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釔鋁石榴石晶體的機(jī)械拋光工藝

2018-03-12 05:13:22孫志明金洙吉韓曉龍范康男司立坤
金剛石與磨料磨具工程 2018年1期
關(guān)鍵詞:拋光液磨料磨粒

孫志明, 金洙吉, 韓曉龍, 范康男, 司立坤

(大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 遼寧 大連 116024)

釔鋁石榴石晶體(yttrium aluminum garnet,YAG)是光電子技術(shù)中重要的襯底材料。隨著光電子技術(shù)的發(fā)展,新型高性能、高精密、高集成的光電子系統(tǒng)不斷涌現(xiàn),對(duì)光學(xué)拋光技術(shù)提出了很高的要求[1-2]。

目前對(duì)于加工低損傷、無(wú)缺陷的YAG薄片(厚度≤0.8 mm)的研究較少。滕霖等[3]用鑄鐵盤(pán)和20~40 μm的B4C粗研磨,再用青銅盤(pán)和10~20 μm的B4C細(xì)研磨,并用0.5 μm以細(xì)的金剛石研磨膏和自制膠態(tài)軟磨料拋光液進(jìn)行拋光,獲得Ra≤8 nm、平面度PV≤0.15 μm的表面。魯?shù)鲁鮗4]在YAG精磨過(guò)程中使用4道磨料加工,單次加工時(shí)間15 min,轉(zhuǎn)速35 r/min,拋光后表面粗糙度Ra≤5 nm。史興寬等[5]用0.5 μm以細(xì)的金剛石研磨膏和自制的SiO2膠態(tài)軟質(zhì)磨料拋光液進(jìn)行拋光,得到RMS0.6 nm的表面。李軍[6]針對(duì)Nd:YAG陶瓷分別采用3.5~7.0 μm的B4C及1.5~3.0 μm的Al2O3進(jìn)行精密研磨后,使用聚氨酯拋光墊上結(jié)合0~1.0 μm的Al2O3在30~60 kPa的載荷下進(jìn)行拋光,RMS降為0.4 nm。

但是,YAG晶體在研磨拋光過(guò)程中易出現(xiàn)劃痕和凹坑等表面缺陷,并且目前大部分的研究是針對(duì)厚度大于1.2 mm的YAG晶體,對(duì)于較薄(厚度≤0.8 mm)的YAG晶體加工缺乏研究。針對(duì)YAG晶體在激光領(lǐng)域的應(yīng)用,需要YAG晶體平面度PV低于105 nm、RMS值低于1 nm、無(wú)表面損傷和缺陷。

在預(yù)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),若使用化學(xué)機(jī)械拋光,會(huì)得到全局一致光滑的表面,但是化學(xué)機(jī)械拋光會(huì)導(dǎo)致平面度惡化,難以同時(shí)滿(mǎn)足平面度和粗糙度的要求。所以我們采用機(jī)械拋光的方法,首先以銅盤(pán)去除在研磨過(guò)程中產(chǎn)生的表面缺陷;再以IC1000進(jìn)行精拋光,在轉(zhuǎn)速9 r/min、載荷15 kPa、磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%的條件下得到平面度PV100 nm左右,RMS低于1 nm的平面。經(jīng)體視顯微鏡檢測(cè),無(wú)明顯表面缺陷。

1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)在深圳海德HD-380X平面研磨機(jī)上進(jìn)行。該研磨機(jī)自帶車(chē)刀,可以對(duì)拋光盤(pán)進(jìn)行車(chē)削修整,測(cè)得車(chē)修后的研磨盤(pán)平面度PV可達(dá)52.3 μm。

試驗(yàn)使用的YAG晶體厚度為0.8 mm、直徑為15 mm,加工表面為(111)晶面。在載物盤(pán)上距離圓心等距均勻地用蠟固定3片YAG晶體。研磨后得到平面度PV為380 nm的初始表面,有明顯的劃痕和點(diǎn)坑。

使用Zygo公司NEWVIEW 5022型3D表面輪廓儀測(cè)量YAG晶體的RMS,使用SZX12型體視顯微鏡觀測(cè)YAG晶體表面形貌,使用Corning Tropel公司FlatMaster200型平面度測(cè)量?jī)x測(cè)量拋光后晶體表面的平面度。以Al2O3為磨料進(jìn)行拋光,其參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 拋光過(guò)程參數(shù)

在拋光過(guò)程中,磨料的均一性直接影響晶體的平面度和表面粗糙度,小磨粒的團(tuán)聚會(huì)對(duì)晶體表面造成大于磨粒粒徑的劃痕和凹坑,而且磨粒越小,其比表面積越大,越容易團(tuán)聚。在拋光過(guò)程中,使用的磨粒粒徑一般小于等于1 μm,所以阻止小磨粒在拋光過(guò)程中團(tuán)聚是關(guān)鍵問(wèn)題。

