殷際東，呂玉山，劉新偉，李偉凡，李雨菲，趙國(guó)偉

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110159)

碘化銫晶體的水解拋光實(shí)驗(yàn)研究

殷際東，呂玉山，劉新偉，李偉凡，李雨菲，趙國(guó)偉

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110159)

為獲得具有超光滑表面的碘化銫(CsI(TI))基片,需對(duì)其表面進(jìn)行拋光加工處理。利用CsI(TI)晶體的水解特性和化學(xué)機(jī)械拋光理論，提出對(duì)CsI(TI)采用水解拋光的加工方法。通過(guò)改變拋光加工中的工藝參數(shù)，即拋光液配比、轉(zhuǎn)速和壓強(qiáng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，獲得水解拋光CsI(TI)晶體的拋光機(jī)制及表面粗糙度Ra與材料去除率隨加工用量的變化規(guī)律。

碘化銫；水解拋光；粗糙度；去除率

隨著高能物理的發(fā)展,無(wú)機(jī)閃爍晶體的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬,同時(shí)也對(duì)無(wú)機(jī)閃爍晶體加工技術(shù)提出了更多更高的要求。無(wú)機(jī)閃爍晶體是一種新型光功能晶體材料，它在吸收X-射線、γ-射線或其它高能粒子的能量后會(huì)發(fā)出紫外線或可見(jiàn)光。將閃爍晶體與光電倍增管(PMT)、硅光二極管(Si-PD)或雪崩二極管(APD)耦合制成的晶體閃爍計(jì)數(shù)器是高能物理、核物理和核醫(yī)學(xué)中的一個(gè)重要探測(cè)儀器,其中以CsI(TI)晶體性能較為突出，其發(fā)射光譜可與硅光二極管匹配,光產(chǎn)額高,輻照長(zhǎng)度較NaI(Tl)晶體短,機(jī)械性能好,CsI(Tl)晶體光產(chǎn)額是BGO晶體的幾倍,與NaI(TI)晶體相近,而輻照強(qiáng)度比NaI(Tl)高一個(gè)數(shù)量級(jí),生產(chǎn)成本相對(duì)較低,成為一種優(yōu)良實(shí)用的閃爍晶體材料,尤其適用于中低能量粒子的探測(cè)。近幾年來(lái),該晶體由于抗輻照能力得到提高而倍受青睞,先后被日本高能物理研究所(KEK)和美國(guó)的斯坦福線性加速器中心(SLAC)選中作為構(gòu)造B-Factory實(shí)驗(yàn)的精密電磁量能器的探測(cè)器[1-2]。我國(guó)的正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)(BEPC)升級(jí)改造也選用CsI(Tl)晶體[3]。

CsI(T1)是一種無(wú)色晶體，密度4.51g/cm3，熔點(diǎn)621℃，沸點(diǎn)1280℃，可溶于水(44g/100mL，0℃；74g/100mL，20℃)和醇類。在晶體的各項(xiàng)指標(biāo)中，晶體的表面粗糙度無(wú)疑是影響其應(yīng)用的重要指標(biāo)之一,因此,獲得具有超光滑表面的基片成為該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。由于CsI(TI)晶體可溶于水，本文研究利用水解并結(jié)合化學(xué)機(jī)械拋光的原理，對(duì)CsI(Tl)表面進(jìn)行加工處理。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與條件

實(shí)驗(yàn)在一臺(tái)擺式研磨拋光機(jī)上進(jìn)行，如圖1所示。

圖1 擺式研磨拋光機(jī)

