劉冬梅，李曉，付秀華，賈宗合，郭貴新

（長春理工大學(xué)光電工程學(xué)院，長春 130022）

基于鋁酸鎂尖晶石材料的化學(xué)機(jī)械拋光工藝技術(shù)研究

劉冬梅，李曉，付秀華，賈宗合，郭貴新

（長春理工大學(xué)光電工程學(xué)院，長春 130022）

透明鋁酸鎂尖晶石（MgAl2O4）具有優(yōu)異的光學(xué)性能，隨著光電技術(shù)的發(fā)展，鋁酸鎂尖晶石的需求量日益增加，對其表面質(zhì)量也提出更高的要求。分析了鋁酸鎂尖晶石材料的特性，針對鋁酸鎂尖晶石材料硬度大，加工效率低等難點(diǎn)，依據(jù)普林斯頓方程加工理論，采用化學(xué)機(jī)械方法對鎂鋁尖晶石進(jìn)行拋光。通過實驗研究了影響鋁酸鎂尖晶石研拋工藝過程的因素并對工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，使鋁酸鎂尖晶石表面質(zhì)量及加工效率得到了有效提高。

鋁酸鎂尖晶石；拋光效率；工藝因素；表面質(zhì)量

鋁酸鎂尖晶石（Spinel）化學(xué)式為(MgAl2O4)，為立方晶系，是由高純度特細(xì)的尖晶石粉末通過熱等靜壓的方法燒結(jié)而成的一種功能型陶瓷，鋁酸鎂尖晶石的飽和結(jié)構(gòu)使其具有較高的熱穩(wěn)定性，由常溫至高溫液相的過程中不經(jīng)歷相變也不會產(chǎn)生雙折射。對采用熱壓燒結(jié)結(jié)合熱等靜壓工藝制備的透明尖晶石陶瓷制品測試其主要性能，如表1所示［1］。

由表1可知，鋁酸鎂尖晶石耐磨性很好，硬度達(dá)莫氏8級，熔點(diǎn)為2135℃，高溫條件下仍能保持較好的穩(wěn)定性。尖晶石的硬度在隨溫度升高過程中變化很小，有很好的機(jī)械性能，藍(lán)寶石單晶雖然性能與尖晶石相近，但當(dāng)溫度從室溫變化至500℃時，硬度會至少下降一半［2］。兩者具有較為近似的光學(xué)性能，在紫外、可見光、紅外光波段的光學(xué)透過率都很高，尖晶石采用陶瓷的批量生產(chǎn)工藝，制造成本大大降低，并且能夠制成較大尺寸，因此近年來成為一種非常有應(yīng)用前景的光學(xué)材料。

60年代初，MgAl2O4粉末由美國GE公司合成，并用真空燒結(jié)或氣氛燒結(jié)制備出了透明尖晶石陶瓷材料。70年代末，美國軍方開始對熱壓尖晶石紅外整流罩進(jìn)行研究，通過實驗證明熱壓尖晶石的機(jī)械、光學(xué)和熱學(xué)等綜合性能較其它一般材料更為優(yōu)良。在80年代，美國的Coors Porcelain Company曾將透明鎂鋁尖晶石陶瓷商業(yè)化［3］并在紅外戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈系統(tǒng)中應(yīng)用。Rate Controlled Sintering（RCS）Technologies Inc采用燒結(jié)結(jié)合熱等靜壓工藝制備了光學(xué)和機(jī)械性能優(yōu)異的尖晶石陶瓷［4］。90年代初國內(nèi)的人工晶體研究院展開了對透明鎂鋁尖晶石陶瓷的研究，目前已經(jīng)研制出性能優(yōu)異的透明尖晶石陶瓷，并且已經(jīng)在高溫耐腐蝕紅外窗口材料、透明防彈裝甲等方面得到應(yīng)用。