用SZX12體視顯微鏡觀察晶體表面,發(fā)現(xiàn)用經(jīng)30 min振蕩的拋光液加工后,晶體表面的凹坑尺寸5~10倍于磨粒粒徑,說(shuō)明仍有團(tuán)聚現(xiàn)象。根據(jù)DLVO理論[7],使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%的十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)能有效延緩磨粒的團(tuán)聚。這是因?yàn)镾DBS為陰離子型分散劑,其具有空間位阻作用;同時(shí),氧化鋁粉體還會(huì)特征吸附十二烷基苯磺酸根(圖1),增大粉體表面的Zeta電位絕對(duì)值。預(yù)實(shí)驗(yàn)證明,在SDBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)達(dá)到飽和吸附,此時(shí)分散劑穩(wěn)定性最佳,Zeta電位絕對(duì)值最大。

圖1 SDBS分散劑分散示意圖

圖2所示為不同條件處理后的拋光液靜置30 min后的結(jié)果,從左至右分別為未經(jīng)超聲振蕩、只經(jīng)超聲振蕩、經(jīng)過(guò)超聲振蕩并加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%的SDBS。從圖2中可以看出:未經(jīng)超聲振蕩的溶液完全沉淀,試管上層溶液澄清;只經(jīng)超聲振蕩的溶液底部有沉淀,中部渾濁,上部澄清;加入分散劑并超聲振蕩的溶液整體分散性均勻,沒(méi)有沉淀生成。這說(shuō)明超聲振蕩在一定程度上可以延緩磨粒的團(tuán)聚,但隨著振蕩的消失,磨粒逐漸團(tuán)聚;加入分散劑可以有效地阻止磨粒的團(tuán)聚,避免磨粒團(tuán)聚對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。

圖2 不同條件處理后的拋光液照片靜置30 min后的結(jié)果

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 粗拋光試驗(yàn)結(jié)果及結(jié)果分析

2.1.1 拋光盤(pán)轉(zhuǎn)速對(duì)平面度和表面粗糙度的影響

粗拋光的目的是去除研磨帶來(lái)的脆性劃痕和點(diǎn)坑對(duì)晶體表面造成的損傷。粗拋光是在銅盤(pán)上進(jìn)行的,拋光45 min后可獲得較好的平面度和表面粗糙度。YAG晶體平面度隨拋光盤(pán)轉(zhuǎn)速的變化如圖3所示。從圖3中可看出:隨拋光盤(pán)轉(zhuǎn)速升高,YAG晶體的平面度PV先降低后升高,在70 r/min處獲得最小值(98 nm)。

圖3 YAG晶體平面度隨轉(zhuǎn)速變化

當(dāng)工件與拋光盤(pán)轉(zhuǎn)速比為1.01的時(shí)候,磨粒在晶片上的軌跡分布均勻性最好,并且晶片對(duì)拋光墊的相對(duì)速度分布均勻, 有利于材料均勻去除[8]。拋光盤(pán)轉(zhuǎn)速較低時(shí),工件與拋光盤(pán)的轉(zhuǎn)速比大于1.01,拋光軌跡不夠復(fù)雜;提高拋光盤(pán)轉(zhuǎn)速,工件與拋光盤(pán)的轉(zhuǎn)速比接近1.01,此時(shí)離心力增大、拋光液分布均勻,使工件平面度PV逐漸降低;拋光盤(pán)轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高,導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性降低,運(yùn)動(dòng)軌跡均勻性下降,進(jìn)而導(dǎo)致晶體平面度PV上升。

圖4所示為YAG晶體表面粗糙度隨轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律。從圖4中可以看出:隨轉(zhuǎn)速升高,RMS先降低后升高,在70 r/min時(shí)取得最小值3.4 nm。

圖4 YAG晶體表面粗糙度隨轉(zhuǎn)速變化

拋光盤(pán)轉(zhuǎn)速較低時(shí),運(yùn)動(dòng)形式平穩(wěn),但離心作用小,拋光液在銅盤(pán)上分布不夠均勻,導(dǎo)致RMS高;轉(zhuǎn)速提高,離心作用增強(qiáng),拋光液分布均勻,拋光過(guò)程趨于穩(wěn)定;轉(zhuǎn)速繼續(xù)提高時(shí),拋光運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性降低,并且離心作用下拋光液沿拋光盤(pán)徑向分布不均,材料去除不均,導(dǎo)致RMS上升。

2.1.2 載荷對(duì)平面度和表面粗糙度的影響

載荷對(duì)平面度的影響如圖5所示。轉(zhuǎn)速選取70 r/min時(shí),隨載荷增加,平面度PV先降低后升高,在15 kPa時(shí)取得最小值84 nm。

