基于葵花籽粒结构的仿生抛光垫设计制造及抛光液流场的研究

摘要

本文在仿生学的基础上，提出了一种向日葵籽粒结构的仿生抛光垫，该抛光垫的表面是由相互独立的磨料块组成，并制造出类似于葵花籽粒分布形式的抛光垫。在抛光垫上的沟槽可以提高抛光垫的抛光性能，使抛光液沿着顺时针和逆时针的叶列线沟槽流动，有利于流体向四周发散和废屑的排除，同时也有利于仿生盘由中心向径向均匀的供给抛光液，使得化学机械抛光过程中的化学作用和机械作用得到了合理的匹配，解决了化学机械抛光中抛光液流场不均带来的几何误差等问题。
　　 本文首先介绍了斐波那契数列在向日葵花盘中的现象，并且阐述了F.R.Yeatts提出了向日葵生长的数学模型，利用F.R.Yeatts方程模拟出了不同植物的发散角，不同的叶序参数七以及不同的籽粒半径所对应籽粒的排列方式。根据模拟结果利用UG软件建立了基于葵花籽粒结构的抛光垫的三维模型。
　　 其次提出了固结磨料仿生抛光垫的制作方法，采用丝网印刷的方法制作固结磨料仿生抛光垫，介绍了丝网印刷的基本原理，确定丝网印刷过程中的三要素：网版、刮板、网距。给出制备固结磨料仿生抛光垫的材料和固结磨料仿生抛光垫的制备流程，得到了固结磨料仿生抛光垫的实物。
　　 再次本文介绍了液-固两相流的基本理论和计算流体力学的相关知识，对计算流体力学CFD和FLUENT软件做了简要的概述。推导出化学机械抛光抛光液流场运动方程，给出了流场的计算域、网格的划分及模型的边界条件，利用流体力学软件(FLUENT)对抛光液的流动状态进行仿真，并获得了叶序参数对抛光液流动状态的影响规律。
　　 最后，通过单晶硅片的抛光实验，研究抛光垫参数、抛光盘转速、抛光液流量及压强对材料去除率的影响，在抛光液中加入荧光素观察在不同抛光盘转速下抛光液在抛光垫上的流动状态和均匀性。