Transcript Precise grinding & polishing Student: wenjheng Lin Adviser: Liren Tsai

Precise grinding & polishing
Student: wenjheng Lin
Adviser: Liren Tsai
Outline
 Introduction-----------------------------------------------(5)
 超精密拋光方法介紹-----------------------------------(6)
各種材料之拋光盤及研磨粒子比較表
Free Abrasive Machining
 水合研磨拋光--------------------------------------------(9)
 液面研磨拋光--------------------------------------------(10)
 拋光機械化學(固向反應)-----------------------------(11)
拋光機械化學(固向反應)過程
拋光機械化學(固向反應)示意圖
 離子束拋光-----------------------------------------------(14)
離子束拋光機
 電解拋光--------------------------------------------------(16)
電解拋光應用範圍
Outline
 Ultrasonic polishing--------------------------------------(18)
超音波機台示意圖
 磁性流體拋光--------------------------------------------(20)
 熱噴塗塗層製程原理-----------------------------------(21)
熱噴塗塗層製程原理圖示
 塗層的功能-----------------------------------------------(23)
 電漿噴塗--------------------------------------------------(24)
電漿噴塗圖示
電漿噴塗機剖面圖
電漿噴塗優缺點
 電漿(CVM)-----------------------------------------------(28)
 氧氣-燃料高速火燄噴塗法---------------------------(29)
氧氣-燃料高速火燄噴塗圖示
 電弧噴塗--------------------------------------------------(31)
Outline
 電漿滲氮腐蝕試驗-------------------------------------(32)
 反應式離子蝕刻----------------------------------------(33)
反應式離子蝕刻示意圖
反應式離子蝕刻機
 References------------------------------------------------(36)
Introduction
 超精密加工技術標誌著一個國家機械製造業的水準，在
提高光機電產品的性能、品質、壽命和研發高科技產品
等方面具有十分重要的作用。當前，超精密加工是指加
工誤差小於0.01μm、表面粗糙度小於Ra0.025μm 的加
工，又稱之為亞微米級加工。現在，超精密加工已進入
納米級，稱之為納米加工。
 研磨或者拋光(Lapping or Polishing)是使工件產生平
滑鏡面的超精密研磨技術，其目的在於使表面粗糙度及
平坦度到達一定的可容許範圍，常被廣泛的使用在硬脆
金屬、陶瓷、玻璃及晶圓等材料表面的精密加工。
超精密拋光方法介紹
# 基於力學加工原理之機械加工方法:
將較加工物硬度高的研磨粒子，以稱之為拋光盤(Polisher)之工具，
押附在加工物表面，研磨粒子的大小與押附力相對應，再加工物表面
層產生應力場，因此，發生延性或脆性破壞，而進行拋光加工。
 液面拋光、水合拋光
 化學機械(固向反應)拋光(mechano-chemical polishing)
 乾式超精密拋光(dry process):
以惰性氣體離子衝擊，產生力學作
用進行加工。
噴塗腐蝕、離子束腐
蝕及其他。
將電漿中之腐蝕激化，與加工物表面產 電漿腐蝕、電漿CVM及其
生化學反應，變成揮發性物質將之除去。 他。
將上記兩種現象組合，利用離子衝擊及
化學反應，促進力學作用。
反應性離子腐蝕、反應
性離子束腐蝕及其他。
各種材料之拋光盤及研磨粒子比較表
Free Abrasive Machining
水合研磨拋光
 水合研磨拋光是一種積極利用在工件臨界面上生成水合化
反應的研磨拋光方法。其主要特點是不使用磨粒和加工液
，而加工裝置又與目前使用的拋光機相似，只是在水蒸汽
環境中進行加工。為此，要儘量避免使用能與工件產生固
相反應的材料拋光盤。
液面研磨拋光示意圖
研拋時工件與拋光盤（水晶平板）之間
由流體壓力形成間隙，利用具有腐蝕作
用液體的運動進行研拋加工，中使用的
腐蝕液為甲醇、乙二醇與溴的混合液。
主要用來加工CaAs、InP 基片表面。
拋光機械化學(固向反應)
(mechano-chemical polishing)
