碳化硅反射镜表面粗糙度的优化

空间光学技术的迅猛发展对空间光学系统提出了更高的要求;碳化硅材料以其优秀的物理性质,成为广泛应用的反射镜材料;碳化硅反射镜的光学加工研究也在国内外广泛开展。简要讨论了碳化硅反射镜的抛光机理;介绍了碳化硅材料抛光的实验方法;定性分析了碳化硅材料的抛光过程;通过大量的工艺实验和理论分析,讨论磨料粒度、抛光盘材料、抛光盘压力、抛光盘转速、抛光液酸碱度等工艺参数对碳化硅反射镜表面粗糙度的影响,并对各个参数加以优化,得到了优良的实验结果。     

碳化硅光学表面数控抛光工艺参数的优化与选择

随着空间应用技术和激光技术的迅猛发展,对光学系统提出了更高的要求;碳化硅材料以其一系列优秀的物理性质,成为一种特别具有应用前景的反射镜材料;碳化硅反射镜光学表面的光学加工研究也在国内外广泛开展。对碳化硅光学表面的抛光机理进行简要讨论;对实验方法、步骤和条件进行了介绍;定性地对碳化硅材料的抛光过程进行了讨论;通过大量的工艺实验和理论分析了对抛光盘转数、磨料粒度、抛光盘材料、抛光盘压力、抛光盘转速、抛光液酸碱度等工艺参数对碳化硅光学表面抛光效果的影响进行了讨论,并对工艺参数进行了优化和选择。     

液体喷射抛光技术研究

液体喷射抛光(FJP)技术是近几年提出的一种新型光学抛光工艺,本文简介了这种抛光技术的原理,介绍了我们的研究结果,其中包括在抛光机理方面提出抛光液中磨料粒子的径向流动对工件产生的径向磨削剪切作用是材料去除的关键;建立了较完善的描述FJP过程的数学模型;提出了获得较理想工作函数的方法;得到了求解时间驻留函数的一种算法;另外还研究了不同FJP溶液及一些工艺参数对样品表面粗糙度的影响、被抛光材料特性对材料去除率及表面粗糙度的影响等.结合这些研究建立了一套非球面数控液体喷射抛光没备和相关工艺,并利用其对实际非球面做了数控抛光实验,最后得到其截面的误差优于0.15靘PV,表面粗糙度Ra达到2.25nm,实验结果表明此技术可用于非球面的数控抛光.     

雾化施液CMP工艺优化

通过改进抛光雾液供液系统,结合超声波雾化技术对原雾化施液CMP实验系统进行优化,并进行了工艺实验。通过单因素试验研究雾化参数对抛光结果的影响,利用正交试验得到最优工艺参数组合,并在相同条件下将雾化抛光与传统抛光进行比较。结果表明:该实验系统的最优参数组合为雾化器电压50 V、抛光压力8 psi(1 psi=6 895 Pa)、抛光盘转速为70 r/min,此时材料去除速率为171.853 nm/min,表面粗糙度为4.76 nm。与传统抛光相比材料去除速率稍低,但表面粗糙度要好,且抛光液消耗量(1.03 g/min)约为传统抛光(10 g/min)的1/10。由于雾化器将抛光液中分子结构打散形成大量雾液,从而减少抛光液中磨粒团聚,同时雾化液更能均匀分散吸附在抛光垫上,增加了参与抛光的有效磨粒数,有利于材料去除和形成高质量表面。     

碳化硅表面硅改性层的特性研究

为了获得具有高质量光学表面的非球面碳化硅反射镜,需对碳化硅反射镜表面进行改性。介绍了离子束辅助沉积硅的碳化硅表面改性技术。对改性样片表面硅改性层的机械性能、光学加工性、表面粗糙度及反射率等特性进行研究。实验结果表明,碳化硅表面的硅改性层具有优良的机械性能和良好的光学加工性。光学抛光后,碳化硅表面硅改性层的表面粗糙度为0.85nm[均方根(RMS)值],在可见光波段反射率最高可达98.5%(镀银反射膜)。采用数控加工方法对口径为Ф600mm的表面改性离轴非球面碳化硅反射镜进行加工,最终反射镜面形精度的RMS值达到0.018λ(λ=0.6328μm),满足高精度空间非球面反射镜的技术指标要求。     

光学球罩数控抛光工艺关键技术研究

光学球罩被广泛应用于各类光电系统中,其面形精度制约着光电系统的成像质量。随着数控技术的发展,数控加工技术逐渐成为目前光学加工行业的主流发展方向。基于高质量的铣磨表面,为了能够在准球心高速抛光工艺中实现等去除量加工,本文对同步抛光技术进行了理论分析及数学模型推导,并通过实验证明,同步抛光技术可以有效地提升加工效率,获得高质量的光学表面。     

