摘要：化学机械磨削能通过化学-机械协同过程实现单晶硅、石英玻璃等硬脆材料的超精密高质低损加工，而广泛应用于半导体以及光学等领域器件的平坦化加工。在综述化学机械磨削技术材料去除机理、磨削工具以及磨削工艺等方面研究现状的基础上，对上述研究现阶段存在的问题进行了分析讨论。分析表明，从固-固相化学反应和化学-机械协同效应角度揭示化学机械磨削机理，有助于从材料去除机理、磨具结构设计以及复合加工工艺开发等角度创新提高该技术加工效率的可行性方法。最后，对化学机械磨削技术在多样化加工对象、较复杂结构加工、多能场复合加工工艺以及智能数据库开发等方向的发展进行展望。
关键词：化学机械磨削;硬脆材料;磨削机理;专用磨具
0引言
单晶硅、多晶硅、碳化硅、石英玻璃、蓝宝石等半导体和光学硬脆材料具有高硬度、高强度、高耐磨性、较高的热稳定性及化学稳定性等优良的物理化学特点，因而广泛应用于航空航天、国防军工、汽车工业、集成电路以及民用光电等领域[1-4]。随着科学技术的不断创新发展和应用领域对器件性能要求的提升，对上述材料器件的加工质量和精度提出了纳米级加工要求。但由于硬脆材料的硬度高、脆性大等特性，传统机械去除加工过程中容易出现脆性断裂、崩边、亚表面裂纹等影响器件使役性能的加工缺陷。化学机械磨削(Chemo-MechanicalGrinding,CMG)[5]由于能通过化学机械作用实现纳米级面型精度及表面质量的高质低损加工，逐渐成为单晶硅、石英玻璃等硬脆材料平坦化超精密加工领域的关键技术。
目前围绕硬脆材料的材料特性和超精密加工质量要求，国内外学者展开了诸如：在线电解修整磨削[6-7(]electrolyticin-processdressing,ELID)、超声振动辅助磨削[8-10](Ultrasonicvibrationassistedgrinding,UVAG)、电火花机械复合磨削[11-13](ElectroDischargeDiamondGrinding,EDDG)、化学机械抛光[14-17](ChemicalMechanicalPolishing,CMP)磁流变抛光[18-20](Magnetorheologicalpolishing,MRpolishing)、激光抛光[21](LaserPolishing)、等离子体辅助抛光[22-23](PlasmaAssistedPolishing,PAP)等超精密加工技术的研究。表1总结了现阶段部分相关超精密加工技术对硬脆材料进行加工的材料去除和表面/亚表面质量的特点以及不足。表1中提及的超精密加工技术在硬脆材料的曲面成型、平面光整和微结构成型方面已能实现纳米级表面质量和介观尺度材料去除的加工，但还存在诸多影响工业化生产效率和成本控制等问题有待解决。例如，ELID技术的砂轮存在无效损耗、超声振动辅助磨削的亚表面损伤和刀具磨损明显、等离子体抛光产生SiF4有害气体、CMP效率极低并且抛光液带来环境污染等问题，制约了上述技术在工业领域的普及应用。
化学机械磨削最早由日本茨城大学周立波教授团队提出[5]，是一种借助软磨料固结磨具与工件间的固-固相化学反应弱化材料去除难度，再通过软磨料磨具的机械磨削复合作用实现硬脆材料的高质低损超精密加工技术。从现有报道可见，化学机械磨削技术已能够实现单晶硅[25]、石英玻璃[26]、蓝宝石[27]等硬脆材料纳米级面型精度和表面粗糙度的平坦化超精密减薄加工。因此，围绕硬脆材料展开的化学机械磨削材料去除机理研究、软磨料砂轮研制以及新型复合工艺开发，逐渐成为了国内外化学机械磨削研究热点。虽然CMG技术已表现出优异面型精度和表面质量加工能力，但还未能探明软磨料与工件间固-固相反应阈值条件，将CMG的化学-机械协同高质低损的加工优势推广至其他材料的超精密加工领域。此外，由于CMG磨具的软磨料硬度低于被加工的硬脆工件，其磨具损耗速度较快，加工效率难以满足日益增长的器件加工需求。因此，揭示软磨料与工件间的固-固相化学反应机理，突破被加工材料的局限;开发新型工艺提升CMG加工效率，解决化学机械软磨料砂轮磨损与加工效率和质量的矛盾等问题，成为了制约CMG技术发展的研究难点。
本文将围绕现已报道的化学机械磨削技术研究成果，介绍其材料去除机理、磨削工艺和复合加工工艺方面的研究现状。综述化学机械磨削材料去除机理研究的分析方法，以及化学机械磨削工艺参数、软磨料磨具特性以及复合工艺对化学机械磨削质量以及效率的影响规律。分析现阶段化学机械磨削研究方面存在的问题，并对化学机械磨削技术的发展提出展望。
1CMG材料去除机理研究
