隨著新材料學(xué)、納米電子學(xué)的高速發(fā)展，尤其是近年來光電信息產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，氮化鎵作為第三代半導(dǎo)體材料在LED等諸多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。芯片集成度的提高，以及碳化硅、藍(lán)寶石和硅等基片材料的直徑不斷增大（直徑已從目前300mm向400mm發(fā)展），這些都對(duì)研磨拋光過程的平坦化效率、可靠性、均勻性以及工藝的可控性等方面提出了更高的要求 。研磨拋光技術(shù)作為精密超精密加工的重要手段，可以獲得極高的形狀精度和尺寸精度，極少的表面損傷。研磨通常作為前一道工序，以提高工件的平整度和在一定程度上降低表面粗糙度，拋光作為后續(xù)工序，進(jìn)一步降低工件表面粗糙度，減小研磨時(shí)工件的表面損傷。因此，研磨拋光技術(shù)的加工水平直接影響著已加工工件的表面質(zhì)量、加工成本和規(guī)模化生產(chǎn)程度。

??為了揭示研磨拋光加工規(guī)律，提高研磨拋光已加工工件的表面質(zhì)量，滿足行業(yè)發(fā)展需求。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)研磨拋光過程展開了大量理論與實(shí)驗(yàn)研究。有學(xué)者表明研磨拋光軌跡（以下簡(jiǎn)稱磨拋軌跡）直接影響著磨拋加工后工件表面的精度、加工效率以及磨具的磨損程度。根據(jù)加工中磨粒與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，軌跡可分為磨粒相對(duì)于工件的運(yùn)動(dòng)軌跡和工件相對(duì)于磨具的運(yùn)動(dòng)軌跡這兩方面內(nèi)容，它們分別與工件表面材料的均勻去除和磨具的均勻磨損有關(guān)。針對(duì)當(dāng)前平面研磨拋光軌跡研究現(xiàn)狀，本文綜述了磨拋軌跡評(píng)價(jià)方式和量化指標(biāo)，并重點(diǎn)闡述了單面和雙面平面研磨軌跡的研究進(jìn)展，并指出了磨拋軌跡研究存在的不足。

??2磨拋軌跡評(píng)價(jià)與量化

??為了能夠方便地研究研磨拋光過程中磨拋軌跡分布情況，通常需要做以下假設(shè)：①工件、磨具和磨具均為剛體；②磨粒固定在磨具上，不考慮脫落等情況；③工件和磨具表面為理想平面；④忽略研磨拋光過程中的傳動(dòng)誤差等。然后，根據(jù)研磨拋光中工件與磨具的相對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律方程，考察工藝參數(shù)對(duì)磨拋軌跡的影響。在磨拋軌跡分布評(píng)價(jià)方面，目前主要分為兩種，分別為定性評(píng)價(jià)和定量評(píng)價(jià)。

??2.1定性評(píng)價(jià)

??定性評(píng)價(jià)方式通常用于單顆磨粒的磨拋運(yùn)動(dòng)軌跡。根據(jù)單顆磨粒相對(duì)于磨具的運(yùn)動(dòng)規(guī)律方程，通過計(jì)算獲得磨拋軌跡分布圖，通過人為觀察軌跡，主觀判斷軌跡分布的相對(duì)均勻程度，了解工藝參數(shù)等對(duì)磨拋軌跡的影響規(guī)律。這種評(píng)價(jià)方式操作快捷簡(jiǎn)單，一般只用于單顆磨粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，并且轉(zhuǎn)速比值相對(duì)簡(jiǎn)單（一般為整數(shù)的轉(zhuǎn)速比或具有一位小數(shù)的轉(zhuǎn)速比）。

??然而，當(dāng)磨拋軌跡密集復(fù)雜時(shí)，如圖1，人為觀察評(píng)價(jià)方法有時(shí)難以直觀分辨磨拋軌跡均勻性。磨拋軌跡密集復(fù)雜程度與以下幾個(gè)因素有關(guān)：①計(jì)算時(shí)間的長(zhǎng)短；②轉(zhuǎn)速比數(shù)值的復(fù)雜程度；③計(jì)算時(shí)考察的磨粒數(shù)量。因此，當(dāng)考察多顆或大量磨粒以及復(fù)雜轉(zhuǎn)速比的情況下，定量評(píng)價(jià)分析磨拋軌跡均勻性就顯得十分必要。

??2.2定量評(píng)價(jià)

