Технологии нанообработки_3. Григорьев С. Н., Грибков А. А., Алёшин С. В. Технологии нанообработки
 Скачать 8.65 Mb.
|
7.3.НанополированиеНанополирование представляет собой полирование, целью которого является достижение наноразмерной шероховатости. Допустимое значение Rz при нанополировании обычно не превышает нескольких десятков нанометров. Нанополирование, как и обычное полирование, может осуществляться механическими, физическими или химическими методами. При механическом полировании механизм процесса объясняется съемом микронеровностей с поверхностного слоя, а ход процесса — такими механическими свойствами материала, как твердость и пластичность. При физическом полировании основными факторами, определяющими процесс полирования, являются температура плавления и теплопроводность полируемого материала. При химическом полировании процесс полирования объясняется в основном съемом оксидных пленок, постоянно образующихся под действием окружающей среды. Механическое нанополирование. Наиболее известным методом механического нанополирования является абразивное нанополирование. Эффективность такого полирования определяется свойствами полировальника, абразивной и неабразивной составляющей технологического состава и материала обрабатываемую заготовки. На рис. 7 .81 приведена классификация полировальников, применяемых для нанообработки [76]. Особое место среди полировальников занимают композиционные полировальники, а также полировальники из замши, которые в настоящее время нашли наибольшее применение дли обработки лазерных зеркал, магнитных дисков, подложек микросхем. Композиционные полировальники на смоляной основе могут обеспечить хорошее качество поверхности при длительной полировке абразивными суспензиями, так как их поверхностный слой быстро насыщается шаржированными частицами абразива и практически мало изнашивается, они легко принимают требуемую форму.  Рисунок 7.81 Классификация полировальников Основные требования, предъявляемые к полировальникам:
Условия взаимодействия абразивных зерен с материалом заготовки и полировальника зависят от свойств и состояния всех элементов системы: полировальник–абразивная прослойка–заготовка. В нанообработке полировальные составы применяются в виде твердых мазеобразных паст, суспензий. Физико-механические свойства основных абразивных материалов, выпускаемых промышленностью, приведены в табл. 7 .14 [Error: Reference source not found]. Таблица 7.14 Физико-механические свойства абразивных материалов
В абразивных пастах неабразивная часть содержит смесь вспомогательных веществ, которые формируют жировую основу пасты, служат связующими веществами, химически активными добавками, растворителями. Это, прежде всего, стеариновая и олеиновая кислоты, церезин, парафин, вазелиновое и машинное масла, говяжий жир, канифоль, солидол, пчелиный воск, петролатуры, скипидар, керосин. Стеариновая и олеиновая кислоты выполняют функции химически активных добавок и в некоторой степени смазок. Парафин, стеарин, вазелиновое и машинное масла, петролатум создают требуемую вязкость и служат загустителями пасты, масла, жиры, керосин, скипидар, олеиновая кислота уменьшают поверхностную энергию материалов и облегчают условия диспергирования. Керосин, скипидар, бензин, дибутилфталат, этиленгликоль, асидон, глицерин, изопен, касторовое, костное, веретённое масла служат растворителями и разбавителями в пастах. С увеличением вязкости пасты шероховатость обработанной поверхности возрастает [Error: Reference source not found]. Шероховатость поверхности, получаемая при использовании абразивного полирования может быть существенно снижена при использовании обработки в несколько стадий с последовательной заменой абразивного материала (а в ряде случаев и полировальника) на более мягкий. В результате удается снизить шероховатость поверхности до 20 нм (по критерию Ra). Абразивное нанополирования находит применение, в первую очередь, при производстве зеркал больших габаритов (диаметр 0,5 м и более). Несмотря на то, что алмазным точением можно достичь высокой отражательной способности таких зеркал, его применение не обеспечивает необходимой точности формы обрабатываемой поверхности зеркал больших габаритов. Абразивное полирование необходимую точность формы обеспечить позволяет. Как правило, абразивное полирование (доводка) зеркал осуществляется на шлифовально-полировальных станках ШП550Б, ШП700, ПД700, АД2000 и др. Одним из наиболее перспективных современных методов нанополирования деталей является метод магнитно-абразивного полирования (MAП). В данном методе магнитно-абразивный порошок располагается между полюсами электромагнитов, создавая режущий инструмент в виде своеобразной «полирующей щетки». При движении заготовки через рабочую зону порошок оказывает давление на деталь в каждой точке поверхности, что приводит к съему металла и сглаживанию микронеровностей. В роли связки абразивных зерен используется магнитное поле, обладающее упругими силами воздействия на единичные зерна. Причем степень упругости этой связки легко регулируется изменением напряженности магнитного поля, обеспечивая различные этапы обработки (черновое, чистовое полирование). Тем самым МАП