电致化学抛光系统研制

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近年来,随着超精密技术的发展,超光滑表面在光学、功能元件、功能薄膜材料生长领域占有重要地位,超光滑表面质量是决定其性能高低的关键,因此,对超光滑表面的加工方法要求越为苛刻。传统加工方法常因应力、热变形、效率低、设备昂贵等使超光滑表面的加工受到限制。电致化学抛光(Electrogenerated Chemical Polishing,EGCP)作为一种超光滑表面的无应力加工技术,在小面积铜工件抛光中取得了良好效果,对于大面积铜工件来说还需进一步探索。因此,研制大面积EGCP所用加工系统对于解决这一关键问题具有重要意义。EGCP是化学刻蚀去除材料的过程,通过工作电极产生刻蚀剂,经扩散作用到工件表面,刻蚀剂和其表面原子因化学作用实现材料去除。由于EGCP对间隙尺寸十分敏感,如何实现大面积加工中电极与工件之间间隙的均匀稳定性是加工系统最为关键的技术。本文针对EGCP的技术要求,开发了一套适用于工件尺寸50 mm的加工系统,并从系统的稳定性、精度以及加工效率等方面进行了研究,最后通过该加工系统进行了50mm纯铜材料的加工实验。本文的主要研究内容为:(1)EGCP加工系统的设计研究。分析了EGCP加工系统的关键技术要求和实现方法,基于关键技术和工艺要求等参数对系统进行设计,开发了一种基于液体静压支撑实现加工间隙均匀性稳定控制的超精密加工系统。具有以下功能:a.间隙均匀性稳定控制b.自动调平与液膜检测c.抛光液自动循环d.电极自动升降。(2)超平滑电极的稳定性研究。研究了影响电极稳定性的因素,通过解析和仿真研究了间隙的稳定性控制方法。增加液压腔数目可以有效提高电极法向刚度和抗倾覆能力。实验标定了间隙与供液压力关系,间隙在0-11μm范围内,具有0.2μm/kPa的调节能力。(3)EGCP的动静态实验研究。以制备的金溅射电极对直径50 mm,厚度2 mm铜工件进行了实验,分析了加工系统的加工效率和精度。静态时,平坦化能力更强,去除率更高,可达0.107μm/h,去除率与间隙关系与理论相符合。动态时,随转速增加,材料去除率基本保持不变,约为0.618-0.756μm/h,低于静态时的去除率,主要由于动态时更易产生Cu2+的还原,转速越大,还原现象越明显,在0.4 r/min时,面型精度从3.859μm改善至2.410μm。
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