蓝宝石单晶具有优良的光学、力学、化学和电性能,其硬度高、强度高、耐高温、光透性好的特点,使其在光电子、通讯、国防等领域有着越来越广泛的应用。正因为蓝宝石具有稳定的化学性能和物理力学性能,这就大大增加了蓝宝石材料的加工难度。随着光学和微电子学及其相关技术的发展,不但要求高的加工效率,而且需要高的表面精度和低的表面及亚表面损伤,所以蓝宝石晶片的加工技术面临巨大挑战。作为典型的硬脆材料,蓝宝石的加工工艺还不成熟。由于蓝宝石在航空航天、深空探索等军事领域有着特殊的用途,因此,单晶蓝宝石的加工技术在西方极其保密。为实现单晶蓝宝石高效、高精度、高质量的平坦化加工,研磨抛光技术应运而生。研磨主要是通过磨粒的微切削去除晶片表面的微凸起部分,保证晶片的平面度;抛光主要是为了降低晶片的表面粗糙度,使加工表面镜面化,并且降低晶片表面与亚表面损伤。由于研磨抛光是一个系统工程,它需要一个高稳定性的工艺条件,其材料去除机理、材料非均匀性形成机制还不够完善,通过试验方法研究研磨抛光过程,往往受到试验条件的影响和试验成本限制,因而将试验与仿真方法相结合成为研究研磨抛光机理及优化加工工艺的一种有效手段。本文首先建立了工件与抛光盘之间的相对运动模型,运用“运动学原理”及“坐标变换”得出磨粒运动轨迹方程,推导了运动轨迹长度公式和轨迹曲线曲率公式。利用MATLAB软件分析模拟研磨抛光过程中转速比、偏心距、磨粒向径、初始角度对磨粒运动轨迹形态及轨迹曲线曲率的影响。在此基础上,本文通过“变异系数”来分析轨迹长度非均匀性、速度非均匀性、压力分布非均匀性,并利用“微积分”方法得出工件均匀磨损方程。为满足工件均匀磨损的条件,分别分析了抛光盘转速、工件转速、偏心距、磨粒向径对磨损因子的影响。为探索研磨抛光过程中工件接触处的应力变化情况,本文将利用商用有限元软件Abaqus建立工件、抛光盘、抛光垫、保持环之间相互接触的三维模型,仿真分析了下压力、抛光垫厚度、抛光垫弹性模量、抛光垫泊松比、工件与抛光垫之间摩擦系数对接触应力分布及应力分布非均匀性的影响规律。在上述理论与仿真模拟的基础上,本文将对蓝宝石衬底片进行抛光实验研究。通过单因素实验法研究不同压力、上下盘转速、抛光垫等工艺参数对蓝宝石衬底片化学机械抛光材料去除速率和表面粗糙度的影响。通过理论、仿真、实验来改善蓝宝石研磨抛光加工工艺,这为理解研磨抛光加工机理与研磨抛光机的设计提供理论指导。