单晶硅材料是一种典型的红外材料和半导体材料，在红外光学系统和集成电路中具有广泛的应用。磁流变抛光技术是一种先进的确定性抛光技术，具有高精度、超光滑与低缺陷等优势，适用于大多数硬脆材料的超精密加工。然而研究发现，采用磁流变抛光，单晶硅材料极易产生划伤和彗尾状缺陷，加工效率偏低，常规的磁流变抛光液和工艺方法并不适用。基于此，研究团队组织开展了单晶硅材料磁流变抛光机理研究与工艺方法。

分别基于无抛光粉的磁流变液、氧化铈抛光液和金刚石抛光液等三种磁流变抛光液，比较了不同浸入深度、水分等工况下单晶硅的抛光表面质量和去除效率，如图1所示。研究发现，基于无抛光粉（抛光颗粒仅有铁粉）的磁流变抛光液抛光，硅片表面存在大量的麻点和彗尾状缺陷，随着水分下降和浸入深度增大，缺陷越密集；基于氧化铈抛光液抛光，硅片表面缺陷的长度、面积、数量都高于无抛光粉抛光液；基于金刚石抛光液，硅片表面仅发现了少量的塑性划痕，随着水分提高和浸入下降，塑性划痕的宽度和深度都逐渐下降。通过分析表面缺陷的类型、分布形态，以及纳米力学性能发现，初步找到了三种抛光液缺陷产生的原因与控制方法。基于无抛光粉的抛光液抛光中，羰基铁粉对硅片表面具有一定的冲蚀作用，会在表面产生撞击坑，在较强的机械剪切力作用下，形成彗尾状缺陷；基于氧化铈抛光液抛光中，氧化铈抛光粉与硅片表面反应生成更加软的络合物，加剧了硅片表面缺陷的产生；基于金刚石抛光液抛光中，金刚石抛光粉去除效率提高了一个数量级，对缺陷有较好的去除改善作用。

图1基于不同类型磁流变抛光液加工后硅片表面质量情况

针对单晶硅抛光表面缺陷形成机理，提出了一种超光滑金刚石抛光液制备方法，并同时采用近似游离磨粒抛光的工艺方法，获得了近无缺陷的硅片表面以及较高的去除效率。该研究工作不仅揭示了单晶硅磁流变抛光缺陷产生机理，而且突破了单晶硅磁流变抛光有效去除和低损伤磁流变抛光液制备工艺控制方法，验证了单晶硅磁流变抛光技术的加工性能。

图2采用优化抛光液加工后硅片的表面质量和去除函数