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机械特种加工教学案例:超声化学机械抛光实验.pdf
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1、实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 8 期 2023 年 8 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.8 Aug.2023 收稿日期:2023-03-20 基金项目:江西省高等学校教学改革研究课题(JXJG-21-1-60);国家自然科学基金项目(51865030)作者简介:许文虎(1981),男,河南南阳,博士,教授,主要从事机械设计与制造,。通信作者:钟敏(1983),女,江西南昌,博士,副教授,主要从事机械设计与制造,。引文格式:许文虎,钟敏,石志新,等.机械特种加工教学案例:超声化学机械抛光实验J.实验技术与管理,
2、2023,40(8):209-214.Cite this article:XU W H,ZHONG M,SHI Z X,et al.Teaching case of mechanical non-traditional machining:ultrasonic chemical mechanical polishing experimentJ.Experimental Technology and Management,2023,40(8):209-214.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T DOI:10.16791/ki.sjg.2023.08.03
3、1 机械特种加工教学案例:超声化学机械抛光实验 许文虎,钟 敏,石志新,陈建锋,李小兵(南昌大学 机械工程系,江西 南昌 330031)摘 要:针对机械类本科生教学需求,以科研项目为牵引,设计了机械特种加工教学案例“超声化学机械抛光(UVCMP)实验”。通过该案例,学生可全程参与蓝宝石 UVCMP 正交实验的设计与实施;学习并使用原子力显微镜、扫描电镜、透射电子显微镜等大型仪器表征样品特性;对蓝宝石 UVCMP 作用机理进行了深入探讨。该实验有利于学生激发科研兴趣,培养科研素养,启迪创新思维。关键词:本科生;教学改革;超声波特种加工;大型科研项目;蓝宝石衬底 中图分类号:TH16 文献标识码:
4、A 文章编号:1002-4956(2023)08-0209-06 Teaching case of mechanical non-traditional machining:ultrasonic chemical mechanical polishing experiment XU Wenhu,ZHONG Min,SHI Zhixin,CHEN Jianfeng,LI Xiaobing(Department of Mechanical Engineering,Nanchang University,Nanchang 330031,China)Abstract:In response to th
5、e teaching needs of undergraduate students majoring in mechanical engineering,a teaching case of“ultrasonic chemical mechanical polishing(UVCMP)experiment”for mechanical non-traditional machining was designed.It was guided by a scientific research project.Through this case,students fully participate
6、d in the design and implementation of sapphire UVCMP orthogonal experiments.They learned and used atomic force microscopy,scanning electron microscope,transmission electron microscopy and other instruments to characterize sample properties.The mechanism of sapphire UVCMP was deeply explored.This exp