может приближаться к шлифованию свободным или связанным абразивом, позволяя использовать преимущества первого или второго в одном рабочем цикле. В общем случае при магнитно-абразивной обработке (МАО) деталей в качестве основной рабочей среды используется ферроабразивный порошок (ФАП). Большинство технологических процессов МАО реализуется с использованием смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ), существенно повышающих эффективность обработки. К достоинствам МАО относятся [77] универсальность абразивного инструмента, что позволяет обрабатывать заготовки из различных материалов и конфигураций, незначительный нагрев заготовки и ее участков во время обработки, отсутствие тепловых дефектов и внедрения абразива в поверхностный слой, что особенно важно при обработке наноструктурированных материалов, возможность формирования поверхностей с высотой микронеровностей менее 10 нм. Последние модели технологического оборудования для магнитно-абразивного полирования (например, установка МАП-300) обеспечивают шероховатость (по параметру Ra) менее 2 нм. Известными методами полирования являются выглаживание, раскатывание и др. методы полирования путем поверхностной деформации. Для механического нанополирования, в частности может использоваться наноиндентирование, при котором индентор механически выглаживает поверхность. Индентор, в данном случае, представляет собой инструмент повышенной твердости с полусферическим или полуцилиндрическим наконечником, вдавливаемый в поверхность материала изделия под действием внешней нагрузки. Физическое нанополирование наиболее часто осуществляется путем нанесения на поверхность изделия дополнительного материала (того же или иного состава, что и изделие) или материала, распыляемого с поверхности самого обрабатываемого изделия. В результате происходит сглаживание поверхности: выступы уменьшаются, а впадины заполняются материалом. Одним из наиболее эффективных методов физического нанополирования является ионно-лучевое полирование. В его основе лежит эффект преимущественного распыления выступов рельефа поверхности по сравнению с распылением его долинной части при облучении поверхности наклонно падающими пучками ионов килоэлектроновольтных энергий. Данный метод полирования успешно применяется для планаризации рельефа поверхностей небольшой площади, содержащих как микроразмерные, так и атомно-размерные неоднородности. Максимальная высота поверхностных неровностей после ионно-лучевого полирования не превышает 1 нм. На рис. 6 .61 Ионно-лучевое распыление: 1 — напуск рабочего газа; 2 — термоэлектронный катод; 3 — анод; 4 — магнитная система; 5 — ускоряющий электрод; 6 — пучок ионов; 7 — распыляемый материал; 8 — подложкодержатель; 9 — присоединение к вакуумной системе; а — ионная пушка; б — схема напыления представлена схема установки ионно-лучевого полирования [78]. Она содержит вакуумную камеру 1, узел осаждения тонкого слоя, включающий широкоапертурный источник ионов кислорода 2, низкоэнергетический кауфмановский источник ионов холловского типа с открытым торцом 3 и мишень 4, ориентированную под углом 45° к оси источника ионов 2. Широкоапертурный источник ионов кислорода 5 служит для распыления поверхностей образцов площадью до 100 см2, которые располагаются на подвижном подложкодержателе 6. Камера 1 откачивается диффузионным насосом до вакуума не хуже 10–3 Па. Рабочее давление составляет не более 4×10–2 Па после напуска кислорода в равных количествах через источники ионов 2 и 5 с общим расходом до 8 см3/мин и напуска аргона с расходом до 2 см3/мин через источник ионов 3.  Рисунок 7.82 Установка ионно-лучевого полирования: 1 — вакуумная камера, 2 — источник ионов, 3 — источник ионов с открытым торцом, 4 — мишень, 5 — источник ионов, 6 — подложкодержатель. На вставке в левом верхнем углу РЭМ-фото поперечного скола тестовой структуры, где a — подложка кремния, b — термически выращенный слой диоксида кремния, с — адгезионный подслой, d — слой алюминия, е — слой SiOx на дне канавки, f— слой SiOx на ступеньке Осажденные слои распылялись пучком ионов кислорода с плотностью тока 0,12 мА/см2, полученной при значении экстрагирующего напряжения 300 В на источнике ионов 5. Скорость распыления оценивалась по интерполяции зависимости «изменение толщины осажденного слоя — время распыления», полученной для значений времени распыления 10, 15, 20, 25 мин, и ее среднее оценочное значение составляло от 1,4 до 2 нм/мин. Химическое нанополирование. Химическое полирование заключается в том, что обрабатываемую деталь погружают на некоторое время в сосуд с химически активным раствором, где в результате возникающих химических и местных электрохимических процессов шероховатость поверхности снижается. На практике, особенно когда требования по чистоте поверхности очень высокие, используют электрохимическое полирование. Для осуществления электрохимического полирования обрабатываемую деталь, являющуюся анодом (т.