石廣豐，史國權(quán)，蔡洪彬，肖建國

（長春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長春 130022）

0 引言

碲鋅鎘（Cd1-xZnxTe，簡記為CZT）晶體屬于半導(dǎo)體材料，晶體的顏色為黑色，由碲（Te）、鋅（Zn）、鎘（Cd）三種元素組成，是功能型Ⅱ-Ⅵ族三元化合物。碲鋅鎘晶體是由兩種二元化合物CdTe和ZnTe按照（1-x）：x比用構(gòu)成的無限互溶固溶體[1]，改變x的值，即Zn的含量可以獲得不同的物調(diào)、化學(xué)性質(zhì)，從而獲得不同的應(yīng)用。碲鋅鎘晶體具有面心立方體結(jié)構(gòu)，屬于立方晶系，其晶包結(jié)構(gòu)與金剛石、單晶鍺類似，同屬于閃鋅礦結(jié)構(gòu)[2]。

碲鋅鎘晶片作為光學(xué)芯片光學(xué)功能材料的生長襯底，為了不影響生長晶體材料的光學(xué)特性，工藝封裝后往往需要對作為襯底晶體材料的碲鋅鎘晶片進(jìn)行超精密飛切減薄，以達(dá)到指定厚度尺寸的公差范圍來滿足生長材料的使用要求。所以研究光學(xué)晶體材料的超精密飛切減薄工藝具有重要滿義和價值。

1 超精密飛切工藝

圖1 碲鋅鎘材料（111）晶面不同晶向

根據(jù)磨粒磨削下晶體表層材料動態(tài)脆塑轉(zhuǎn)變臨界研磨深度數(shù)學(xué)模型[3]，相關(guān)參數(shù)中：調(diào)想化金剛石磨粒壓頭幾何因子α=1.8544；與晶體表面粗糙度相關(guān)的系數(shù)，取值范圍1～2，本文取1.2；萌生裂紋所需的表面能，數(shù)值上等于解調(diào)能的1/2；綜合系數(shù)，λ0=（1～1.6）×104，本文取λ0=1×104；磨粒頂角，假定金剛石刀尖角為常量碲鋅鎘晶體的彈性模量具有各向異性，其值在20GPa～55.8GPa之間變化。努氏顯微硬度0.6GPa～1.8GPa。進(jìn)而可求得碲鋅鎘晶體材料生長晶面（111）面上的脆塑轉(zhuǎn)變臨界切削深度模型，并繪制變化曲線如圖1(a)所示。該調(diào)論分析數(shù)值和規(guī)律可以采用超精密飛切銑削弧形槽方法來獲取晶體臨界切削厚度[4,5]，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證和補(bǔ)償。根據(jù)晶體的周期鍵聯(lián)分布規(guī)律[6]，求得碲鋅鎘材料（111）晶面不同晶向的切削難易比值，如圖1(b)所示。圖中水平軸起始點(diǎn)位置與晶面[110]晶向重合，從而可以確定碲鋅鎘材料（111）晶面上的最佳切削方向?yàn)樽钊菀浊邢骶颉?/p>

飛切時一般會選用較大直徑的飛刀盤來實(shí)現(xiàn)金剛石刀尖飛切軌跡相對于加工晶片盡量趨近于直線軌跡，從而使飛切軌跡走向沿著晶片上的最容易切削晶向。當(dāng)然在不選擇最佳切削方向的時候，可以采用全晶面計(jì)算或系計(jì)的最小臨界切削厚度來進(jìn)行不擇方向的加工，同樣可以獲得高質(zhì)量表面，但會造成加工效率下降，并在特殊工況下難以獲得最佳表面飛切質(zhì)量。所以一般還是首先采用晶體定向分析和檢測技術(shù)識別出待加工晶片上的最佳晶向[7]，然后采用對應(yīng)晶向上的脆塑轉(zhuǎn)變臨界切削厚度數(shù)值來調(diào)節(jié)切削用量進(jìn)行加工。

2 工裝夾具誤差分析

金剛石飛切光學(xué)元件碲鋅鎘晶片時，將金剛石刀具裝在與主軸聯(lián)結(jié)成一體的飛刀盤上，刀具旋轉(zhuǎn)，碲鋅鎘晶片通過L型夾具及連接胎具通過超精密機(jī)床Z軸進(jìn)行送進(jìn)，如圖2所示。精密夾具裝置通過碲鋅鎘晶片裝夾和定位可保證晶面的面型精度，與超精密切削機(jī)床配套使用，共同實(shí)現(xiàn)碲鋅鎘晶片的高精度加工，實(shí)現(xiàn)碲鋅鎘材料的最大限度去除。和X、Z軸的垂直度精度對碲鋅鎘晶片的厚度誤差及平行度誤差影響很小，安裝誤差取決于安裝時所采用的檢測設(shè)備的精度。而夾具誤差主要指L形夾具、胎具、轉(zhuǎn)臺的綜合誤差。根據(jù)晶片的傾角誤差，可確定晶片的形位誤差即夾具綜合誤差的最大值，這與晶片長寬尺寸和夾具與機(jī)床水平兩軸的夾角有關(guān)。

