李 攀, 白滿社, 邢云云, 嚴吉中

(西安飛行自動控制研究所，陜西 西安 710065)

引言

隨著慣性技術的發(fā)展和光纖陀螺應用領域的不斷擴展, 對光纖陀螺精度的要求不斷提高。零偏穩(wěn)定性優(yōu)于0.01°/h的光纖陀螺已成為高精度陀螺儀極具潛力的競爭者[1-4]。集成光學調制器(俗稱Y波導)是光纖陀螺的核心器件，它將光纖陀螺中的光束耦合、起偏和相位調制功能集成在同一鈮酸鋰(LiNbO3)芯片上，對光纖陀螺的精度有著極大的影響[5-8]。同時，該器件具有非常復雜的制造工藝?？梢哉f，誰掌握了集成光學調制器的制造技術，誰就占據了研制高精度光纖陀螺的制高點和主動權。

作為集成光學調制器的核心制造技術，鈮酸鋰(LiNbO3)芯片的邊緣拋光一直是備受關注的焦點。LiNbO3晶體加工中存在如下難點[10]：硬度低(努氏硬度570[9])，易產生劃痕；韌性高，加工速度慢；對溫度較為敏感，易產生微疇反轉；加工過程中易產生角度很小的尖劈碎晶，從而產生砂道等。而端面拋光要沿著該晶體的解理面在一極小的面積上進行超高精度的拋光，實現超光滑表面，特別是在500×顯微鏡下觀察不能有崩邊、塌邊等現象，極大增加了加工難度。

由于加工難度大、應用方向相對敏感，國內外LiNbO3芯片邊緣拋光的公開報道并不多。1987年，Venables等人報道了使用離子束輔助拋光方法進行LiNbO3芯片邊緣拋光的加工結果[11]；1998年，長春光機所報道了其使用古典拋光方法進行LiNbO3芯片邊緣拋光的加工結果，但未包含端面的損傷情況[12]。涉及的加工方法既包括傳統(tǒng)的古典瀝青拋光方法(未報道面形、疵病等表面性能)，也包括離子束輔助拋光等新型的拋光方法。

本文基于傳統(tǒng)的古典拋光機，結合拋光墊拋光方法，開發(fā)了全新的邊緣拋光方法，實現了低損傷的芯片端面邊緣拋光，滿足了實際工程和使用需要。

1 LiNbO3芯片邊緣拋光要求

LiNbO3芯片的邊緣拋光的具體要求如圖1所示。

圖1 LiNbO3芯片邊緣拋光要求Fig.1 Requirements for edge polishing of LiNbO3 chips

主要加工面尺寸約為(7×1)mm2，芯片形狀從加工前的矩形變?yōu)榧庸ず蟮奶菪?，梯形角度?0°±0.5°；加工后芯片端面的表面粗糙度Ra≤0.8 nm，表面平面度優(yōu)于λ/2，端面與工作面的棱邊在500×顯微鏡下觀察不能有任何缺陷。

分析LiNbO3芯片邊緣拋光的技術要求，我們發(fā)現相對于通常的超光滑表面加工來說，粗糙度和平面度指標并不算高，主要難點集中在端面與工作面的棱邊在500×顯微鏡下觀察不能有任何缺陷。

2 分析

精密光學零件的超精密加工一般要經歷機械加工、研磨、拋光等過程，最終形成高度平滑的納米或亞納米級表面。在超精密加工過程中往往伴隨著接觸損傷和脆性斷裂，對于較軟的LiNbO3晶體還會出現晶體解理，情況更加嚴重。這些損傷就形成了超光滑表面的加工損傷層，可以分為表面損傷層和亞表面損傷層2個層次。

對于研磨拋光過程，表面損傷層主要來自工件與研拋漿料中大顆粒的撞擊產生的脆性斷裂；而亞表面損傷層往往處于拋光流變層下方，主要由研拋過程中產生的微裂紋組成。

大顆粒的來源主要有3種：環(huán)境中的灰塵、研拋顆粒的粒徑不均勻以及研拋顆粒團聚。對于環(huán)境灰塵，可以采用在潔凈環(huán)境中加工的方式進行規(guī)避。一般來說，研磨過程可以在潔凈環(huán)境中進行，而拋光過程必須在超凈環(huán)境中進行。對于粒徑不均勻，應盡量選擇粒徑分布均勻的研拋顆粒，必要時還要進行過濾。對于顆粒團聚，一方面應選擇化學物理性質相對穩(wěn)定的研磨或拋光粉，如金剛石粉；一方面可以在研拋漿料中增加分散劑或表面活性劑。此外，對研磨盤和拋光盤的表面面形也需要加以控制，從而減少局域凹點，阻止研拋漿料的堆積。