圖5 YAG晶體平面度隨載荷變化

游離磨料去除機(jī)理分別為磨粒的滾軋作用和微切削作用。而滾軋作用隨機(jī)性比較大,對(duì)晶體平面度來(lái)說(shuō),微切削作用更有利。在載荷較低時(shí),磨粒嵌入銅盤(pán)效果不明顯,晶體與磨粒之間的作用多為滾軋作用;而且載荷小,YAG晶體與磨粒間接觸不均勻,導(dǎo)致平面度PV較高;載荷增加,磨粒嵌入銅盤(pán)并露出合適的凸峰,此時(shí)的去除多為微切削作用,去除均勻,平面度PV降低;載荷繼續(xù)增加,運(yùn)動(dòng)形式穩(wěn)定性降低,同時(shí)過(guò)大的壓力會(huì)導(dǎo)致銅盤(pán)局部變形量較大,反而影響YAG晶體的平面度,導(dǎo)致PV升高。

載荷對(duì)表面粗糙度的影響如圖6所示。轉(zhuǎn)速選取70 r/min時(shí),隨載荷增加,晶體的表面粗糙度RMS先降低后增大,在15 kPa時(shí)取得最小值3.0 nm。

圖6 YAG晶體表面粗糙度隨載荷變化

在載荷較低時(shí),YAG晶體先與較大顆粒接觸,接觸面積較小,對(duì)晶體造成的劃痕較深,導(dǎo)致RMS較高;載荷增加,晶體逐漸接觸較小的磨粒,同時(shí)也有更多的磨粒嵌入銅盤(pán)中,露出合適的凸峰,微切削作用起主要作用,去除更為均勻、平整,可以去除由大顆粒造成的損傷,RMS降低;載荷繼續(xù)增加,拋光過(guò)程穩(wěn)定性降低,磨粒對(duì)于晶體的沖擊逐漸增大,RMS增大。

2.2 精拋光試驗(yàn)結(jié)果及結(jié)果分析

在精拋階段采用9 r/min的轉(zhuǎn)速。為保證拋光液均勻,采用噴霧的方式將拋光液均勻噴灑在IC1000上,并使用主動(dòng)轉(zhuǎn)頭保證轉(zhuǎn)速比,載荷選15 kPa。IC1000拋光墊為硬質(zhì)拋光墊,可以在獲得較好表面粗糙度的同時(shí)減小對(duì)平面度的負(fù)面作用。試驗(yàn)過(guò)程中用金剛石修整環(huán)對(duì)IC1000進(jìn)行在線(xiàn)修整。在拋光機(jī)上拋光30 min后,得到平面度PV100 nm左右、RMS0.9 nm左右、無(wú)損傷的光滑平坦化表面。

3 機(jī)械拋光后表面質(zhì)量分析

圖7所示為分別在精研后、粗拋光后、精拋光后YAG晶體的表面形貌。通過(guò)NEWVIEW8 5022型3D表面輪廓儀測(cè)量YAG晶體表面粗糙度RMS,可以看到RMS達(dá)0.957 nm,通過(guò)FlatMaster200型平面度測(cè)量?jī)x測(cè)得工件的平面度PV為99.7 nm,如圖8所示。

(a)YAG晶體研磨后表面形貌

(b)YAG晶體粗拋光后表面形貌

(c)YAG晶體精拋光后表面形貌

從圖7中可以看出:研磨后YAG晶體表面產(chǎn)生了明顯的劃痕和點(diǎn)坑(圖7a)。在研磨過(guò)程中,研磨盤(pán)較硬,磨粒難以嵌入研磨盤(pán)中,材料的去除主要以滾軋作用為主,對(duì)YAG晶體造成的損傷較大。在粗拋光過(guò)程中使用的是磨??梢郧度氲你~盤(pán),材料的去除多是由于微切削作用,并除去研磨過(guò)程中的劃痕;但由于磨粒顆粒較大,會(huì)產(chǎn)生很小的凹坑(圖7b)。在精拋光過(guò)程中,使用IC1000配合低轉(zhuǎn)速加工,可以得到無(wú)劃痕、無(wú)凹坑的光滑表面(圖7c)。

(a)YAG晶體精拋后表面粗糙度圖像

(b)YAG晶體精拋光后平面度圖像

4 結(jié)論

我們研究并解決了磨粒在機(jī)械拋光過(guò)程中的團(tuán)聚問(wèn)題,分析了拋光工藝中拋光盤(pán)轉(zhuǎn)速和載荷對(duì)YAG晶體平面度和表面粗糙度的影響,并優(yōu)化了工藝參數(shù)。

(1)超聲振蕩可以有效分散磨粒,但其效果隨靜置時(shí)間延長(zhǎng)而減弱;需添加分散劑以阻止Al2O3磨粒的團(tuán)聚。使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的SDBS并經(jīng)超聲振蕩處理,靜置30 min后溶液仍保持良好的均一性。

(2)拋光盤(pán)轉(zhuǎn)速影響磨料的分布,而載荷影響磨粒與晶體的接觸形式;當(dāng)拋光盤(pán)轉(zhuǎn)速70 r/min、載荷15 kPa時(shí),可以得到最好的表面質(zhì)量。經(jīng)30 min精拋光,YAG晶體平面度PV可達(dá)99.7 nm,表面粗糙度RMS可達(dá)0.957 nm,經(jīng)SZX12型體視顯微鏡觀測(cè)無(wú)損傷。

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