目前國內(nèi)外的研究大多集中在鋁酸鎂尖晶石的合成工藝和材料性能上，對其研磨拋光工藝研究報道較少。鎂鋁尖晶石化學(xué)穩(wěn)定性極高、硬脆性較大，所以其加工困難，不容易得到較好的表面質(zhì)量，這是目前研究的難點(diǎn)。為了提高鋁酸鎂尖晶石加工效率和改善其表面質(zhì)量，著手于研究尖晶石的研拋機(jī)理和優(yōu)化研拋工藝參數(shù)具有重要的理論意義和應(yīng)用前景。

1 化學(xué)機(jī)械拋光理論

化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)（Chemical Mechanical Polishing，簡稱CMP）是結(jié)合拋光液的化學(xué)作用和磨粒的機(jī)械作用的一種加工技術(shù)，在化學(xué)作用下生成的軟質(zhì)層通過不斷的被機(jī)械作用去除的過程中實現(xiàn)工件表面的光滑或超光滑加工。

尖晶石的高硬脆性增大了它的加工難度：若采用傳統(tǒng)的機(jī)械方式即使用金剛石等硬質(zhì)磨料去除，具有較高的材料去除率的同時會帶來較大損傷，使后續(xù)加工過程更加繁雜；若采用純化學(xué)拋光，雖然能得到較好的表面質(zhì)量但同時會大大降低材料的去除率。使用CMP技術(shù)來實現(xiàn)鋁酸鎂尖晶石的光滑表面加工成為目前研究的方向［5］。

公式（1）和（2）是CMP的基礎(chǔ)理論依據(jù)。

公式（1）為“Preston”假設(shè)理論，根據(jù)該理論可以創(chuàng)建以下形式的數(shù)學(xué)線性結(jié)構(gòu)的模型：式中，K是由模具材料、溶液濃度、室溫和潮濕程度等因素決定的，定義為比例常數(shù)。V(x,y,t)是制造光學(xué)元件表面上隨意選擇一點(diǎn)(x,y)和該點(diǎn)瞬時間(t)內(nèi)的拋光速度。P(x,y,t)是研拋過程中光學(xué)元件受到的壓力，該模型對材料的去除率與壓力和速度之間的關(guān)系進(jìn)行了定性的說明；公式（2）是說明化學(xué)作用速率的阿累尼烏斯方程，其中K為頻率因子常數(shù)，Ea為反應(yīng)活化能，R為氣體常數(shù)，T是絕對溫度。

在化學(xué)機(jī)械拋光過程中反應(yīng)速率不是機(jī)械與化學(xué)作用的簡單相加，實際反應(yīng)速率比單純的機(jī)械作用速率和單純的化學(xué)作用的和要大。

在化學(xué)機(jī)械拋光過程中使材料表面去除并獲得光滑表面的機(jī)理主要包括［6］：

（1）磨損機(jī)理：在拋光過程中，在一定壓力作用下元件表面材料與磨料不斷發(fā)生機(jī)械作用進(jìn)而達(dá)到材料的去除。

（2）化學(xué)機(jī)理：在拋光過程中，元件表面材料和拋光液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成的物質(zhì)硬度比材料要小，在磨粒的機(jī)械作用下使表面材料更快的去除。

（3）流動機(jī)理：在拋光過程中，粗糙表面峰點(diǎn)位置的材料流到峰谷處，逐漸使表面光滑。

2 影響鋁酸鎂尖晶石拋光效果的因素分析

實驗采用如圖1所示的化學(xué)機(jī)械拋光方法，采用聚氨酯材料制成的拋光墊，為使實驗樣品表面形貌一致，選擇氣泡率較小的尖晶石樣品，采用W40的金剛砂對樣品粗磨8min，W28的金剛砂對其精磨20min，初始表面粗糙度為0.132μm，在恒溫23℃條件下，選取不同磨料配置濃度為10%的拋光液，調(diào)節(jié)研拋液pH值，調(diào)整工件和旋轉(zhuǎn)平臺的相對轉(zhuǎn)速，拋光時間為4h。用測厚儀測得每次實驗后材料的厚度變化并計算出材料去除率，用白光干涉儀測量每次實驗后樣品的表面粗糙度，采取單一因子實驗法對比分析拋光前后的厚度及粗糙度，測試樣品表面并對結(jié)果進(jìn)行數(shù)學(xué)平均。