7、eriment is beneficial for students to stimulate research interest,cultivate scientific literacy,and inspire innovative thinking.Key words:undergraduates;educational reform;ultrasonic special processing;large research project;sapphire substrate 为支撑“中国制造 2025”等国家战略,教育部大力提倡“新工科”建设,开辟工程教育改革新途径1-3。在“新工科”
8、建设背景下,未来需要的是实践创新能力强、具备国际竞争力的新工科人才4-7。传统的本科人才培养,以灌输课本内容为主,能力和素质培养不足;学生学习目的性弱,缺少目标引领;实践动手能力差,知行难合一;以满足学分要求为主,缺乏学习主动性;缺少从整体上分析、解决复杂工程问题的训练内容8-9。以“机械制造工程学”课程为例,这是机械类本科生的专业必修课,工程性、实践性很强,但目前的教学案例内容大多比较陈旧,无法满足科研和工程技术的发展需要。为此,我们提出并设计了机械制造基础课程群 KAPI(知识、能力、实践、创新)一体化培养新模式。以蓝宝石晶体材料的表面加工为例,将对其进行超声化学机械抛光(UVCMP)开发
9、设计为特种加工教学案例,学习超声波辅助抛光的增强效果并探究其工作机理。相关科研成果已经发表10-11。该实验设计以科研项目为牵引,以教师为引导,以学生为主体。首先,教师要讲解案例科研背景,介绍特种加工原理,演示设备操作;其次,要求学生进行正交实210 实 验 技 术 与 管 理 验 方案设计、实施工艺优化实验、对抛光后样品进行表征、讨论实验结果、分析超声辅助工作机理等一系列活动。目的是使学生通过学习并实践超声波特种加工方法,理解其工作原理,提高实验设计和实践动手能力,激发科研兴趣,培养分析和解决复杂工程问题的能力。1 实验背景 单晶蓝宝石(Al2O3)是具有高导热性和高硬度的材料12。随着光电
10、子器件的快速发展,蓝宝石被广泛应用于激光器、半导体芯片和发光二极管(LED)等领域13-15。蓝宝石的表面质量决定了终端产品的性能16-17。由于蓝宝石具有耐腐蚀和硬脆性等特点,这对蓝宝石材料表面抛光技术提出了更为严苛的要 求18。化学机械抛光(CMP)是蓝宝石加工领域最受欢迎的超精密加工技术,能够通过化学腐蚀和机械去除的协同作用获得高质量抛光表面。但蓝宝石的 CMP所需时间很长,加工成本很高,市场应用受到限制19。超声波特种加工适用于硬脆性材料20,为进一步提升蓝宝石平坦化效率和质量,我们提出了蓝宝石的超生化学机械抛光(UVCMP)工艺。并进行了蓝宝石 UVCMP工艺优化正交实验、常规与超声
11、腐蚀对比实验、CMP与 UVCMP 对比实验。2 实验设计 2.1 实验目的 本实验以训练机械专业本科生大型科研设备实操能力、实验方案设计能力、数据归纳与分析能力以及创新能力为目的,引导学生装配蓝宝石超声化学机械抛光设备(见图 1),完成蓝宝石抛光实验,学习原子力显微镜(AFM)、扫描电镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)等精密设备的测试原理和操作流程,归纳总结科学规律及与实验数据之间的逻辑关系,开展关于蓝宝石 UVCMP 作用机理的开放性讨论。图 1 蓝宝石 UVCMP 设备 2.2 实验原理 蓝宝石 CMP 是通过化学和机械作用实现无损伤表面抛光的加工技术。在蓝宝石 CMP 过程中,含有
12、化学试剂的抛光液持续喷洒在抛光垫上,晶圆以设定载荷值与抛光垫保持接触状态,在晶圆和抛光垫旋转驱动作用下,抛光液进入蓝宝石晶圆与抛光垫接触区域。化学试剂与蓝宝石表面发生反应,改变了晶圆表面材料的化学性质,生成硬度更低的薄膜软化层。抛光液中的纳米磨粒在抛光垫驱动下持续犁削低硬度化学产物,实现薄膜软化层的去除。在化学反应和机械去除的循环交替作用下,实现对蓝宝石表面的精密抛光。当超声波以大于 20 kHz 的频率振动时,其穿透能力较强,传播介质能以大加速度高频振动。由于超声加工无需材料导电,不会引起残余应力和热损伤等缺陷,使得 UVCMP 在蓝宝石加工上具有很大优势。在蓝宝石 UVCMP 中,超声能量
