研磨和拋光是經（jīng）典的超（chāo）精密加工技術，被廣泛應用於脆性（xìng）難加工半導體襯底（dǐ）材料的超光滑無損傷加工，比如矽、氮化镓和藍寶石等材料的加工。通過研磨（mó）和拋光可以有效去（qù）除前道工序（xù）造成的加工損傷，並獲得超光滑無損傷的工（gōng）件表麵。研（yán）拋磨（mó）粒作為研拋工（gōng）藝的核心輔助（zhù）材料之一，研拋磨粒選擇的恰當與否直接影響到研拋效率和（hé）研拋質量的（de）高低。
本文從研拋磨粒的組成方式（shì）和結構特點等角度出發，總結了研拋磨粒對加工結果的影響，以及新型（xíng）研拋磨粒的（de）研究進展，為研拋磨粒的科學選擇（zé）和應用提供（gòng）參考。
一、單一磨粒
研拋工藝（yì）要求不（bú）同，采用的磨粒材質也不同，常見磨粒有（yǒu）二氧化矽（SiO2）、氧化（huà）鈰（shì）（CeO2）、碳化硼（B4C）、氧（yǎng）化鋁（Al2O3）、碳化矽（SiC）和金剛石等。不同材（cái）質的磨粒對不同材質工件研拋結果的（de）影響差異顯著，這主要體現在磨粒（lì）的硬度和化學活（huó）性等方麵。
1、磨（mó）粒形狀因素
研究主要對比了（le）含棱角磨粒與（yǔ）圓鈍磨粒對（duì）研拋結果（guǒ）的（de）影響，發現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量的研拋需要。雖然圓鈍磨粒更有利於提升研（yán）拋質量，但是圓鈍磨粒普遍存在研拋效率（lǜ）較低的問題。為了解決上述問題（tí），眾多學者提出了製備異形磨粒的方法。所謂異形磨粒是指相對於傳統的球形SiO2磨粒，製備出的非球形SiO2磨（mó）粒。Lee和Salleh等通過試驗發現應用異形（xíng）SiO2磨粒既（jì）可以解決由硬質磨粒（如Al2O3）引起的劃痕問題（tí），又可以（yǐ）避免球形SiO2磨粒研拋（pāo）效率較低的問題。
2、其他因素（sù）
磨（mó）粒粒徑的影響。磨粒粒徑越（yuè）大，材（cái）料去（qù）除率越高；當粒徑（jìng）固定時，相（xiàng）比於兩體磨粒去（qù）除的固結磨料研拋工藝（yì），三體磨粒去除的遊離磨料研拋工藝中部分磨粒的滾動行（háng）為雖然限製了材料去除率的提升，但是促進了研（yán）拋質量的提高。
磨粒濃度的（de）影響。隨磨粒濃度的（de）增加（jiā），研拋效率也在增加。潘繼（jì）生等采用金剛石磨粒對藍寶石進行研（yán）拋（pāo）時，隨磨粒濃度的增大，材料去除率和表麵粗糙度分別會在不同濃度值達到峰值。
研拋環境對磨粒研拋機（jī）理的影（yǐng）響。酸性（xìng）環境下，SiO2磨粒與藍寶石表麵電荷極性相反，由於（yú）靜（jìng）電吸附增加（jiā）了磨粒與晶（jīng）體表麵（miàn）的接觸概率；堿性環境下，SiO2磨粒與晶體表麵電荷極性相同，由於同性相斥作用降低了磨（mó）粒與（yǔ）晶體表麵的接觸概（gài）率。這意味著，在酸性條件下，磨粒與晶體表麵的接觸行為主導拋光效率；但是堿性條件下，晶體表（biǎo）麵變質層的生成速率主導拋光效率。CeO2磨粒研拋石英玻璃，玻（bō）璃表麵材料去除主要由磨粒與工件的界麵摩擦化（huà）學腐蝕作用主導，而非簡單的機械研拋過程（chéng）。
二、混合磨粒
在單一磨粒的應用過程中，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（hǎo）的研拋質量，為了能夠顯著提升研拋效率，有學者提出（chū）了使（shǐ）用混合磨粒。混合磨粒主要指研拋過程中使用兩種或（huò）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為材質和粒徑等方麵的不同。
