拋光原理的教案第1頁/共153頁第五章拋光原理

5.1拋光加工原理5.2拋光加工方式概要5.3金屬材料的拋光5.4非金屬材料的拋光5.5最近的超精密拋光第2頁/共153頁5.1拋光加工原理拋光是在較軟質(zhì)或有彈性變形特性之研磨布上，而只以塑性變形去除極微小量的材料表面，以達(dá)到鏡面與加工變形少的工程。維持研光或研磨加工工程所得到的形狀精度，一面提高表面品質(zhì)，可說是拋光的主要目的。拋光的去除單位很小，故加工效率低，且因?yàn)槭褂萌菀鬃冃蔚膾伖鈾C(jī)，故為容易產(chǎn)生形狀崩潰的工程。所以在施工上儘可能以較少的去除量，來達(dá)到鏡面化。第3頁/共153頁5.1拋光加工原理(續(xù))拋光技術(shù)是發(fā)展歷史最久的技術(shù)之一，但在現(xiàn)在所謂最尖端技術(shù)的半導(dǎo)體製造技術(shù)中，卻佔(zhàn)有很重要的地位。過去的金屬鏡像或光學(xué)材料的拋光技術(shù)，是以提高光澤、反射率或透光率的鏡面化為主要目的。半導(dǎo)體為首的高機(jī)能材料表面，基本上要求奈米級(jí)的高形狀精度。第4頁/共153頁5.1.1拋光機(jī)構(gòu)概要

1.微小切削說2.表面流動(dòng)說3.化學(xué)作用說第5頁/共153頁1.微小切削說圖5.1所示的模組可以明白，以前端半徑r的大壓子，壓入玻璃表面時(shí)，所看到的破壞形態(tài)。使用粒徑數(shù)μm以上的粗磨粒與較硬的研光機(jī)之研光加工，基本上我們認(rèn)為造成這種脆性破壞，是依產(chǎn)生裂痕、傳播、交叉、去除破碎片的程序在進(jìn)行。但是壓子半徑一變小與附加壓力P變小時(shí)，即使是脆性材料，也會(huì)優(yōu)先產(chǎn)生塑性變形，並產(chǎn)生脆性破壞，這是因?yàn)楦郊訅毫ψ兂上喈?dāng)程度的大小。第6頁/共153頁圖5.1以球面壓子壓入的變形、破壞規(guī)格第7頁/共153頁1.微小切削說(續(xù))何種程度的壓入量會(huì)產(chǎn)生裂痕，何種程度以下不會(huì)產(chǎn)生裂痕。當(dāng)然我們可以用模型來計(jì)算，但是以維克氏壓子壓入模型(圖5.2所示)，所產(chǎn)生的裂痕極限壓入量g。表5.1所示，是以各種脆性材料，計(jì)算維克氏壓子壓入模型(圖5.2)。g的值為0.1~數(shù)μm，硬度與彈性係數(shù)愈大且破壞韌性值愈小的材料，其較小的g值，有愈容易產(chǎn)生裂痕的趨勢(shì)。第8頁/共153頁圖5.2維克氏壓子壓入時(shí)的變形模式第9頁/共153頁1.微小切削說(續(xù))表5.1所示，是以各種脆性材料，計(jì)算維克氏壓子壓入模型(圖5.2所示)。g的值為0.1~數(shù)μm，硬度與彈性係數(shù)愈大且破壞韌性值愈小的材料，其較小的g值，有愈容易產(chǎn)生裂痕的趨勢(shì)。依這表矽的極限壓入量g約為0.lμm，可說是比其他脆性材料更容易發(fā)生裂痕的材料。如果矽表面不產(chǎn)生裂痕，只在延展生模式加工的話，必須保證0.lμm以下的微小進(jìn)刀量的推論是成立的。第10頁/共153頁表5.1以維克氏壓子壓入，產(chǎn)生龜裂的臨界條件

第11頁/共153頁1.微小切削說(續(xù))我們提到進(jìn)刀更小時(shí)，所產(chǎn)生的最小切屑，到底有多大呢?如果根據(jù)單結(jié)晶銅理論、實(shí)驗(yàn)的檢討。如圖5.3所示，使用前端半徑很小的刀具之超精密切削，可以產(chǎn)生lnm左右的切屑。這頂多是只有數(shù)個(gè)原子層部分的厚度，即使是連續(xù)物體的極限大小，也可以解釋為可切削。

第12頁/共153頁圖5.3由鋼的微小切削實(shí)驗(yàn)及模擬，求得切削厚度與每單位切屑寬度的切削力關(guān)係第13頁/共153頁1.微小切削說(續(xù))從圖5.4所示的例子，有關(guān)單結(jié)晶銅的微小切削之分子動(dòng)力學(xué)分析，在這種微小切削的情況，切削後表面原子的排列，並不會(huì)很亂。即殘留加工變形也可以抑制得很小。而拋光加工是以微細(xì)磨粒的機(jī)械式微小切削作用為主體，但是要將所有磨粒前端的進(jìn)刀量，都變成這種極微小量，是很困難的。要使造成塑性變形的殘留加工變質(zhì)層全部變?yōu)榱悖呛芾щy的。第14頁/共153頁圖5.4銅的微小切削模擬例子第15頁/共153頁2.表面流動(dòng)說即使在前述機(jī)械式切削作用的情況，實(shí)際的加工點(diǎn)，由於材料的塑性變形與刀具磨擦所產(chǎn)生的熱量，接觸點(diǎn)局部產(chǎn)生高溫軟化熔融狀態(tài)的可能性也很高。這是因?yàn)楸砻鏋榱鲃?dòng)，這種流動(dòng)層覆蓋切削痕跡或裂痕，而使表面鏡面化之說。流動(dòng)層被覆蓋時(shí)，表面變成鏡面狀態(tài)，未觀察到切削痕跡。但是經(jīng)過腐蝕後，流動(dòng)層被去除，表面下的擦痕就露出來了。

