Luận Án Tiến Sĩ Về Phân Tích Tính Toán và Đánh Bóng Hóa Học Cơ Khí cho Linh Kiện Quang Học

Luận án tiến sĩ phân tích tính toán và đánh bóng hóa học cơ học trong sản xuất linh kiện quang học, khám phá công nghệ tiên tiến và ứng dụng.

Trường đại học

Nanyang Technological University

Chuyên ngành

Mechanical & Aerospace Engineering

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

thesis

2016

146
4
0

Phí lưu trữ

35 Point

Tóm tắt

I. Phân Tích Tính Toán trong Sản Xuất Linh Kiện Quang Học

Phân tích tính toán là một phần quan trọng trong quy trình sản xuất linh kiện quang học. Phân tích tính toán giúp xác định các thông số kỹ thuật cần thiết để đạt được chất lượng bề mặt cao. Trong nghiên cứu này, một mô hình phân tích đã được thiết lập để điều tra sự không đồng nhất của bề mặt sau khi đánh bóng. Mô hình này kết hợp giữa chuyển động động học và thời gian tiếp xúc để nghiên cứu sự không đồng nhất của độ mòn pad. Kết quả cho thấy mật độ đường cắt và thời gian tiếp xúc tại các vị trí gần trung tâm pad cao hơn so với gần cạnh pad. Điều này cho thấy sự cần thiết phải cải thiện quy trình điều kiện pad để tạo ra bề mặt pad tốt hơn, từ đó nâng cao độ đồng nhất của bề mặt linh kiện quang học.

1.1 Mô Hình Phân Tích Kinh Điển

Mô hình phân tích kinh điển trong sản xuất linh kiện quang học thường dựa trên các phương pháp tính toán cơ bản. Các yếu tố như tốc độ quay của pad và wafer, áp lực đầu, và loại hạt mài đều ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt. Việc sử dụng mô hình này cho phép các nhà nghiên cứu dự đoán được hiệu suất của quy trình đánh bóng và từ đó tối ưu hóa các thông số kỹ thuật. Một trong những điểm nổi bật là việc sử dụng lý thuyết ma sát để tính toán tỷ lệ loại bỏ vật liệu, điều này giúp hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động của hóa học cơ khí trong quy trình đánh bóng.

II. Đánh Bóng Hóa Học Cơ Khí CMP

Đánh bóng hóa học cơ khí (CMP) là một quy trình quan trọng trong sản xuất linh kiện quang học. CMP cho phép đạt được độ phẳng toàn cầu mà không để lại vết xước. Quy trình này bao gồm hai giai đoạn: giai đoạn đầu sử dụng pad mài cố định với dung dịch không chứa hạt mài, và giai đoạn hai sử dụng pad mềm với dung dịch silica keo. Việc áp dụng phương pháp này đã tạo ra bề mặt đồng nhất hơn với độ nhám bề mặt thấp hơn. Sự không đồng nhất của các bề mặt sau khi đánh bóng là một trong những vấn đề chính trong nghiên cứu hiện nay. Nghiên cứu về hồ sơ mòn pad và cải thiện quy trình điều kiện pad là rất cần thiết để nâng cao chất lượng bề mặt.

2.1 Cơ Chế Hoạt Động của CMP

Cơ chế hoạt động của CMP liên quan đến sự tương tác giữa pad, wafer và dung dịch mài. Các yếu tố như tốc độ quay của pad và wafer, áp lực đầu, và loại hạt mài đều ảnh hưởng đến hiệu suất của quy trình. Nghiên cứu cho thấy rằng sự phân bố không đồng nhất của các hạt mài dưới tác động của sự quay của pad và wafer là một trong những nguyên nhân chính gây ra sự không đồng nhất của bề mặt. Việc phát triển các hình dạng mới cho pad và bộ điều kiện đã được thực hiện để cải thiện hồ sơ mòn pad, từ đó nâng cao chất lượng bề mặt của linh kiện quang học.

III. Quy Trình Sản Xuất và Ứng Dụng Quang Học

Quy trình sản xuất linh kiện quang học yêu cầu sự chính xác cao và chất lượng bề mặt tốt. Quy trình sản xuất bao gồm nhiều bước, từ việc chuẩn bị vật liệu đến đánh bóng và kiểm tra chất lượng. Việc sử dụng công nghệ nano trong sản xuất linh kiện quang học đã mở ra nhiều cơ hội mới cho việc cải thiện chất lượng sản phẩm. Các ứng dụng của linh kiện quang học rất đa dạng, từ thiết bị quang học trong y tế đến các sản phẩm tiêu dùng. Sự phát triển của công nghệ chế tạo đã giúp nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của các linh kiện quang học.

