CN116038551A - 光化学机械研磨方法及光敏活性研磨液 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光化学机械研磨方法及光敏活性研磨液，研磨的步骤为：搭建具备紫外光全波段覆盖而强度能调整且避光的光化学机械研磨平台；启动光化学机械研磨平台对金刚石固结磨料研磨盘进行对磨；调整紫外光LED灯得到合适波长和强度的紫外光，利用紫外光辐照能量诱导光敏研磨液中光引发剂复配物裂解产生苯甲酰和烷基自由基，引发工件表面材料形成硬度低、弹性模量小和断裂韧性高的改性层，对磨改性层得到研磨后的工件。配置光敏活性研磨液，其包括光引发剂复配物、丙二醇、甘油和去离子水。本发明利用光敏研磨液对机械力作用下的工件进行紫外光可控化学改性，减小甚至消除机械应力去除造成的加工损伤，从而实现难加工材料高质量高效率超精密加工。
Description
技术领域
本发明涉及难加工材料超精密加工技术领域，特别涉及一种光化学机械研磨方法及光敏活性研磨液。
背景技术
光电材料是能源、通信、交通和医疗领域的核心材料。以光电材料作为衬底制造的半导体器件被广泛应用于新能源汽车、5G通讯、光伏发电、轨道交通、智能电网和航空航天等现代工业领域。最新研究指出，当前全球电能消耗占能源总消耗的40％以上，高性能光电材料可显著提高半导体器件的电能效率和利用率。但是，光电材料具有硬度高、脆性大、易破碎和化学性质稳定等特点，是典型的难加工材料。光电材料衬底的表面质量及加工精度会显著影响半导体器件的性能、能耗和寿命，因此实现光电材料高效率、低损伤和超精密加工显得尤为重要。
国内外主要采用磨削、研磨和抛光对线切割而成的光电材料衬底进行超精密加工，控制其形状精度、表面质量及亚表面损伤深度。研磨通常采用1～15微米的游离金刚石磨料机械去除磨削过程产生的损伤层，但是游离磨料机械研磨难加工的光电材料存在效率低、面形精度差和表面/亚表面质量相对较差的问题，显著增加了后续化学机械抛光处理的时间和成本。因此，利用光敏研磨液对光电材料进行紫外光可控化学改性，增大材料脆-塑性转变去除的临界切削深度，提高材料去除率的同时减小单一机械应力去除造成的加工损伤，进而大大降低后续化学机械抛光的加工时间，最终降低整个光电材料衬底的制造加工成本，加速高效能半导体器件的发展。
发明内容
针对难加工光电材料研磨抛光效率低的问题，本发明提供一种光化学机械研磨方法及光敏活性研磨液，通过配置光敏活性研磨液，搭建具备紫外光全波段覆盖而强度能调整且避光的光化学机械研磨平台，利用紫外光辐照能量诱导光敏研磨液中光引发剂复配物裂解产生苯甲酰自由基和烷基自由基活性种对机械力作用下的工件进行化学改性，在工件表面形成硬度低、弹性模量小和断裂韧性高的改性层，并对磨改性层，从而增大材料脆-塑性转变去除的临界切削深度，减小甚至消除单一机械应力去除造成的加工损伤，提高材料的去除率和高加工效率。
本发明提供了一种光化学机械研磨方法，研磨的具体实施步骤为：
S1、搭建具备紫外光全波段覆盖而强度能调整且避光的光化学机械研磨平台。
S2、调整光化学机械研磨平台的工艺参数，对工件的改性层进行对磨：
S21、启动上驱动电机使其带动金刚石固结磨料研磨盘旋转，同时向下施加机械力；启动下驱动电机使其驱动工作台带动工件旋转，从而对金刚石固结磨料研磨盘进行对磨。