小工具修正下抛光盘材料的去除特性

环形抛光是大口径平面光学材料加工的首选方式,特别是在大口径平面光学元件的超精密加工中占有重要地位。抛光盘表面形状是影响元件面形精度的直接因素。为了研究小工具对抛光盘表面材料的去除特性,首先需要准确测得抛光盘的表面形状。采用激光位移传感器采集抛光盘表面螺旋样点的高度,针对实验检测误差进行分析并标定,最终计算得到抛光盘表面的实际形状。借鉴数控小工具抛光方法,建立小工具修正下抛光盘的材料去除模型,通过仿真计算得到了在小工具修正范围内抛光盘的材料去除函数,分析了抛光盘的材料去除特性。最后通过小工具修正实验验证了仿真结果的正确性,为抛光盘的形状修正提供理论依据。     

蓝宝石衬底片的精密加工

对SiO2磨料抛光蓝宝石衬底片进行了研究。结果表明,采用大粒径、高浓度的SiO2磨料抛光,可以获得良好的表面状态和较高的去除速率。抛光的适宜温度及pH值条件为:T=30℃;12.0>pH值≥9.0。并且,在抛光时应加入适量添加剂,方可获得较为理想的表面状态和较高的去除速率。实验同样证明,这种低成本、高质量的抛光除了可以应用于蓝宝石的抛光以外,还可以应用在其它一些硬质材料的抛光工艺中。     

蓝宝石衬底片的抛光研究

本研究对SiO2磨料抛光蓝宝石衬底片进行了研究,结果表明,采用大粒径、高浓度的SiO2磨料抛光可以获得良好的表面状态和较高的去除速率。抛光的适宜的温度及pH值条件为:T=30℃;13.0>pH≥9.0。并且在抛光时应加入适量添加剂,方可获得较为理想的表面状态和较高的去除速率。实验同样证明,这种低成本、高质量的抛光除可以应用在蓝宝石的抛光以外,还可以应用在其它一些硬质材料的抛光工艺中。     

微通道板双面抛光过程材料去除特性研究

材料去除率是表征双面抛光加工效率的重要参数,也是影响工件表面质量的关键因素。基于双面抛光加工中工件运动过程的分析,通过向量法构建了工件上任一点的运动轨迹及其相对速度的数学模型。运用Preston模型,建立双面抛光过程中材料去除特性方程,并辅助计算机软件模拟了不同工艺条件下的材料去除特性。最后,通过微通道板的双面抛光实验,研究了不同工艺参数下的材料去除量,验证了理论模拟的正确性。     

紫外光催化振动复合抛光

为了满足工业领域的不同要求，研究了碳化硅(SiC)陶瓷超光滑表面且无表面损伤的抛光工艺，提出了一种紫外光催化振动复合抛光新方法。基于紫外光催化反应理论，论述了光催化振动复合抛光的加工机理，进行了不同的实验。首先进行了甲基橙降解实验，研究了光催化振动复合抛光氧化性对振动的依赖关系；接着进行了紫外光催化振动复合抛光对比实验，研究了振动前后SiC的抛光效果，验证了新抛光方法的有效性。实验结果表明，光催化反应生成的强氧化性羟基自由基能够将高硬度的SiC氧化成质地较软的二氧化硅，振动的引入减少了光催化反应中光催化剂的团聚，提高了抛光过程中氧化和去除的均匀性，从而提高了抛光过程中SiC的表面质量，最终获得了粗糙度为31~39 nm的光滑表面。     

Novel abrasive-free planarization of 4H-SiC (0001) using catalyst

A new abrasive-free planarization method for silicon carbide (SiC) wafers was proposed using the catalytic nature of platinum (Pt). We named it catalyst-referred etching (CARE). The setup equipped with a polishing pad made of Pt is almost the same as the lapping setup. However, CARE chemically removes SiC with an etching agent activated by a catalyst in contrast to mechanical removal by the lapping process. Hydrofluoric acid which is well known as an etchant of silicon dioxide (SiO₂) that cannot etch SiC, was used as the source of the etching agent to SiC. The processed surfaces were observed by Nomarski differential interference contrast (NDIC) microscopy, atomic force microscopy (AFM), and optical interferometry. Those observations presented a marked reduction in surface roughness. Moreover, low-energy electron diffraction (LEED) images showed that a crystallographically well-ordered surface was realized.     

磨料特性对InP晶片集群磁流变抛光效果的影响

对InP晶片进行了集群磁流变抛光实验,研究了抛光过程中磨料参数(类型、质量分数和粒径)对InP材料去除速率和表面粗糙度的影响。实验结果表明,InP晶片的去除速率随磨料硬度的增加而变大,表面粗糙度受磨料硬度和密度的综合影响;在选取的金刚石、SiC、Al2O3和SiO2等4种磨料中,使用金刚石磨料的InP去除速率最高,使用SiC磨料的InP抛光后的表面质量最好。随着SiC质量分数的增加,InP去除速率逐渐增加,但表面粗糙度先减小后增大。当使用质量分数4%、粒径3μm的SiC磨料对InP晶片进行抛光时,InP去除速率达到2.38μm/h,表面粗糙度从原始的33 nm降低到0.84 nm。     

硒化镉晶片的化学机械抛光

硒化镉(CdSe)的表面加工质量对CdSe基器件的性能至关重要.化学机械抛光(CMP)是一种获得高质量晶体加工表面的常用方法.为改善CdSe晶片的表面加工质量,以SiO2水溶胶配制抛光液,研究了抛光液磨料质量分数、抛光液pH值、氧化剂NaClO的质量分数、抛光盘转速和抛光时间等因素对CdSe晶片抛光去除速率和表面质量的影响,优化了CdSe的CMP工艺参数.结果表明,在优化工艺条件下,CdSe的平均去除速率为320 nm/min,晶片的抛光表面无明显划痕和塌边现象.原子力显微镜(AFM)测量结果表明,抛光后的CdSe晶片表面粗糙度为0.542 nm,可以满足器件制备要求.     