第16頁/共153頁3.化學(xué)作用說以水的作用作為拋光液，在玻璃表面產(chǎn)生軟質(zhì)矽酸膠化層，這是以磨粒較容易去除，而進(jìn)行研磨的說法。這種說法是Kaller觀察了玻璃、拋光液、拋光機(jī)、磨粒間，複雜化學(xué)反應(yīng)的可能性。後來由泉谷等人的研究，由於拋光液的化學(xué)性侵蝕，使磨粒去除了玻璃面的摻水層。這種化學(xué)作用說，是5.5節(jié)要說明的今日超精密拋光，它成為援用一般化學(xué)效果的拋光技術(shù)源流。第17頁/共153頁5.1.2決定拋光加工效率的因素拋光加工量R=k.p.v.t其中p為拋光壓力、v為拋光速度、t為加工時(shí)間、k為比例常數(shù)。拋光效率與附加壓力(p)及拋光距離(v.t)成正比。為了保持一定的加工效率，除了拋光壓力、速度等加工條件外，嚴(yán)加管理研磨液濃度、溫度、拋光機(jī)的狀態(tài)等，是使拋光穩(wěn)定的重要因素。

第18頁/共153頁5.2拋光加工方式概要定位為最後精加工工程的拋光加工法，自古以來使用的方法很多，即使在現(xiàn)代也逐次開發(fā)出許多新的方法，並已分別實(shí)用化了。要有系統(tǒng)將所有的拋光方法分類，是很困難的一件事情，而且依研究人員的整理方法而有很大的差異。表5.2所示為筆者嘗試分類的方法，將依此表的拋光加工方法，來敘述其概要。第19頁/共153頁表5.2依拋光加工方式分類的例子

第20頁/共153頁5.2.1游離磨粒方式稱為拋光機(jī)的板狀刀具上，壓住工件做相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，磨粒在散開的狀況下，一面供給磨粒一面研磨，是最普遍的拋光方式。如果單說拋光的話，大多指的是游離磨粒方式。表5.3為經(jīng)常使用的磨粒與拋光機(jī)。1.機(jī)械式研磨法2.援用化學(xué)機(jī)械式研磨法3.援用磁場(chǎng)、電場(chǎng)研磨法第21頁/共153頁1.機(jī)械式研磨法在游離磨粒方式中，為最普遍且基本的研磨方法，在力學(xué)上是以硬質(zhì)微細(xì)磨粒的抽拉、切削作用為基礎(chǔ)，進(jìn)行鏡面化加工。

通常將lμm以下的硬質(zhì)微細(xì)磨粒與加工液混合的研磨液，一面供給到旋轉(zhuǎn)的碟狀平板，一面以一定壓力壓在加工物上研磨的接觸式拋光，是光學(xué)玻璃(鏡片、窗戶等)、硬質(zhì)金屬(精密模具或磁碟基板等)、陶瓷(構(gòu)造用機(jī)構(gòu)零件、電子用基板等)的高精度研磨的技術(shù)。第22頁/共153頁1.機(jī)械式研磨法(續(xù))近年來高速旋轉(zhuǎn)球形刀具，產(chǎn)生不直接觸加工物的動(dòng)壓效果，建議以非接觸狀態(tài)超微細(xì)磨粒，彈性衝撞加工物表面方式的EEM(ElasticEmissionMachining)法，做為無干擾拋光法，使用在高機(jī)能材料上。更進(jìn)一步，也已在開發(fā)一般碟狀研磨方式，展開EEM微粒子彈性衝撞原理的浮動(dòng)拋光或非接觸拋光。第23頁/共153頁2.援用化學(xué)機(jī)械式研磨法化學(xué)機(jī)械式拋光為研磨液的化學(xué)腐蝕作用與磨粒的機(jī)械式切削作用之複合方法?，F(xiàn)在幾乎所有生產(chǎn)矽晶片的工程，均採(cǎi)用這種方法。去除表面生成物拋光是因研磨液的作用，而以磨粒的切削作用，去除在加工物表面產(chǎn)生摻水膜或氧化膜等之拋光方法。

第24頁/共153頁3.援用磁場(chǎng)、電場(chǎng)研磨法援用磁研磨就是使產(chǎn)生磁場(chǎng)後，將磁性磨粒壓在加工物表面後研磨的方法，與在磁性流體使產(chǎn)生加壓力，而將非磁性研磨磨粒，壓在加工物的形式。不只是平面，就連圓筒的內(nèi)外面或異形部分，也有以均勻壓力而可以做到鏡面化的特徵。援用電場(chǎng)研磨，想出電器游動(dòng)現(xiàn)象，將帶電磨粒吸到加工物表面的方式，與相反的將磨粒吸到研磨平板面的半固定狀態(tài)，並將工作物壓在平板面的方式。第25頁/共153頁表5.3在拋光中一般用到的磨粒及拋光器粒子第26頁/共153頁5.2.2固定磨粒方式固定磨粒方式就是使用以適當(dāng)?shù)慕Y(jié)合劑固定磨粒的磨輪，進(jìn)行拋光的方式。一般所謂磨輪指的多是安裝在磨床上的圓盤狀研磨砂輪。游離磨粒的固定磨粒之拋光方法實(shí)用化，其機(jī)運(yùn)是最近才盛行起來的?？蓲伖獾哪ポ喥鋺?yīng)具備的條件，在使用硬質(zhì)磨輪時(shí)，基本要求為(1)作用磨粒的刀刃高度要一致，

