鈮酸鋰晶體納米壓痕及化學機械拋光研究.pdf

1、鈮酸鋰晶體(LiNbO3，LN)具有優(yōu)異的電光、聲光、壓電等特性，居里溫度是1210℃，自發(fā)極化大。LN晶體能夠在高溫和化學腐蝕情況下保持穩(wěn)定的理化性能，并且價格低廉，易于生長大直徑單晶體，在光波導、光通訊調制器、倍頻轉換、聲表面濾波器、光學集成等方面應用廣泛，享有“光學硅”的美譽。
　　隨著光電子技術及非線性光學器件的快速發(fā)展，要求LN晶片加工后的表面超光滑、無游離磨料嵌入、無劃痕。LN晶體硬度較低，脆性較大，屬于軟脆晶體，采用

2、研磨、機械拋光等傳統(tǒng)的加工方法容易造成游離磨料嵌入、劃痕、裂紋及破碎等缺陷，并且加工效率較低。我國在LN晶體超精密加工領域落后于美、日等發(fā)達國家。
　　本文通過納米壓痕技術研究了LN晶體的納米力學性能，測得X-cut、Y-cut、Z-cut硬度分別為11.49，8.14，10.86 GPa，相應的彈性模量分別為201.96，159.62，202.18 GPa，LN晶體在納米尺度下表現(xiàn)出塑性變形，為超精密加工提供依據。經過納米壓痕后

3、，因為晶格變形及亞表面損傷，晶體的硬度和彈性模量均有較大提高，分別增大為27.14，16.71，22.19 GPa和304.48，230.95，287.98 GPa。晶體的力學性能加強，對研磨加工提高材料性能有指導意義。
　　針對傳統(tǒng)方法加工LN晶體容易出現(xiàn)劃痕、崩碎、裂紋等表面損傷，基于正交試驗設計對LN晶體進行化學機械拋光實驗。探究拋光液的pH值、氧化劑質量分數、二氧化硅磨粒尺寸、流速和絡合劑質量分數對最終加工效果的影響，發(fā)現(xiàn)

4、隨著二氧化硅磨粒尺寸的增大，材料去除率提高，加工后晶片表面粗糙度增大。隨拋光液pH值的增大，加工后晶片表面粗糙度先減小后增大。以正交試驗獲得的優(yōu)化工藝參數下進行化學機械拋光，可獲得Ra為0.642nm的光滑表面。通過單一變量實驗優(yōu)化工藝參數，最終加工后的晶片表面粗糙度可達到0.6 nm以下，材料去除率達到400 nm/min。
　　針對化學機械拋光中氧化劑的化學作用和納米級二氧化硅磨粒的機械作用，分別進行實驗探究。結果表明單純化學