Jindal等（děng）將較大粒徑（jìng）的Al2O3磨粒分（fèn）別與較小粒徑的SiO2、CeO2等磨粒進行混合，實現（xiàn）了對單一磨粒研拋性能的（de）提升。通過顯微形貌分析顯（xiǎn）示在大粒徑的磨粒外圍吸附滿了小粒徑的磨（mó）粒，相比於純Al2O3磨粒，表麵吸（xī）附了SiO2或CeO2的混合磨粒，既可以避免純Al2O3磨粒的團聚，還可以利用小粒徑磨粒的化學活性來（lái）提（tí）升混合（hé）磨粒的研（yán）拋效率。
Park等將ZrO2磨粒（lì）與SiO2磨粒進行混（hún）合，Lee等將納米金（jīn）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（mó）粒中，隨著納米金剛石磨粒濃（nóng）度的增加，材料的研拋效率（lǜ）也同步增加；在研拋過程中，納（nà）米（mǐ）金剛石磨粒主導工件表麵材料（liào）的去除，SiO2磨粒則負責殘留機（jī）械加工痕跡的去除。
除了上（shàng）述不同（tóng）材質磨粒之間的混合，還存在相同材質不同粒徑磨粒之間的混合。Lee等將粒徑為30nm和70nm的SiO2磨粒按比例進行混合，隨著兩（liǎng）種磨粒濃度比（bǐ）的（de）改變，工件表麵材料的去除（chú）方式也發生兩體和三體磨粒（lì）去除的改（gǎi）變，當（dāng）兩種磨粒質量比為2∶1時，材料去除方式為兩體（tǐ）磨粒去除，材料的去除率最高。Bun-Athuek等將粒徑為4nm的SiO2分（fèn）別與20nm、55nm、105nm的SiO2磨粒混合（hé），混合磨粒的形成示（shì）意（yì）圖分別如圖3所示，發現超細磨（mó）粒吸附在大粒徑磨粒外（wài）圍，改變了大粒徑磨粒的形貌特征（zhēng），提升了研拋（pāo）效率。Lee等將粒徑為30nm的球形磨粒和70nm的非球形磨粒進行混合，相比球形SiO2磨（mó）粒，混（hún）合磨粒可顯著（zhe）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（shēng）研拋質量。
三、複（fù）合磨粒
相對於單一磨粒（lì），混合磨（mó）粒盡管可以有效提升研拋效率，但是並不能顯著改善研拋質量，為了能進（jìn）一步改善研拋質量，並兼顧研拋效率，有學者（zhě）提出了應用（yòng）複合磨粒。複合磨粒（lì）指以某一種（zhǒng）磨粒或化（huà）合物為主體，將其他磨粒、金屬元素或化合物等附屬結（jié）構通過化（huà）學方式與主體融為一（yī）體的磨粒，常見的複合磨粒有核殼型複合磨粒（藍寶石｜DND@CeO2核殼型磨料的製備（bèi））和摻雜型複合磨粒。近幾（jǐ）年來，複合磨粒（lì）的研（yán）究取得了顯著的（de）成果。
核（hé）殼型複（fù）合磨粒（lì）的內核（hé）為大粒徑的磨粒或化合物，外殼為通過（guò）化學方式粘結於內核表麵的小粒徑（jìng）磨粒層或（huò）化合（hé）物層。在研拋過程（chéng）中，核殼型（xíng）複合磨粒的（de）核與殼表現出（chū）物理和化學方麵的協同效應，更有利（lì）於（yú）提升研拋質量。首先，複合磨粒內核（hé）為較硬的大粒徑磨粒，主要負責支撐整體結構；外殼為較軟的小粒徑磨粒，主要負（fù）責工件表麵材料的去除（chú）。相比單一（yī）硬度的實心磨粒結構，該（gāi）複合磨粒具有“內硬外軟（ruǎn）”的結（jié）構特點，更有利於提升磨粒的研拋性能。
摻（chān）雜型複合磨粒指以某一（yī）磨（mó）粒為載體，通過化（huà）學方（fāng）式將金屬元素摻入（rù）其中而形成的（de）複合磨粒，該複（fù）合磨粒可以提（tí）升原磨粒的表麵化學活性，獲得更好的研拋性能。
參（cān）考資料：
1、《超精密表麵研拋磨粒的（de）研究進展》
2、《研（yán）拋磨（mó）粒對超精密表麵加工的（de）影響》作者：周兆鋒
3、鄭州千磨官網