S22、调整紫外光LED灯得到合适波长和强度的紫外光，利用紫外光辐照能量诱导光敏活性研磨液中光引发剂复配物裂解产生苯甲酰自由基和烷基自由基活性种对机械力作用下的工件进行化学改性，从而在工件表面形成改性层，在步骤S21的基础上对磨改性层，对磨改性层时的临界磨削深度dc的表达式如下：
dc＝λ(H/E)1/2(Kc/H)2
其中，λ是光敏材料的脆-塑性转变因子，H是光敏材料的硬度，E是光敏材料的弹性模量，Kc是光敏材料的断裂韧性；
对磨时对工件最大未变形切屑厚度hm的表达式如下：
hm＝[(2/Cr)1/2(f/vs)1/2]
其中，C是工件表面单位面积上的有效磨粒数量，r是切屑的宽度和厚度比值，f是进给速率，vs是磨盘速度。
S23、利用天平称量研磨后工件的质量，计算得到工件材料的去除率，利用白光干涉仪测量工件的表面粗糙度Sa，利用场发射扫描电镜观测研磨后工件的表面。
可优选的是，所述步骤S1的具体实施步骤包括：
S11、将紫外光LED灯固定到距离研磨盘20-50厘米的研磨设备处；
S12、利用天平称量研磨前工件的质量，并将工件通过石蜡固定在与下驱动电机连接的工作台上，将具有纳米级的金刚石固结磨料研磨盘固定到与上驱动电机连接的夹具上；
S13、将光敏活性研磨液按一定流量加入到金刚石固结磨料研磨盘上。
可优选的是，在步骤S1中，所述紫外光源的波段为100～400纳米，所述金刚石固结磨料研磨盘中金刚石磨粒的粒度为1～15微米。
可优选的是，所述工艺参数包括研磨温度、研磨压力、研磨盘转速、工件转速和研磨液流量，所述研磨温度为25℃，所述研磨压力为200～400g/cm2，所述研磨盘转速为100～300rpm，所述工件转速为50～100rpm，所述研磨液流量为50～100mL/min。
可优选的是，所述紫外光辐照能量诱导光敏研磨液中光引发剂复配物裂解产生苯甲酰自由基和烷基自由基活性种的化学方程式为：
其中，UV是不同波长和强度的紫外光；
所述改性层的化学方程式为：
其中，M是惰性工件材料。
本发明的另外一方面，提供一种用于光化学机械研磨方法的光敏活性研磨液，光敏活性研磨液的配置包括以下步骤：
S1、在无紫外光环境中将去离子水和丙二醇依次倒入烧杯内，通过搅拌混合得到丙二醇水溶液。
S2、将甘油加入步骤S1得到的丙二醇水溶液中，通过搅拌得到丙二醇和甘油混合水溶液。
S3、根据光电材料的特性，选取光引发剂并配置光引发剂复配物，将光引发剂配合物加入到丙二醇和甘油混合水溶液中，通过搅拌使光引发剂配合物溶解或分散到丙二醇和甘油混合水溶液中，获得光敏研磨液。
可优选的是，所述光引发剂包括2-羟基-2-甲基-1-[4-(2-羟基乙氧基)苯基]-1-丙酮、2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮和苯基双氧化膦，所述光引发剂复配物由一种或者多种光引发剂组成，所述光引发剂的复配物的质量百分比为1.0％～10.0％。
可优选的是，所述丙二醇的质量百分比为0.5％～5.0％，所述甘油的质量百分比为0.5％～5.0％。
