研磨和拋光是經(jīng)典的超精密加工技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于脆性難加工半導(dǎo)體襯底材料的超光滑無損傷加工，比如硅、氮化鎵和藍(lán)寶石等材料的加工。通過研磨和拋光可以有效去除前道工序造成的加工損傷，并獲得超光滑無損傷的工件表面。研拋磨粒作為研拋工藝的核心輔助材料之一，研拋磨粒選擇的恰當(dāng)與否直接影響到研拋效率和研拋質(zhì)量的高低。
本文從研拋磨粒的組成方式和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等角度出發(fā)，總結(jié)了研拋磨粒對加工結(jié)果的影響，以及新型研拋磨粒的研究進(jìn)展，為研拋磨粒的科學(xué)選擇和應(yīng)用提供參考。
一、單一磨粒
研拋工藝要求不同，采用的磨粒材質(zhì)也不同，常見磨粒有二氧化硅（SiO2）、氧化鈰（CeO2）、碳化硼（B4C）、氧化鋁（Al2O3）、碳化硅（SiC）和金剛石等。不同材質(zhì)的磨粒對不同材質(zhì)工件研拋結(jié)果的影響差異顯著，這主要體現(xiàn)在磨粒的硬度和化學(xué)活性等方面。
1、磨粒形狀因素
研究主要對比了含棱角磨粒與圓鈍磨粒對研拋結(jié)果的影響，發(fā)現(xiàn)含棱角磨粒更適合高效率的研拋需求，圓鈍磨粒更適合高質(zhì)量的研拋需要。雖然圓鈍磨粒更有利于提升研拋質(zhì)量，但是圓鈍磨粒普遍存在研拋效率較低的問題。為了解決上述問題，眾多學(xué)者提出了制備異形磨粒的方法。所謂異形磨粒是指相對于傳統(tǒng)的球形SiO2磨粒，制備出的非球形SiO2磨粒。Lee和Salleh等通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)應(yīng)用異形SiO2磨粒既可以解決由硬質(zhì)磨粒（如Al2O3）引起的劃痕問題，又可以避免球形SiO2磨粒研拋效率較低的問題。
2、其他因素
磨粒粒徑的影響。磨粒粒徑越大，材料去除率越高；當(dāng)粒徑固定時，相比于兩體磨粒去除的固結(jié)磨料研拋工藝，三體磨粒去除的游離磨料研拋工藝中部分磨粒的滾動行為雖然限制了材料去除率的提升，但是促進(jìn)了研拋質(zhì)量的提高。
磨粒濃度的影響。隨磨粒濃度的增加，研拋效率也在增加。潘繼生等采用金剛石磨粒對藍(lán)寶石進(jìn)行研拋時，隨磨粒濃度的增大，材料去除率和表面粗糙度分別會在不同濃度值達(dá)到峰值。
研拋環(huán)境對磨粒研拋機(jī)理的影響。酸性環(huán)境下，SiO2磨粒與藍(lán)寶石表面電荷極性相反，由于靜電吸附增加了磨粒與晶體表面的接觸概率；堿性環(huán)境下，SiO2磨粒與晶體表面電荷極性相同，由于同性相斥作用降低了磨粒與晶體表面的接觸概率。這意味著，在酸性條件下，磨粒與晶體表面的接觸行為主導(dǎo)拋光效率；但是堿性條件下，晶體表面變質(zhì)層的生成速率主導(dǎo)拋光效率。CeO2磨粒研拋石英玻璃，玻璃表面材料去除主要由磨粒與工件的界面摩擦化學(xué)腐蝕作用主導(dǎo)，而非簡單的機(jī)械研拋過程。
二、混合磨粒
在單一磨粒的應(yīng)用過程中，有些磨粒偏向獲得較高的研拋效率，有些磨粒偏向獲得較好的研拋質(zhì)量，為了能夠顯著提升研拋效率，有學(xué)者提出了使用混合磨粒。混合磨粒主要指研拋過程中使用兩種或多種不同磨粒按比例混合的磨粒，其中磨粒的不同主要體現(xiàn)為材質(zhì)和粒徑等方面的不同。
