单晶硅是一种性能优异的半导体材料,在大规模集成电路和光学领域有广泛应用,其应用对单晶硅的面形精度和表面粗糙度提出了越来越高的要求。作为一种各向异性的硬脆材料,单晶硅在加工过程中易出现脆性去除的表面缺陷,需进行抛光以改善表面质量。研究开发单晶硅的高效精密抛光技术,解决现有抛光方法加工效率低、设备复杂和成本高等问题具有重要意义。本研究提出使用非牛顿流体进行单晶硅的抛光,基于对不同非牛顿流体流变特性即剪切增稠特性和粘弹性的研究,结合流体抛光数值仿真,优化改进抛光流体的组分配比和抛光工艺参数,实现了单晶硅表面的精密抛光。本文选取剪切增稠粘性抛光流体和剪切变稀粘弹性抛光流体开展流变特性研究。通过正交实验研究了不同组分对剪切增稠粘性抛光流体流变特性的影响,发现各组分对剪切增稠特性的影响由大到小依次为分散相质量分数、分散介质种类、磨粒粒径、磨粒质量分数,分散相质量分数越高流体增稠效果越强,分散介质复配有利于增强剪切增稠效果;通过单因素实验研究了黄原胶质量分数对剪切变稀粘弹性抛光流体的粘温特性和动态粘弹性的影响,黄原胶的添加有利于提高流体粘度和动态模量,在质量分数为0.5%时,流体的综合性能最优。分别使用幂律模型和PTT模型拟合得到了两类非牛顿流体的本构方程,采用Ansys中集成的Fluent和Polyflow模块进行流体力学仿真研究,分析了影响材料去除的流场压力、速度和剪切速率。研究并获得了剪切增稠粘性抛光流体的流体组分配比不同时流场分布特点,以及剪切变稀粘弹性抛光流体不同黄原胶含量和抛光盘流道拐角对抛光区域流场分布的影响规律。使用优化的非牛顿抛光流体开展了单晶硅片的抛光实验研究,使用剪切增稠粘性抛光流体将硅片表面粗糙度Ra由68 nm降低到11 nm,抛光流体用量仅为5 ml/min,以较低的损耗实现了硅片的高质量抛光;使用剪切变稀粘弹性流体对初始表面粗糙度Ra约10 nm的硅片进行抛光,研究了抛光时间、磨粒粒径、流道拐角对加工质量和材料去除率的影响。当流道拐角为0°,磨粒粒径为3 μm,抛光时间为10 min时,硅片表面粗糙度Ra由11.05 nm降至4.21 nm。