該拋光機(jī)可以實(shí)現(xiàn)固結(jié)磨料和散體磨料的研磨和化學(xué)機(jī)械拋光、電解研磨等，主要用于電子基片和其它平面零件的精密研磨和拋光的研究。拋光機(jī)參數(shù)見(jiàn)表1所示。在拋光過(guò)程中，基盤旋轉(zhuǎn)，擺臂正弦擺動(dòng)護(hù)環(huán)帶動(dòng)晶片自轉(zhuǎn)。在晶片上加不銹鋼壓快來(lái)實(shí)現(xiàn)加載，用石蠟將晶片粘結(jié)在不銹鋼的載體上。拋光墊是由含有填充材料纖維的聚胺酯組成，用來(lái)控制拋光墊的硬度[4-5],其硬度為60g/cm3，厚度2mm。采用布魯克Counter GT-K光學(xué)輪廓儀測(cè)量粗糙度和生成表面形貌。實(shí)驗(yàn)用CsI(TI)晶體統(tǒng)一為40mm×20mm的長(zhǎng)方體晶片，晶片的材料去除率通過(guò)厚度的變化表示。用基恩士KG-30激光位移傳感器測(cè)量晶體厚度變化，計(jì)算差值得到材料去除率。

表1 拋光機(jī)參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 水含量對(duì)水解拋光的影響

由于水含量在水解拋光CsI(TI)晶體中決定水解作用的大小，因此需要對(duì)水含量進(jìn)行重點(diǎn)研究。實(shí)驗(yàn)選取乙二醇、水和表面活性劑作為拋光液的主要成分，通過(guò)了解與CsI(TI)晶體性質(zhì)相似的KDP晶體在水解拋光時(shí)拋光液的配比量，配置三種水含量不同的拋光液進(jìn)行實(shí)驗(yàn),如表2所示。拋光盤轉(zhuǎn)速設(shè)定為40r/min，壓強(qiáng)為10kPa，拋光液流量為48mL/min，時(shí)間設(shè)定為5min，實(shí)驗(yàn)獲得的粗糙度Ra和材料去除率如圖2所示。

表2 不同水含量的拋光液配比 %

由圖2可知，當(dāng)水的比例從1%上升到9%時(shí)，表面粗糙度從39nm上升到68nm，材料去除率從0.117mm/min上升到0.3114mm/min?？梢?jiàn)，隨著水比例的上升，晶體表面粗糙度有了明顯的上升，材料去除率也隨之上升。這是因?yàn)楫?dāng)水的比例過(guò)高時(shí)，水解作用大于機(jī)械作用，兩種作用沒(méi)有很好地配合；當(dāng)水比例下降后，水解作用下降，并與機(jī)械作用逐漸達(dá)到平衡，表面質(zhì)量得到提升。

2.2 拋光盤轉(zhuǎn)速對(duì)拋光加工的影響

實(shí)驗(yàn)選取拋光盤轉(zhuǎn)速為10～60r/min的區(qū)間，設(shè)定拋光液配比為90∶1∶9，壓強(qiáng)為10kPa，拋光液流量為48mL/min。實(shí)驗(yàn)后的粗糙度和去除率如圖3所示。

由圖3a可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速?gòu)?0r/min增加到20r/min，表面粗糙度從22nm下降到16nm；當(dāng)轉(zhuǎn)速?gòu)?0r/min增加到60r/min,表面粗糙度從16nm增加到62nm。可見(jiàn)，隨著轉(zhuǎn)速的增加，表面粗糙度首先逐漸降低，在20r/min時(shí)達(dá)到最低；而后隨著轉(zhuǎn)速上升，表面粗糙度逐漸增加，在30～40r/min之間趨于穩(wěn)定；轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升，表面粗糙度隨之增加。這是因?yàn)楫?dāng)轉(zhuǎn)速低時(shí)，機(jī)械作用小于水解作用，隨著轉(zhuǎn)速不斷增加，機(jī)械作用不斷增加，在20r/min時(shí)與水解作用達(dá)到平衡，隨后超過(guò)了水解作用。由圖3b可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速?gòu)?0r/min增加到60r/min，材料去除率從0.0828mm/min增加到0.1317mm/min。這是因?yàn)殡S著轉(zhuǎn)速的增加，機(jī)械作用不斷增加，材料去除率隨之逐漸增加。

圖2 水含量對(duì)表面粗糙度和材料去除率的影響

2.3 壓強(qiáng)對(duì)拋光加工的影響

實(shí)驗(yàn)選取壓強(qiáng)為6～20kPa的區(qū)間，設(shè)定拋光液配比為90∶1∶9,轉(zhuǎn)速為40r/min，拋光液流速為48mL/min。實(shí)驗(yàn)后的粗糙度和去除率如圖4所示。