3.1 Ứng Dụng của Linh Kiện Quang Học

Linh kiện quang học được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm viễn thông, y tế và công nghiệp. Các linh kiện này yêu cầu độ chính xác cao và bề mặt không có khuyết tật. Việc áp dụng CMP trong sản xuất linh kiện quang học đã giúp cải thiện đáng kể chất lượng bề mặt, từ đó nâng cao hiệu suất của các sản phẩm quang học. Nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa quy trình CMP có thể dẫn đến sự cải thiện đáng kể về độ đồng nhất và độ nhám bề mặt của linh kiện quang học.

09/02/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

COMPUTATIONAL ANALYSIS AND CHEMICAL MECHANICAL POLISHING FOR MANUFACTURING OF OPTICAL COMPONENTS NGUYEN NHU Y SCHOOL OF MECHANICAL & AEROSPACE ENGINEERING 2016 COMPUTATIONAL ANALYSIS AND CHEMICAL MECHANICAL POLISHING FOR MANUFACTURING OF OPTICAL COMPONENTS NGUYEN NHU Y SCHOOL OF MECHANICAL & AEROSPACE ENGINEERING A thesis submitted to the Nanyang Technological University in partial fulfilment of the requirement for the degree of Doctor of Philosophy 2016 ABSTRACT High precision optical components are required for modern life and future. To achieve component’s surfaces with high quality, chemical mechanical polishing (CMP) is required. It is a unique method to obtain the global uniformity planarization across the surface without scratches. In the polishing of optical components, a new approach has been applied, including two phases: phase one is using the fixed abrasive pad with abrasive-free slurry and phase two is using the soft pad (the fabric cloth pad) with colloidal silica slurry.

This process has created a better uniformity surface with lower surface roughness. The non-uniformity of substrates after polishing is one of the most interesting things in current trends in research. One of the reasons for the non-uniformity is a pad wear profile. Researching on the pad wear profile by improving the pad conditioning process creates a better pad surface, and through that the substrates is polished with better uniformity.

Another reason for the non-uniformity is the distribution of abrasive particles in the interface between the wafer and pad surfaces under effects of the pad and wafer rotations. In this research, an analytical model was established by combining of the kinematic motions and the contact time to investigate the pad wear non-uniformity. The results have indicated that the cutting path density and the contact time at positions near the pad center are more than that near the pad edge. It is a good agreement with experiments.

New shapes of the pad and the conditioner have been developed to create a better pad wear profile. The pad after conditioning is convex and more uniform. Page | i In addition, a new computational fluid dynamic model was built. It was a combination of multiphase and discrete phase modelling to investigate the abrasive particles behaviour and the slurry distribution in the interface.

The total numbers of particles in the gap were quantified to characterize their mechanical effects under different operating parameters. The simulation results have shown that the particles are non-uniformly distributed below the wafer and provided a deeper insight understanding of the material removal of the CMP mechanism. From the understanding above, a new idea has been developed to explain the mechanism of the CMP processes. Page | ii ACKNOWLEDGEMENT First of all, I would like to express my gratitude to my supervisor, Associate Professor Zhong Zhaowei, for his supports, encouragements and insightful advice throughout my candidature.

I had learned a lot and grow a lot under his tutelage. I would like to thank my co-supervisor, Doctor Tian Yebing, from SIMTech, for his support, training and discussion in the research, also for supplements for experiments. I would also like to thank Nanyang Technological University and SIMTech for providing an excellent environment for my Ph. I wish to thank my husband and my daughter for their strong supports, encouragements.

I also thank my dear parents, my sister, and my brother for encouraging in all my endeavours. Special thanks to my dear friends who has discussed and helped me in my work and my life. Page | iii LIST OF PUBLICATIONS [1] N. Tian, "Analysis and improvement of the pad wear profile in fixed abrasive polishing," The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol.

