孟德琳，金洙吉，周平

（大連理工大學(xué) 精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連 116024）

0 引言

隨著科學(xué)和工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和需求，超精密元件越來越多地被應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，例如大口徑光學(xué)元件[1]、超精密導(dǎo)軌[2]，這些元件要求具有非常高的面形精度，另外有一些元件表面需要加工出特定的微觀形貌，如摩擦副表面陣列槽或者波紋結(jié)構(gòu)[3]，連續(xù)相位板表面隨機(jī)分布的微米級(jí)起伏形態(tài)[4]。這些表面需要采用確定性的微量去除工具，通過數(shù)控的方式實(shí)現(xiàn)面形的收斂，計(jì)算機(jī)控制拋光（CCP）技術(shù)由此發(fā)展起來。

經(jīng)過幾十年的探索，國內(nèi)外學(xué)者開發(fā)了各種CCP工具并進(jìn)行了相關(guān)的工藝研究。按照工作時(shí)是否和工件接觸，這些數(shù)控拋光工具可分為非接觸式和接觸式。非接觸式工藝有離子束拋光[7]、等離子體拋光[5]、射流拋光[6]和磁流變拋光[8]等。接觸式拋光主要基于CMP原理，有行星盤拋光[9]、氣囊拋光[10]和輪式拋光[11]等。輪式拋光結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，根據(jù)工具大小使用于各個(gè)尺寸下的平面、曲面精拋光和修形。

對(duì)于接觸式拋光，雖然很多學(xué)者都進(jìn)行了相關(guān)工具設(shè)計(jì)和工藝開發(fā)及應(yīng)用，但基于CMP原理對(duì)拋光模的表面形態(tài)及與工件的接觸狀態(tài)相關(guān)研究很少，特別對(duì)于小尺寸下的去除函數(shù)，拋光模與工件的接觸狀態(tài)決定了去除函數(shù)（TIF）的形狀和拋光的質(zhì)量。本文基于一種結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單的CMP雙軸拋光小工具，通過對(duì)拋光輪的修整方式（即修整速度方向和砂紙粒度大?。┨骄科鋵?duì)輪面粗糙峰形貌及對(duì)拋光駐留斑光滑性的影響。

1 拋光輪結(jié)構(gòu)

本文要得到小尺寸TIF，目標(biāo)定在2 mm左右，輪直徑定為20 mm，拋光墊材料為IC1000。如圖1所示，拋光輪旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由兩個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，拋光輪同時(shí)自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，公轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)提供公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)ω1，自轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)提供自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)ω2，拋光輪寬度為w,半徑為r。為了縮減拋光頭空間尺寸，自轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)通過同步帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)拋光輪自轉(zhuǎn)。

圖1 拋光頭結(jié)構(gòu)

2 輪面形貌影響參數(shù)及拋光斑質(zhì)量

由于經(jīng)過長時(shí)間的摩擦磨損和磨粒沉積，拋光墊表面會(huì)產(chǎn)生釉化現(xiàn)象，所以要時(shí)常修整，修整方式通常為用帶有固結(jié)磨粒的砂盤按照工件拋光的方式與拋光墊相對(duì)運(yùn)動(dòng)，去除釉化層，重新形成粗糙峰。在輪式拋光中，通過修整降低拋光輪的徑向跳動(dòng)和應(yīng)對(duì)輪面粗糙峰的磨損。

拋光頭搭載在三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，修整速度方向上分為拋光輪線速度與機(jī)床運(yùn)動(dòng)軌跡平行和垂直兩種方式，以下分別稱為模式一和模式二，如圖2所示。修整砂紙分為180#、400#、800#，其中模式一和模式二采用180#砂紙修整，在拋光輪線速度和機(jī)床運(yùn)動(dòng)垂直的基礎(chǔ)上用400#、800#砂紙修整分別稱為模式三、模式四。磨削自轉(zhuǎn)速度為180 r/min，機(jī)床運(yùn)動(dòng)速度為100 mm/s。

