换即可。
加工装置2中的导流件211用于流道入口和出口的导流，实现流道入口和出口截面积的平缓变化，降低局部阻力系数，减小磨粒流能量损失。导流件通过方形销与工件槽连接。
双向螺纹连接件210两侧的螺纹为螺纹密封管螺纹，把双向螺纹连接件的一侧连接在腔体上，另一侧连接磨粒流管道上，使加工装置接入磨粒流回路。
盖上加工装置顶盖，拧紧螺钉201。加工装置的密封通过密封圈207实现，密封圈用于顶盖和腔体间的沟槽密封，防止磨粒流向加工装置外泄露。
配制磨粒流，向去离子水中加入镀镍碳化硅磨粒，粒径0.2~5μm，控制镀镍碳化硅磨粒的质量分数介于5~15%，并加入六偏磷酸钠作为分散剂，控制六偏磷酸钠的质量分数介于0.1~0.5%，防止磨粒结块。
将配制的磨粒流加入磨粒缸中，启动搅拌器，使磨粒流均匀。通过系统控制器打开泵和控制阀，进行低压磨粒流抛光加工。
通过系统控制器设置磁场强度，置于加工装置2正下方的电磁铁3在楔形流道内施加垂直于工件表面的均匀磁场，如图7所示。在均匀磁场的作用下，磁性磨粒被磁化，如图8所示，低压磨粒流中被磁化的磁性磨粒213受到垂直指向工件212表面的磁场力作用，在楔形流道内沿平行于工件表面方向流动的同时沿垂直指向工件表面方向流动。在增大磁性磨粒对工件表面压力的同时使原本在流道截面内无序分布的磁性磨粒向工件表面聚集，并延长磨粒在工件表面的驻留时间。
系统控制器通过安装在磨粒缸中的温度计读取磨粒流温度，根据磨粒流温度的变化，启动水冷装置并调节冷却水流量，控制磨粒流的温度在15~45℃范围内。
Claims (7)
1.一种预芬顿处理和磁场联合的均匀高效抛光方法，其特征在于，所述均匀高效抛光通过低压磨粒流实现；所述低压磨粒流在楔形流道内抛光碳化硅工件，所述楔形流道的上顶面倾斜角度可调，通过置于加工装置内的角度调整机构实现；所述预芬顿处理是对碳化硅工件的表面预处理，在抛光前通过芬顿反应使碳化硅工件表面生成二氧化硅薄层，降低工件表面硬度；所述磁场为置于加工装置正下方的电磁铁所产生的垂直工件表面的强度可调均匀磁场，在所述磁场的作用下，流场中的磁性磨粒被磁化，受磁场力作用向工件表面运动；所述磁性磨粒为镀镍碳化硅磨粒；
所述加工装置加工时低压磨粒流从左侧进入，右侧流出，加工过程中流体和磨粒与加工装置腔体或工件表面的摩擦碰撞会导致能量损失，引起流场内沿流动方向上的压力下降，进而导致磨粒对工件表面的剪切力下降；所述角度调整机构能够使楔形流道上顶面的倾斜角在设定范围内按整数角度改变，实现流道截面积沿磨粒流动方向的逐渐缩小，弥补流场内沿流动方向上的压力下降，从而弥补工件表面沿流动方向上的剪切力下降，使工件表面的抛光力分布均匀，抛光后工件表面粗糙度分布均匀；
所述低压磨粒流指磨粒流的压力在0.05~2MPa；
所述磁性磨粒在强度可调的均匀磁场作用下被磁化，磁场强度为B，磁场方向垂直工件表面向上，被磁化的磁性磨粒受到垂直指向工件表面的磁场力作用，在楔形流道内沿平行于工件表面方向流动的同时沿垂直指向工件表面方向流动，磁场力在增大磁性磨粒对工件表面压力的同时使原本在流道截面内无序分布的磁性磨粒向工件表面聚集，提高磨粒在工件表面的驻留时间，从而提高加工效率、缩短加工时间。
2.如权利要求1所述的预芬顿处理和磁场联合的均匀高效抛光方法，其特征在于，实现所述方法的系统包括由压力表、加工装置、磨粒缸、泵、控制阀组成的低压磨粒流回路，置于加工装置下方的电磁铁，置于磨粒缸中的搅拌器和水冷装置以及系统控制器；在搅拌器和水冷装置的作用下，均匀且恒温的磨粒流通过泵从磨粒缸吸出并送入管道，经过控制阀和压力表后流入配备了电磁铁的加工装置中，再通过管道回流到磨粒缸，整个加工过程通过系统控制器实现自动控制。
3.如权利要求1或2所述的预芬顿处理和磁场联合的均匀高效抛光方法，其特征在于，所述角度调整机构包括顶盖、调整板、固定销、固定套和销轴，调整板左侧通过销轴与顶盖联接，调整板可以绕销轴转动，当转动角度确定后，通过调整板右端的定位销和定位套固定调整板的位置；顶盖的下凸缘两侧开有设定数量对限位孔，由于加工装置体积的限制以及调整板绕销轴转动时引起的右端垂直位移较小，各个限位孔开在同一圆弧上会产生重叠，因此把限位孔开在三个半径不同的圆弧上。
4.如权利要求1或2所述的预芬顿处理和磁场联合的均匀高效抛光方法，其特征在于，所述预芬顿处理是对碳化硅工件的表面预处理，在抛光前通过芬顿反应使碳化硅工件表面生成二氧化硅薄层，降低工件表面硬度，先把碳化硅工件置于PMMA材质的工件套内，只露出需要抛光的薄层，再放入芬顿反应试剂中；所述芬顿反应试剂由硫酸亚铁溶液和过氧化氢溶液配制而成，控制芬顿反应试剂中硫酸亚铁和过氧化氢的质量分数分别为0.02%和5%；在二价铁离子的催化作用下，过氧化氢分解生成具有强氧化性的羟基自由基，暴露在芬顿反应试剂中的碳化硅薄层被氧化生成二氧化硅薄层；二氧化硅的硬度相对碳化硅较低，这有利于后续磨粒流抛光，使抛光后工件表面粗糙度降低并提高加工效率，碳化硅工件被PMMA工件套包裹的部分未参与反应，不受影响。
5.如权利要求1或2所述的预芬顿处理和磁场联合的均匀高效抛光方法，其特征在于，所述磁场为施加于楔形流道内且垂直于工件表面的强度在0.01~1.00T区间内可调的均匀磁场，其通过置于加工装置正下方的电磁铁生成，磁场强度由系统控制器调整，通过改变电磁铁线圈中的电流大小实现磁场强度的调节。
6.如权利要求1或2所述的预芬顿处理和磁场联合的均匀高效抛光方法，其特征在于，所述磁性磨粒为镀镍碳化硅磁性磨粒，磁性磨粒粒径0.2~5μm，在磨粒流中的质量分数介于5~15%，磁性磨粒中的碳化硅作为磨粒，通过化学作用镀在碳化硅表面的镍作为磁性层，使磨粒能在磁场作用下被磁化。
7.如权利要求2所述的预芬顿处理和磁场联合的均匀高效抛光方法，其特征在于，所述泵发热和控制阀节流会导致加工回路内的磨粒流温度上升，而磨粒流温度上升会导致磨粒流粘度变化，造成工件表面抛光力变化，最终造成抛光质量下降，为避免磨粒流温度升高导致上述不良影响，在磨粒缸中安装水冷装置，通过系统控制器调节水冷装置的冷却水流量以维持磨粒流的温度在15~45℃范围内。
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