對于亞表面損傷層的控制，通過工藝參數優(yōu)化，在一定程度上可以減輕工藝過程產生的微裂紋，但改變拋光方法的效果最明顯。拋光墊拋光方法是一種低亞表面損傷的拋光方法，可以有效去除研磨階段產生的亞表面損傷，而且即使在高速、高壓的條件下也不會產生明顯損傷[13]。當然采用公認的無亞表面損傷磁流變拋光和離子束拋光等方法更好，但考慮到磁流變拋光和離子束拋光復雜昂貴的設備，選用拋光墊拋光更加經濟。

除以上2點之外，為實現無損邊緣拋光，拋光過程特別是最終拋光過程還應該局限于塑形切削范疇。

美國學者T. G. Bifano等人通過金剛石壓痕實驗總結出了脆性材料加工脆塑轉變的臨界條件[14]：

式中：αc為壓痕的臨界深度；E為材料的彈性模量；H為材料的硬度；Klc為材料的斷裂韌度。Bifano認為，只有當切削深度小于其臨界切削層深度值時，光學器件等脆性材料的塑性域超精密加工才能得以實現。對于LiNbO3晶體[15]，E=2.03×105MPa，H=5 586 MPa，Klc=1.17 MPa·m1/2，可以得到LiNbO3晶體的αc≈240 nm?？紤]到最終拋光工序中拋光盤的硬度一般會低于待加工材料，雖然通過理論計算可以發(fā)現絕大多數情況下拋光顆粒在芯片上的切削深度有限(常規(guī)拋光壓力)[16-17]，但即使拋光顆粒對于拋光盤和芯片各切削近1/2直徑的極端條件(大拋光壓力)，選用拋光顆粒平均粒徑500 nm左右的拋光粉仍是安全的。

所以，實現LiNbO3芯片無損邊緣拋光的3條要求是：

1) 控制研拋漿料中的大顆粒；

2) 選擇低亞表面損傷的拋光方式；

3) 拋光顆粒的大小接近或小于臨界切削深度的2倍。

3 芯片邊緣拋光

基于上述分析，我們進行了LiNbO3芯片邊緣拋光的工藝設計，總體工藝流程將采用成組、成型、上盤、研磨、拋光的方式進行。

3.1 成組

加工前需要對芯片進行成組，以擴大加工面積、提高加工效率并減少在研拋過程中的邊緣損傷。對工作面進行保護后，使用瀝青以7片芯片為一組進行相互粘接，使加工面成為正方形。

粘接劑，我們對比了環(huán)氧膠和瀝青。環(huán)氧膠選用的是樂泰417，而瀝青選用的是高熔點(～100 ℃)瀝青。總的來說，環(huán)氧膠粘接更加簡單，而瀝青粘接流程相對復雜。但從涂敷均勻性上來說，環(huán)氧膠較差，在芯片之間容易形成空隙，如圖2(a)，從而在研磨和拋光過程中容易嵌入粉末，形成缺陷；而瀝青則好得多，在500×顯微鏡下觀察無明顯空隙產生，如圖2(b)。

圖2 芯片成組Fig.2 Chips assembly

瀝青粘接步驟簡述如下：

芯片工作面朝上，放入烘箱中緩慢加熱到100 ℃。隨后，在一片芯片上滴1～2滴瀝青，再小心放上另一片芯片；以此類推，形成7片一組后在其頂部放置50 g配重。配重與芯片之間及芯片與溫箱之間隔有鋁箔，以防止損傷表面。隨后溫箱緩慢升溫至120 ℃，保溫2 h，以使多余瀝青被全部擠出。不斷清理多余瀝青直至不再有瀝青流出，關閉溫箱，芯片隨溫箱降至室溫。

3.2 成型

成型過程用于形成2個10°±0.5°芯片。我們最早采用的是研磨方法，余量很大，單邊就達到3 mm左右，效率很低，加工的表面質量相當不錯，但角度容易超差，在后期加工中很難修正；后來我們采用金剛石刀具銑削進行加工，雖然表面質量較差(圖3)，但角度精度很高。綜合考慮到為研磨和拋光工還需預留0.5 mm的余量，該損傷可以接受。

圖3 銑削后的棱邊狀態(tài)(200×)Fig.3 Edge state after milling (200×)