可优选的是，还包括摩擦活性研磨液，其包括摩擦化学活性剂、纳米磨料、纳米催化剂和去离子水，所述摩擦化学活性剂为多层层状结构且厚度为3～5纳米的氧化石墨烯，直径为10～50微米，氧化程度大于40％，质量百分比0.1％～0.5％，由研磨盘机械摩擦的氧化石墨烯调控纳米磨料和工件接触界面的摩擦力；所述纳米磨料为多晶或单晶金刚石纳米颗粒，粒径为100～1000纳米，质量百分比1.0％～5.0％，所述氧化石墨烯和所述纳米金刚石磨料的质量比为1:10，所述纳米磨料机械研磨被化学改性的工件，低硬度的改性层破碎、层状剥落，快速暴露的工件新生面进一步被改性去除；所述纳米催化剂为二氧化锆纳米颗粒和二氧化硅纳米颗粒中的一种或两种颗粒的混合物，粒径为50～100纳米，质量百分比0.1％～0.5％，所述纳米催化剂加速工件的化学改性，使工件基体表面产生改性层；所述氧化石墨烯和所述纳米颗粒催化剂的质量比为1:1。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1.本发明利用光敏研磨液对机械力作用下的工件进行紫外光可控化学改性，软化工件表面材料，增大材料脆-塑性转变去除的临界切削深度，以此减小甚至消除单一机械应力去除造成的加工损伤，同时提高材料的去除率。研磨后的工件表面无微裂纹和破碎，工件表面粗糙度Sa可达10.0～20.0nm。材料去除率可达15.0～30.0μm/min。本发明实现了难加工材料高表面质量、低损伤和高加工效率超精密研磨加工。
2.本发明利用摩擦活性研磨液对机械应力作用下的工件进行摩擦化学改性，软化工件表面材料，增大脆-塑性转变去除的临界切削深度，以此减小甚至消除单一机械应力去除造成的加工损伤，同时提高材料的去除率。摩擦化学机械研磨加工的工件表面粗糙度Sa可达3.5～6.0nm，材料去除率可达4.0～8.0μm/min，可实现硬脆难加工材料高效率、低损伤超精密研磨加工。
附图说明
图1为本发明光化学机械研磨方法中制备金刚石固结磨料研磨盘的金刚石磨粒的SEM显微图；
图2为本发明光化学机械研磨方法中光化学机械研磨平台的示意图；
图3为本发明光化学机械研磨方法中去离子水作用下金刚石固结磨料研磨盘机械研磨加工硅、蓝宝石、碳化硅的表面粗糙度和材料去除率的对比图；
图4为本发明光化学机械研磨方法中光敏研磨液作用下金刚石固结磨料研磨盘机械研磨加工硅、蓝宝石、碳化硅的表面粗糙度和材料去除率的对比图；
图5为本发明光化学机械研磨方法中金刚石固结磨料研磨盘机械研磨和本发明的光化学机械研磨加工硅、蓝宝石、碳化硅的表面粗糙度对比结果图；
图6为本发明光化学机械研磨方法中金刚石固结磨料研磨盘机械研磨和光化学机械研磨加工硅、蓝宝石、碳化硅的材料去除率对比结果图；
图7a和图7b为本发明光化学机械研磨方法中光学玻璃机械研磨加工表面和光化学机械研磨加工表面的对比结果图；
图8为本发明光化学机械研磨方法中光敏研磨液制备及光电材料光化学机械研磨加工的工艺流程图。
具体实施方式
为详尽本发明之技术内容、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。
光化学机械研磨方法，如图8所示，研磨的具体步骤如下：
S1、配置光敏活性研磨液。
S2、搭建具备紫外光全波段覆盖而强度能调整且避光的光化学机械研磨平台。
S3、调整光化学机械研磨平台的工艺参数，对工件的改性层进行对磨。
具体而言，在步骤S3中，工艺参数，包括研磨温度、研磨压力、研磨盘转速、工件转速和研磨液流量，研磨温度为25℃，研磨压力为200～400g/cm2，研磨盘转速为100～300rpm，工件转速为50～100rpm，研磨液流量为50～100mL/min。
通过本研磨方法得到的研磨后的工件表面无微裂纹和破碎，工件材料去除率可达15.0～30.0μm/min，工件表面粗糙度Sa可达10.0～20.0nm。
进一步的，步骤S1配置光敏活性研磨液的具体操作步骤包括，