Tian, "An analytical investigation of pad wear caused by the conditioner in fixed abrasive chemical-mechanical polishing," International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. Zhong, "Modeling and simulation for the distribution of slurry particles in chemical mechanical polishing," International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. Zhong, "Improvement of the pad wear shape in fixed abrasive chemical-mechanical polishing for manufacturing optical components," presented at the International Conference on Optical and Photonic Engineering, Singapore, 2015. Page | iv TABLE OF CONTENTS ABSTRACT.

iii LIST OF PUBLICATIONS. iv TABLE OF CONTENTS. v LIST OF SYMBOLS. ix LIST OF FIGURES.

xiii LIST OF TABLES. xvii CHAPTER 1 INTRODUCTION.5 Organization of the thesis. 7 CHAPTER 2 LITERATURE REVIEW.2 Fixed abrasive polishing (FAP) .3 Non-uniformity in CMP processes .1 Effects of the head load (or polishing pressure) .6 Pad wear profile .8 Improvement of the non-uniformity .4 Material removal rate. 28 CHAPTER 3 ANALYSIS AND DEVELOPMENT OF THE FIXED ABRASIVE CHEMICAL MECHANICAL POLISHING PROCESS .2 Motion of one abrasive grain of the conditioner .5 Effects of operation speeds on the pad wear profile .6 Effects of sizes, patterns, and positions of the conditioners on the pad wear profile .7 Developing a new model to improve the pad wear profile.

54 Page | vi CHAPTER 4 COMPUTATIONAL FLUID DYNAMIC SIMULATION OF DISTRIBUTION OF ABRASIVE PARTICLES IN TRADITIONAL CMP .1 Volume of fluid (VOF) model .2 Discrete phase model (DPM) .3 Multiple moving frame .4 Motion of particles .5 Observation of the slurry flows in CMP process. 81 CHAPTER 5 INVESTIGATING THE WAFER NON-UNIFORMITY IN FIXED ABRASIVE POLISHING & CHEMICAL MECHANICAL POLISHING .2 The non-uniformity of surfaces in FAP and conventional CMP .1 Non-uniformity of wafer surfaces in FAP .2 Non-uniformity in conventional CMP. 100 CHAPTER 6 CONCLUSION AND FUTURE WORK.1 Review of objectives and conclusions .2 Major contributions and limitations. 107 Page | viii LIST OF SYMBOLS p Angular velocity of a pad c Angular velocity of a conditioner o Oscillating velocity of a conditioner no Frequency of the conditioner np The pad’s speed nc The conditioner’s speed rM Distance from a point M to the conditioner center Lt Distance between the conditioner and pad centers f Feed rate of a grain on the conditioner t Time A A matrix expressing the rotation around a origin D A matrix expressing the rotation around the conditioner center and the translation from the conditioner center to the pad center M An initial angle of the point M p An initial angle of the pad Page | ix rmin The smallest distance between grains and the center on the conditioner rmax The largest distance between grains and the center on the conditioner D p , Dc , Dw Diameter of the pad, the conditioner, the wafer, and the carrier, respectively Dca L Distance between the pad center and the wafer center V, H Distance between the pad center and a inlet (x and y direction, respectively) hc Distance between the pad and carrier surfaces h Distance between the pad and wafer surfaces m aw Mass transfer from phase air to phase water m wa Mass transfer from phase water to phase air w Water density w Water volume fraction in a cell a Air density mw Water viscosity ma Air viscosity Page | x  Water velocity vw  F Force/unit particle mass  u Fluid phase velocity  up Particle velocity m Molecular viscosity of a fluid  Fluid density p Particle density dp Particle diameter C Cunningham correction to Stokes drag law  Molecular mean free path  v A frame’s absolute velocity  A frame’s relative velocity vr  A frame’s angular velocity  r A frame’s position vector x, y, z A particle position Fu Shearing force Page | xi u Shearing stress Fn Head load P Pressure Ls Length of surface roughness ws Width of surface roughness E Young modulus k Particle concentration Rs Surface roughness Page | xii LIST OF FIGURES Figure 1.

Chemical mechanical polishing model. 3M fixed abrasive pad construction [44]. Schematic of a) a conventional nozzle, b) a new nozzle with a height of 10 mm, c) a new nozzle with a height of 30 mm, and d) a new nozzle with a height of 50 mm [9]. The new developed CMP in comparing with the traditional CMP [59].

Model of motions of the pad and the conditioner. Trajectories of four grain points of the conditioner M1, M2, M3, and M4 on the pad surface when the oscillation frequency is at 0 strokes/min, 2 strokes/min, 7.5 strokes/min, and 15 strokes/min. Trajectories of four grain points M1, M2, M3, and M4 with different ratios of the conditioner speed and the pad speed: 1/2, 2/3, 3/4, 4/3, 3/2, and 2. The conditioner geometry and the divided pad.

Distances that the grain moves in one time step in the X and Y directions. Flowchart of the program for calculating the Z coordinate of the pad surface. Measured positions for the pad height on the pad in experiments. Standardization values of the Z coordinates of the pad surface of the model; a) comparing to the experiment data, and b) comparing to the non-contact time model.