(2)不會(huì)造成堵屑。第27頁/共153頁5.2.2固定磨粒方式(續(xù))1.微粒磨輪研磨法2.軟質(zhì)結(jié)合磨輪研磨法3.軟質(zhì)磨粒磨輪研磨法第28頁/共153頁1.微粒磨輪研磨法使用結(jié)合劑較差的微細(xì)磨粒磨輪的搪光或超精加工，主要是作為圓筒狀機(jī)械零件的內(nèi)外圓周面之精加工方法，自古以來就已實(shí)用化了。電場(chǎng)研磨是在以金屬結(jié)合的微粒鑽石磨輪研磨中，以研磨液的電解作用，使結(jié)合表層非導(dǎo)體化，促使磨輪表層的微小脫落，不會(huì)產(chǎn)生堵屑的現(xiàn)象，而持續(xù)穩(wěn)定進(jìn)行鏡面研磨的加工方法。第29頁/共153頁2.軟質(zhì)結(jié)合磨輪研磨法在此範(fàn)圍包含：

(1)使用容易彈性變形的軟質(zhì)結(jié)合劑，使磨粒前端的接觸壓力均勻的方法。

(2)使用低結(jié)合度容易脫落的結(jié)合劑，防止堵屑的方法。(3)將微細(xì)磨粒黏到柔軟性高的膠帶狀或薄板狀的基材上，目標(biāo)鎖定作用壓力均勻化的方法等。第30頁/共153頁3.軟質(zhì)磨粒磨輪研磨法使用以低結(jié)合度結(jié)合劑，固定將具有機(jī)械化學(xué)效果的軟質(zhì)磨粒之MCP磨輪，進(jìn)行研磨的MCP磨輪拋光，脫落的磨粒是以游離磨粒來作用，而提高研磨效率。具有固定磨粒方式，且又容易得到無變形、超平滑表面的特徵。第31頁/共153頁5.2.3無磨粒方式中間沒有擔(dān)任切削作用的磨粒，而能實(shí)現(xiàn)鏡面研磨的方法，在此稱為無磨粒方式的研磨法。1.化學(xué)式研磨法2.摩擦反應(yīng)研磨法3.乾拋光法第32頁/共153頁1.化學(xué)式研磨法是利用化學(xué)液的腐蝕作用，以獲得沒有變形鏡面的方式?；瘜W(xué)式研磨是將加工的金屬片浸在化學(xué)液中，單純腐蝕的方法。電解研磨是以加工金屬做為陽極，在浸漬液中使其產(chǎn)生電氣分解，而熔去金屬表面的方法。

動(dòng)壓上浮研磨是使研磨平板旋轉(zhuǎn)，一般的碟狀研磨方式。但是只供給化學(xué)液做為研磨液，並且提高拋光器的旋轉(zhuǎn)速度，以動(dòng)壓效果使加工表面上浮保持非接觸狀態(tài)，以獲得平滑或平坦平面的方法。

第33頁/共153頁2.摩擦反應(yīng)研磨法在高溫中特別是對(duì)於鐵系材料，容易產(chǎn)生碳擴(kuò)散，故還是積極利用在高溫容易造成氧化損耗的鑽石之化學(xué)不穩(wěn)定性研磨現(xiàn)象的方法。熱化學(xué)研磨是以容易產(chǎn)生擴(kuò)散的鑽石拋光器，在高溫環(huán)境中滑動(dòng)摩擦，促進(jìn)碳的擴(kuò)散，而拋光鑽石的方法。高速滑動(dòng)研磨是在大氣中以高壓力、高速條件，將鑽石壓在不銹鋼碟片上，併用氧化反應(yīng)及碳擴(kuò)散兩種效果，是一種效率相當(dāng)高的研磨方法。第34頁/共153頁3.乾拋光法將比過去的固體工具磨粒小很多的粒子離子或電漿，照射到工作物表面形態(tài)的拋光，分類到乾拋光方式。相對(duì)於使用化學(xué)液進(jìn)行的濕式腐蝕法，衝撞電漿或離子的原子狀粒子的腐蝕法，稱為乾式腐蝕。以此乾腐蝕作為拋光工具，而加以利用的就是乾式拋光法。第35頁/共153頁5.3金屬材料的拋光加工軟質(zhì)金屬時(shí)，由於刀具作用的金屬變形量很大，故使用游離磨粒，則容易造成磨粒的插入，很多使鏡面化變得很困難。因此超精密加工或搪光加工等，大多是利用固定磨粒刀具的精加工。將結(jié)合度較低的磨輪，以一定壓力壓在加工物表面，一面使磨輪做短週期的微小振動(dòng)，一面移動(dòng)磨輪方式的精加工法，為超精加工。第36頁/共153頁5.3.1利用固定磨粒方式的拋光如圖5.5所示使用於圓筒周面的胃形很多。但是圓筒裏面、平面、球面、圓錐面等處，也有使用。除了金屬以外，陶瓷等硬質(zhì)無機(jī)材料也可使用。如圖5.6所示搪光加工是將數(shù)個(gè)棒狀磨輪安裝在搪光具上，並將搪光具壓在圓筒內(nèi)面。除了裹面外，也利用在外周面或平面的研磨。在提高真圓度、真直度、精加工表面粗糙度、減少加工變質(zhì)層則很有效果。第37頁/共153頁圖5.5超精加工法概念圖第38頁/共153頁圖5.6搪光加工法概念圖第39頁/共153頁以一定壓力將結(jié)合度較低的磨輪，壓在加工物表面這一點(diǎn)，超精加工與搪光都是一樣的。但是搪光是將磨輪封閉在數(shù)十?數(shù)百mm長(zhǎng)行程內(nèi)的二個(gè)方向，一面做等速運(yùn)動(dòng)的地方，基本上與超精加工不同(圖5.7所示)。磨粒為WA或GC，粒度在超精加工時(shí)，粗加工用#300~500，精加工用#400以上。搪光時(shí)，粗加工用#300以上，精加工用#400以上。而結(jié)合劑大多使用黏土或樹脂黏結(jié)劑。一般搪光的表面粗糙度為1?2μm左右，超精加工為0.2?0.8μm

