一种软脆薄膜超光滑无损伤纳米磨削加工方法技术

一种软脆薄膜超光滑无损伤纳米磨削加工方法，属于软脆晶体及薄膜超精密加工技术领域，特别涉及软脆半导体晶体及薄膜的纳米磨削加工方法。其特征是采用#10000-#300000的超细金刚石粉体作为磨料，采用陶瓷作为结合剂的一种纳米磨削方法。磨削液为去离子水，材料的去除率为1-20μm/min，主轴转速为1600-2400r/min，工件转速为50-200r/min。适合的软脆晶体及薄膜的纳米硬度值为0.1-2GPa，可以加工厚度为500nm以上的软脆晶体及薄膜。本发明专利技术的效果和益处是实现了软脆晶体和薄膜的超光滑无损伤纳米磨削的加工效果。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于软脆晶体及薄膜超精密加工
，特别涉及软脆半导体晶体及薄膜的纳米磨削加工方法。
技术介绍
随着红外焦平面阵列技术的快速发展，半导体产业界对新兴的第三代软脆晶体及薄膜的平面度、表面质量及完整性的要求越来越高，超精密磨削由于具有在平面度、材料去除率、低成本等方面具有独特的优势，因此在第三代新兴软脆半导体晶体及薄膜的超精密加工中得到越来越多的重视，而纳米磨削技术越来越成为超精密磨削的发展趋势和方向。 但是，目前国际上鲜有第三代软脆薄膜半导体超精密加工方面的报道；而对于软脆半导体晶体的加工，还主要采用的是传统的游离磨料研磨-抛光-化学腐蚀的加工方法。这种加工方法采用的游离磨料容易嵌入软脆晶体的加工表面，一旦嵌入，将很难去除；即使去除，也会在加工表面留下凹坑、微塑性变形、以及微划痕等加工缺陷。化学腐蚀虽然能够去除加工表面留下的损伤层，但是会留下腐蚀沟，从而降低软脆半导体光电元件的服役性能。另一方面，这种传统的研磨-抛光加工方法，容易造成第三代软脆半导体晶体表面破碎、划痕、崩边等加工缺陷。用这种方法加工软脆晶体及薄膜时具有成功率低、废品率高、加工时间长、 成本高等方面的不足。而随着第三代软脆晶体及薄膜在军事、国防、航空、航天、天体物理、 高尖端技术方面的快速发展，目前的传统的加工方法已不能满足第三代新兴软脆半导体晶体及薄膜的对于加工表面苛刻的质量及完整性方面的要求，如加工后的工件表面达到纳米级的超光滑无损伤的要求。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供，采用陶瓷作为结合剂，超细金刚石粉体作为磨料，去离子水作为磨削液，实现软脆晶体及薄膜超光滑无损伤纳米磨削加工的目的，解决目前采用传统游离磨料研磨-抛光-化学腐蚀加工方法容易导致的游离磨料嵌入、崩边、破碎、微划痕等加工缺陷，从而获得软脆晶体及薄膜超光滑无损伤的纳米加工效果。本专利技术的技术方案是采用#10000-#300000的超细金刚石粉体作为磨料，采用陶瓷作为结合剂的一种纳米磨削方法。磨削液为去离子水，材料的去除率为l-20ym/min，主轴转速为1600-2400r/min，工件转速为50-200r/min。适合的软脆晶体及薄膜的纳米硬度值为0. l_2GPa，可以加工厚度为500nm以上的软脆晶体及薄膜。实现了软脆晶体和薄膜的超光滑无损伤纳米磨削的加工效果。工件的纳米硬度值为0. l_2GPa。纳米硬度在这个范围的第三代新兴半导体软脆晶体及薄膜，具有较低的层错能，在本专利技术的纳米磨削的切向力的诱导下，容易实现纳米层移，然后纳米层实现纳米晶化，实现软脆晶体及薄膜在纳米尺度下由软变硬，从而实现均勻去除的纳米磨削的加工效果。工件的厚度为500nm以上。当软脆晶体及薄膜工件的厚度达到500nm以上时，可以有几百个纳米的去除量。这样对于最低1 μ m/min的纳米磨削的去除率来说，较容易获得超光滑无损伤的加工效果。磨削液为去离子水。由于第三代软脆晶体及薄膜大多为II-VI族化学物，这种化合物在高温气化时有毒。而纳米磨削会引起温度上升，因此用去离子水来降温，防止气化。 另一方面，本方面不用任何化学液，而只是使用去离子水，更加环保，并且加工成本大大降低。纳米磨削时砂轮主轴转速为1600-2400r/min，材料的去除率为l_20ym/min，工件转速为50-200r/min。对于纳米磨削采用的空气主轴超精密磨床来说，本专利技术采用面磨削方式。采用基于工件自旋转加工原理的杯形陶瓷结合剂金刚石砂轮来做磨削工具。 一般的空气主轴大平面高平坦化超精密磨床在主轴转速为1600-2400r/min，工件转速为 50-200r/min，材料去除率为1_20 μ m/min时，更容易获得超光滑无损伤的纳米磨削的加工效果。纳米磨削砂轮的磨料为金刚石，粒度为#10000_#300000。