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《南京航空航天大学》 2017年
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铌酸锂晶体的固结磨料高效低损伤研抛机理与工艺研究

朱楠楠  
【摘要】:铌酸锂(LN)单晶材料具有优良的铁电、压电和光电等性能,是少数经久不衰的功能材料之一,目前已被应用于红外探测器、激光调制器、光学开关、倍频器和滤波器等领域。但是由于LN晶体硬度低、脆性大,并且具有强各向异性等特点,导致在传统的游离磨料研磨抛光过程中易出现脆性破坏、亚表面损伤层深和磨粒嵌入晶圆表面等损伤现象,加工效率低。为了避免LN超精密加工的上述缺点,本文提出采用亲水性固结磨料研抛技术对单晶LN进行研磨抛光加工,研究单晶LN的脆塑转变机理,探索LN晶体研磨抛光过程中的接触机制、磨粒嵌入的临界条件与拔出机制、亚表面损伤的形成机理与影响因素,研究了固结磨料研磨抛光LN晶圆的加工工艺,并针对持续加工时效率降低和工具磨损的问题提出了采用聚集体磨料对LN进行持续加工的创新工艺,为实现LN的高效低损伤加工奠定基础。本文完成的主要工作和取得的成果如下:1.单晶铌酸锂不同晶向的脆塑转变机理研究采用显微硬度计研究了单晶LN各晶向的显微硬度、断裂韧性以及裂纹的产生及扩展特征,采用纳米压痕和纳米划痕方法研究了各晶向的弹性模量和临界切深,分析了晶体结构对各晶向脆塑转变临界值的影响,对LN各晶向脆塑转变临界切深公式进行了修正;探索了研磨介质对临界切深的影响,以及临界切深对研磨加工的材料去除速率和表面质量的影响。2.研磨抛光过程中磨粒的脱落、嵌入与拔出机制研究检测了工件表面的嵌入磨粒,分析了游离磨料加工过程中尖锐磨粒和类球形磨粒嵌入工件的临界条件,以及固结磨料加工过程中磨粒的脱落机制和嵌入磨粒的拔出机制。3.铌酸锂材料固结磨料研磨的亚表面损伤检测与机理研究采用改进后的角度抛光法测量LN晶体研磨过程中引入的亚表面损伤层深度,分析了研磨方式、加工工艺参数及固结磨料垫基体硬度对亚表面损伤的影响规律,并研究了固结磨料研磨的亚表面损伤形成机理。4.固结磨料研磨的切深及表面粗糙度模型的建立开展了金刚石与树脂基体的界面粘结强度测试,通过对界面粘结力的定量计算明确了固结磨料垫磨粒脱落的主要原因;分析了固结磨料研磨过程中磨粒的退让现象,并结合界面粘结力建立了固结磨料切深和表面粗糙度模型,预测了给定工艺条件下磨粒出露的最大高度、切深和表面粗糙度值,并验证了偶然嵌入的脱落磨粒能够被拔出。5.固结磨料研磨抛光铌酸锂单晶的工艺优化研究采用自制的固结磨料研磨抛光垫对LN单晶进行了研磨、抛光工艺探索,利用正交试验分析了各工艺参数(研磨压力、主轴转速、磨粒表面处理)对LN单晶研磨去除速率和表面粗糙度的影响,并根据加工阶段制定了合理的研磨、抛光工艺路线,得到了最优工艺参数。6.聚集体磨料固结磨料持续加工铌酸锂晶片的探索探讨了LN单晶研磨抛光过程中固结研抛垫的自修整性能,从基体硬度和磨粒形态两个角度分析了影响LN持续加工过程中研抛垫自修整的因素,提出了采用聚集体磨料研磨抛光LN晶圆的新工艺,确保了工件的持续高效加工。
【学位授予单位】:南京航空航天大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TG73;O786

【参考文献】
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