。第40頁/共153頁圖5.7比較磨輪軌跡第41頁/共153頁5.3.1利用固定磨粒方式的拋光(續(xù))薄膜研磨技術(shù)正走向高精度化。研磨用薄膜分為被覆型與一體成形型。但主體為被覆型，如圖5.8所示，利用靜電塗裝法或羅拉被覆法，一般是將單層或數(shù)層的磨輪磨粒層，均勻塗上聚酯薄膜。由於其薄且柔軟的特性，可因應(yīng)平面、圓筒面或自由形狀，為其優(yōu)點(diǎn)。如圖5.9所示，各種加工法均已實(shí)用化。使用磨粒的粒徑為0.1?60μm左右，磨金屬材料使用氧化鋁或碳化矽，磨硬脆材料則使用鑽石磨粒。第42頁/共153頁圖5.8薄膜研磨塗裝法第43頁/共153頁圖5.9利用研磨薄膜的研磨系統(tǒng)範(fàn)例(a)第44頁/共153頁圖5.9利用研磨薄膜的研磨系統(tǒng)範(fàn)例(b)第45頁/共153頁圖5.9利用研磨薄膜的研磨系統(tǒng)範(fàn)例(c)第46頁/共153頁圖5.9利用研磨薄膜的研磨系統(tǒng)範(fàn)例(d)第47頁/共153頁圖5.9利用研磨薄膜的研磨系統(tǒng)範(fàn)例(e)第48頁/共153頁5.3.1利用固定磨粒方式的拋光(續(xù))圖5.10所示，為薄膜研磨S45C材料的一個(gè)例子。最近開發(fā)了比聚酯彈性更強(qiáng)的聚酯塔複塔薄膜裹面，塗佈強(qiáng)磁性粉的研磨用薄膜，與後面要敘述的游離磨粒磁性研磨一樣的援用磁性研磨薄膜。可以使不銹鋼管(SUS304)的裹面鏡面化。圖5.11所示為其加工實(shí)例，可以得到0.Olμm的鏡面。第49頁/共153頁圖5.10薄膜研磨中，粒度與研磨表面粗糙度的關(guān)係第50頁/共153頁圖5.11援用磁性薄膜研磨的一個(gè)例子第51頁/共153頁5.3.2利用游離磨粒方式的拋光固定磨粒研磨法，基本上是以磨粒前端的微小切削作用，來進(jìn)行研磨的加工方法。在原理上很難達(dá)到?jīng)]有切削痕跡的鏡面。要實(shí)現(xiàn)沒有切削痕跡的鏡面精加工，目前必須採(cǎi)用游離磨粒研磨法。軟質(zhì)金屬時(shí)，可以使用布或毛毯般的軟質(zhì)拋光具，以較小壓力作用於微細(xì)磨粒，以避免磨粒插入，而達(dá)到鏡面化程度。第52頁/共153頁5.3.2利用游離磨粒方式的拋光(續(xù))磁碟用鉛Ni一P基板或精密模具等硬度較高的金屬，過去是使用游離磨粒研磨法。磁碟用基板(厚度1OOμm)，大多使用鉛合金，但是為了強(qiáng)度補(bǔ)強(qiáng)，一般是鍍上10~2Oμm的Ni-P層。圖5.12所示，為其示範(fàn)的例子。第53頁/共153頁圖5.12鍍Ni-P的鋁合金磁碟基板剖面模型第54頁/共153頁5.3.2利用游離磨粒方式的拋光(續(xù))為了提高磁碟記錄密度，必須要求有較高的表面平滑度。一般是在其兩個(gè)面研光、拋光。兩面同時(shí)加工的方法，是以加工矽晶片的方法中，在大直徑平板上，將一般多數(shù)片的碟片，由上下夾住工作物來加工的成批處理法。與用小直徑的研磨平板夾住，一片一片加工的片葉處理法，如圖5.13所示。第55頁/共153頁圖5.13磁碟基板的研磨方式第56頁/共153頁5.3.2利用游離磨粒方式的拋光(續(xù))片葉式研磨法是使用2種不同彈性率(硬度)拋光具，以氧化矽(SiO2)磨粒(平均粒徑0.04μm)進(jìn)行研磨，所得到的結(jié)果，如圖5.14所示。從圖中可以了解，微細(xì)的凹凸(粗糙度)迅速減少，但是要去除長(zhǎng)週期的凹凸(波紋)則較困難，硬的拋光具可以提高表面粗糙度。第57頁/共153頁圖5.14鍍Ni-P的鋁合金基板研磨加工量和