由圖4a可知，當(dāng)壓強(qiáng)從6kPa增加到10kPa，表面粗糙度從43nm降到了38nm；壓強(qiáng)從10kPa到16kPa，表面粗糙度變化不大；壓強(qiáng)從16kPa增加到20kPa，表面粗糙度從38nm增加到44nm。可見(jiàn)，隨著壓強(qiáng)的增加表面粗糙度逐漸降低，在10kPa到16kPa之間趨于穩(wěn)定，而后隨著壓強(qiáng)繼續(xù)增加，表面粗糙度又有一定的增加。這是因?yàn)闄C(jī)械作用隨著壓強(qiáng)的增加，從小于水解作用逐漸達(dá)到與水解作用相近，而后壓強(qiáng)不斷增加，機(jī)械作用超過(guò)水解作用。圖4b壓強(qiáng)從6kPa增加到10kPa，材料去除率從0.1289mm/min下降到0.1056mm/min；當(dāng)壓強(qiáng)從10kPa增加到16kPa時(shí)，材料去除率從0.1056mm/min增加到0.1861mm/min；當(dāng)壓強(qiáng)從16kPa增加到20kPa時(shí)，材料去除率從0.1861mm/min下降到0.1575mm/min。可見(jiàn)，隨著壓強(qiáng)的增加，材料去除率起初有所降低，隨后不斷增加，最后略有下降。這是因?yàn)閽伖鈮|質(zhì)地較軟，有一定的拋光液儲(chǔ)存能力；起初水解作用相對(duì)較強(qiáng)，機(jī)械作用相對(duì)較弱；隨著拋光壓強(qiáng)的逐漸提高，與晶體相對(duì)的拋光墊區(qū)域所儲(chǔ)存的拋光液逐漸被擠壓出該區(qū)域，使得該區(qū)域所儲(chǔ)存的拋光液逐漸減少，水解作用逐漸減弱，機(jī)械作用逐漸增強(qiáng)。

圖3 拋光盤轉(zhuǎn)速對(duì)表面粗糙度和材料去除率的影響

圖4 壓強(qiáng)對(duì)表面粗糙度和材料去除率的影響

3 去除機(jī)制和表面平坦化分析

晶片的化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)是將被拋光晶片壓在與其同方向旋轉(zhuǎn)的彈性拋光墊上，拋光漿料在晶片與底板之間連續(xù)流動(dòng)，上下盤高速反向旋轉(zhuǎn)，被拋光晶片表面的反應(yīng)產(chǎn)物被不斷地剝離，反應(yīng)產(chǎn)物隨拋光漿料帶走，新拋光漿料補(bǔ)充進(jìn)去，新裸露的晶片平面又發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)物再被剝離下來(lái)，如此循環(huán)往復(fù)[6]，在底板、磨粒和化學(xué)反應(yīng)劑的聯(lián)合作用下，形成超精密表面。當(dāng)機(jī)械磨削和化學(xué)侵蝕同時(shí)作用于晶體表面時(shí)存在有如下關(guān)系[7]:

式中：Vτ為侵蝕的切向速度；Vp為機(jī)械拋光的法向速度；Vn為化學(xué)侵蝕的法向速度；Vτ有效為有效切向的一級(jí)近似。

要想獲取較理想的加工表面,應(yīng)使Vτ有效= 0,即Vp=Vn,也就是說(shuō)使拋光過(guò)程中的化學(xué)腐蝕作用與機(jī)械磨削作用達(dá)到一種平衡。如果化學(xué)腐蝕作用大于機(jī)械拋光作用，則會(huì)在拋光片表面產(chǎn)生腐蝕坑、桔皮狀波紋；反之，機(jī)械拋光作用大于化學(xué)腐蝕作用則表面產(chǎn)生高損傷層[8]。

水解拋光中水解即是化學(xué)反應(yīng)，CsI是堿金屬與鹵族元素形成的鹽類,屬典型的離子鍵結(jié)合,Cs+和I-是無(wú)色的,形成的鹽應(yīng)是白色粉末或無(wú)色結(jié)晶。碘是鹵族元素中離子半徑較大的元素,其電負(fù)性(2.6)小于氧原子(3.5),在高溫下易于氧化和水解[9]:

