（机械电子工程专业论文）单晶mgo基片研磨工艺及其损伤研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 单晶m g o 具有超高的耐温性，其透光率、热导率、电绝缘性、化学稳定性和机械 强度等方面性能优异。因其介电常数低( e - - 9 6 ) ，高频时介电损耗率低，与y c b o 超导 薄膜热膨胀率相近且晶格匹配较好，被广泛用作高温超导薄膜的基片材料。同时也是一 种重要的光学材料。无论是作为薄膜制备的基片，还是用作窗口材料、光学镜片等，都 要求单晶m g o 基片的纯度达到9 9 9 以上，且具有超光滑无损伤的表面。以h t s 薄膜 的外延生长为例，基片的表面质量( 如表面的粗糙度、平整度、微观结构、表面应力、 损伤和缺陷、物理化学吸附及杂质污染等) 和基片材料的性能一样重要，是影响薄膜性 能的主要方面。因此对单晶m g o 光滑表面加工技术进行研究具有重要意义。 机械研磨工艺是传统的晶体加工工艺，也是单晶m g o 基片最常用的加工方法。但 目前对单晶m g o 研磨加工工艺的研究很少，存在很多如加工质量、加工效率等问题， 限制了单晶m g o 的应用。因此，深入研究单晶m g o 基片高效低损伤研磨工艺以获得高 质量加工表面，对于扩大其应用领域并降低生产成本有重要意义。 任何加工方法均会引入表面，亚表面损伤，损伤的存在严重影响基片的表面完整性， 最大损伤深度决定了后道加工工序的去除量。目前还没有人对单晶m g o 基片表面亚表 面损伤的检测方法及损伤规律进行研究。 针对以上问题，本文首先进行了单晶m g o 基片研磨工艺实验，研究了磨料粒度、 研磨压力、研磨速度等工艺参数对单晶m g o 基片研磨效果的影响，分析了基片表面粗 糙度、材料去除率及表面损伤与加工参数的关系，得出了影响研磨质量及效率的主要因 素并据此建立了能够稳定进行小批量单晶m g o 基片生产的研磨工艺规程。另外对不同 方法或条件加工单晶m g o 基片的表面亚表面损伤进行了研究。用扫描电子显微镜 ( s e m ) 、光学显微镜及三维表面轮廓仪检测基片的表面形貌，应用截面显微法及逐层腐 蚀法分析单晶m g o 基片的亚表面损伤，得到了不同工艺和条件加工的单晶m g o 基片亚 表面损伤的构成特点及损伤深度，研究了表面损伤的形成规律，为研磨加工工艺参数的 合理选择及后道抛光加工的进行提供了参考依据。 关键词：单晶m g o ；基片；研磨；表面亚表面损伤；抛光 s t u d yo ns i n g l ec r y s t a lm g o s u b s t r a t e sl a p p i n ga n di t sd a m a g e a b s t r a c t s i n g l ec r y s t a lm g o h a se x c e l l e n tp e r f o r m a n c e ss u c h 私e x c e l l e n tt h e r m a ls t a b i l i t y o p t i c a l c h a r a c t e r i s t i c , e l e c t r i c a li n s u l a f i v i t y ，c h e m i c a ls t a b i l i t ya n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s i ti s w i d e l yu s e da ss u b s t m t e sf o rh i g ht e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t o r ( h t s ) d u et oi t sl o wd i e l e c t r i c c o n s t a n t ( g = 9 6 ) ，l o wd i e l e c t r i cd i s s i p a t i o ni nh i 曲f r e q u e n c y ，s i m i l a rc o e f c i e n to ft h e r m a l e x p a n s i o na n dl o wl a t t i c em i s m a t c hw i t hy b c o n sa l s oak i n do fi m p o r t a n to p t i c a l m a t e r i a l u s e da ss u b s - t r a m sf o rh t st h i nf i l m , o b s e r v a t i o nw i n d o wm a t e r i a lo ro p t i c a ll e n s t h es i n g l ec r y s t a lm g om u s tb ew i t ht h ep u r i t yo f9 9 9 o rm o r e a n dw i t hu l t r af l a t , d a m a g e - f r e es u r f a c e t a k et h ee p i t a x i a lg r o w nh t s t h i nf i l la se x a m p l e ，t h eq u a l i t yo f s u b s t r a t es u r f a c e ( r o u g h n e s s ，s m o o t h n e s s ，m i e r o s t r u c t u r c ，s u r f a c es t r e s s ，d f f l l l a g ea n df l a w ， p h y s i c a l - c h e m i c a la d s o r p t i o n , i m p u r i t yc o n t a m i n a t i o n e ta 1 ) h a sg r e a ti n f l u e n c e so nt h i nf i l m p e r f o r m a n c e s s