S11、防止光引发剂受光照影响提前裂解产生自由基，在无紫外光环境中将一定量的去离子水和丙二醇依次倒入烧杯内，搅拌混合3～5分钟，得到丙二醇水溶液。
S12、将一定量的甘油缓慢加入S11得到的丙二醇水溶液中，搅拌3～5分钟，得到丙二醇和甘油混合水溶液。
S13、根据光电材料的特性，选取光引发剂并配置光引发剂复配物，将一定量的光引发剂配合物缓慢加入到丙二醇和甘油混合水溶液中，搅拌1～2分钟，使光引发剂配合物溶解或分散到丙二醇和甘油混合水溶液中，获得光敏研磨液。
优选地，光引发剂是指能吸收紫外线能量产生自由基活性种对机械力作用下的硬脆光电材料进行紫外光可控化学改性的自由基型光引发剂，其主要包括2-羟基-2-甲基-1-[4-(2-羟基乙氧基)苯基]-1-丙酮、2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮和苯基双氧化膦；光引发剂复配物由一种或者多种光引发剂组成，光引发剂的复配物的质量百分比为1.0％～10.0％。丙二醇的质量百分比为0.5％～5.0％，甘油的质量百分比为0.5％～5.0％。
光敏活性研磨液的主要工作原理为：紫外光辐照光敏活性研磨液，光引发剂产生强化学活性的自由基活性种，快速对机械力作用下的光电材料进行化学改性，基体表面产生一层相对更软的改性层；金刚石固结磨料研磨盘机械去除被化学改性的工件材料，低硬度的改性层破碎、层状剥落，快速暴露的新生面被进一步改性和去除，获得高的加工效率；利用丙二醇和甘油协同调控金刚石磨粒与改性层间的接触应力，实现难加工光电材料高效率、低损伤超精密研磨加工。
进一步的，步骤S2搭建光化学机械研磨平台的具体操作步骤包括：
S21、将紫外光LED灯固定到距离研磨盘50厘米的研磨设备处。
S22、利用天平称量研磨前工件的质量，并将工件通过石蜡固定在与下驱动电机连接的工作台上，将具有纳米级的金刚石固结磨料研磨盘固定到与上驱动电机连接的夹具上。
S23、将S1配置的光敏活性研磨液按一定流量加入到金刚石固结磨料研磨盘上。
具体而言，紫外光源的波段为100～400纳米，金刚石固结磨料研磨盘中金刚石磨粒的粒度为1～15微米，如图1所示。
进一步的，步骤S3对工件进行对磨的具体操作步骤包括：
S31、启动上驱动电机使其带动金刚石固结磨料研磨盘按照一定的速度旋转，同时向下施加一定的机械力；启动下驱动电机使其驱动工作台带动工件按照一定速度旋转，从而对金刚石固结磨料研磨盘进行对磨。
S32、调整紫外光LED灯得到合适波长和强度的紫外光，利用紫外光辐照能量诱导光敏活性研磨液中光引发剂复配物裂解产生苯甲酰自由基和烷基自由基活性种对机械力作用下的工件进行化学改性，从而在工件表面形成硬度低、弹性模量小和断裂韧性高的改性层。
具体而言，羧基苯乙酮类光引发剂紫外光辐照引发产生苯甲酰自由基和烷基自由基的化学方程式为：
其中，UV是不同波长和强度的紫外光；
改性层中惰性材料与苯甲酰自由基、烷基自由基基反应的化学方程式为：
其中，M是惰性工件材料。
在步骤S3的基础上对磨改性层，对磨的临界磨削深度dc的表达式如下：
dc＝λ(H/E)1/2(Kc/H)2
其中，λ是光敏材料的脆-塑性转变因子，H是光敏材料的硬度，E是光敏材料的弹性模量，Kc是光敏材料的断裂韧性。
对磨时对工件最大未变形切屑厚度hm的表达式如下：
hm＝[(2/Cr)1/2(f/vs)1/2]
