研磨和拋（pāo）光是經典的超精密加工技術，被廣泛應用於脆性難（nán）加工半導體襯底材料的超光（guāng）滑無損傷加工，比如矽、氮化镓和藍寶石等材料的加工。通過研磨和拋光可以有效去除前道工序造成的（de）加工損傷，並獲得超光滑無損傷的工（gōng）件表麵。研拋磨粒作為研拋工藝的（de）核心輔助材料之一，研拋磨粒選擇的恰當與否直接影響（xiǎng）到研拋效率和研拋質量的高低（dī）。
本文從研拋磨粒的組成方式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，以及新型研拋磨粒的研究進展，為研拋磨粒的（de）科學選擇和應用提供參（cān）考。
一、單一磨粒
研拋工藝要求不同，采用的磨粒材質也不同，常見磨粒有二氧化矽（SiO2）、氧化鈰（CeO2）、碳化硼（B4C）、氧化鋁（Al2O3）、碳化矽（SiC）和金剛石等。不同材質的（de）磨粒對不同材質（zhì）工件研拋結果的（de）影響差異顯（xiǎn）著，這主要體現在磨（mó）粒的硬（yìng）度和化（huà）學活性等方麵。
1、磨粒形狀因素
研究主要對比了含棱角磨粒與圓鈍磨（mó）粒對研拋結（jié）果的（de）影響，發現含棱角磨粒更適（shì）合高效率（lǜ）的研拋需求，圓鈍磨（mó）粒更適合高質量的研拋需要。雖然圓鈍磨粒更有利於提升（shēng）研拋質量，但是圓鈍磨粒普遍存在研拋效率較低的問題。為了解決上（shàng）述問題，眾多學者（zhě）提出了製備異形磨粒（lì）的（de）方法。所謂異形磨粒是（shì）指相對於傳統（tǒng）的球形SiO2磨粒，製備出的非球形SiO2磨（mó）粒。Lee和Salleh等（děng）通過試驗發現應用異形SiO2磨粒既可以解決由硬質（zhì）磨粒（如Al2O3）引起的劃痕問題（tí），又可以避免球形SiO2磨粒研拋效率較（jiào）低的問題。
2、其他因素
磨粒粒徑（jìng）的影響。磨粒（lì）粒徑越大，材料去除率（lǜ）越高；當粒徑固定時，相比於兩體磨粒去除的固結磨料研（yán）拋工藝，三體磨粒去除的（de）遊離磨料研拋工（gōng）藝中部分磨粒的滾動行為雖然限製了材料去除率的提升，但是（shì）促進了研拋質量的（de）提高。
磨粒濃度的影（yǐng）響。隨磨粒濃度的增加，研拋效率（lǜ）也在增加。潘繼（jì）生等采用金剛石（shí）磨粒對藍寶石進行研拋時，隨磨粒濃度的增大，材料去（qù）除率和表麵粗糙度分（fèn）別會在不同濃度值達到峰值。
研拋環境對（duì）磨粒研拋機理的影響。酸性環境下，SiO2磨粒與藍寶石表麵電荷極性相反，由於靜電吸附增加了磨粒與（yǔ）晶（jīng）體表麵的（de）接觸概（gài）率；堿性環（huán）境下，SiO2磨粒與晶體表（biǎo）麵電荷極性相同，由於同性相斥作用（yòng）降低了（le）磨粒（lì）與晶（jīng）體表麵的接觸概率。這意味著，在酸性條件下，磨粒與晶體表麵的接觸行為主導（dǎo）拋光效率；但是堿性條件下，晶（jīng）體（tǐ）表麵變質層的生成速率主導拋光效率。CeO2磨（mó）粒（lì）研拋石英玻璃，玻璃表（biǎo）麵材料（liào）去除主要由磨粒與工件（jiàn）的界麵摩擦化學腐（fǔ）蝕作用主導，而非簡單（dān）的機械研拋過程。
二、混合磨粒
在單一磨粒的（de）應用過程中，有些磨粒偏向獲得較高的研（yán）拋效率，有些磨（mó）粒偏向獲得較好的研拋（pāo）質量，為了能夠顯著提升研拋效率，有學（xué）者提出（chū）了（le）使用（yòng）混合磨粒。混合磨粒主要指研（yán）拋過程中使用兩種或多種不（bú）同磨粒按比例混（hún）合的磨粒（lì），其中磨粒的不（bú）同主（zhǔ）要（yào）體現為材質和粒徑等方麵的不同。