Jindal等將較大粒徑的Al2O3磨粒分別與較小粒徑的SiO2、CeO2等磨粒進(jìn)行混合，實(shí)現(xiàn)了對單一磨粒研拋性能的提升。通過顯微形貌分析顯示在大粒徑的磨粒外圍吸附滿了小粒徑的磨粒，相比于純Al2O3磨粒，表面吸附了SiO2或CeO2的混合磨粒，既可以避免純Al2O3磨粒的團(tuán)聚，還可以利用小粒徑磨粒的化學(xué)活性來提升混合磨粒的研拋效率。
Park等將ZrO2磨粒與SiO2磨粒進(jìn)行混合，Lee等將納米金剛石磨粒與SiO2磨?；旌?，可以提升SiO2磨粒的研拋效率。在混合磨粒中，隨著納米金剛石磨粒濃度的增加，材料的研拋效率也同步增加；在研拋過程中，納米金剛石磨粒主導(dǎo)工件表面材料的去除，SiO2磨粒則負(fù)責(zé)殘留機(jī)械加工痕跡的去除。
除了上述不同材質(zhì)磨粒之間的混合，還存在相同材質(zhì)不同粒徑磨粒之間的混合。Lee等將粒徑為30nm和70nm的SiO2磨粒按比例進(jìn)行混合，隨著兩種磨粒濃度比的改變，工件表面材料的去除方式也發(fā)生兩體和三體磨粒去除的改變，當(dāng)兩種磨粒質(zhì)量比為2∶1時，材料去除方式為兩體磨粒去除，材料的去除率最高。Bun-Athuek等將粒徑為4nm的SiO2分別與20nm、55nm、105nm的SiO2磨?；旌?，混合磨粒的形成示意圖分別如圖3所示，發(fā)現(xiàn)超細(xì)磨粒吸附在大粒徑磨粒外圍，改變了大粒徑磨粒的形貌特征，提升了研拋效率。Lee等將粒徑為30nm的球形磨粒和70nm的非球形磨粒進(jìn)行混合，相比球形SiO2磨粒，混合磨?？娠@著提升研拋效率；此外，提升球形磨粒在混合磨粒中的比例，可以改善非球形磨粒的切削能力，提升研拋質(zhì)量。
三、復(fù)合磨粒
相對于單一磨粒，混合磨粒盡管可以有效提升研拋效率，但是并不能顯著改善研拋質(zhì)量，為了能進(jìn)一步改善研拋質(zhì)量，并兼顧研拋效率，有學(xué)者提出了應(yīng)用復(fù)合磨粒。復(fù)合磨粒指以某一種磨粒或化合物為主體，將其他磨粒、金屬元素或化合物等附屬結(jié)構(gòu)通過化學(xué)方式與主體融為一體的磨粒，常見的復(fù)合磨粒有核殼型復(fù)合磨粒（藍(lán)寶石｜DND@CeO2核殼型磨料的制備）和摻雜型復(fù)合磨粒。近幾年來，復(fù)合磨粒的研究取得了顯著的成果。
核殼型復(fù)合磨粒的內(nèi)核為大粒徑的磨粒或化合物，外殼為通過化學(xué)方式粘結(jié)于內(nèi)核表面的小粒徑磨粒層或化合物層。在研拋過程中，核殼型復(fù)合磨粒的核與殼表現(xiàn)出物理和化學(xué)方面的協(xié)同效應(yīng)，更有利于提升研拋質(zhì)量。首先，復(fù)合磨粒內(nèi)核為較硬的大粒徑磨粒，主要負(fù)責(zé)支撐整體結(jié)構(gòu)；外殼為較軟的小粒徑磨粒，主要負(fù)責(zé)工件表面材料的去除。相比單一硬度的實(shí)心磨粒結(jié)構(gòu)，該復(fù)合磨粒具有“內(nèi)硬外軟”的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，更有利于提升磨粒的研拋性能。
摻雜型復(fù)合磨粒指以某一磨粒為載體，通過化學(xué)方式將金屬元素?fù)饺肫渲卸纬傻膹?fù)合磨粒，該復(fù)合磨?？梢蕴嵘チ５谋砻婊瘜W(xué)活性，獲得更好的研拋性能。
參考資料：
1、《超精密表面研拋磨粒的研究進(jìn)展》
2、《研拋磨粒對超精密表面加工的影響》作者：周兆鋒
3、鄭州千磨官網(wǎng)
