基于鋁酸鎂尖晶石材料的化學機械拋光工藝技術研究

劉冬梅，李曉，付秀華，賈宗合，郭貴新

（長春理工大學光電工程學院，長春 130022）

基于鋁酸鎂尖晶石材料的化學機械拋光工藝技術研究

劉冬梅，李曉，付秀華，賈宗合，郭貴新

（長春理工大學光電工程學院，長春 130022）

透明鋁酸鎂尖晶石（MgAl2O4）具有優異的光學性能，隨著光電技術的發展，鋁酸鎂尖晶石的需求量日益增加，對其表面質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，依據普林斯頓方程加工理論，采用化學機械方法對鎂鋁尖晶石進行拋光。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進行了優化，使鋁酸鎂尖晶石表面質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；表面質量

鋁酸鎂尖晶石（Spinel）化學式為(MgAl2O4)，為立方晶系，是由高純度特細的尖晶石粉末通過熱等靜壓的方法燒結而成的一種功能型陶瓷，鋁酸鎂尖晶石的飽和結構使其具有較高的熱穩定性，由常溫至高溫液相的過程中不經歷相變也不會產生雙折射。對采用熱壓燒結結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，硬度達莫氏8級，熔點為2135℃，高溫條件下仍能保持較好的穩定性。尖晶石的硬度在隨溫度升高過程中變化很小，有很好的機械性能，藍寶石單晶雖然性能與尖晶石相近，但當溫度從室溫變化至500℃時，硬度會至少下降一半［2］。兩者具有較為近似的光學性能，在紫外、可見光、紅外光波段的光學透過率都很高，尖晶石采用陶瓷的批量生產工藝，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用前景的光學材料。

60年代初，MgAl2O4粉末由美國GE公司合成，并用真空燒結或氣氛燒結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行研究，通過實驗證明熱壓尖晶石的機械、光學和熱學等綜合性能較其它一般材料更為優良。在80年代，美國的Coors Porcelain Company曾將透明鎂鋁尖晶石陶瓷商業化［3］并在紅外戰術導彈系統中應用。Rate Controlled Sintering（RCS）Technologies Inc采用燒結結合熱等靜壓工藝制備了光學和機械性能優異的尖晶石陶瓷［4］。90年代初國內的人工晶體研究院展開了對透明鎂鋁尖晶石陶瓷的研究，目前已經研制出性能優異的透明尖晶石陶瓷，并且已經在高溫耐腐蝕紅外窗口材料、透明防彈裝甲等方面得到應用。

目前國內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。鎂鋁尖晶石化學穩定性極高、硬脆性較大，所以其加工困難，不容易得到較好的表面質量，這是目前研究的難點。為了提高鋁酸鎂尖晶石加工效率和改善其表面質量，著手于研究尖晶石的研拋機理和優化研拋工藝參數具有重要的理論意義和應用前景。

1 化學機械拋光理論

化學機械拋光技術（Chemical Mechanical Polishing，簡稱CMP）是結合拋光液的化學作用和磨粒的機械作用的一種加工技術，在化學作用下生成的軟質層通過不斷的被機械作用去除的過程中實現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：若采用傳統的機械方式即使用金剛石等硬質磨料去除，具有較高的材料去除率的同時會帶來較大損傷，使后續加工過程更加繁雜；若采用純化學拋光，雖然能得到較好的表面質量但同時會大大降低材料的去除率。使用CMP技術來實現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的基礎理論依據。

公式（1）為“Preston”假設理論，根據該理論可以創建以下形式的數學線性結構的模型：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。V(x,y,t)是制造光學元件表面上隨意選擇一點(x,y)和該點瞬時間(t)內的拋光速度。P(x,y,t)是研拋過程中光學元件受到的壓力，該模型對材料的去除率與壓力和速度之間的關系進行了定性的說明；公式（2）是說明化學作用速率的阿累尼烏斯方程，其中K為頻率因子常數，Ea為反應活化能，R為氣體常數，T是絕對溫度。

在化學機械拋光過程中反應速率不是機械與化學作用的簡單相加，實際反應速率比單純的機械作用速率和單純的化學作用的和要大。

在化學機械拋光過程中使材料表面去除并獲得光滑表面的機理主要包括［6］：

（1）磨損機理：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生機械作用進而達到材料的去除。

（2）化學機理：在拋光過程中，元件表面材料和拋光液發生化學反應生成的物質硬度比材料要小，在磨粒的機械作用下使表面材料更快的去除。

（3）流動機理：在拋光過程中，粗糙表面峰點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所示的化學機械拋光方法，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，調節研拋液pH值，調整工件和旋轉平臺的相對轉速，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果進行數學平均。

圖1 化學機械拋光示意圖

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系。在相同質量濃度的條件下，磨粒的粒徑越大則在單位接觸面積內與晶片作用的磨粒數就越少，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 介質的選擇

在CMP過程中，酸性或堿性介質中的化學成分與鋁酸鎂尖晶石表面發生化學反應生成腐蝕層覆蓋在尖晶石表面，這層化學腐蝕層即為軟質層，形成的軟質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定度［9］。

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

在堿性介質中能夠發生如下所示的化學反應：

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能發生化學反應生成硬度較其本身小的一層軟質層，但考慮實際情況，酸性研拋液具有較強的腐蝕性，對設備造成腐蝕產生金屬離子，不僅對人體造成危害而且也會污染環境，所以實驗過程中采用堿性介質并調節pH值進行對比。

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弱堿（1%的三乙醇胺）調節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系。可看出，調節pH值在10.5～11.5范圍內時，尖晶石材料去除率和拋光后尖晶石表面粗糙度能同時達到優化。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作用得到增強，提高了尖晶石材料去除速率。

圖4 拋光液pH值對材料表面質量的影響

2.3 相對轉速的影響

實驗中通過改變尖晶石工件與拋光墊的相對轉速，得出相對轉速與材料去除率的關系。

圖5 相對轉速對表面質量的影響

從圖5（a）中可以看出，在相對轉速變大時尖晶石的材料去除率呈現先增加后減小的趨勢，相對轉速為150rmp時材料的去除率達到最大，相對速率進一步增加時，材料去除率反而下降。圖5（b）顯示了相對轉速與尖晶石表面粗糙度的關系，與圖5（a）相反，表面粗糙度隨相對轉速的增大先降低后增加。

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

3 結論

通過對影響鎂鋁尖晶石化學機械拋光的幾個較為重要的參數進行實驗對比，得出在鋁酸鎂尖晶石拋光過程中首先應該選擇堿性的介質，當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到優化。其次，在拋光研磨過程中應當加入適當濃度的平均粒徑為110nm的SiO2以提高拋光效率。最后工件與拋光墊的相對轉速在125rmp～150rmp范圍內時鋁酸鎂尖晶石的材料去除率和表面粗糙度能同時達到優化。

鋁酸鎂尖晶石的化學機械拋光過程是一個物理和化學結合作用的過程，其影響因素較多需要各個方面綜合考慮，只有在完善化學機械拋光機理模型的基礎上針對鋁酸鎂尖晶石的物理化學特性進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，FU 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專項資助（20140203002G）

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