A Study on a Surface Preparation Method for Single-Crystal SiC Using an Fe Catalyst

In this study we investigated the possibility of removing and flattening a single-crystal silicon carbide (SiC) surface by a novel polishing method utilizing hydroxyl radicals (OH radicals) generated on an Fe catalyst surface. To demonstrate the feasibility of preparing a smooth SiC surface, an Fe catalyst and a SiC substrate were rubbed together in H₂O₂ solution, and then the area on the SiC surface that had come into contact with the Fe catalyst was observed in detail. The removal depth and surface microroughness were measured and evaluated using a phase-shift interference microscope and an atomic force microscope (AFM), respectively. Moreover, the removal of material from the SiC surface by utilizing an Fe catalyst rod was examined. The obtained results show that the hard SiC surface can be effectively polished and that the processed area on the SiC surface has atomic-level smoothness along the sliding direction. Moreover, it is shown that the removal characteristics of the SiC substrate depend on process parameters such as the process time, rotation speed, contact load, and concentration of H₂O₂ solution. These results provide useful information for preparing an atomically smooth SiC surface.     

pH值对铌酸锂晶片抛光速率及抛光表面的影响

采用化学机械抛光方法,自制碱性抛光液对铌酸锂晶片进行抛光,通过试验得出适宜铌酸锂晶片抛光的pH值,配合压力、流量等外界参数可以得到较高的表面质量和较快抛光速率.分析了铌酸锂晶片在碱性条件下的去除机理和抛光液的pH值及抛光液中各个组分对抛光速率和表面质量的影响.     

自由曲面光学的超精密加工技术及其应用

突破传统光学成像系统设计理论和方法,将自由曲面引入光学成像系统中,极大地提高了系统的成像质量和能量的传输效率;采用先进数控超精密制造技术加工自由曲面光学元件,解决了自由曲面光学元件加工的技术瓶颈.开发了自由曲面控制网格的节点矢量的精确计算方法,以及多轴超精密数控加工光学自由曲面的自动编程及其刀具轨迹仿真系统,建立了自由曲面三维拓扑预测模型与优化系统,研发了多个自由曲面测量及评估方法,并搭建了自由曲面光学设计、加工、测试一体化的集成平台.上述核心技术有助解决国际上对复杂自由曲面光学元件在超精密加工及纳米级表面测量中的关键技术难题.研究成果推动了超精密加工及纳米测量领域内的技术进步.     

SiC单晶片C面固结磨料化学机械抛光的研究

本文研究了三种不同种类的磨料对SiC单晶片去除率的影响.最终选用金刚石磨料作为SiC单晶片的化学机械抛光磨料.结果表明:固结磨料CMP的材料去除率是游离磨料的3倍以上,固结磨料抛光垫,可大幅度提高材料去除效率.     

单晶SiC电化学腐蚀及化学机械抛光

通过电化学工作站对4英寸(1英寸=2.54 cm)n型单晶SiC(4H-SiC)进行电化学腐蚀特性研究,采用36GPAW-TD单面抛光机对其Si面和C面进行了化学机械抛光(CMP)。结果表明,采用H2O2和NaClO作为氧化剂,均可促进SiC的电化学腐蚀并提高其抛光去除速率,其促进作用与氧化剂浓度和抛光液的pH值密切相关。选择含体积分数5%的H2O2、pH值为12的SiO2抛光液对SiC进行CMP,得到的Si面抛光速率可以达到285.7 nm/h。在含H2O2抛光液中引入适量的NaNO3和十二烷基硫酸钠,SiC表现出较高的腐蚀电位绝对值和去除速率。在H2O2和NaClO抛光液体系中,SiC的去除速率与其腐蚀电位的绝对值正相关,该结果对实际应用有一定的借鉴意义。     

SiC化学机械抛光技术的研究进展

介绍了半导体材料SiC抛光技术的发展及直接影响器件成品率的衬底材料几何参数和表面质量因素.讨论了SiC化学机械抛光方法(CMP),包括磨削、粗抛和精抛三个过程,其中粗抛又分重压和轻压两个过程,通过这种方法能够制造出平整度好,表面低损伤的SiC晶片的抛光片,切割线痕通过磨削和抛光可以有效地去除,最终达到表面粗糙度小于1 nm.分析了CMP的原理和相关工艺参数对抛光的影响,指出了其发展前景.