这个粒度范围的超细金刚石粉体磨料，会获得几个纳米甚至无损伤的亚表面纳米磨削加工效果。粒度低了不容易获得纳米磨削的效果，粒度过高，结合剂容易参与磨削，加工效果反而会下降。纳米磨削砂轮的结合剂为陶瓷结合剂，含有碳化硅、氧化硅、氧化铈、氧化铝、氧化钛、氧化锆、氧化镧、氧化钕中的三种或者四种，粒度与金刚石磨料粒度相匹配。氯化钠、氯化钾、氯化钾、氯化镁中的一种作为陶瓷结合剂的细化剂和分散剂。由于传统的树脂结合剂，对于超细金刚石磨料，不能提供足够的把持力，只有以牺牲孔隙率为代价，提供较高的把持力。但是这样的话，容易导致工件烧伤而失去加工效果。因此，本专利技术采用与金刚石粉体相匹配的陶瓷作为结合剂，从而提供更高的把持力，获得好的纳米磨削效果。上述所选用的陶瓷为工业界普遍使用的陶瓷粉体，更容易获得高质量和低成本的陶瓷粉体。另一方面，这些陶瓷材料在纳米磨削中提供足够的把持力时，还可以有很高的孔隙率，从而及时带走纳米磨削中产生的热量及磨屑，获得好的纳米磨削效果。陶瓷结合剂相对于树脂结合剂， 具有更高的热传导率，能够更快地带走纳米磨削中产生的热量，从而获得超光滑无损伤的纳米磨削加工效果。氯化钠、氯化钾、氯化钾、氯化镁有利于抑制烧结过程中陶瓷晶粒的长大，获得细化均勻的陶瓷结合剂微观结构，从而保证结合剂能够提供高效的把持力和均勻的孔隙率。由于不同的陶瓷在烧结过程中的体积收缩率不同，因此选择3-4种不同的陶瓷有利于获得更高的均勻的孔隙率。本专利技术的效果和益处是采用陶瓷结合剂超细金刚石砂轮做纳米磨削工具，材料去除率为1-20 μ m/min。这种纳米磨削的加工方法可以诱导纳米硬度值为0. l_2GPa的第三代软脆半导体晶体及薄膜在切向力作用下实现纳米层移，然后实现纳米晶化，在纳米尺度下材料由软变硬，从而实现纳米尺度均勻去除的方法。纳米磨削时磨削液采用去离子水，环境友好，同时降低加工成本。另一方面，所采用的陶瓷结合剂除了能够提供对于超细金刚石粉体的高把持力外，也获得了高孔隙率，能够更好地带走纳米磨削中产生的热量和磨屑。同时，这种陶瓷结合剂的热传导率相对于传统的树脂结合剂更高，更容易将磨削中产生的热量带走，从而降低工件的温度，实现了软脆晶体和薄膜的超光滑无损伤纳米磨削的加工效^ ο具体实施例方式以下结合技术方案详细叙述本专利技术的具体实施方式。采用#12000超细金刚石粉体，对应的金刚石直径为900nm，作为超细金刚石磨料。 将#12000的碳化硅、氧化铝、氧化硅按照重量比40 30 30的比例进行混合，然后加入重量比为的氯化钠作为细化剂和分散剂，采用常温机械冷压成形的方法压制成56个长 18mm、宽3mm、高5mm的内径为342mm、外径为345mm的弧形小块。将这些弧形小块，在室温下以5度每分均勻升温到480-500度，保温30-50分钟，然后以3_5度每分均勻升温到600-620 度，最后以1-3度每分均勻升温到660-680度，保温100-150分钟，自然冷却到室温，即可烧结成形。将这些烧结成形的弧形小齿用高强度胶固结并均布于350mm的不锈钢边缘的槽中，这个不锈钢骨架是根据日本Okamoto产VG401 MKII超精密磨床设计制造的。经过动平衡实验合格后，即可安装于VG401 MKII超精密磨床上。工件采用H^l22Cda78Te(Ill)软脆薄膜，衬底为Cda96Znatl4Te(Ill)。这个薄膜的直径为15mm，厚度为20本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种软脆薄膜超光滑无损伤纳米磨削加工方法，采用陶瓷作为结合剂，超细金刚石粉体作为磨料，去离子水作为磨削液，实现软脆晶体及薄膜超光滑无损伤纳米磨削加工的目的，其特征是：（１）工件的纳米硬度值为０．１－２ＧＰａ；（２）工件的厚度为５００ｎｍ以上；（３）磨削液为去离子水；（４）纳米磨削时砂轮主轴转速为１６００－２４００ｒ／ｍｉｎ，材料的去除率为１－２０μｍ／ｍｉｎ，工件转速为５０－２００ｒ／ｍｉｎ；（５）纳米磨削砂轮的磨料为金刚石，粒度为＃１００００－＃３０００００；（６）纳米磨削砂轮的结合剂为陶瓷结合剂，含有碳化硅、氧化硅、氧化铈、氧化铝、氧化钛、氧化锆、氧化镧、氧化钕中的三种或者四种，粒度与金刚石磨料粒度相匹配；氯化钠、氯化钾、氯化钾、氯化镁中的一种作为陶瓷结合剂的细化剂和分散剂。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张振宇，宋亚星，徐朝阁，郭东明，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：91