摘要
磁流变抛光加工是一种高效、智能的加工方法，能够应用于光电晶片平坦化抛光工艺，获得低粗糙度和无表面损伤的高质量表面。本文以集群磁流变平坦化加工表面的均匀性为目标，提出了改善动态集群磁流变平坦化加工不均匀性的优化理论方法，研究了运动工艺参数与磁场分布相结合的加工工艺，以提高加工均匀性。 首先，通过光学玻璃的透光性试验寻找粗糙度分布规律，发现集群磁流变平坦化加工不均匀的原因，主要是工件表面不同位置经过磁场强度区域强弱和有效加工的轨迹长度不同所导致。通过增大转速比能够改变工件中心位置和边缘位置的粗糙度分布规律，可以改善不均匀效果。 其次，建立了结合加工运动与磁场相结合的磁轨迹强度理论模型，通过数值计算分析了有效运动轨迹与磁场分布对光电晶片不同位置的材料去除能力，发现工件与抛光盘转速比对加工均匀性影响最大。通过调整工件与抛光盘转速比大小可以增加边缘运动轨迹长度，同时进行偏心距变位能够改变不同位置轨迹上的磁场区域大小，当运动轨迹和磁场强度分布相互匹配时能够有效提高加工均匀性，并在实验中验证了对粗糙度均匀性分布的改善效果。 再次，基于大加工尺寸和抛光均匀性要求对新型磁流变抛光装置进行设计，根据运动轨迹的相对长度比确定了公自转运动结构中公转半径尺寸大小，通过若干种结构方案对比选择了公自转运动结构。通过磁场仿真与数值分析相结合优化设计了新型磁流变抛光机的磁场发生装置，选用了纵横阵列和交错相异的磁极排布方式，确定了圆柱磁铁的尺寸选型。 最后，在新研制的公自转型空间动态磁场磁流变抛光装置上进行了加工工艺实验，研究了公转速、自转速和旋转方式三个因子对单晶硅的磁流变加工，确定了不同因子和组合对表面粗糙度和材料去除率的效应贡献。在优选转速比工艺下，加工30min后可以将表面初始粗糙度Sa4.5nm下降到Sa0.92nm，粗糙度变异系数cv=0.22，不同位置的表面形貌差异不大，实现了6寸硅片的均匀化加工。延长加工时间至120min后，最终表面的平均粗糙度降低至Sa0.44nm，实现了硅片的超光滑平坦化加工。
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