Jindal等將較大粒徑的Al2O3磨粒（lì）分別（bié）與較小粒徑的SiO2、CeO2等磨粒進行混合，實現了對單一磨粒研（yán）拋性能的提升。通過顯微形貌（mào）分析顯示在大粒（lì）徑的（de）磨粒外圍吸附滿了小（xiǎo）粒徑的磨粒，相比於純Al2O3磨粒，表麵吸附了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）提升混合磨粒的研拋效率。
Park等將ZrO2磨粒與SiO2磨粒進行混合，Lee等將納米金剛石（shí）磨粒與SiO2磨粒混合，可以提升SiO2磨粒的研拋效率。在混合磨粒中，隨著（zhe）納（nà）米金剛石磨（mó）粒濃度的增加，材料的研拋效率（lǜ）也同（tóng）步增加；在研拋過程中，納米（mǐ）金（jīn）剛石磨粒主導工件表麵（miàn）材料（liào）的去除，SiO2磨粒則負責殘留機械加工痕跡的（de）去（qù）除。
除了上述不同材質磨粒之間的（de）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（lì）進行混合，隨著兩種磨粒濃度（dù）比的改變，工件表麵材（cái）料的去除（chú）方式也發生兩體和三體磨粒去除的改變，當兩種磨粒（lì）質量比為2∶1時，材料去除方式為兩體磨粒去除，材料的去除率最高。Bun-Athuek等將（jiāng）粒徑為4nm的SiO2分別與20nm、55nm、105nm的（de）SiO2磨粒混合，混合磨（mó）粒的形成示意圖分別（bié）如圖3所示，發現超（chāo）細磨（mó）粒吸附在大粒徑磨粒外圍，改（gǎi）變（biàn）了大粒（lì）徑磨粒的形貌特征，提升了研拋效率。Lee等將粒徑為30nm的球形磨粒和70nm的（de）非球（qiú）形磨粒進行混合，相比球形SiO2磨粒，混合磨（mó）粒可顯著提升研拋效率；此（cǐ）外，提升球形磨粒（lì）在混合磨粒中的比例，可以改善（shàn）非球形磨粒（lì）的（de）切（qiē）削能力，提升研拋質量。
三、複合磨粒
相（xiàng）對於單一磨粒，混合磨粒盡管可（kě）以有效提升研拋效率，但是並不能顯著（zhe）改善研拋質量，為了能（néng）進一步改善研拋質量，並（bìng）兼顧研拋效率（lǜ），有學者提出了應用複合磨粒。複合磨粒指以某一種磨粒（lì）或化合物為主體，將其他磨粒、金屬元素或化合物等附屬結構通過化學方式與主體融（róng）為一體的（de）磨粒，常見的複合磨粒有核殼型（xíng）複合磨粒（藍寶石｜DND@CeO2核殼型磨料的製備）和摻雜型複合磨粒。近幾年來，複合磨（mó）粒的研究取得了顯著的成果。
核（hé）殼型複合磨（mó）粒的內核為大粒徑的磨粒或化合物，外殼為通過化學方式粘結於內核表麵的小粒徑磨粒層或化合物層。在研拋（pāo）過程中，核殼型複合磨粒的核與殼表現出物理和化學方麵的協（xié）同效應，更有利於（yú）提升研拋質（zhì）量。首先，複合磨粒內核為較硬的大粒徑磨粒，主要負責支（zhī）撐整體結構；外殼為較（jiào）軟的小粒徑磨粒，主要負責工件（jiàn）表麵材料的去除。相比單（dān）一硬度的實（shí）心磨粒（lì）結構，該複（fù）合磨（mó）粒具有“內硬外軟”的結構特點，更有利（lì）於提升磨粒的研拋性能。
摻雜型複合磨粒指以某一磨粒為載體，通過化學方式將（jiāng）金屬元（yuán）素摻（chān）入其（qí）中而形成的複合磨粒，該複合磨粒可以提升原磨粒的表麵化學活性，獲得更好的研拋性能。
參考資料：
1、《超精密表（biǎo）麵研拋磨粒的研究進展》
2、《研拋磨粒對超精密表麵加工的影響》作者：周兆鋒
3、鄭州千磨官網