其中，C是工件表面单位面积上的有效磨粒数量，r是切屑的宽度和厚度比值，f是进给速率，vs是磨盘速度。可见，通过降低磨料粒径可以大幅度提高工件表面的有效磨粒数，进而降低最大未变形切屑厚度hm的值。因此，本发明利用纳米颗粒作为磨粒，实现硬脆光电材料高表面质量、高加工效率研磨加工。
S33、利用天平称量研磨后工件的质量，计算得到工件材料的去除率，利用白光干涉仪测量工件的表面粗糙度Sa，利用场发射扫描电镜观测研磨后工件的表面。
进一步的，在本发明的一个优选实施例中，还包括摩擦活性研磨液，包括摩擦化学活性剂、纳米磨料、纳米催化剂和去离子水，摩擦化学活性剂为多层层状结构且厚度为3～5纳米的氧化石墨烯，直径为10～50微米，氧化程度大于40％，质量百分比0.1％～0.5％；纳米磨料为多晶或单晶金刚石纳米颗粒，粒径为100～1000纳米，质量百分比1.0％～5.0％，氧化石墨烯和纳米金刚石磨料的质量比为1:10；纳米催化剂为二氧化锆纳米颗粒和二氧化硅纳米颗粒中的一种或两种颗粒的混合物，粒径为50～100纳米，质量百分比0.1％～0.5％；氧化石墨烯和纳米颗粒催化剂的质量比为1:1。
摩擦活性研磨液的主要工作原理为：研磨盘机械摩擦氧化石墨烯，产生强反应活性的羟基·OH和羧基·COOH自由基，高表面活性的纳米催化剂加速工件材料化学改性，基体表面产生一层相对厚的改性层；纳米磨料机械研磨被化学改性的工件，低硬度的改性层破碎、层状剥落，快速暴露的工件新生面进一步被改性去除，获得高的加工效率；被还原的层状氧化石墨烯剪切滑移调控纳米磨料与工件接触界面的摩擦力，实现难加工硬脆碳化硅材料低损伤、高效率超精密研磨加工。
以下结合实施例对本发明一种光化学机械研磨方法及光敏活性研磨液做进一步描述：
在本实施例中，加工工件的主要成分由硅、蓝宝石和碳化硅衬底组成，采用Smoothneer-6自动磨抛一体机作为试验平台、波长276nm的紫外LED灯作为紫外光辐照源、粒度～6.5μm的金刚石固结磨料研磨盘作为磨具，对该工件进行光化学机械研磨加工，如图2所示。研磨加工后，采用酒精超声清洗样品10分钟。利用天平(精度0.001mg)称量研磨前后工件材料的质量，计算出材料去除率；采用KEYENCE VK-X3000白光干涉系统测量研磨加工后工件的表面粗糙度，测量范围为50μm×50μm，利用JEOL JSM-7800F场发射扫描电镜观测研磨工件表面。
具体实施步骤如下：
S1、根据光固化技术中裂解型自由基光引发剂与紫外光相互作用产生自由基活性种的光化学原理，以及自由基活性种和惰性材料相互反应形成软化层的自由基化学原理，针对光电材料硬度高、脆性大、化学性质稳定的特点，配置具备紫外光辐照产生苯甲酰、烷基和氧磷基自由基活性种且对机械应力作用中的工件材料能进行紫外光可控化学改性的光敏活性研磨液：
S11、在安装有紫外光防护罩的化学实验操作箱里无紫外光环境中将一定量的去离子水和丙二醇依次倒入烧杯内，室温磁力搅拌混合3～5分钟，得到丙二醇水溶液。
S12、将一定量的甘油缓慢加入S11得到的丙二醇水溶液中，室温磁力搅拌3～5分钟，得到丙二醇和甘油混合水溶液。
S13、将一定量的光引发剂复配物缓慢加入到丙二醇和甘油混合水溶液中，室温磁力搅拌1～2分钟，光引发剂复配物溶解或分散到丙二醇和甘油混合水溶液中，获得具有光敏活性的光敏活性研磨液。
S14、将配制好的光敏活性研磨液倒入到避光的试剂瓶中代用。
S2、搭建具备紫外光全波段覆盖而强度能调整且避光的光化学机械研磨平台：