化學機械拋光機
尚偉股份有限公司&尚上儀器股份有限公司
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拋光機械化學(固向反應)過程
(mechano-chemical polishing)
 CMP是將工件壓在旋轉之彈性襯墊（研磨墊）上，利
用相對運動加工之拋光技術。將具有腐蝕性之加工液
供給到工件上，當工件進行腐蝕加工（化學性）時，
同時供給超微磨粒（直徑100奈米以下）拋光（機械
性）材料，對工件之凸部進行選擇性的拋光操作，故
稱機（械）化學拋光或化學機械拋光。
拋光機械化學(固向反應)示意圖
(mechano-chemical polishing)
離子束拋光
 離子束拋光採用被充電的高能原
子或離子（離子的品質較原子品
質更大，因而可獲得更大的動能
），在真空狀態下由離子槍射向
工件，當帶有很高能量的離子撞
擊工件表面時，在撞擊點上材料
以原子量級實現去除。
離子束拋光機
離子束拋光機
美佳光電科技有限公司
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電解拋光（Electrolytic Polishing）
 所謂電解拋光，即是將工件放置陽極，
於電解液中通電，在適當操作參數下，
使工件發生電解反應（亦稱反電鍍），
工件表面而因電場集中效應而產生溶解
作用，因而可達成工件表面平坦與光澤
化之加工技術。電解拋光機制示意圖
電解拋光應用範圍
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電解拋光應用範圍：
(1) 可處理銅、黃銅、鉛、鎳、鈷、鋅、鍚、鋁、不銹鋼、鐵、鎢等材料。
(2) 電解拋光技術廣泛應用於半導體/LCD等級閥件、管配件、接頭、IGS之表
面處理。
(3) 電解拋光可達鏡面級光澤，拋光後產品表面可達Ra=0.2~0.5μm。
(4) 不銹鋼電解拋光表面可生成鈍化層，有效提昇抗腐蝕能力。
電解拋光成品如相片（一）所示：
Ultrasonic polishing
Polishing tool
Abrasive particles
Work-piece
oblique machining
latitudinal machining
longitudinal machining
 超音波拋光是一種非接觸超精密研磨方法。超音波振動工具頭的端面
與工件表面保持一固定的間隙δ，並在其間充以微細磨粒工作液，當超
音波振動工具以一定的頻率振動時，帶動微細磨粒衝擊工件表面，從而
對工件表面進行拋光。超音波拋光時，大量的磨粒以與超聲振動相同的
頻率、脈衝式的衝擊被加工表面，除去或改造工件表面原有的變質層，
並在其下面構成新的變質層（即表面加工層）。
超音波機台示意圖
Polishing A robotic polishing system.
1.RV-M1 robot. 2.Ultrasonic transducer. 3.Tool tong. 4.Elastic tool.
5.Work-piece. 6.Force sensor. 7. Work table. 8.Ultrasonic generator.
9.Computer. 10.Serial interface.
磁性流體拋光
1980年代即被廣為實際運用做加工後段拋光之用，M.
Fox等人利用此法對非磁性材料做過相關實驗，其加
工後的表面精度約可達8nm，但磁性研磨法能進行小
區域修補加工，對於大型平面工件而言相當費時。
Magnetic powders and fibers
熱噴塗塗層製程原理
(1) 原料熔融– 所使用的熱源可為電漿、燃氣火燄、燃氣爆炸或電弧。
（粉末不適用於電弧，線材不適用於電漿及燃氣爆炸）
(2) 熔融顆粒加速。
(3) 熔融顆粒撞擊工件表面成扁平狀後附著於工件表面。
( 工件表面必須清潔並具適當粗糙度，以使塗層附著良好)
(4) 原料迅速凝固形成塗層。
擷取自:
http://me.csu.edu.tw/swl/non/pluasma/pluasma.pdf
熱噴塗塗層製程原理圖示
擷取自:
http://me.csu.edu.tw/swl/non/pluasma/pluasma.pdf
塗層的功能
 任何機械零件的設計，於選用其材料時，除考量零件本體
所需承受荷重之機械強度外，亦需兼顧零件使用時其週遭
環境的影響（腐蝕、磨損、溫度），以維持零件的功能及
使用壽命。當環境因素無法由所選用材料兼顧時，於零件
表面增加一層能抵抗環境影響所需性能的塗層，便成為零
件設計的重要考量因素。
 除了環境因素的考量外，塗層的選用亦可能涉及某些特殊
功能的需求，例如裝飾、絕緣、電磁波或光線的反射或吸
收⋯⋯等。
擷取自:
http://me.csu.edu.tw/swl/non/pluasma/pluasma.pdf
電漿噴塗(Plasma Spray)
 利用高電流低電壓在電極與噴嘴之間，以高瀕產生電位能
此時溫度可達20,000K以上，當噴塗氣體通過電極與噴嘴
之間，因受激發而產生第四態(電漿態) ，氣體因解離而
吸收大量熱能，氣體因高溫作用而急速膨脹，以非常快速
從噴嘴噴射而出，此時藉由粉末輸送器由送粉氣體(Ar ，
N2)將粉末輸入至火焰中心，粉末吸收大量熱能而融化，