o ，i t si m p o m m tt os t u d yt h ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yo fs i n g l ec r y s t a lm g o 叫f a c e l a p p i n gi sac o n v e n t i o n a lp r o c e s sf o rc r y s t a lm a c h i n i n g ，w h i c hi su s e dt oa c q u i r et h e u l t r a - f l a tm l r f a e eo fs i n g l ec r y s t a lm g o s u b s t r a t e h o w e v e r ，t h e r ea r em a n yp r o b l e m s ，s u c h 嬲 t h ec o n s i s t e n c yo fs u r f a c eq u a l i t ya n dt h ee f f i c i e n c yi nl a p p i n gp r o c e s s ，w h i c hl i m i tt h e 印p l i c 砒i o n so fs i n g l ec r y s t a lm g o s o ，i t si m p o r t a n tt od e e p l yr e s e a r c ht h el a p p i n gp r o c e s s f o rs i n g l em g os u b s t r a t e sw i t hh i g hq u a l i t ya n de f f i c i e n c yf o re x p a n d i n gt h ea p p l i c a t i o no f s i n g l ec r y s t a lm g o l a p p i n g ，h o w e v e r ，嬲o t h e rp r o c e s s i n gm e t h o d s ，w o u l di n e v i t a b l yb r i n ga b o u ts l | 触 a n ds u b s u r f a c e 出咖g e ，w h i c hw i l ls e v e r e l ya f f e c tt h es u r f a c eq u a l i t ya n dm u s tb er e m o v e d b ys u b s e q u e n tp r o c e s s i n g a tp r e s e n t ，t ot h ea u t h o r sb e s tk n o w l e d g y ，s y s t e m a t i cs t u d yo i lt h e s u r f a c ea n ds u b s u r f a c ec l a l - l l a g eo fs i n g l ec r y s t a lm g os u b s t r a t e sh a sn o tb e e nr e p o r t e di n p u b l i ca n dt h em a t e r i a ld a m a g em e c h a n i s mo fl a p p i n gm g os i n g l ec r y s t a lh a sn o tb e e nw e l l u n d e r s t o o d as e r i e so fe x p e r i m e n t so fs i n g l ec r y s t a lm g os u b s t r a t e sl a p p i n ga r ec a r r i e do u tt os 6 1 v e t h e s ep r o b l e m s t h ee f f e c t so fg r a i nd i m e n s i o n , l a p p i n gp 他s s u r e ，l a p p i n gs p e e da n ds o m e o t h e rf a c t o r so ns i n g l ec r y s t a lm g os u b s t r a t eq u a l i t ya r es t u d i e d 1 1 1 er e l a t i o n s h i pb e t w e c n s 曲c cr o u g l m e s sm a t e r i a lr e m o v a lr a t ea n dm r f a c ed a n l l | g ew i t hp r o c e s s i n gp a r a m e t e r sa r e o b 妇i n e 正t h em a j o re f f e c t 蠡吣椭a c c o r d i n gt oq u a l i t ya n de f f i c i e n c ya 咒d e t e r m i n e da n dt h e n a no p t i m i z e dp r o c e s s i n gp a r a m e t e ri sa c h i e v e d , w h i c hh a sb e e na p p l i e ds u c c e s s f u l l yi n m a n u f a c t u n n go f s i n g l ec r y s t a lm g o 吼l b s t r a t e si nt h el o wv o l u m e 1 1 1 el r i r f a c et o p o g r a p h yo f i i 大连理工大学硕士学位论文 s i n g l ec r y s t a lm g os u b s m i t e sw i t hd i f f e r e n tp r o c e s s i n gm e t h o d sa n dc o n d i t i o n s ，a r es t u d i e d b ys c a n n i n ge l e c t r o n i ct e l e s c o p e ( s e m ) ，o p t i c a lt e l e s c o p ea n d3 ds u r f a c ep r o f i l e r t h e s u b s u r f a c ed a m a g ei si n v e s t i g a t e db ys e c 6 m i c r o s c o p ya n ds t e pe t c h i n gm e t h o d 。