13、通过晶圆夹具传入抛光液中。一方面,抛光液流体介质受超声能场驱动而运动活跃,增大了化学试剂与蓝宝石表面的反应机率,提高了软化层的生成速率;另一方面,抛光磨粒在超声影响下不断冲击晶圆表面软化层,增大了磨粒对晶圆表面的切削应力和磨粒利用率。相较于 CMP,蓝宝石 UVCMP 工艺能获得更高的材料去除率(MRR)及表面质量,抛光机理如图 2 所示。图 2 蓝宝石 UVCMP 原理示意图 许文虎,等:机械特种加工教学案例:超声化学机械抛光实验 211 3 实验实施过程与结果分析 3.1 实验材料及仪器 材料:2 in 蓝宝石晶圆、去离子水、丙酮、KOH、HNO3、商用 SiO2抛光液(磨粒质量分数为 2
14、0%,平均粒径 100 nm)、阻尼布抛光垫、蓝宝石晶圆密封盒。仪器:超声清洗机、电动搅拌器、pH 计、精度0.01 mg 的电子天平、干燥箱、蠕动泵、超声发生器、功率放大器、超声换能器(频率 40 kHz,功率 60 W)、复合抛光机、AFM、SEM、TEM。3.2 蓝宝石衬底超声化学机械抛光工艺优化及对比实验 蓝宝石抛光属于超精密加工技术,为保证实验结果的准确性,需要学生具备熟练的实操技能,设计合理的工艺流程,并理解流程设计的理论依据。(1)蓝宝石晶圆清洗。在蓝宝石抛光前后,均需将晶圆放入丙酮中超声清洗 6 min,去除晶圆表面油污、灰尘等;丙酮清洗后的晶圆经干燥处理,再次放入去离子水中超
15、声清洗 6 min,去除丙酮残留物;经去离子水清洗的晶圆干燥后放入密封盒中。(2)制备抛光液。按所需比例称量商用 SiO2抛光液和去离子水,制备不同浓度的抛光液。在电动搅拌器辅助下充分搅拌混合 15 min;用 KOH、HNO3调节抛光液 pH 值至 10。所制备的抛光液中 SiO2磨粒分散性能良好,粒径较为一致,未发现团聚现象,如图 3所示。图 3 SiO2磨粒 SEM 图像 (3)计算 MRR。蓝宝石晶圆清洗后,采用电子天平分别称量抛光前后质量,通过下式计算蓝宝石CMP 和 UVCMP 的 MRR。410MRRmst=(1)式中,MRR 的单位是 nm/min;m代表抛光前后质量差,单位
16、mg;s 为晶圆面积,单位 cm2;33.98 g/cm=,是蓝宝石密度;t 为抛光时间。(4)装配实验设备。将清洗干净并称重后的蓝宝石晶圆装入专用夹具(与超声换能器集成)中,再按图 1 进行超声换能器与复合抛光机中抛光头的装配,然后依次完成超声发生器、功率放大器和超声换能器之间的通道连接。(5)实操设备并完成蓝宝石 UVCMP 工艺优化正交实验。为优化蓝宝石 UVCMP 工艺参数,设计了四因素四水平正交实验(见表 1),并按 L16(45)正交表安排 16 组正交实验方案(见表 2)。通过分析实验数据获取蓝宝石 UVCMP 最优工艺参数,并进行实验验证。表 1 正交实验因素、水平表 因素 水
17、平A 载荷/psiB 转速/(rmin1)C 流速/(mLmin1)D 质量分数/%1 4 40 40 5 2 6 60 60 10 3 8 80 80 15 4 10 100 100 20 表 2 正交实验安排表及实验结果 序号A 载荷/psi B 转速/(rmin1)C 流速/(mLmin1)D 质量分数/%MRR/(nmmin1)表面粗糙度Ra/nm14 40 40 5 13.66 0.11724 60 60 10 21.14 0.19334 80 80 15 30.96 0.17344 100 100 20 42.47 0.13056 40 60 15 27.79 0.18666 60
18、 40 20 38.14 0.34376 80 100 5 35.37 0.20286 100 80 10 38.56 0.26798 40 80 20 34.66 0.194108 60 100 15 40.47 0.280118 80 40 10 39.69 0.170128 100 60 5 45.32 0.1011310 40 100 10 33.73 0.2881410 60 80 5 35.75 0.2441510 80 60 20 75.78 0.1741610 100 40 15 72.84 0.103(6)设计并实施超声腐蚀及常规腐蚀对比实验。为探究超声场对蓝宝石抛光过程化学
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