表面粗糙度第58頁/共153頁5.3.2利用游離磨粒方式的拋光(續(xù))模具材料有金屬或陶瓷等各種材質(zhì)，而塑膠模用材料大多使用鋼系列硬質(zhì)材料。在研磨非球面或蛋形等特殊形狀的磨具時(shí)，安裝如圖5.15所示的小直徑球形拋光其在NC設(shè)備上，是可以有效控制3維的方法。第59頁/共153頁5.3.2利用游離磨粒方式的拋光(續(xù))除了氧化鋁(Al203)或碳化矽(SiC)磨粒外，氧化鉻(Cr2O3)磨粒也適合研磨鋼系列材料。拋光具則使用了棉、羊毛、絹等天然纖維、耐隆、人造絲、發(fā)泡、聚氨酯等化學(xué)纖維、皮革等。表面粗糙度可以達(dá)到此0.003~0.08μm，並獲得沒有裂痕的鏡面。第60頁/共153頁圖5.15非球面研磨裝置的基本構(gòu)造第61頁/共153頁5.3.2利用游離磨粒方式的拋光(續(xù))如圖5.16所示，在N-S磁極間充填磁性磨粒，並在此磁場(chǎng)中插入工作物，則磁性磨粒連成牙刷狀，以磁力Px的壓力壓住工作物。如果使工作物旋轉(zhuǎn)或軸向振動(dòng)，則以磁性磨粒的切削作用進(jìn)行研磨，這就是磁研磨法的原理。磁性磨粒就是一面混合、燒結(jié)、粉碎、整粒氧化鋁磨粒與鐵粉，利用化學(xué)反應(yīng)、電漿熔解法做成的。第62頁/共153頁圖5.16圓周外面的磁研磨法第63頁/共153頁5.3.2利用游離磨粒方式的拋光(續(xù))圖5.17所示，維對(duì)於SK4碎火鋼圓筒外周面的研磨實(shí)例。以平板為S磁極，如果使N磁極旋轉(zhuǎn)的話，則可以做平面磁研磨。更進(jìn)一步，如圖5.18所示，採(cǎi)用旋轉(zhuǎn)磁極的方式，則很容易可以研磨圓筒內(nèi)面或彎管接頭內(nèi)面，聽說可以將不銹鋼管內(nèi)面，研磨到此0.2μm。第64頁/共153頁圖5.17磁研磨表面的粗糙度截面形狀第65頁/共153頁圖5.18迴轉(zhuǎn)磁極方式研磨法第66頁/共153頁5.3.2利用游離磨粒方式的拋光(續(xù))單獨(dú)電解研磨的形狀控制很差，如果複合了磨粒研磨，則可達(dá)到高精度的鏡面研磨(電解、磨粒複合研磨)。圖5.19所示為裝置的構(gòu)造，為一起供給電解液與研磨材料的方式。使用含浸磨粒的耐隆非織布(粗工程#240~1500、中工程為#2500左右)的固定磨粒方式作為研磨材料，與進(jìn)一步利用發(fā)泡聚氨酯拋光具與微細(xì)氧化鋁(Al203)磨粒漿體，游離磨粒方式作為精加工工程。第67頁/共153頁圖5.19複合電解磨粒研磨用電極刀具(迴轉(zhuǎn)圓盤型)第68頁/共153頁5.3.2利用游離磨粒方式的拋光(續(xù))我們認(rèn)為是利用磨粒的擦過去除作用與電解溶出作用的交互複合作用來進(jìn)行研磨(圖5.20所示)。圖5.21所示的例子，是研磨SUS304時(shí)，使用磨粒粒度與精加工面粗糙度的關(guān)係。使用於高真空容器管壁、高純度氣體容器等的不銹鋼或鈦(Ti)材料等的鏡面加工。第69頁/共153頁圖5.20複合電解-磨粒創(chuàng)成鏡面的原理模式第70頁/共153頁圖5.21使用磨粒與精加工表面粗糙度的關(guān)係第71頁/共153頁5.4非金屬材料的拋光玻璃、光學(xué)結(jié)晶、陶瓷等鏡片或窗材、高強(qiáng)度構(gòu)造材料等，所使用到的材料為非金屬材料。這些材料一般稱為硬脆材料，特別是在嚴(yán)格要求平坦度、真直度、真圓度、平滑度時(shí)用得最多。第72頁/共153頁5.4非金屬材料的拋光(續(xù))利用這些材料的加工工程，如研磨(使用固定磨粒磨輪)或研光(使用游離磨粒)，可高效率接近所要的形狀或尺寸。以游離磨粒拋光，一般可確保平滑度及沒有加工變形的表面品質(zhì)。另一方面，近年來市面上已出現(xiàn)銷售高剛性且可微小進(jìn)刀的超精密磨床。

