基础信息

　　牵头参赛单位：广东工业大学

　　证照号码：12440000455860226X

　　单位类型：高校

　　项目规模：初创型

　　参赛团队负责人：潘继生

　　参赛项目技术介绍

　　核心技术介绍：

　　目前，光电晶片衬底已被广泛应用于国防、军事、民用等领域。在军事领域，是常用的的光电设备窗口材料；在民用领域，用于LED照明、触控面板制造等。但光电晶片的制造一直是国家的战略性领域，受到国外技术封锁。

　　在信息产业与光电子产业的发展引领下，为了解决光电晶片表面高效精密研磨抛光加工问题，一般采用化学机械抛光或磁流变抛光。磁流变抛光技术作为一种新型的光学表面加工方法，具有抛光效果好、不产生次表面损伤、适合复杂表面加工等传统抛光所不具备的优点，已发展成为一种革命性光学表面超精密加工方法。但采用磁流变抛光方法对平面工件进行加工时，“抛光缎带”与工件表面属于“斑点”局部接触，只能靠控制“斑点”沿工件表面按一定规律轨迹扫描才能实现整个表面的加工，轨迹扫描过程需要大量的时间，造成效率低、加工形状精度不易保证的问题。

　　为了解决上述问题，项目组首创提出集群磁流变平面抛光方法，采用集群原理，将单点磁流变抛光转变为多点集群磁流变抛光，结合驱动永磁铁偏心转动形成空间旋转动态磁场的方法，完好地实现了磁流变柔性抛光垫在加工过程中对工件的恒压力加工，并且能使磨料在加工过程中实时更新自锐，非常适合对光电晶片等材料进行高效率超精密抛光，彻底解决了困扰永磁铁磁流变超精密抛光加工多年的技术难题。

　　根据上述理论，项目组成功研发了“磁流变柔性抛光垫的动态磁场自锐抛光装置”，采用磁极偏心旋转的方法使静态磁场转变为动态磁场，可以迫使柔性抛光垫中的磁性链重新排布而实现磨料的更新自锐和抛光垫形状的实时恢复，在保证加工精度的前提下，抛光效率提高了30-50%。在此基础上，为了进一步提高光电晶片的抛光效率，项目组以磁流变抛光技术为主，结合化学抛光、电化学抛光、光催化反应或电流变抛光等其他光电晶片的加工方法，利用多种加工方法间的协同作用来提高抛光效率。例如，结合光催化反应，紫外光对特殊加工浆料的照射，可促使加工浆料中产生强腐蚀性物质，从而与工件表面反应生成容易去除的物质，再通过磁流变抛光去除；结合电流变抛光，利用加工浆料中的抛光颗粒在电、磁场的耦合下产生协同效应，提高抛光颗粒对工件表面的抛光力，进而提高抛光效率。为此，项目组进行了系统全面地研究，设计开发了相应的抛光设备，研制出了相应的光电晶片抛光的高性能加工浆料。

　　技术先进性：

　　由于光电晶片加工领域是国家战略性领域，因此我国在光电晶片的制造技术上一直受到国外的封锁，进口的相应加工设备不仅价格昂贵、数量少，且设备的精度要求高、大尺寸工件加工效率低。为了解决这些问题，项目组根据集群原理及驱动永磁铁偏心转动形成空间旋转动态磁场的方法，首创研制出了磁流变柔性抛光垫的动态磁场自锐抛光装置，不仅实现了大尺寸光电晶片的高效率平坦化加工，还降低了抛光设备的精度要求。在项目组的实验中，在保证加工精度的前提下，抛光效率提高了30-50%。

　　在设备上，项目组研发的设备具有成本低、可靠性高、大尺寸工件加工下效率高的优点，这保证了光电晶片的加工质量可控，填补了国内行业的空白。在加工方法上，项目组首创的动态磁场自锐抛光方法，适用于非球面、自由曲面等各种形状的光电晶片平坦化加工。此外，项目组还结合电化学反应、光催化、电磁耦合等原理，利用多种加工方法间的协同作用，进一步提高了光电晶片的抛光效率。在加工浆料上，项目组进行了系统的研究，拥有多种用于不同材质光电晶片抛光的高性能加工浆料的核心配方。在价格上，项目组以核心技术（磁流变柔性抛光垫的动态磁场自锐抛光装置）为主，开发研制了一系列抛光设备及加工浆料，拥有自主知识产权，具有定价优势。

　　技术壁垒：

　　在光电晶片加工设备开发方面，处于前沿地位的有美国QED公司与中国物理研究院PKC。QED公司自1998年研制磁流变抛光技术后，一直致力于研发应用磁流变抛光技术的光电晶片加工设备，其生产的设备造工精致，但主销美国、日本、韩国等美系市场，对中国进行了技术封锁。因此，价格昂贵，单价700万人民币以上。而中国物理研究院的产品主要模仿QED公司，型号较少，仅具有PKC-1000Q2型、PKC-1200Q1型、PKC-100P1型三种磁流变抛光机床，产量较少，价格与QED相近。总而言之，不管是QED还是PKC的光电晶片加工设备都具备大口径平面、非球面及只有曲面的超精密制造能力，但是设备精度要求高、价格昂贵、加工大平面的效率非常低。

　　项目组首创研发的“磁流变柔性抛光垫的动态磁场自锐抛光装置”，采用集群原理和驱动永磁铁偏心转动形成空间旋转动态磁场的方法，解决了QED与PKC设备加工效率低与大尺寸工件加工难等问题，并在磁极同步驱动装置、偏心距智能调整装置、防互锁装置以及液体防护装置等方面取得了重大突破，降低了设备的精度要求与制造成本。该装置成功获得中国发明专利授权和美国发明专利授权，具有完整的自主知识产权。

　　此外，项目组围绕核心技术开展了一系列技术研发，包括“柔性抛光垫自锐技术”、“磁抛光轮研抛技术”、“单动力驱动集群磁铁和抛光盘技术”、“可控磁场的磁流变抛光技术”、“凸轮驱动磁流变抛光技术”、“磁流变流体动压复合抛光技术”等，同时为了提高动态磁场抛光的加工效率，采用了“双面抛光技术”、“多面同时抛光技术”、“电磁耦合抛光”、“电化学磁场耦合抛光”、“声光磁耦合加工”等，机械结构创新与多种材料去除方式结合来进一步提高了集群动态磁场抛光的效率。

　　项目组已在各大期刊发表了一系列科研成果，并针对以核心技术为主的相关技术进行专利布局，申请了专利保护，技术门槛较高。

　　产品或技术成熟度：

　　项目组已经成功在集群磁流变平面抛光和空间旋转动态磁场的磁流变抛光上研发出样机，并在样机上开展了一系列的研究，取得了预期的实验结果。例如，对2英寸单晶硅片进行了单工件抛光试验，通过单因素和正交试验获得了最优工艺参数，采用优化的参数对原始研磨片表面粗糙度Ra213nm的单晶硅基片进行抛光，表面粗糙度下降到Ra2.46nm，材料平均去除率MRR0.0783μm/min，获得超光滑、平坦化的表面，抛光效率提高了30-50%。由于磁流变技术受到国外技术封锁，我国起步较晚，在相关设备研发方面处于落后阶段。目前，项目组研发的产品已进入中试阶段，还在投资生产。

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