3.3 成盤

研磨和拋光過程需要使用保護性工裝，一方面對成組芯片進行夾持，擴大拋光面積；另一方面對芯片的棱邊起到一定的保護作用。

使用K10玻璃制作加工工裝，相對于早期使用的石英玻璃工裝來說，其硬度和加工特性與LiNbO3更加接近(努氏硬度560)，表面面型更容易保持，而且研拋產生的玻璃粉末也不至于損傷芯片表面。

工裝設計如圖4所示，在4個側面開有斜槽，角度滿足10°±0.1°，保證芯片的角度要求。芯片插入斜槽中，并與工裝一起放在光學平板上，保證上盤精度。在芯片和斜槽的縫隙中滴入低熔點粘接蠟進行固定。

圖4 研拋工裝Fig.4 Holding piece for grinding and polishing

3.4 研磨

研磨過程中，我們摒棄了傳統(tǒng)的金屬研磨盤，而采用了K9玻璃制成的研磨盤，因為玻璃研磨盤相對于金屬研磨盤面形可以加工到很好，使加工過程更加平穩(wěn)。玻璃研磨盤還可以修整到高1～2個光圈，使研磨粉很難在局部堆積。

研磨過程采用兩級研磨，研磨粉粒徑分別為W15和W5。研磨后使用顯微鏡觀察，其結果如圖5所示。

圖5 研磨后的棱邊狀態(tài)(100×)Fig.5 Edge statement after grinding (100×)

3.5 拋光

拋光過程在1 000級超凈環(huán)境中進行。為防止拋光粉顆粒團聚，選用金剛石微粉，并增加表面活性劑。拋光盤使用了K9玻璃盤，加工至高1～2個光圈，其上粘貼有Rodel的SUBA 800拋光墊；沒有使用瀝青盤的原因是金剛石粉嵌入瀝青盤后很難清理，最終會在瀝青盤表面形成一層硬殼，嚴重影響加工質量。

與瀝青盤不同，拋光墊的表面面形相對難以改變。為保證拋光質量，拋光墊的表面必須進行精修以保證面形精度。一般可以采用金屬研磨盤+玻璃研磨盤的方式進行修整，觀察玻璃研磨盤的面形以確定拋光墊表面的面形是否滿足使用要求。拋光前必須對拋光墊進行反復清洗以減少殘留顆粒，然后預拋光15 min以去除拋光墊上仍然可能殘留的大顆粒。拋光過程分為三級進行，分別采用W1、W0.5和W0.25的金剛石微粉。一般來說，W0.5微粉拋光后在500×顯微鏡下就已經觀察不到損傷了，與上述分析相符。最后增加一道W0.25微粉拋光以降低表面粗糙度。拋光過程中一般不施加拋光壓力，僅靠零件和工裝的自重進行拋光，拋光機的主軸轉速在10 r/m左右。

W1拋光后的表面質量如圖6所示，圖中仍可見微小崩邊。

圖6 W1金剛石粉拋光效果圖(500×)Fig.6 Edge statement after W1 diamonds polishing (500×)

經過W0.5微粉拋光后，缺陷已經基本不可見(圖7)。

圖7 W0.5金剛石粉拋光效果圖(500×)Fig.7 Edge statement after W0.5 diamonds polishing (500×)

使用W0.25微粉拋光后，使用HK-9700激光掃描顯微鏡在1 500×下觀察，其結果如圖8所示。

圖8 W0.25金剛石粉拋光效果圖(1 500×)Fig.8 Edge statement after W0.25 diamonds polishing (1 500×)

清洗后檢測粗糙度和面形，芯片端面的表面粗糙度Ra≤0.8 nm，如圖9(a)所示，表面平面度優(yōu)于λ/2，如圖9(b)，滿足加工需求。

圖9 平面度和粗糙度檢測結果Fig.9 Measurements for flatness and roughness

4 結論

本文研究了LiNbO3芯片邊緣拋光過程中產生損傷的主要原因，并提出了3條解決措施，即：控制研拋漿料中的大顆粒；選擇低亞表面損傷的拋光方式；拋光顆粒的大小接近或小于臨界切削深度的2倍。

通過工藝過程設計，實現了LiNbO3芯片無損邊緣拋光，棱邊在1 500×顯微鏡下觀察無可見缺陷，芯片端面的表面粗糙度Ra≤8 ×10-1nm，表面平面度優(yōu)于λ/2，具有極大的應用價值。

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