圖2 拋光輪兩種修整速度模式

修整完輪面后，通過激光共聚焦顯微鏡觀察粗糙峰分布情況（如圖3），由于輪曲率影響，共聚焦拼接視野為2 mm×1 mm，為了取樣長度和評(píng)定長度更合理，評(píng)價(jià)輪面線粗糙度Ra時(shí)在輪面5個(gè)均布位置，每個(gè)位置5條線條取樣，線條平行于輪面母線，長度為2 mm。測(cè)得模式一～模式四的線粗糙度分別為Ra8.27 μm、Ra7.77 μm、Ra4.88 μm和Ra2.89 μm。

圖3 不同模式下的輪面形貌

用以上4種形貌的拋光輪進(jìn)行單點(diǎn)駐留拋光實(shí)驗(yàn)，公轉(zhuǎn)速度為130 r/min，自轉(zhuǎn)速度為180 r/min，接觸壓力3 N，單點(diǎn)駐留60 s，其中拋光液采用FUJIMI 80 nm SiO2溶液，與去離子水配制比例為1:3，測(cè)量采用Zygo9000白光干涉輪廓儀。圖4所示為其單軸劃擦斑和雙軸駐留拋光斑形貌，可以看到由于輪表面粗糙峰的起伏造成母線方向接觸壓力的不連續(xù)，從而導(dǎo)致各種模式下的單軸劃擦斑在母線上都有一定參差性，雙軸駐留拋光斑在半徑方向上都有一定的起伏，但模式二比模式一有所改善，且隨著砂紙粒度減小，拋光斑逐漸變得順滑。

圖4 拋光輪的駐留斑

提取以上4種模式雙軸拋光斑截面輪廓（如圖5），從模式一到模式四,輪廓逐漸順滑，從去除函數(shù)形狀的穩(wěn)定性及修形算法的實(shí)現(xiàn)考慮，應(yīng)該選取光滑的駐留斑作為TIF數(shù)據(jù)來源。

圖5 駐留斑點(diǎn)截面輪廓

拋光斑的形狀決定了去除函數(shù)數(shù)據(jù)的提取，其對(duì)后續(xù)修形工作的駐留時(shí)間求解至關(guān)重要，拋光斑中心區(qū)域的粗糙度影響了拋光修形后的表面質(zhì)量。由于實(shí)際修形中，駐留步距在0.3 mm以下，所以探究各模式下拋光斑中心0.4 mm范圍內(nèi)粗糙度，對(duì)Zygo干涉輪廓儀測(cè)量的原始數(shù)據(jù)做高階擬合處理，并做高通濾波，濾波截止周期為80 μm。結(jié)果如圖6所示，可以看到模式一～模式四的拋光斑中心粗糙度逐漸下降，輪面粗糙度和拋光斑粗糙度變化關(guān)系如圖7所示。800#砂紙磨削后的輪面拋光斑中心粗糙度達(dá)到Sa0.557 nm，為精密修形拋光提供了基礎(chǔ)。

圖6 不同模式下的拋光斑中心粗糙度（（a）～（d）分別為模式一～模式四）

圖7 輪面和拋光斑中心粗糙度隨輪面修整模式變化示意圖

3 結(jié)論

比較了2種速度模式修整的拋光輪面，通過實(shí)驗(yàn)可知，當(dāng)輪線速度和機(jī)床速度垂直時(shí)，更有利于輪面粗糙峰的隨機(jī)分布，從而更有利于在小尺寸下拋光得到比較光滑的拋光斑。

用180#、400#和800#砂紙修整過的輪面得到的拋光斑底部粗糙度分別為Sa0.953 nm、Sa0.821 nm和Sa0.551 nm，表明這種小尺寸拋光工具應(yīng)用于表面精密修形的潛力。

得出結(jié)論為：使用較細(xì)砂紙修整輪面可提高駐留拋光質(zhì)量，但粗糙峰高低分布亦影響了拋光模的使用壽命和拋光的穩(wěn)定性，后續(xù)工作將圍繞拋光輪材料去除的穩(wěn)定性展開研究。