采用金刚石等传统超硬磨料磨削硬脆材料时，被加工材料主要是以脆性去除方式为主[28]。有研究表明，当应变被限制在0.02%~0.03%范围内时，大多数脆性材料能表现出塑性特征[29]。为获得高质量加工表面，常采用更细磨粒、更小切深以控制磨粒的最大未变形切削厚度的方式实现硬脆材料延性域磨削[30]。但是在延性去除过程中，塑性应变会在磨削加工表面产生并积累，导致工件表面形成残余应力和结构转变，因此也无法获得无缺陷的表面[31]。有研究者认为，可通过克服工件表面原子晶格能使化学键断裂，同时克服表面势垒能，从而达到原子级材料去除的目的[32]。CMG技术就是在传统磨削中引入化学作用以降低工件材料表面势垒能的超精密加工方法。相较而言，传统磨削加工通常采用高于工件材料硬度的磨料对硬脆材料进行脆性或塑性去除。而化学机械磨削通过磨料及添加剂与工件材料表面发生的固-固相化学反应，以及机械应力的协同作用实现材料去除。因此，可采用硬度低于或接近工件材料的软磨料磨具进行磨削加工。由此可见，化学机械磨削与传统磨削方法在材料去除机理方面存在很大区别。研究者认为，化学机械磨削的材料去除过程经历如图1所示的机械接触、钝化层预生成、钝化层生成以及钝化层去除四个阶段[33]。
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由图1可知，CMG实现材料去除的关键是在磨削过程中通过化学反应生成软质钝化层，因此加工效率的提高可通过加强磨削过程中的化学作用实现，这需要建立在对其固-固相化学反应机理充分理解的基础上。虽然已有研究人员通过化学机械磨削技术实现了单晶硅等硬脆材料的高质加工[5,26-27,34]，但是对于如何确定磨料、添加剂与工件表面材料之间固-固相化学反应条件阈值，如何通过化学反应降低以及如何降低被加工材料表面势垒能从而实现原子级材料去除等问题还没有统一的理论解释。
2CMG加工工艺研究
化学机械磨削过程是化学和机械协同作用的复杂过程，伴随着磨粒对工件材料的挤压、摩擦、剪切以及固-固相化学反应作用，影响加工质量以及加工效率的因素有很多。研究者们多从磨削工艺参数以及磨具本身特性对化学机械磨削质量以及加工效率的影响展开研究。
3CMG复合加工工艺研究
受CMG磨具软磨料特性的影响，CMG技术的加工效率虽然高于采用游离磨料加工的CMP技术，但仍然难以满足高效加工的要求。于是，众多研究者们提出在保证磨削加工质量的前提下采用复合工艺方法来提高CMG技术的加工效率。如王振忠等[58]提出二维超声振动辅助CMG技术，对单晶硅进行了工艺试验研究。结果表明，相比于无超声辅助的CMG，二维超声振动辅助CMG技术的材料去除率提高了约1倍，且达到了Ra=5nm的表面粗糙度。LI等人[59]研究了超声振动辅助磨削对熔融石英加工质量的影响，结果表明超声振动辅助可以将材料去除率提高50%以上并且表面粗糙度可达到2nm以下。YANG等人[60]通过实验研究了超声振动辅助化学机械磨削加工硅片的影响，实验证明超声振动辅助可以提高材料去除率，并且引起很小甚至无亚表面损伤。同时对比了不同超声振动方式对表面加工质量的影响(如图9所示)。以上研究表明，超声振动辅助化学机械磨削在不牺牲磨削质量的前提下能提高加工效率。由此可见复合加工工艺是解决CMG技术加工效率较低的有效途径。复合工艺技术有助于通过其他能场的辅助作用降低软磨料与硬脆材料固-固相化学反应的阈值，或者可以提高反应速率，从而间接提升机械应力的去除效率。但目前除了超声振动辅助以外，还未见其他能场复合CMG技术的相关报道。因此，CMG技术与磁场、电场、激光等能场的复合加工技术将成为CMG技术领域未来研究探索的新方向。
4结论与展望
化学机械磨削技术作为超精密加工领域的新兴技术，可获得与CMP接近的表面/亚表面质量，同时还能保持优异的面型精度，并且其加工效率高于CMP而受到国内外研究人员的关注，且取得了一定的研究成果。但目前对于化学机械磨削技术的研究还处于原理探索和工艺优化阶段。在化学机械磨削的材料去除机理、专用软磨料磨具研制、复合加工工艺等方面还有许多问题需要解决，主要表现在以下三个方面。
(1)磨削机理方面。充分理解化学机械磨削的材料去除机理是保证加工质量的同时提高加工效率的关键。化学机械磨削的材料去除是化学和机械协同作用的过程，因此需从化学和机械两部分对其材料去除机理展开研究。从现有的研究成果可见，化学作用部分起弱化被加工材料表面原子势垒能以及生成软质反应层的作用。但对于化学作用部分的研究多停留在检测中间生成物以及分子动力学模拟的层面上。目前对于非晶相及部分产物的反应条件及生成机理的解释依旧不明晰。机械作用部分，一方面提供一定机械应力及磨削热作为化学反应的输入能量，另一方面以划擦方式机械去除工件表面的软质反应层。因此，传统机械磨削理论中的划擦、耕犁、切削过程模型不能完整描述化学机械磨削材料去除过程。此外，目前有关于化学机械磨削的磨削力理论模型以及磨削热的模拟模型的研究尚未成熟。这主要是因为软磨料砂轮与工件间的应力作用机理、能量消耗与传递方式与传统磨削加工不同，涉及到材料表层物理机械性能及成分官能团变化等因素的影响。因此，有待基于化学和机械协同效应，从能量分配和传递角度建立起适合化学机械磨削过程的有效理论模型。——论文作者：任莹晖周家恒李伟周志雄李陈方