第73頁/共153頁5.4.1利用超精密研磨的的鏡面加工圖5.22是以模組表示脆性型研磨與延性型研磨的不同。這種可做延性型研磨的研磨裝置規(guī)格，為磨輪作用面的刀刃高度誤差在0.lμm以下，磨輪迴轉(zhuǎn)偏擺在0.lμm以下，最小進(jìn)刀精度在0.lμm以下。實(shí)際上可否做延性型研磨，當(dāng)然是決定於加工材料的破壞容易度。由表5.1可以很清楚的看出，在脆性材料中，像矽(Si)或碳化矽(SiC)，容易產(chǎn)生裂痕的材料，與像ZrO或Si3N4，韌性高的材料。第74頁/共153頁圖5.22脆性材料的研磨模式概念第75頁/共153頁5.4.1利用超精密研磨的的鏡面加工(續(xù))在圖5.23所示的剖面TEM(透過型電子顯微鏡)觀察，可以了解沒有發(fā)生裂痕，殘留的轉(zhuǎn)位缺陷，也集中在表面0.5μm以內(nèi)，比傳統(tǒng)型超精密磨床的最小進(jìn)刀0.lμm水準(zhǔn)，還要高品質(zhì)的精加工面。第76頁/共153頁圖5.23以超精密磨床研磨矽晶片表面的剖面TEM影像

第77頁/共153頁5.4.1利用超精密研磨的的鏡面加工(續(xù))圖5.24為新超精密磨床的概略圖，力操作型制動(dòng)器、複合導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)、軸固定型主軸構(gòu)造等，為了超微小進(jìn)給、主軸頭高剛性化、防止磨輪回轉(zhuǎn)震動(dòng)，而採(cǎi)用新機(jī)構(gòu)的裝置。第78頁/共153頁圖5.24試作的超精密磨床概略機(jī)構(gòu)圖第79頁/共153頁5.4.1利用超精密研磨的的鏡面加工(續(xù))超精密研磨時(shí)最頭痛的就是使用微粒磨輪時(shí)的填塞問題。

是使用金屬結(jié)合劑磨輪的研磨，利用供給弱導(dǎo)電性研磨液，使磨輪表面的結(jié)合劑材料稍微溶解，可防止磨輪填塞，以持續(xù)穩(wěn)定的研磨。圖5.25所示，為其基本原理。圖5.26所示，為其機(jī)構(gòu)示意圖。第80頁/共153頁圖5.25ELID研磨法基本原理第81頁/共153頁圖5.25ELID研磨法基本原理第82頁/共153頁圖5.26ELID研磨機(jī)構(gòu)第83頁/共153頁5.4.1利用超精密研磨的的鏡面加工(續(xù))利用修整磨輪，使磨粒前端與結(jié)合表面平坦後，以磨輪為正極，研磨液為負(fù)極後通電，則結(jié)合劑表面會(huì)溶解，而達(dá)到修整的目的，以確保切削銳利度。結(jié)合表面會(huì)同時(shí)形成非導(dǎo)體薄膜(氧化膜或水氧化膜)，以防止過度的溶解。這種薄膜很脆弱，一開始研磨則與磨粒的磨耗同時(shí)，薄膜也被磨掉，故可防止填塞磨屑。薄膜消失後，金屬結(jié)合劑的表面又開始電解溶解，這樣不斷重覆循環(huán)，微粒磨輪就會(huì)經(jīng)常保持銳利。

第84頁/共153頁5.4.1利用超精密研磨的的鏡面加工(續(xù))圖5.27所示是以鑄鐵纖維結(jié)合#10000鑽石磨輪，以ELID研磨矽晶片的一個(gè)例子，可以了解可持續(xù)穩(wěn)定進(jìn)行Ra10nm以下的鏡面研磨。第85頁/共153頁圖5.27以#10000磨輪的潛變場(chǎng)鏡面研磨特性(ELID)第86頁/共153頁5.4.1利用超精密研磨的的鏡面加工(續(xù))利用與負(fù)極帶電的高分子電解質(zhì)混合的超微粒(10~2Onm的二氧化矽粉等)，如圖5.28所示的電氣游動(dòng)現(xiàn)象，使用凝聚於電極的直徑10mm左右晶片狀磨輪(圖5.29)，進(jìn)行研磨。這種磨輪的結(jié)合度很差，故很容易就磨耗了。不加研磨液，利用脫落磨粒的游離磨粒拋光法，實(shí)施起來很適當(dāng)。第87頁/共153頁圖5.28利用電氣游動(dòng)現(xiàn)象的超微粒EPD晶片磨輪製作法第88頁/共153頁圖5.29EPD晶片的例子第89頁/共153頁5.4.2利用游離磨粒方式的拋光光學(xué)零件的玻璃或陶瓷等硬脆材料，在做未擦除的鏡面精加工時(shí)，以研光或研磨加工，確保必要的尺寸、形狀後，再進(jìn)行游離磨粒拋光。鏡片、稜鏡、光學(xué)平玻璃等高精度光學(xué)零件的研磨，使用如圖5.30的奧斯卡式研磨機(jī)或修正輪式研磨機(jī)。前者多用在球面鏡片的研磨，後者為了防止拋光具的偏磨耗，在工作站的外側(cè)，多半會(huì)搭配修正輪。第90頁/共153頁圖5.30代表性光學(xué)零件研磨機(jī)的例子