??針對(duì)上述問題，學(xué)者們陸續(xù)提出了各自不同的評(píng)價(jià)方法與量化指標(biāo)，以便對(duì)磨拋軌跡均勻性進(jìn)行定量評(píng)價(jià)與分析。為了能夠定量評(píng)價(jià)分析磨拋軌跡均勻性，目前常用的處理手段是：首先，將工件離散化，即將工件離散劃分成一定區(qū)域大小的格子，常用方法為均勻格子離散和圓周等分格子離散，如圖2；其次，通過統(tǒng)計(jì)一定時(shí)間內(nèi)每個(gè)格子內(nèi)的軌跡點(diǎn)數(shù)量；最后，通過數(shù)據(jù)處理技術(shù)獲得軌跡點(diǎn)分布或軌跡分布特征值，從而定量評(píng)價(jià)磨拋軌跡分布的均勻性。

??目前定量分析軌跡均勻性的量化指標(biāo)主要為軌跡標(biāo)準(zhǔn)差SQ、片內(nèi)不均勻性WIWNU和軌跡變異系數(shù)CV。

??3磨拋軌跡研究

??根據(jù)平面研磨拋光設(shè)備的不同，主要可分為兩大類，分別為單面研磨拋光和雙面研磨拋光。針對(duì)這兩類研磨拋光設(shè)備，下面將分別闡述國(guó)內(nèi)外在磨拋軌跡方面的研究進(jìn)展。

??3.1單面研磨拋光

??單面研磨拋光的基本工作原理如圖3，載物盤和研磨盤分別以角速度ωw和ωg繞軸旋轉(zhuǎn)。在研磨壓力的作用下，實(shí)現(xiàn)研磨盤對(duì)工件的研磨拋光加工。

??對(duì)于定偏心式單面研磨拋光，在磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡基本規(guī)律上，學(xué)者們分析了轉(zhuǎn)速比對(duì)磨拋軌跡的影響，一般認(rèn)為轉(zhuǎn)速比是影響磨拋軌跡的關(guān)鍵，根據(jù)轉(zhuǎn)速比的正負(fù)關(guān)系，軌跡將呈現(xiàn)內(nèi)或外擺線形狀。臺(tái)灣大學(xué)楊昌鎮(zhèn)通過軌跡分析，認(rèn)為當(dāng)轉(zhuǎn)速比越接近除不盡時(shí)，軌跡分布越致密。文獻(xiàn)通過分析單顆和多顆磨粒間的運(yùn)動(dòng)軌跡關(guān)系，認(rèn)為當(dāng)轉(zhuǎn)速比為整數(shù)時(shí)，磨粒相位角具有2π/5的周期性，并且軌跡旋轉(zhuǎn)角與磨粒相位角具有θ/N關(guān)系。一般而言，轉(zhuǎn)速比越復(fù)雜，軌跡重復(fù)率越低，有利于獲得材料的均勻去除，磨具局部磨損小。

??在磨拋軌跡均勻性上，文獻(xiàn)通過計(jì)算分析，認(rèn)為當(dāng)轉(zhuǎn)速比為1時(shí)，更有利于提高改善工件加工表面的平面度。但是，實(shí)際生產(chǎn)中卻并非如此，如藍(lán)寶石拋光工藝上一般將轉(zhuǎn)速比控制在0.9～1.2之間。田業(yè)冰等通過軌跡研究也證實(shí)該了當(dāng)轉(zhuǎn)速比為1時(shí)工件材料去除的均勻性并非最好。SU針對(duì)CMP磨拋過程，采用不均勻性WIWNU評(píng)價(jià)60顆磨粒參與磨拋時(shí)的軌跡均勻性，認(rèn)為轉(zhuǎn)速比1～2之間時(shí)磨拋軌跡均勻性較好。盧龍遠(yuǎn)采用軌跡變異系數(shù)CV分別考察了1600、8000和40000顆磨粒參與磨拋時(shí)的軌跡均勻性，認(rèn)為轉(zhuǎn)速比在1～1.1之間時(shí)，軌跡變異系數(shù)較小，軌跡均勻性較好；并指出即使磨粒數(shù)量相同，不同磨粒排布方式所得到的磨拋軌跡均勻性具有較大差異。

??在實(shí)際生產(chǎn)中，定偏心式磨拋加工一般只適用于200mm直徑下的工件加工。當(dāng)工件直徑較大時(shí)，定偏心式磨拋加工的材料去除均勻性較差。陶黎通過分析50顆磨粒的軌跡均勻性，指出工件中心處軌跡經(jīng)過的次數(shù)更多，隨著加工時(shí)間的增加，工件的平面度不會(huì)一直增加，反而會(huì)惡化。為了解決該問題，提高定偏心磨拋表面質(zhì)量，文獻(xiàn)指出，采用中斷拋光方式（即將工件旋轉(zhuǎn)180度后繼續(xù)加工）可以有效提高平面度。