S21、将连接功率开关且具有200～400纳米波段的紫外光LED灯代替研磨设备原有的白光LED灯，固定到离研磨盘距离50厘米的研磨设备光源处。
S22、利用天平称量研磨前工件的质量，接着将双开门的遮光罩安装到研磨台的正前方，并将工件通过石蜡固定在与下驱动电机连接的工作台上，将具有纳米级的金刚石固结磨料研磨盘固定到与上驱动电机连接的夹具上。
S23、将S1配置的光敏活性研磨液按一定流量加入到金刚石固结磨料研磨盘上。
S3、根据S1得到的光敏活性研磨液中光引发剂复配物的成分、含量和溶液的流量，以及工件材料光引发剂改性层的硬度、弹性模量、断裂韧性和界面分离强度分别设置紫外光的波长、强度以及研磨压力、研磨盘转速和工件转速等工艺参数，工艺参数的选择是根据工件改性层的力学性能，启动自动磨抛一体机进行工件材料的光化学改性、机械研磨去除改性层的动态去除材料的光化学机械研磨加工。
S31、启动上驱动电机使其带动金刚石固结磨料研磨盘按照一定的速度旋转，同时向下施加一定的机械力；启动下驱动电机按照一定速度驱动工作台旋转，带动工件以一定速度和压力对磨金刚石固结磨料研磨盘。
S32、开启紫外光光源，调整功率开关获得合适波长和强度的紫外光，利用紫外光辐照能量诱导光敏研磨液中光引发剂复配物裂解产生苯甲酰和烷基自由基活性种对机械力作用下的工件进行化学改性，从而在工件表面形成硬度低、弹性模量小和断裂韧性高的改性层，进行工件材料的光化学改性、机械研磨去除改性层的动态去除材料的光化学机械研磨加工。
S33、10～30分钟后关闭试验机和紫外光源，取下工作台，80～100度加热融化石蜡得到研磨后的工件，随后利用酒精超声清洗工件10分钟，利用天平称量研磨后工件的质量，计算得到工件材料的去除率，利用白光干涉仪测量工件的表面粗糙度Sa，利用场发射扫描电镜观测研磨后工件的表面。
进一步的，本发明为了验证基于光敏活性研磨液的光化学机械研磨方法的优势，设计四组具有不同研磨液的研磨方法，具体内容如下：
具体实施例1：
研磨液采用去离子水。
研磨方法：研磨温度为25℃，研磨压力为200g/cm2，研磨盘转速为200rpm，工件转速为50rpm，研磨液流量为100mL/min，研磨时间为20分钟，紫外光源处于常开状态。
试验结果如图3所示，机械研磨加工的工件的表面粗糙度Sa分别为32.3nm、27.5nm和16.2nm，工件材料去除率分别17.5μm/min、8.9μm/min和15.3μm/min。
具体实施例2：
研磨液主要成分及含量：自由基型光引发剂为2-羟基-2-甲基-1-[4-(2-羟基乙氧基)苯基]-1-丙酮(2959型)，质量百分比为5.0％；丙二醇质量百分比为0.5％；甘油质量百分比为0.5％。
研磨方法：紫外光源处于常闭状态，研磨温度为25℃，研磨压力为200g/cm2，研磨盘转速为200rpm，工件转速为50rpm，研磨液流量为100mL/min，研磨时间为20分钟。
试验结果如图4所示，研磨加工的工件的表面粗糙度Sa分别为30.5nm、26.8nm和14.5nm，工件材料去除率分别16.9μm/min、9.2μm/min和15.7μm/min。
具体实施例3：
研磨液主要成分及含量：自由基型光引发剂为2-羟基-2-甲基-1-[4-(2-羟基乙氧基)苯基]-1-丙酮(2959型)，质量百分比为5.0％；丙二醇质量百分比为0.5％；甘油质量百分比为0.5％。
研磨方法：紫外光源处于常开状态，研磨温度为25℃，研磨压力为200g/cm2，研磨盘转速为200rpm，工件转速为50rpm，研磨液流量为100mL/min，研磨时间为20分钟。