圖1 化學(xué)機(jī)械拋光示意圖

2.1 磨料的影響

拋光液中磨料在拋光過程中起到重要的影響效果，碳化硅、硅溶膠、氧化鋁磨料等是常用的磨料，使用納米粒度儀分析磨料粒徑分布如圖2所示。

圖2 不同磨料粒子的粒徑分布

在同樣的室溫及其它實驗條件下，分別采用平均粒徑為600nm左右的Al2O3粒子，平均粒徑為500nm左右的SiC粒子和平均粒徑為110nm的SiO2制成分散液，對鋁酸鎂尖晶石晶片拋光四小時。

圖3 不同磨料對材料表面質(zhì)量的影響

圖3（a）（b）是不同磨料粒子在相同濃度條件下對晶片的材料去除率和表面粗糙度的關(guān)系。在相同質(zhì)量濃度的條件下，磨粒的粒徑越大則在單位接觸面積內(nèi)與晶片作用的磨粒數(shù)就越少，單個磨粒受到的壓力過大，去除速率反而過低；由于拋光后材料的表面粗糙度與磨粒切削深度平均值成正比，磨粒粒徑越小時參與到拋光過程中的粒徑數(shù)越多，單個磨粒受到的壓力越小，切削深度隨之減少。由于二氧化硅溶膠粒徑最小，碳化硅次之，氧化鋁粒徑最大，因此硅溶膠對材料的去除率相對最高，拋光后得到的材料表面粗糙度相對最佳。所以在拋光過程中選擇二氧化硅溶膠作為磨料。

2.2 介質(zhì)的選擇

在CMP過程中，酸性或堿性介質(zhì)中的化學(xué)成分與鋁酸鎂尖晶石表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成腐蝕層覆蓋在尖晶石表面，這層化學(xué)腐蝕層即為軟質(zhì)層，形成的軟質(zhì)層使工件的臨界切深變大［8］且硬度較鋁酸鎂尖晶石小，可以更快的促使表面材料去除，同時pH值也影響了拋光液中磨料的懸浮程度即膠體的穩(wěn)定度［9］。

鋁酸鎂尖晶石(MgAl2O4)理論上含有Al2O371.7%，MgO28.3%，在酸性介質(zhì)中與研拋液接觸部分可發(fā)生反應(yīng)為：

在堿性介質(zhì)中能夠發(fā)生如下所示的化學(xué)反應(yīng)：

理論上分析，在酸堿研拋液中，鋁酸鎂尖晶石與其接觸部分都應(yīng)能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成硬度較其本身小的一層軟質(zhì)層，但考慮實際情況，酸性研拋液具有較強(qiáng)的腐蝕性，對設(shè)備造成腐蝕產(chǎn)生金屬離子，不僅對人體造成危害而且也會污染環(huán)境，所以實驗過程中采用堿性介質(zhì)并調(diào)節(jié)pH值進(jìn)行對比。

采用上述平均粒徑為110nm的SiO2溶膠作為磨料，在鋁酸鎂尖晶石拋光液中加入醇胺類有機(jī)弱堿（1%的三乙醇胺）調(diào)節(jié)pH值。圖4（a）、（b）為拋光液的pH值與材料去除率和拋光后尖晶石表面粗糙度的變化關(guān)系?？煽闯觯{(diào)節(jié)pH值在10.5～11.5范圍內(nèi)時，尖晶石材料去除率和拋光后尖晶石表面粗糙度能同時達(dá)到優(yōu)化。此時拋光過程中被去除的顆粒更容易懸浮在拋光液中，不僅有效防止了硅溶膠的沉淀而且使拋光過程中的化學(xué)作用得到增強(qiáng)，提高了尖晶石材料去除速率。

