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单晶蓝宝石水合抛光机理与试验研究

吴建林  
【摘要】: 对于用作光电子材料的表面加工,迫切要求的是最终的几何形状和精度要高,尤其是要求加工表面变质层极小,且保持晶体理想的无变形。传统的研磨抛光加工方法存在诸多问题,难以满足加工要求。水合抛光借助材料表面和水蒸汽的反应,在加工表面形成水合化层,并施加一定的力将其从表面去除。本文主要对水合抛光的机理和试验进行了初步研究。 运用运动学、统计学以及计算机仿真技术,数值模拟了水合抛光中工件表面的加工均匀性及水合抛光的温度场。依据仿真结果来指导单晶蓝宝石的水合抛光试验,对抛光后获得的蓝宝石面进行表面完整性测试分析,以判断最后的加工结果是否符合加工要求,同时也验证了计算机仿真结果的正确。本文对单晶蓝宝石水合抛光的机理与试验研究主要包括以下几个方面: 1.通过运动学分析,分析了水合抛光过程中工件的运动状态,在此基础上,研究了抛光盘与工件间的相对运动轨迹,并针对轨迹均匀性提出了一种有效的评价方法。在运动轨迹分析和评价均匀性的有效方法基础上,分析并比较了两种不同抛光系统下工件表面的抛光均匀性,研究了抛光盘的不同结构对工件表面加工均匀性的影响。 2.运用ANSYS有限元软件对水合抛光温度场进行数值模拟,得到了抛光盘上的温度分布情况。在此基础上,分析了水合抛光过程中抛光盘上的温度分布均匀性及其对工件的 表面均匀性的影响。3.通过对蓝宝石水合抛光研究的分析与总结,研究了水合抛光中水合反应原理。蓝宝石晶体是亲水性晶体,其表面的氧原子在适当条件下容易被极化,吸附H_2O并使吸附着的H_2O进行分解,而同时将弱化蓝宝石衬底表面原子间的结合强度,在这种化学作用下去除材料可以明显改善亚表层晶格的完整性。 4.进行了单晶蓝宝石水合抛光的试验研究,蓝宝石衬底表面粗糙度的测试结果表明,在实验条件下获得的蓝宝石表面粗糙度X方向Rt6.74nm,Y方向Rt7.64nm。蓝宝石表面粗糙度Rt由抛光前34.55nm改善到抛光后Rt小于20nm,表面划痕测试分析表面水合层的厚度约2nm。TEM测试分析结果表明,水合抛光获得的蓝宝石表面晶格无畸变,表面粗糙度和晶格变形得到了较大的改善。


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