41 Page | xiii Figure 3. Effects of the oscillation speeds on the pad wear profile. Effects of the conditioner rotation speeds on the pad wear profile. Effects of the pad rotation speeds on the pad wear profile.

Effects of conditioner’s patterns on the pad wear shape when the conditioner placed static (only rotation, not oscillation). Effects of the conditioner size on the pad wear shape. Effects of conditioner’s position on the pad wear shape. A new model of the pad and conditioner shapes to improve the pad wear profile.

The improved result of the pad wear shape of the new model compared to the old model. Comparing effects of the new model, design 1 and design 2. Modeling of the CMP machine. Boundary condition model for ANSYS Fluent simulation: a) full model, and b) cross sectional view.

(a) Mesh schematic of the whole model and (b) sectional view and detailed mesh of the gap between the wafer, carrier and pad surfaces. Distribution of the fluid velocity in the gap with the simulation conditions: a pad speed of 20rpm, a wafer speed of 40rpm, slurry flow rate of 100ml/min, 10%v/v. 67 Page | xiv Figure 4. Static pressure below the wafer versus time at the pad speed of 20 rpm, the wafer speed of 40 rpm, the slurry flow rate of 100ml/min and the film thickness of 40 µm.

Static pressure of the fluid below the wafer and the carrier surfaces after 25 sec at the pad speed of 20 rpm, the wafer speed of 40 rpm, the slurry flow rate of 100ml/min and the film thickness of 40 µm. Dynamic pressure below the wafer and the carrier surfaces after 25 sec at the pad speed of 20 rpm, the wafer speed of 40 rpm, the slurry flow rate of 100ml/min and the film thickness of 40 µm. Number of particles in the gap between the wafer and pad surfaces at the slurry flow rate of 200 ml/min, the pad speed of 40 rpm, and the wafer speed of 40 rpm. Number of particles in the gap versus time at the same pad speed of 20 rpm, the wafer speed of 20 rpm and the slurry flow rate of 100 ml/min (10%v/v).

Number of particles in the gap between the wafer and pad surfaces at the same thickness of 40 µm, the pad speed of 40 rpm, and the wafer speed of 40 rpm. Total number of particles in the gap at 22 sec with the same slurry flow rate of 100 ml (10%v/v) and (a) the pad speed of 20 rpm, (b) the wafer speed of 20 rpm. Average number of particles per m2 on the interface between the wafer and the pad at the same pad speed of 20 rpm, slurry flow rate of 100 ml/min (10%v/v). Slurry distribution on pad surface with a pad speed of 20 rpm, a wafer speed of 40 rpm, slurry flow rate of 100 ml/min, (a) particle flow at the first second Page | xv from the inlet in the simulation, (b) water distribution after 15 sec and (c) particle distribution on the pad surface after 15 sec.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Bài viết "Phân Tích Tính Toán và Đánh Bóng Hóa Học Cơ Khí trong Sản Xuất Linh Kiện Quang Học" cung cấp cái nhìn sâu sắc về quy trình sản xuất linh kiện quang học, nhấn mạnh tầm quan trọng của việc áp dụng các phương pháp tính toán và đánh bóng hóa học trong ngành công nghiệp này. Tác giả phân tích các kỹ thuật hiện đại giúp tối ưu hóa chất lượng sản phẩm, từ đó nâng cao hiệu suất và độ chính xác trong sản xuất. Độc giả sẽ nhận được những thông tin hữu ích về cách thức cải tiến quy trình sản xuất, cũng như những lợi ích mà công nghệ mới mang lại cho ngành quang học.

Nếu bạn muốn tìm hiểu thêm về các ứng dụng cụ thể trong lĩnh vực này, hãy tham khảo bài viết Luận văn nghiên cứu mở rộng băng thông cận hồng ngoại của erbium trong vật liệu thủy tinh silicate ứng dụng cho bộ khuếch đại sợi quang edfa, nơi bạn sẽ khám phá thêm về các vật liệu quang học tiên tiến. Ngoài ra, bài viết Luận văn thạc sĩ kỹ thuật hóa dầu đánh giá hiệu quả trao đổi nhiệt của hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt xưởng u rênhà máy phú mỹ bằng phần mềm htri cũng sẽ cung cấp cho bạn cái nhìn về hiệu quả của các hệ thống thiết bị trong ngành công nghiệp hóa dầu, có liên quan mật thiết đến quy trình sản xuất linh kiện quang học. Những thông tin này sẽ giúp bạn mở rộng kiến thức và hiểu rõ hơn về các ứng dụng thực tiễn trong lĩnh vực này.