圖4 拋光液pH值對材料表面質(zhì)量的影響

2.3 相對轉(zhuǎn)速的影響

實驗中通過改變尖晶石工件與拋光墊的相對轉(zhuǎn)速，得出相對轉(zhuǎn)速與材料去除率的關(guān)系。

圖5 相對轉(zhuǎn)速對表面質(zhì)量的影響

從圖5（a）中可以看出，在相對轉(zhuǎn)速變大時尖晶石的材料去除率呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，相對轉(zhuǎn)速為150rmp時材料的去除率達(dá)到最大，相對速率進(jìn)一步增加時，材料去除率反而下降。圖5（b）顯示了相對轉(zhuǎn)速與尖晶石表面粗糙度的關(guān)系，與圖5（a）相反，表面粗糙度隨相對轉(zhuǎn)速的增大先降低后增加。

由實驗得到，在相對轉(zhuǎn)速變大時材料去除率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，拋光后表面粗糙度先變小后變大。當(dāng)轉(zhuǎn)速較小時，拋光液不能被均勻的甩開，在拋光過程中主要以機(jī)械去除為主，此時拋光速率過慢表面粗糙度過大；當(dāng)轉(zhuǎn)速過大時離心作用過強(qiáng)，拋光液很難進(jìn)入材料表面，因此也不能達(dá)到很好的拋光效果。

3 結(jié)論

通過對影響鎂鋁尖晶石化學(xué)機(jī)械拋光的幾個較為重要的參數(shù)進(jìn)行實驗對比，得出在鋁酸鎂尖晶石拋光過程中首先應(yīng)該選擇堿性的介質(zhì)，當(dāng)pH為11左右時，鋁酸鎂尖晶石的材料去除率和表面粗糙度能同時達(dá)到優(yōu)化。其次，在拋光研磨過程中應(yīng)當(dāng)加入適當(dāng)濃度的平均粒徑為110nm的SiO2以提高拋光效率。最后工件與拋光墊的相對轉(zhuǎn)速在125rmp～150rmp范圍內(nèi)時鋁酸鎂尖晶石的材料去除率和表面粗糙度能同時達(dá)到優(yōu)化。

鋁酸鎂尖晶石的化學(xué)機(jī)械拋光過程是一個物理和化學(xué)結(jié)合作用的過程，其影響因素較多需要各個方面綜合考慮，只有在完善化學(xué)機(jī)械拋光機(jī)理模型的基礎(chǔ)上針對鋁酸鎂尖晶石的物理化學(xué)特性進(jìn)行定性定量分析才可能找到相對較好的加工藝方案，較高效率地獲得表面質(zhì)量較好的光滑表面。

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Chemical-Mechanical Polishing Technology for Optical Manufature Based on Magnesia Alumina Spinel

LIU Dongmei，LI Xiao，F(xiàn)U Xiuhua，JIA Zongshe，GUO Guixin
（School of Optoelectronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

Transparent magnesium aluminate spinel has excellent optical performance，with the development of photovoltaic technology，the demand of magnesium aluminate spinel is increasing，and on the surface of the higher quality requirements are also put forward.This paper analyses the characteristics of the magnesium aluminate spinel material，in view of the difficulty of hardness and low processing efficiency of it，based on the theory of Princeton equation processing，using the method of chemical-mechanical polishing of magnesium aluminate spinel.The factors affecting the polishing process of aluminum magnesium aluminate spinel were studied by experiments，and the process parameters were optimized.The performance and machining efficiency of the magnesium aluminate spinel were improved effectively.

magnesium aluminate spinel；polishing efficiency；process factor；surface quality

TH706

A

1672-9870（2017）01-0047-04

2016-08-16

吉林省重大科技攻關(guān)專項資助（20140203002G）

劉冬梅（1970-），女，教授，E-mail：sjx8811@sohu.com