е. электродом, соединенным с положительным полюсом источника тока), надо поместить в ванну с электролитом. Вторым электродом служат катоды, изготовленные из меди. Благодаря специально подбираемому составу электролита и создаваемым условиям (образованию пленки повышенного сопротивления на поверхности обрабатываемого изделия) растворение осуществляется неравномерно. В первую очередь растворяются наиболее выступающие точки (выступы), вследствие чего шероховатость значительно уменьшается, а поверхность детали становится гладкой и блестящей. В процессе электрохимического полирования на поверхности анода (полируемой детали) образуется окисная или гидроокисная пленка. Внешняя часть этой пленки непрерывно растворяется в электролите. Для успешного проведения процесса необходимо создания условий, в которых существовало бы равновесие между скоростями образования окисной пленки и скоростью ее химического растворения с тем, чтобы толщина пленки поддерживалась неизменной. Наличие пленки обусловливает возможность обмена электронами между полируемым металлом и ионами электролита без опасности местного разрушения металла агрессивным электролитом. Эффективность действия пленки увеличивается с повышением ее внутреннего сопротивления. Электролиты, содержащие соли слабодиссоциирующих кислот или комплексные соли, повышают сопротивление пленки. Кроме действия прианодной пленки на течение процесса электрохимического полирования влияют и другие факторы, в частности механическое перемешивание электролита (или движение анода), благоприятствующие утончению пленки за счет ее растворения или уменьшения толщины диффузионного слоя. Электролиты некоторых составов функционируют нормально только при нагреве. Общим правилом является то, что повышение температуры снижает скорость нейтрализации и повышает скорость растворения прианодной пленки. Существенными факторами, влияющими на течение процесса электрохимического полирования, являются также плотность тока и напряжение. Шероховатость поверхности после электрохимического полирования на существующем технологическом оборудовании пока остается достаточно высокой. Ее значение (по параметру Ra) обычно не менее 150 нм. Существенно меньше шероховатость поверхности при использовании метода электролитно-плазменного полирования (также известного как метод электроимпульсного или электролитно-разрядного полирования). Этот метод основан на плазменных и электрохимических процессах, возникающих в тонкой парогазовой оболочке у поверхности погруженного в раствор металлического электрода под действием высокого напряжения. Эффекты, возникающие на поверхности раздела твердого и жидкого электродов изучаются на протяжении длительного времени и им найдено множество практических применений. Явление полирования и микро-выравнивания поверхности имеет место, когда обрабатываемое изделие является положительным электродом (анодом). Под воздействием высокого напряжение происходит вскипание электролита у поверхности анода и образуется тонкая парогазовая оболочка, состоящая из паров воды и ионов. Электрический ток, проходя через парогазовую область, влечет за собой возникновение плазменных процессов, характерных для газового разряда. Наиболее интенсивному эрозионному воздействию микро-разрядов и активной газовой среды оболочки, как правило, подвергаются микро-возвышенности поверхности, в то время как микро-углубления поверхности доступны в меньшей мере. В процессе обработки так же наиболее интенсивно подвергаются воздействию острые кромки и неметаллические включение. Это ведет к улучшению класса шероховатости поверхности. Появлению зеркального блеска поверхности способствует такой состав электролита, при котором скорость образования и растворения тончайшей пленки оксидов на поверхности равны. Это достигается поддержанием необходимого уровня pH раствора и его состава. Оборудование для проведения электролитно-плазменной обработки, как правило, включает в себя три основные составные части:
Шероховатость поверхности после обработки составляет около 50 нм (по параметру Ra), продолжительность обработки порядка 10 мин. При снижении производительности шероховатость может быть существенно уменьшена. Метод электролитно-плазменного полирования по сравнению с механическим полированием и классическим электрохимическим полированием имеет свои преимущества и недостатки. По сравнению с механическим полированием преимущества метода наиболее очевидны в случае полирования изделий сложной формы, тонкостенных изделий и изделий из фольги. Кроме того, при механическом полировании происходит «срезание микрогребней» поверхности. В результате в микровпадинах с большой долей вероятности могут остаться дефекты в виде неметаллических включений, следов технологических межоперационных покрытий, газовые включения, что отрицательно сказывается на коррозионном поведении изделия. В случае электролитно-плазменной полировки повышается электрохимическая однородность поверхности, уменьшается шероховатость, как следствие, уменьшается контактирующая площадь, удаляются посторонние включения — центры коррозии. К недостаткам электролитно-плазменного полирования следует отнести повышенную по сравнению с электрохимическим и механическим полированием энергоемкость процесса. Также на качество полирования в той или иной мере оказывает влияние кристаллическая структура металла и технология предварительной обработки, в частности термообработки. |