第91頁/共153頁圖5.30代表性光學(xué)零件研磨機(jī)的例子

第92頁/共153頁5.4.2利用游離磨粒方式的拋光(續(xù))做為研磨前工程的研光，自古以來多使用氧化鋁磨粒。玻璃為代表性脆性材料，但並不是一定要使用到鑽石磨粒才可以的硬度，故即使是氧化鋁磨粒，就可達(dá)到很好的加工效率。在研磨玻璃時(shí)，是使用有高效率加工的CeO2(氧化鈰)磨粒。以CeO2磨粒研磨玻璃，其表面粗糙度的變化，如圖5.31的示例。第93頁/共153頁圖5.31用氧化鈰與水研磨的表面粗糙度變化第94頁/共153頁5.4.2利用游離磨粒方式的拋光(續(xù))故石英玻璃的超精密拋光，是使用膠質(zhì)二氧化矽磨粒。就可以得到如圖5.32的超鏡面，而自古以來，一般都使用石油精煉後的殘餘物(黑色)，作為拋光器。但是很難控制此黑色殘餘物的變形，最近使用發(fā)泡的聚氨酯，已是很普遍的事情。第95頁/共153頁圖5.32以膠質(zhì)二氧化矽及氧化鈰研磨過的石英玻璃表面粗糙度第96頁/共153頁5.4.2利用游離磨粒方式的拋光(續(xù))而利用鑽石磨粒的拋光加工機(jī)構(gòu)，即使使用微粒鑽石時(shí)，始終是以磨粒前端的壓入、拉刮的微小切削作用為主體(圖5.33)。要完全沒有加工變質(zhì)層是很困難的，對(duì)於不喜歡有表面殘留加工變形的機(jī)能性材料，光靠鑽石拋光是不夠的。第97頁/共153頁圖5.33各種燒結(jié)氧化鋁的拋光表面粗糙度

第98頁/共153頁5.4.3利用無磨粒方式的拋光鑽石是最硬的物質(zhì)，想要機(jī)械式研磨鑽石，非使用鑽石磨粒無法達(dá)成，但是這種加工效率很低，有些方位則幾乎不能研磨。摩擦反應(yīng)的熱化學(xué)研磨法或高速滑動(dòng)研磨法，做為實(shí)務(wù)的研磨法，正受到大家的注意。在700~800。C以上的溫度時(shí)，在氧氣環(huán)境中，除了會(huì)產(chǎn)生氧化減耗外，將容易擴(kuò)散到某種金屬的鑽石之熱不穩(wěn)定性，做為加工機(jī)構(gòu)來利用的研磨方法。第99頁/共153頁5.4.3利用無磨粒方式的拋光(續(xù))在前者的情況，730。C以上的真空中或在氫的環(huán)境中，將CVD鑽石薄膜試片，壓在鐵或鎳製圓盤上摩擦，則利用鑽石薄膜，很快被研磨的現(xiàn)象之一種方式。表5.4與圖5.34所示，為其一個(gè)案例。第100頁/共153頁圖5.34以最適當(dāng)?shù)难心l件，研磨完的鑽石膜表面粗糙度曲線第101頁/共153頁表5.4在鑽石膜的熱化學(xué)研磨中，周圍環(huán)境的影響第102頁/共153頁5.4.3利用無磨粒方式的拋光(續(xù))後者為以大氣中、高壓力、高周波，將鑽石壓在不銹鋼圓盤上，如圖5.35所示及圖5.36所示，可達(dá)到數(shù)100μm/min以上的超高效率之鑽石研磨法。第103頁/共153頁圖5.35鑽石高速滑動(dòng)研磨中，滑動(dòng)圓盤材質(zhì)與研磨效率的關(guān)係第104頁/共153頁圖5.36研磨前後的鑽石試料第105頁/共153頁圖5.37PACE研磨法概念圖第106頁/共153頁5.4.3利用無磨粒方式的拋光(續(xù))圖5.38是使用SF6氣體，研磨矽晶片時(shí)的表面形狀，可以用比50μm/min以上的機(jī)械加工更高的加工速度，實(shí)現(xiàn)鏡面化。第107頁/共153頁圖5.38利用平面加工裝置的矽單結(jié)晶之加工表面粗糙度

第108頁/共153頁5.5最近的超精密拋光5.5.1超精密拋光的特徵與需求拋光以裝飾為目的的金屬或?qū)毷瘯r(shí)，多半要眼睛看來沒有瑕疵，而且要確保光澤及平滑性，才是品質(zhì)良好的產(chǎn)品，故通常要配合如5.1節(jié)所敘述的微小切削作用或以熱流動(dòng)作用為基礎(chǔ)的機(jī)械式拋光。但是如表5.5所示般的示例，以矽為首的半導(dǎo)體晶片，鐳射用光學(xué)元件、零件、磁記憶、記錄元件等。第109頁/共153頁表5.5需要超精密、高精度平面研磨加工的產(chǎn)品

第110頁/共153頁5.5.1超精密拋光的特徵與需求最近對(duì)於高機(jī)能材料，基本上要同時(shí)滿足:(1)相當(dāng)高的微級(jí)形狀精度(平坦度、平行度、曲率等)。(2)相當(dāng)高的次奈米級(jí)平滑度。(3)未殘留加工變質(zhì)層(裂痕、擦除、轉(zhuǎn)位、非晶質(zhì)層、空隙等)。必須要有相當(dāng)高度的拋光技術(shù)。第111頁/共153頁表5.6超精密加工法的分類與加工機(jī)構(gòu)第112頁/共153頁5.5.1超精密拋光的特徵與需求實(shí)現(xiàn)這種超精密拋光，必須考慮到保證奈米原子、分子級(jí)大小的加工單位的條件。如表5.7所示的模式，使用磨粒的粒徑變大，在加工單位為微米以上大小的範(fàn)圍，材料的變形、去除，決定於塑性變形或脆性破壞等巴克的機(jī)構(gòu)變形特性之可能性很大。但是磨粒變細(xì)，加工單位變成在0.lμm以下的極微小範(fàn)圍，表面積的比例比單位加工範(fàn)圍的體積大，在加工現(xiàn)象方面，接觸表面的化學(xué)式相互作用，所擔(dān)任的角色，比巴克性質(zhì)來得重要。第113頁/共153頁表5.7加工單位與加工機(jī)構(gòu)的關(guān)係

