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(wú)損傷加工，比如硅、氮化鎵和藍(lán)寶石等材料的加工。通過(guò)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(wú)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(duì)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(jiàn)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(duì)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(duì)比了含棱角磨粒與圓鈍磨粒對(duì)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(wèn)題。為了解決上述問(wèn)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(duì)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(guò)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(wèn)題，又可以避免球形SiO2磨粒研拋效率較低的問(wèn)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(shí)，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(dòng)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(duì)藍(lán)寶石進(jìn)行研拋時(shí)，隨磨粒濃度的增大，材料去除率和表面粗糙度分別會(huì)在不同濃度值達(dá)到峰值。
研拋環(huán)境對(duì)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(jiǎn)單的機(jī)械研拋過(guò)程。
二、混合磨粒
在單一磨粒的應(yīng)用過(guò)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?；旌夏チＶ饕秆袙佭^(guò)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(duì)單一磨粒研拋性能的提升。通過(guò)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(lái)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磨粒混合，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(guò)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(shí)，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(duì)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?；蚧衔餅橹黧w，將其他磨粒、金屬元素或化合物等附屬結(jié)構(gòu)通過(guò)化學(xué)方式與主體融為一體的磨粒，常見(jiàn)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(lái)，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?；蚧衔?，外殼為通過(guò)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(guò)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(guò)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(duì)超精密表面加工的影響》作者：周兆鋒
3、鄭州千磨官網(wǎng)