4CsI+O2=2Cs2O+2I2

CsI+H2O=CsOH+HI

因此可得到水解拋光的機(jī)制，即：含水的拋光液儲(chǔ)存在拋光墊中，拋光液通過(guò)拋光墊向 CsI(TI)晶體表面施加水解作用，使其表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)即化學(xué)腐蝕，選擇性地使CsI(TI)晶體表面凸起處溶解并生成溶解層，溶解層及時(shí)被拋光墊的機(jī)械摩擦作用去除，使 CsI(TI)晶體基體材料重新裸露出來(lái)，如此往復(fù)，使CsI(TI)晶體表面逐漸趨于平整。從前述可知，當(dāng)機(jī)械作用過(guò)大或水解作用過(guò)大都會(huì)對(duì)表面質(zhì)量產(chǎn)生影響，只有使兩種作用平衡才能得到較理想的加工表面。

拋光前后的表面形貌如圖5所示。

圖5 加工前后晶體表面

由圖5可見(jiàn)，拋光加工前晶體表面溝壑明顯，峰值突出；隨著拋光加工的進(jìn)行，經(jīng)過(guò)不斷的水解作用和機(jī)械摩擦作用相互配合后，凸起的峰值不斷被降低，逐漸與低洼處接近，溝壑也明顯減少，晶體表面趨于平坦，表面質(zhì)量得到提升。

4 結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，獲得了CsI(TI)晶體的粗糙度和材料去除率在不同加工用量下的變化規(guī)律。調(diào)整加工用量使水解作用與機(jī)械作用相配合，水解作用過(guò)大或機(jī)械作用過(guò)大都會(huì)對(duì)表面質(zhì)量產(chǎn)生影響。選用拋光參數(shù)：拋光盤轉(zhuǎn)速20r/min，壓強(qiáng)10kPa，拋光液選用乙二醇、水和表面活性劑(配比為90∶1∶9)，可以獲得較好的表面粗糙度和材料去除率，提升表面質(zhì)量。

[1]Sagawa H.The Belle calorimeter[C]//Beijing Calorimetry Symposium,Beijing,1994:25-27.

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[3]陳昭瓊.精細(xì)化工產(chǎn)品配方合成及應(yīng)用[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1999.

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[6]陳昭瓊.精細(xì)化工產(chǎn)品配方合成及應(yīng)用[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1999.

[7]廉進(jìn)衛(wèi)，張大全.化學(xué)機(jī)械拋光液的研究進(jìn)展[J].化學(xué)世界，2006(9):565-567.

[8]夏宗仁,李春忠,崔坤.聲表面波器件用Y36°切LiTaO3晶片表面加工研究[J].人工晶體學(xué)報(bào),2001,30(4):419.

[9]Heslop R B,Jones K.Inorganic Chemistry[M].Amsterdam:Elsevier Scientific Publishing Company Press,1976:525-540.

(責(zé)任編輯：趙麗琴)

Polishing Experiments Based on the Hydrolysis of Cesium Iodide Crystal

YIN Jidong，LYU Yushan,LIU Xinwei，LI Weifan，LI Yufei，ZHAO Guowei

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

In order to obtain super smooth surface of the CsI(TI)substrate,it is necessary to polish its surface.With the help of the property of crystal hydrolysis and the theory of chemical mechanical polishing,the hydrolysis polishing method of CsI(TI)was put forward.By changing the polishing process parameters including the slurry ratio,the speed of polishing plate,polishing pressure in experiments,the mechanism of the hydrolysis polishing CsI(TI)crystal was obtained.In addition,the changing rule of roughness Ra and material removal rate with different processing parameters was discovered. Key words： CsI(TI);hydrolysis polishing;surface soughness;material removal rate

2016-11-18

殷際東(1989—)，男，碩士研究生；通訊作者：呂玉山(1961—),男,教授,工學(xué)博士，研究方向：精密、超精密加工技術(shù)。

1003-1251(2017)03-0077-04

TH161;TG146

A