试验结果如图5和图6所示，光化学机械研磨加工的工件的表面粗糙度Sa分别为18.7nm、13.6nm和11.5nm，工件材料去除率分别23.8μm/min、13.2μm/min和21.5μm/min。
具体实施例4：光学玻璃的光化学机械研磨试验
研磨液主要成分及含量：自由基型光引发剂为2-羟基-2-甲基-1-[4-(2-羟基乙氧基)苯基]-1-丙酮(2959型)，质量百分比为5.0％；甘油质量百分比为0.5％；甘油质量百分比为0.5％。
研磨方法：紫外光源处于常开(光化学机械研磨)或常闭(机械研磨)状态，研磨温度为25℃，研磨压力为200g/cm2，研磨盘转速为200rpm，工件转速为50rpm，研磨液流量为100mL/min，研磨时间为20分钟。
试验结果如图7a和图7b所示，光化学机械研磨后的光学玻璃工件表面无微裂纹和破碎。
通过上述四组试验对比金刚石固结磨料机械研磨与光敏研磨液紫外光辐照光化学机械研磨的加工效果，发现本发明的光化学机械研磨加工方法加工效果显著优于传统机械研磨加工方法。
以上的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (9)
1.一种光化学机械研磨方法，其特征在于，研磨的具体实施步骤为：
S1、搭建具备紫外光全波段覆盖而强度能调整且避光的光化学机械研磨平台；
S2、调整光化学机械研磨平台的工艺参数，对工件的改性层进行对磨：
S21、启动上驱动电机使其带动金刚石固结磨料研磨盘旋转，同时向下施加机械力；启动下驱动电机使其驱动工作台带动工件旋转，从而对金刚石固结磨料研磨盘进行对磨；
S22、调整紫外光LED灯得到合适波长和强度的紫外光，利用紫外光辐照能量诱导光敏活性研磨液中光引发剂复配物裂解产生苯甲酰自由基和烷基自由基活性种对机械力作用下的工件进行化学改性，从而在工件表面形成改性层，在步骤S21的基础上对磨改性层，对磨改性层时的临界磨削深度dc的表达式如下：
dc＝λ(H/E)1/2(Kc/H)2
其中，λ是光敏材料的脆-塑性转变因子，H是光敏材料的硬度，E是光敏材料的弹性模量，Kc是光敏材料的断裂韧性；
对磨时对工件最大未变形切屑厚度hm的表达式如下：
hm＝[(2/Cr)1/2(f/vs)1/2]
其中，C是工件表面单位面积上的有效磨粒数量，r是切屑的宽度和厚度比值，f是进给速率，vs是磨盘速度；
S23、利用天平称量研磨后工件的质量，计算得到工件材料的去除率，利用白光干涉仪测量工件的表面粗糙度Sa，利用场发射扫描电镜观测研磨后工件的表面。
2.根据权利要求1所述的光化学机械研磨方法，其特征在于，所述步骤S1的具体实施步骤包括：
S11、将紫外光LED灯固定到距离研磨盘20-50厘米的研磨设备处；
S12、利用天平称量研磨前工件的质量，并将工件通过石蜡固定在与下驱动电机连接的工作台上，将具有纳米级的金刚石固结磨料研磨盘固定到与上驱动电机连接的夹具上；
S13、将光敏活性研磨液按一定流量加入到金刚石固结磨料研磨盘上。
3.根据权利要求1或者2所述的光化学机械研磨方法，其特征在于，在步骤S1中，所述紫外光源的波段为100～400纳米，所述金刚石固结磨料研磨盘中金刚石磨粒的粒度为1～15微米。
