鈮酸鋰晶體納米力學(xué)及化學(xué)機械拋光研究.pdf

1、鈮酸鋰(LiNbO3，LN)晶體是一種集優(yōu)良的電光、聲光、壓電、鐵電等性能于一身的非線性光學(xué)晶體材料，并且其物理和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，耐腐蝕和耐高溫，大塊單晶體的生長技術(shù)簡單。這些物理性能使之在光波導(dǎo)基片、光通訊調(diào)制器、聲表面波濾波器、大功率超聲換能器等方面獲得了廣泛的應(yīng)用，被公認為光電子時代的“光學(xué)硅”。
　　隨著光電子技術(shù)的發(fā)展，對高精密、高集成光電子系統(tǒng)的需求與日倶增。由于鈮酸鋰晶體的硬度較低，韌性較高，利用傳統(tǒng)的加工方法如研磨、

2、磨削、機械拋光等方法加工鈮酸鋰晶體時，容易在其表面形成劃痕、裂紋、磨粒嵌入等加工缺陷，并且加工效率低。本文在研究了鈮酸鋰晶體納米力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，對鈮酸鋰晶體的化學(xué)機械拋光工藝進行了實驗研究，對于提高鈮酸鋰晶體加工效率和表面質(zhì)量有著重要的實用價值。
　　通過納米壓痕實驗測量了LN晶體X-cut，Y-cut，Z-cut三個晶面的納米硬度分別平均為12.8，9.1，10.6 GPa，相應(yīng)的彈性模量平均為209.6，98.3，172.2

3、 GPa。納米壓痕實驗過程中，當(dāng)加載力達到1000μN左右時出現(xiàn)了pop-in現(xiàn)象，透射電鏡實驗證實了pop-in發(fā)生后亞表面出現(xiàn)了納米孿晶。通過赫茲及Oliver-Pharr理論計算出了X-cut，Y-cut，Z-cut三個晶面晶體發(fā)生pop-in現(xiàn)象時的最大切應(yīng)力分別為20.6，13.3，18.4 GPa，以及相應(yīng)的正應(yīng)力值分別為25.5，21，20 GPa。此外，納米劃痕實驗顯示了LN晶體在納米尺度下發(fā)生了塑性變形，在實驗上為納米

4、加工奠定了理論基礎(chǔ)。
　　針對LN晶體在傳統(tǒng)加工中容易出現(xiàn)劃痕、裂紋等問題，進行了化學(xué)機械拋光實驗研究。選擇了三種拋光墊進行對比實驗，結(jié)果表明吸水性好硬度較軟的無紡布拋光墊可以獲得高質(zhì)量的LN晶片拋光表面。優(yōu)化了拋光壓力以及轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù)，研制了含有氫氧化鉀、雙氧水、檸檬酸、硅溶膠等四種成分的化學(xué)機械拋光液，探索了磨粒粒徑和拋光液中各成分含量對材料去除率和表面粗糙度的影響規(guī)律。采用化學(xué)機械拋光LN晶片的材料去除率可達到450 nm

5、/min,拋光后表面粗糙度Ra可達到0.43 nm。
　　針對化學(xué)機械拋光容易導(dǎo)致平面度誤差和塌邊現(xiàn)象等問題，開發(fā)了具有邊緣護環(huán)的硬合成革拋光墊機械拋光與軟無紡布拋光墊化學(xué)機械拋光相結(jié)合的加工方法，在獲得平整表面的同時能夠快速去除表面殘余劃痕。采用粒徑分別為W0.5，W3.5，W7的金剛石拋光膏進行邊緣保護環(huán)的機械拋光實驗，結(jié)果表明 W3.5的效果較好。研究了化學(xué)機械拋光時間對平面度誤差的影響，結(jié)果表明化學(xué)機械拋光時間越長，平面度