1 前言

我们研制了一种纳米级超精密平面抛光机。超精密加工技术是一门新兴的综合性加工技术，它集成了现代机械、光学、电子、计算机、测量及材料等先进技术成就，已成为国家科学技术发展水平的重要标志。随着各种新型功能陶瓷材料的不断研制成功，以及这些材料在各种高性能电子元器件、光学、信息系统等领域的广泛应用，要求元件和零件的加工精度越来越高，有的甚至要求达到纳米级或更高的加工精度以及无损伤的表面加工质量。为了获得较高的尺寸精度、低的表面粗糙度和较少的表面缺陷，目前基本上都采用超精密抛光作为最后的加工工序。一般认为，抛光是以磨粒的微小塑性切削生成切屑为主体而进行的。

2抛光过程的运动分析

对于抛光来说，主要是在维持研磨所取得良好平面度的前提下，去除工件表面微小的凸起和表面损伤层，以获得镜面光度。所以要求均匀、无方向性地抛光整个工件表面。反映在速度上，就是工件表面上每一点的相对速度大小应在任何时候都保持恒定。修正环型平面抛光机抛光过程中，保证抛光盘与抛光盘有相同的角速度，就可以保证工件上任意一点与抛光盘之间的相对速度的大小恒定，并且整个工件可以均匀而且没有方向性地被抛光。

这里假设满足以下条件：

(1)工件是不变形的刚体，抛光盘是能按工件加工面形状变形的弹性体。这时可以忽略介于两者之间的磨粒与加工液的厚度和形状变化，认为工件与抛光盘间全面贴紧；

(2)分布载荷P均匀分布，工件材料的去除对载荷大小不发生影响(实际变化很小)：

(3)抛光盘的塑性变形也包含在磨损中。

可见，材料的总去除量是与抛光路径的长度成正比的。实验所用平面抛光机采用光栅测量和微机控制技术，将抛光盘总转数的精度控制在±0.5。以下，从而保证了加工路径总误差在±1.4cm以内。针对不同的晶体材料加载合适的完全可使工件的去除精度达到1 nm以下。平面抛光机采用了直接控制抛光路径的长度的策略，可以消除在控制抛光速度、时间时由于速度的波动而引起的累积误差。同时可采用“低速起动-无级提速-恒速加工-低速修整-低速停止”的抛光盘速度控制模式，减少由于速度变化过大对晶片造成的冲击损伤。

3工件露边时的材料去除量分析

当工件尺寸大于抛光盘半径，或偏心距过大时，工件会露出抛光盘,即有一部分表面不能与抛光盘始终接触。对于表面上各点都是相同的，但作用时间随半径r的变化而改变。随半径r增加而减小，工件不同区域上的点的材料去除量R(r)随半径r增加而减小。显然,工件露出抛光盘区域面积越大,a就越大，工件表面材料去除量的差异程度亦越大。

4工件平行度的修正

当研磨后或抛光过程中，工件材料平行度误差超出允许范围时就需要对其平行度进行修正。修正抛光是使被加工面对基准平面的角度达到最小值。此型平面抛光机使工件附加偏心压力，但由于各点压力P不同，各点的去除率也将不一致，因此可以利用这一方法修正工件的平行度。改变一次位置，抛去最高部分并测量平行度的变化。

5加工实验

采用本平面抛光机进行抛光实验，实验条件如下：石英晶体工件，26 g^m2抛光压力，K3沥青抛光盘，143.4 m/nin抛光线速度。在采用SiO?磨料的情况下，石英晶体的材料去除率为0.40“m/h(即1,4A/sec):在磨

料采用FezOs的情况下，石英晶体的材料去除率为2.5|±m/h(即合7A/sec):在磨料为CeO2的情况下，石英晶体的材料去除率为3.0|Jim/h(即& 4A/sec)o可见，磨料对石英晶体的单位时间去除率为数个原子。虽然材料的去除率可以随抛光条件的变化而变化，但可断定，这是数个原子单位级的加工。采用先进的Talystep对石英晶体表面进行检测睡直放大倍率为200万倍)，在采用Si()2磨料抛光时可获得的最大表面粗糙度为1~2入,采用Fe?。；,磨料抛光时可获得的最大表面粗糙度为15只，采用Ce()2磨料抛光时可获得25A的最大表面粗糙度。证明已获得了水晶的超平滑表面。

6结束语

通过本文的分析，可以认为工件的去除量主要是由磨削路径的长度决定的，因此直接控制工件表面的磨削路径长度能够更加精确地控制工件的去除量。根据材料去除量与研磨盘转数即磨削路径长度)之间的关系，提出了采用光栅测量和微机控制技术方法,将抛光盘总转数的精度控制在±1。以内，保证了加工余量去除误差在lnm以内，结合合理的加工工艺，获得了晶片极高的平面度和理想的无损伤表面。