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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

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Student: wenjheng Lin Adviser: Liren Tsai

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Presentation Transcript

  1. Precise grinding & polishing Student: wenjheng Lin Adviser: Liren Tsai

  2. 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

  3. 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)

  4. 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)

  5. 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。

  6. 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):

  7. 各種材料之拋光盤及研磨粒子比較表

  8. Free Abrasive Machining

  9. 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。

  10. 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。

  11. 拋光機械化學(固向反應)(mechano-chemical polishing)

  12. 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。

  13. 拋光機械化學(固向反應)示意圖 (mechano-chemical polishing)

  14. 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。

  15. 離子束拋光機

  16. 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

  17. 電解拋光應用範圍 • 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：

  18. 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）。

  19. 超音波機台示意圖 PolishingA 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.

  20. 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

  21. 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

  22. 熱噴塗塗層製程原理圖示 擷取自: http://me.csu.edu.tw/swl/non/pluasma/pluasma.pdf

  23. 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

  24. 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

  25. 電漿噴塗圖示(Plasma Spray) 擷取自: http://me.csu.edu.tw/swl/non/pluasma/pluasma.pdf

  26. 電漿噴塗機剖面圖(Plasma Spray) 擷取自: http://me.csu.edu.tw/swl/non/pluasma/pluasma.pdf

  27. 電漿噴塗優缺點(Plasma Spray) • 優點 金屬，非金屬，碳化物，陶 瓷，及窯業金屬粉末塗層 用途廣泛(工業及航空界) 學習及操作較難 自動化 • 缺點 學習及操作較難 自動化設備昂貴 製程成本高 擷取自: http://me.csu.edu.tw/swl/non/pluasma/pluasma.pdf

  28. 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。 和被加工物原子反應後 ，或揮發被除去 激發原子 被加工物原子

  29. 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

  30. 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

  31. 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: http://me.csu.edu.tw/swl/non/pluasma/pluasma.pdf

  32. 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

  33. 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。 擷取自:NCKU Micro-Nano Technology Center/Southern Region MEMS Center 本文件及文件之內容屬國科會南區微系統研究中心所有，謹供列印閱讀， 未經許可，請勿以任何形式翻製抄襲。

  34. 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 本文件及文件之內容屬國科會南區微系統研究中心所有，謹供列印閱讀， 未經許可，請勿以任何形式翻製抄襲。

  35. 反應式離子蝕刻機 擷取自:NCKU Micro-Nano Technology Center/Southern Region MEMS Center 本文件及文件之內容屬國科會南區微系統研究中心所有，謹供列印閱讀， 未經許可，請勿以任何形式翻製抄襲。

  36. References • 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 • NCKU Micro-Nano Technology Center/Southern Region MEMS Center • 擷取自: http://me.csu.edu.tw/swl/non/pluasma/pluasma.pdf

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