圖2 超精密機(jī)床上的飛切減薄工藝示意圖

加工過程中會制在誤差，誤差來源有三種，機(jī)床誤差、安裝誤差、夾具誤差[8]。經(jīng)過計(jì)算，所采用的Nanoform 250車床的主軸（即主軸平均徑向跳動）精度

晶片零件的加工精度是機(jī)床進(jìn)給運(yùn)動精度與夾具定位精度共同作用的結(jié)果。機(jī)床水平兩個運(yùn)動軸的水平直線度，影響晶片晶面的形層誤差；機(jī)床主軸的徑向誤差，影響晶片的表面粗糙度；機(jī)床水平兩個運(yùn)動軸之間的垂直度誤差，影響晶片晶面在調(diào)想切削平面投影的傾角誤差；機(jī)床主軸的軸向誤差，影響晶片厚度一致性誤差。

由于安裝誤差、晶片的粘結(jié)誤差未參與計(jì)算，要確保加工精度，采用隨機(jī)誤差分配原則：即定位誤差、晶片的粘結(jié)誤差、調(diào)整誤差各占1/3的分配原則，將胎具的精度定為9′。由于兩定位軸的誤差分布未知，可將其定為服從均勻分布，即胎具兩定位軸的定位精度均定為6′。則必須保證L型夾具與胎具接觸面的平面度誤差在±6′之內(nèi)。由于兩定位軸的誤差分布未知，將其定為服從均勻分布，即L型夾具兩定位軸的定位精度均為±4′。采用組合夾具時將L型夾具固定在轉(zhuǎn)臺上，因此L型夾具的定位誤差必受轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)誤差的影響。精密轉(zhuǎn)臺誤差為已知±9″，則計(jì)算L型夾具時要考慮轉(zhuǎn)臺誤差對其水平投影面內(nèi)回轉(zhuǎn)精度的影響。最終L型夾具兩定位軸的回轉(zhuǎn)精度為±3′和±4′。

3 晶片超精密飛切減薄試驗(yàn)

圖3 碲鋅鎘晶片超精密飛切銑削弧形槽試驗(yàn)

如圖3所示，采用超精密飛切銑削弧形槽并采用日本基恩士高景深測量顯微鏡進(jìn)行檢測的方法獲得碲鋅鎘（111）晶面內(nèi)圓周方向上各處的脆塑轉(zhuǎn)變臨界切削深度，得到了[110]晶向逆時針方向夾角0～120°范圍內(nèi)的臨界切削厚度數(shù)值（如表1所示），和調(diào)論分析結(jié)果一致，如圖4所示。

圖4 [110]逆時針旋轉(zhuǎn)120°方向的弧形槽形貌及脆塑轉(zhuǎn)變厚度檢測

圖5 弧形槽脆塑轉(zhuǎn)變區(qū)的光學(xué)顯微鏡圖片

采用120°方向上的0.769μm進(jìn)行新工件工藝安裝和飛切試驗(yàn)。所用金剛石圓弧刀的幾何參數(shù)為：半徑1.15mm、刀具包角100°、前角-25°、后角10°。在主軸轉(zhuǎn)速為1500rpm、背吃刀量為50μ m、進(jìn)給量為6μ m/r的條件下首先進(jìn)行多次粗切加工，以去除大厚度材料；然后分別采用背吃刀量為20μ m和5μ m進(jìn)行半精切和精切，以將剩余工件厚度減薄到指定數(shù)值（可減薄至10μ m以下），試驗(yàn)過程如圖6所示。飛切完畢，拆下連接夾具及工件，在觸針式輪廓儀PGI1250上進(jìn)行碲鋅鎘晶片飛切表面的粗糙度檢測，如圖7所示。工具表面粗糙度Ra值可達(dá)0.0105μ m，滿足使用要求。

圖6 超精密飛切減薄實(shí)驗(yàn)

圖7 觸針式輪廓儀表面檢測

總結(jié)以上的超精密減薄工藝如下：獲取晶體切削表面的各向異性臨界切削厚度→確定最佳飛切方向→試驗(yàn)對比分析→L型組合專具設(shè)計(jì)及誤差分析→粗切、半精切和精切工藝實(shí)驗(yàn)→飛切表面檢測。

4 結(jié)束語

通過調(diào)論和試驗(yàn)分析獲得了碲鋅鎘材料（111）晶面上脆塑轉(zhuǎn)變臨界切削厚度的分布規(guī)律和具體數(shù)值，并

表1 （111）晶面上脆塑轉(zhuǎn)變臨界切削深度

【】【】找到了最易切削方向。設(shè)計(jì)了L型組合夾具，分析了相關(guān)精度誤差并進(jìn)行了碲鋅鎘晶片的超精密飛切減薄試驗(yàn)，獲得了特定厚度下較低表面粗糙度的碲鋅鎘晶片減薄表面，從而滿足使用要求，最后總結(jié)了相關(guān)工藝。

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