並藉燃燒氣體氣流快速撞擊到已經吹砂後基材上，形成塗
層稱之電漿噴塗．
擷取自:
http://me.csu.edu.tw/swl/non/pluasma/pluasma.pdf
電漿噴塗圖示(Plasma Spray)
擷取自:
http://me.csu.edu.tw/swl/non/pluasma/pluasma.pdf
電漿噴塗機剖面圖(Plasma Spray)
擷取自:
http://me.csu.edu.tw/swl/non/pluasma/pluasma.pdf
電漿噴塗優缺點(Plasma Spray)
 優點
 缺點
金屬，非金屬，碳化物，陶 學習及操作較難
瓷，及窯業金屬粉末塗層
自動化設備昂貴
用途廣泛(工業及航空界)
製程成本高
學習及操作較難
自動化
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http://me.csu.edu.tw/swl/non/pluasma/pluasma.pdf
電漿(CVM)
•所謂電漿CVM(Chemical Vaporization Machining)，將鹵素(halogen)
類電氣陰性度大的原子在高壓氣氛中，在局部空間激起高周波電漿，
進行反應性較高的中性激發，因此，與被加工物反應，變成揮發物
質，進行去除加工法。
激發原子
和被加工物原子反應後
，或揮發被除去
被加工物原子
氧氣-燃料高速火燄噴塗法
 高速火焰噴塗以粉末作為噴覆材料，利用氮氣為運送氣體
，輸送至超過2-3倍音速之大量高壓燃燒火焰氣體中心，
粉末受熱熔化後同時以800-1200 m/sec 的速度撞擊在已
經吹砂處理後之工件表面上，形成緻密之塗層.
擷取自:
http://me.csu.edu.tw/swl/non/pluasma/pluasma.pdf
氧氣-燃料高速火燄噴塗圖示
擷取自:
http://me.csu.edu.tw/swl/non/pluasma/pluasma.pdf
電弧噴塗
 利用兩根欲噴塗之金屬線穿過特別設計之噴槍, 金屬線帶
電形成電弧, 其溫度高於7200℉ , 熔解金屬線並利用壓
縮空氣或氮氣將其霧化噴在以已處理過之基材, 形成塗層
擷取自:
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電漿滲氮腐蝕試驗
電漿滲氮條件為在450℃及420℃分別施
以25 小時與10 小時。試片在滲氮爐中
先經10 分鐘的電漿清潔，除去原生氧
化層，然後再經4 小時的升溫至滲氮溫
度作滲氮處理。
Schematic diagram of ASPN facility
反應式離子蝕刻
（Reactive Ion Etching）
 在半導體製程中，蝕刻（Etch）被用來將某種材質自晶圓表面上移除
。蝕刻通常是利用腐蝕性物質移除部份薄膜材料，以達到產生所需圖
案（Pattern）之技術。一般將蝕刻分為濕式蝕刻和乾式蝕刻，而乾
式蝕刻（Dry Etching）又稱為電漿蝕刻（Plasma Etching）且屬於
非等向性蝕刻，所以是目前最常使用的蝕刻方式。
 指電漿將蝕刻氣體解離成各種離子，然後這些離子對薄膜或晶圓產生
化學反應；此法的優點是我們可以藉由材料的選擇來決定蝕刻的大小
、範圍，缺點是不具有非等向性蝕刻的效果。
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反應式離子蝕刻示意圖
反應式離子蝕刻示意圖
擷取自:NCKU Micro-Nano Technology Center/Southern Region MEMS Center
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反應式離子蝕刻機
反應式離子蝕刻機
慶康科技
Type: OMNI-RIE
Voltage: 220 V
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References
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3)
4)
5)
6)
7)
8)
9)
荣烈润 上海市静安区职工大学
《航空精密制造技术》2005 年第2 期
丁建國 科技與化學－化學機械研磨漿料相關介紹哲學四 B93104019
張 耿 維 國立 中 央 大 學機 械 工 程 研 究 所 博 士 論 文 磁力研磨與電解磁力研磨之拋光
特性研究
超精密加工技術 高道鋼 編譯 全華科技圖書股份有限公司 印行
羅勝益、顏木田、蔡傳暉 華梵大學機電工程學系
何炳興 國立中央大學 機械工程研究所 碩士論文
精密磨削(Precision Grinding)
http://blog.sina.com.tw/lifung/article.php?pbgid=24968&entryid=591384
邱六合 陳繁雄 張記銨 葉書宏 溫華葦 不銹鋼經活化網罩電漿滲氮之腐蝕性質之研究
10) NCKU Micro-Nano Technology Center/Southern Region MEMS Center
11) 擷取自: http://me.csu.edu.tw/swl/non/pluasma/pluasma.pdf