锗是除硅以外最重要的半导体材料,不仅在半导体工业,而且在高频、红外、航空航天、太阳能电池、化学催化剂、生物医学等领域都有广泛的应用。工业上,在纳米级面型精度和表面粗糙度的要求下,对作为基底材料的单晶锗片,还提出了表面和亚表面的无损伤,及厚度达到薄片的加工要求。而锗属于脆性材料,想获得高质量表面的单晶锗薄片难度很大。本文针对单晶锗薄片超精密加工中的困难,提出一种基于浅低温塑性去除的单晶锗薄片冰冻固结磨料抛光创新工艺。对单晶锗薄片脆塑转变机理、冰冻固结磨料抛光盘的制备及其抛光机理与工艺开展深入研究,为该工艺的实用化开展积极探索。本文完成的主要工作如下:1.低温条件下单晶锗片的脆塑转变机理采用维氏硬度计研究了单晶锗片在-10℃和25℃下的硬度和裂纹长度,分析了温度对单晶锗薄片脆塑转变机理的影响。在同等载荷下,温度的降低,可使裂纹的长度变短。2.单晶锗片塑性加工临界切深利用划痕仪,在25℃下对单晶锗片进行了压、划痕实验,分析了单晶锗片的动态脆塑转变过程,相应的临界划痕深度为302.4 nm。对晶体动态脆塑转变的临界切削深度模型进行了分析,根据单晶锗片特性进行了参数修正,所得修正模型符合实验数据。结合模型公式分析得出-10℃下的临界切深略大于25℃下的临界值,即常温下得到的单晶锗片临界划深可用于低温情况。3.水相体系纳米α-Al2O3悬浮液的分散性能通过合理选用球磨时间、球料比、球磨机转速,研究了各因素对纳米α-Al2O3抛光液悬浮性的影响,得出了最佳分散工艺条件,为开发性能优良的纳米α-Al2O3抛光液提供了理论指导。并通过分散后抛光液的粒径分布对分散结果进行了验证。4.冰冻固结磨料抛光盘的制备设计制作了带热阻层的冰冻固结磨料抛光盘模具,利用已分散好的抛光液,采用分层喷洒和分层冷冻工艺制作了冰冻固结磨料抛光盘,所冻结的抛光盘磨料分布均匀,分层可控,使用寿命增加。研究了抛光盘的磨损特性,提出了除传统的摩擦磨损外的融化磨损,为多层冰冻固结磨料抛光盘的厚度设计提供理论依据。5.冰冻固结磨料抛光温度场的仿真研究利用ABAQUS软件,建立了环形冰冻固结磨料抛光盘抛光的温度场有限元分析模型,利用温度测试装置验证了模型的可靠性。利用所建立的温度场仿真模型,分析了环境温度、抛光时间、气缸压力、主轴转速和偏心距对抛光盘温度的影响规律。结合实验,得出了冰冻固结磨料抛光盘的平均融化速度,为合理选择抛光盘冻制厚度和抛光时间提供了理论依据。6.基于运动轨迹仿真的抛光材料去除模型仿真分析了偏心距对冰冻抛光盘与工件的转速比的影响,建立了冰冻抛光盘抛光去除模型;分析了气缸压力、主轴转速、磨料浓度对抛光去除速率的影响,得出了冰冻固结磨料抛光盘的平均去除速率,为合理选择抛光时间提供了理论依据。7.冰冻固结磨料抛光单晶锗薄片的工艺研究根据温度场仿真结果,发明了环境温度-10℃和喷入有机水溶液辅助抛光的冰冻固结磨料浅低温抛光新工艺。利用田口法和综合评定法对单层冰冻固结磨料抛光单晶锗薄片开展了工艺优化,结合优化结果利用多层冰冻磨料抛光盘对单晶锗薄片进行了粗抛-半精抛-精抛一次装夹低温抛光,获得了Sa 1.45nm的光滑表面。为冰冻固结磨料抛光的实用化发展进行了积极探索。