大尺寸晶体基片自适应超精密加工方法

In allusion to the problem of wafer warp and processing demand of large size crystal wafer, a new adaptive ultraprecision machining method based on flexible pneumatic polishing pad is proposed. On-line adaptive control of polishing pad is used for realizing the good global profile, so the residual stress of wafer could be effectively reduced, and processing efficiency of crystal wafer could be improved, so that the efficient and stable crystal wafer ultraprecision automatic finishing could be realized. Based on the short fibre reinforced theory, the base of polishing pad is strengthened, and the Halpin-Tsai equation has been used for the prediction model of polishing pad elastic modulus. Based on the sequential coupling method and Von Mises yield criterion, thermal and cutting stress between polishing pad and wafer have been studied, and then the mechanism of wafer warpage is obtained. The cutting force prediction model of polishing pad is established based on strain gradient plasticity theory, combining feedback control and motor speed control method, polishing pad global profile and adaptive control can be realized. Based on Preston equation and Rabinoweizc abrasion theory, material removal mathematical model of flexible pneumatic polishing pad is established.

针对大尺寸晶体基片易翘曲崩裂的问题及其表面加工工艺需求，提出一种基于柔性气动抛光盘的大尺寸晶体基片自适应超精密加工方法，对抛光盘进行在线自适应调控，利用其良好的全局仿形性，有效降低晶体基片的表面残余应力，提高基片成品率，以实现晶体基片高效稳定的超精密自动化光整加工。本项目基于短纤维增强理论，对柔性气动抛光盘橡胶基体进行强化，并结合Halpin-Tsai方程，建立抛光盘弹性模量预测模型；基于序贯耦合分析方法和Von Mises屈服准则，对抛光盘与基片间的热应力和切削应力分布进行研究，进而明确晶体基片翘曲机理；基于应变梯度理论，建立柔性气动抛光盘切削力预测模型，结合反馈控制技术和电机精密调速方法，实现对抛光盘的自适应控制和大面积全局仿形；基于Preston方程，结合Rabinoweizc磨损原理，建立基于柔性气动抛光盘的材料去除模型。

针对大尺寸硅片加工后表面残余应力大，易翘曲崩裂的问题，提出基于柔性气动抛光盘的硅片新型加工方法。柔性气动抛光盘具有进给量自适应控制和大面积全局仿形的特点，能够有效降低硅片加工后残余应力，提高加工效率和质量。.本项目的研究内容主要包括：柔性气动抛光盘的基体强化机理及其力学性能研究；磨料微切削机理和理想切削条件研究；柔性气动抛光盘的自适应控制及全局仿形性能研究，以及柔性气动抛光盘加工平台的搭建、加工工艺研究及材料去除量经验公式研究。.通过本项目的研究，对柔性气动抛光盘的微切削机理进行分析；基于应变梯度理论，建立柔性切削力预测模型，并通过电机精密调控实现进给量的自适应控制；利用交流电机调速技术，对抛光盘内压力场实时在线调整，实现对大尺寸硅片的全局仿形；建立大尺寸硅片自适应加工系统，基于Preston经验公式，结合Rabinoweizc磨损原理，建立柔性气动抛光盘的材料去除量经验公式；搭建了基于柔性气动抛光盘的硅片超精密加工平台，利用振动模态分析方法，对抛光平台主轴性能进行分析研究，利用有限元分析方法，对主轴进行优化设计；对大尺寸晶体基片进行加工工艺研究，证明了本方法的可行性和有效性。.本项目研究工作的开展为大尺寸硅片的加工提供了重要的理论基础和技术准备，对硅片制造产业，以及硬脆特性材料的超精密加工工艺的提升和技术发展具有重要的应用价值。