??與定偏心式相比，不定偏心式由于引入了工件的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，其磨拋軌跡要比定偏心復(fù)雜。蘇建修通過研究不定偏心式研磨軌跡,發(fā)現(xiàn)不定偏心式的磨粒軌跡復(fù)雜程度明顯要高于定偏心式，更有利于提高工件面型精度，適合加工大尺寸的工件。文獻(xiàn)通過定偏心和不定偏心磨拋軌跡研究，發(fā)現(xiàn)：當(dāng)轉(zhuǎn)速比不為0.2的倍數(shù)時(shí)，不定偏心的磨拋軌跡均勻性要明顯好于定偏心磨拋軌跡均勻性；并且當(dāng)系數(shù)F（F=A/2v）的第二位小數(shù)為0.02的倍數(shù)時(shí)，軌跡密集，利于提高工件表面質(zhì)量。由于不定偏心式的磨拋軌跡一般要比定偏心的復(fù)雜的多，因此，不定偏心適合于加工直徑大于200mm的工件，獲得更高的工件面形精度。

??在單面研磨拋光加工中，除了較為常用的定偏心和不定偏心研磨拋光加工（即雙軸式加工），還包括直線式、搖擺式、計(jì)算機(jī)控制式等。由于相關(guān)研究較少，本文在此將不再具體敘述。

??3.2雙面研磨拋光

??典型的雙面研磨拋光設(shè)備為行星式雙面研磨拋光機(jī)，屬于不定偏心式磨拋方式，其基本工作原理如圖4所示。行星輪在繞太陽(yáng)輪公轉(zhuǎn)的同時(shí)，還繞自身中心旋轉(zhuǎn)。加工時(shí)工件是安裝在行星輪內(nèi)。

??針對(duì)雙面研磨拋光軌跡，Wenski等根據(jù)雙面拋光運(yùn)動(dòng)幾何關(guān)系建立軌跡模型，分析了軌跡參數(shù)之間的關(guān)系，并通過試驗(yàn)研究了被拋光工件的表面質(zhì)量來驗(yàn)證軌跡參數(shù)選擇的優(yōu)劣。吳宏基等通過磨拋運(yùn)動(dòng)分析，根據(jù)速比取值不同，將磨拋運(yùn)動(dòng)分為3種類型，軌跡形狀為泛擺線。張彥等通過磨拋軌跡研究，發(fā)現(xiàn)：當(dāng)行星輪與整個(gè)拋光盤半徑比為0.3時(shí)，軌跡分布均勻，致密性好，曲率無突變；內(nèi)外齒輪轉(zhuǎn)速比在3～8時(shí)，軌跡復(fù)雜，分布均勻。庫(kù)黎明等通過建立的磨拋軌跡模型分析，拋光機(jī)四個(gè)部分轉(zhuǎn)速對(duì)工件表面的平整度有很大影響，特別是工件邊緣的局部平整度。Toshi等將運(yùn)動(dòng)軌跡方程和去除率泊松方程結(jié)合，分析了磨粒軌跡運(yùn)動(dòng)距離與去除厚度的關(guān)系。

??雙面研磨拋光與單面研磨拋光相比，具有加工效率高，工件上下面平行度好等特點(diǎn)，一般用于高質(zhì)量平行平面研磨拋光。

??4結(jié)束語

??盡管，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)平面研磨拋光軌跡方面展開了大量研究，這對(duì)深入認(rèn)識(shí)研磨拋光過程和提高研磨拋光質(zhì)量等方面具有重要的理論意義和實(shí)際價(jià)值。但是，相關(guān)研究仍存在以下幾點(diǎn)不足：

??①大部分磨拋軌跡在研究時(shí)所考察的磨粒數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于研磨盤上磨粒數(shù)量，并且所考慮的工件表面為理想平面，這將導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生具有較大偏差；

??②在實(shí)際研磨拋光加工中，并非所有磨粒都將參與加工，模型需要考慮磨粒分布和研磨盤溝槽結(jié)構(gòu)等因素的影響；

??③上述幾種磨拋軌跡均勻性評(píng)價(jià)方式都是基于離散工件來統(tǒng)計(jì)軌跡點(diǎn)數(shù)量。但是，對(duì)軌跡點(diǎn)的采樣時(shí)間等內(nèi)容未做深入研究；

??④研磨拋光軌跡的研究主要是基于二維平面軌跡，這與實(shí)際加工情況有著較大差異，迫切需要一個(gè)能綜合考慮磨粒形態(tài)、大小和分布以及加工壓力等因素的三維立體軌跡模型。

??研磨拋光過程是一個(gè)十分復(fù)雜的加工過程，在研究磨拋軌跡時(shí)，除了上述幾點(diǎn)外，還需考慮諸如設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)誤差和研磨盤材料特性等影響，以建立更加接近實(shí)際情況的磨拋軌跡模型。