4.根据权利要求1所述的光化学机械研磨方法，其特征在于，在步骤S2中，所述工艺参数包括研磨温度、研磨压力、研磨盘转速、工件转速和研磨液流量，所述研磨温度为25℃，所述研磨压力为200～400g/cm2，所述研磨盘转速为100～300rpm，所述工件转速为50～100rpm，所述研磨液流量为50～100mL/min。
5.根据权利要求1所述的光化学机械研磨方法，其特征在于，在步骤S22中，所述紫外光辐照能量诱导光敏研磨液中光引发剂复配物裂解产生苯甲酰自由基和烷基自由基活性种的化学方程式为：
其中，UV是不同波长和强度的紫外光；
所述改性层的化学方程式为：
其中，M是惰性工件材料。
6.一种根据权利要求1-5之一所述的用于光化学机械研磨方法的光敏活性研磨液，其特征在于，光敏活性研磨液的配置其包括以下步骤：
S1、在无紫外光环境中将去离子水和丙二醇依次倒入烧杯内，通过搅拌混合得到丙二醇水溶液；
S2、将甘油加入步骤S1得到的丙二醇水溶液中，通过搅拌得到丙二醇和甘油混合水溶液；
S3、根据光电材料的特性，选取光引发剂并配置光引发剂复配物，将光引发剂配合物加入到丙二醇和甘油混合水溶液中，通过搅拌使光引发剂配合物溶解或分散到丙二醇和甘油混合水溶液中，获得光敏研磨液。
7.根据权利要求6所述的用于光化学机械研磨方法的光敏活性研磨液，其特征在于，所述光引发剂包括2-羟基-2-甲基-1-[4-(2-羟基乙氧基)苯基]-1-丙酮、2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮和苯基双氧化膦，所述光引发剂复配物由一种或者多种光引发剂组成，所述光引发剂的复配物的质量百分比为1.0％～10.0％。
8.根据权利要求6所述的用于光化学机械研磨方法的光敏活性研磨液，其特征在于，所述丙二醇的质量百分比为0.5％～5.0％，所述甘油的质量百分比为0.5％～5.0％。
9.根据权利要求6所述的用于光化学机械研磨方法的光敏活性研磨液，其特征在于，还包括摩擦活性研磨液，其包括摩擦化学活性剂、纳米磨料、纳米催化剂和去离子水，所述摩擦化学活性剂为多层层状结构且厚度为3～5纳米的氧化石墨烯，直径为10～50微米，氧化程度大于40％，质量百分比0.1％～0.5％，由研磨盘机械摩擦的氧化石墨烯调控纳米磨料和工件接触界面的摩擦力；所述纳米磨料为多晶或单晶金刚石纳米颗粒，粒径为100～1000纳米，质量百分比1.0％～5.0％，所述氧化石墨烯和所述纳米金刚石磨料的质量比为1:10，所述纳米磨料机械研磨被化学改性的工件，低硬度的改性层破碎、层状剥落，快速暴露的工件新生面进一步被改性去除；所述纳米催化剂为二氧化锆纳米颗粒和二氧化硅纳米颗粒中的一种或两种颗粒的混合物，粒径为50～100纳米，质量百分比0.1％～0.5％，所述纳米催化剂加速工件的化学改性，使工件基体表面产生改性层；所述氧化石墨烯和所述纳米颗粒催化剂的质量比为1:1。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 杨梦熊: "紫外光固化环氧丙烯酸酯纳米复合涂层的制备及性能研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库》, no. 02, pages 40 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116038551B (zh) | 2023-12-29 |
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