第114頁/共153頁5.5.2機(jī)械式拋光如圖5.39所示非接觸研磨的EEM，在充滿超微粒漿體的容器中，將聚氨酯製球壓在加工物表面，以高速迴轉(zhuǎn)，則因動(dòng)壓效果使球上浮，則微粒以切線方向，衝向加工物表面與球間隙的切線方向，而彈性破壞非接觸點(diǎn)附近的原子群，而達(dá)到去除方式的研磨法。一般是比較缺陷分佈的lμm左右更小單位的去除加工。故即使是一般起因於塑性變形加工的鋁延性材料，也不會(huì)產(chǎn)生塑性變形，而可做無干擾的鏡面研磨。第115頁/共153頁圖5.39EEM加工概念圖第116頁/共153頁用浮動(dòng)拋光(圖5.40)或非接觸拋光(圖5.41)，則出現(xiàn)有可使用在要求高平坦性、平滑性的光學(xué)結(jié)晶或半導(dǎo)體晶片上的報(bào)告。做好研磨平板的溝槽形狀，即使在較低的速度，可以產(chǎn)生動(dòng)壓效果。例工作物夾持具出現(xiàn)了化學(xué)因素強(qiáng)的機(jī)化式拋光特徵。我們舉一個(gè)例子來說明，如圖5.42以ZrO2，超微粒的EEM研磨，來研磨各材料時(shí)，比Si材料的強(qiáng)度差的Ge，反而變得較難加工。因?yàn)榕cZrO2接觸時(shí)的分離能量，Si比Ge小的緣故。加工效率與磨粒的運(yùn)動(dòng)能量或工作物的材料強(qiáng)度無關(guān)，反而是提到與化學(xué)親和性有關(guān)的化學(xué)式拋光法較方便說明。

第117頁/共153頁圖5.40浮動(dòng)拋光裝置原理圖第118頁/共153頁圖5.41非接觸研磨法原理圖

第119頁/共153頁圖5.42使用ZrO2(氧化鋯)粉末粒子時(shí)，由於加工物不同的加工速度變化

第120頁/共153頁5.5.3幾械式、化學(xué)式拋光機(jī)械式、化學(xué)式拋光，是重疊磨粒的微小機(jī)械式切削作用與加工液的化學(xué)式溶去作用之研磨法。由於使用在要求鏡面且無變形的矽晶片拋光上之研磨法，而發(fā)展出來。其生產(chǎn)技術(shù)也成微晶片拋光的核心技術(shù)。圖5.43所示，為矽晶片的機(jī)械式、化學(xué)式拋光特徵的一個(gè)加工特性實(shí)例。第121頁/共153頁圖5.43拋光機(jī)表面溫度與加工速度的關(guān)係圖

第122頁/共153頁5.5.3幾械式、化學(xué)式拋光表5.8很清楚的顯示出即使使用超微粒SiO2（0.01μm）的拋光，使用KOH水溶液或Ba(OH)2水溶液，比使用純水做為加工液時(shí)，顯示出約5倍的加工效率，從這裏可以了解機(jī)械式作用與化學(xué)式作用強(qiáng)烈的相乘效果。第123頁/共153頁表5.8使用各種磨粒及加工液時(shí)，矽晶片研磨量的相對(duì)比較第124頁/共153頁5.5.4化機(jī)式拋光與加工液產(chǎn)生反應(yīng)後，在工作物表面會(huì)產(chǎn)生氧化膜或摻水膜，而磨粒以機(jī)械式切削、去除這種生成膜的過程，我們稱為化機(jī)式拋光。單晶GaAs(鎵砷)或單晶CdTe(鎘碲)的拋光技術(shù)，可說是化機(jī)式拋光的典型案例。

第125頁/共153頁圖5.44在「NaBrO2(5%)+DN溶劑」溶液中，添加SiO2的粒子直徑與表面粗糙度、加工速度的關(guān)係第126頁/共153頁5.5.4化機(jī)式拋光對(duì)於單晶CdTe(鎘碲)則開發(fā)出「氧化性漂白劑+DN溶劑十SiO2磨?！箍蛇_(dá)60μm/h以上的高效率研磨，並得到Rmax=2nm以下的良好結(jié)果。此機(jī)構(gòu)如圖5.45說明?；瘷C(jī)式拋光是對(duì)於軟金屬有相當(dāng)好的效果。第127頁/共153頁圖5.45單晶CdTe的化機(jī)式拋光加工機(jī)構(gòu)第128頁/共153頁5.5.5機(jī)化式拋光

機(jī)化式象現(xiàn)，其定義為利用所加入的機(jī)械能量，而引起化學(xué)反應(yīng)。在拋光中磨粒與表面真正的接觸點(diǎn)，同樣會(huì)出現(xiàn)機(jī)化式現(xiàn)象。利用這種現(xiàn)象的拋光法，我們稱為機(jī)化式拋光。從圖5.46所示的接觸點(diǎn)模式，也可以了解何謂機(jī)化式拋光。機(jī)械式拋光的磨粒