a n d d a m a g ed e p t ha s s e s s i n g - s ti sc o n d u c t e do nb o t hc r o s s s e c t i o na n ds u b s u r f a c el a y e rp a r a l l e lt o t h eg r o u n ds u r f a c e t h ef e a m r eo f c o m p o s i t i o na n dd e p t ho f d a m a g ew i t hd i f f e r e n tp r o c e s s i n g c o n d i t i o n sa r eo b t a i n e d , a n dt h ed a m a g ep a t t e r ni sa l s oa n a l y z e d t h er e s e a r c hr e s u l t sw i l l p r o v i d ew o r t h yr e f e r e n c ef o ro p t i m i z i n gs i n g l ec r y s t a lm g os u b s 衄t el a p p i n gp r o c e s sa n d p o l i s h i n gp r o c e s s k e yw o r d s ：s i n g l ec r y s t a lm g o ：s u b s t r a t e ；l a p p i n g ：s u r f a c e s u b s u r f a c ed a m a g e ；p o l i s h i n g - - i i i - 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名 导师签名： 冯次 善埠 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 单晶m g o 基片的应用 单晶m g o 是九十年代才出现的新型材料，具有良好的光学性能和化学物理性能， 能透过从紫外光、可见光、红外光到远红外光，透过率达到8 0 ，熔点高达2 8 5 0 。 目前单晶m g o 是最理想的用来沉积高温超导薄膜基片的材料。超导体具有无电阻、完 全抗磁性和超导隧道效应等许多特性，利用这些性质可在科学和生产上发展许多有重要 价值的应用领域。高温超导体o l i 曲t e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t o r ，h t s ) 的研究，使其成为 上世纪末凝聚态物理和材料科学最具有影响力的重大研究课题。高温超导电工设备和电 子器件将会引起尖端科学技术的重大变革。目前，对于h t s 机理的研究还在继续，h t s 在各领域中的应用越来越受到人们的重视。h t s 的应用领域主要包括：蜂窝状电话网络 系统，可检测爆炸物、非法药品及材料结构缺陷的成像装置，医疗检查成像仪器，高效 电动机和无损耗传输电能系统等【l 捌。 在采用外延生长方法制备h t s 薄膜时，基片是生长薄膜的载体。基片材料的性能， 如基片的取向、晶格匹配度、材料中的杂质和缺陷以及物理化学性能等都会影响薄膜的 性能，因此，选择具有相似结构、相近物理特性的高质量基片是非常重要的。一般要求 基片在制备薄膜的高温过程中与其上的薄膜之间没有或几乎没有扩散；基片材料必须是 单晶的，晶格常数要与薄膜尽量匹配；为了避免由高温到低温时薄膜产生裂纹，基片的 热膨胀系数应该与薄膜材料接近；基片还需要具有足够的机械强度和良好的化学稳定 性；对于为微波器件所生长的薄膜，要求基片具有良好的微波性能，即介电常数不宜过 大，介电损耗要小。 h t s 薄膜的飞速发展使人们对基片材料的研究投入了极大的热情，在选择基片、稳 定超导性能及降低成本等方面作了大量的工作。目前，已研制的制备h t s 薄膜的基片 材料有钛酸锶( s r t i 0 3 ，s t o ) 、铝酸镧( l a a l 0 3 ，l a o ) 、铝酸镧锶( s r l a a l 0 4 ，s l a o ) 、 钇稳定的氧化锆( z r 0 2 ，y s z ) 、蓝宝石( a 1 2 0 3 ) 、单晶硅( s i ) 和m g o 等。尽管这些 晶体材料可作为h t s 薄膜衬底材料，但都存在一定的缺点，不能完全满足薄膜的生长 需要。如s t o 的介电常数及正切损耗太大，不宜在微波器件中使用；y s z 介质损耗较 大，与大部分超导化合物的晶格失配太大；l a o 晶体在薄膜制备的温度范围内有相交， 存在相变引起的孪晶，机械强度不够；s l a o 晶体生长极其困难，成本很高；在半导体 工艺中具有举足轻重地位的s i 基片和微波性质良好的a 1 2 0 3 基片由于扩散问题，不能直 接用于制备h t s 薄膜【3 ，4 】。 用晶格匹配、热膨胀系数、化学稳定性、微波性能、生长工艺和成本等综合指标衡 量，单晶m g o 是最适合的高温超导薄膜基片材料之一。因此，单晶m g o 基片成为高频 微波器件h t s 薄膜最常选用的主要衬底材料之一，也是当前可实现产业化的重要的i - i t s 薄膜基片。 1 2 单晶m 9 0 基片的特性 1 。2 1 单晶m g o 基片的材料特性 近年来，单晶m g o 在电子元件和集成电路中得到越来越广泛的应用，源于其优良 的材料性质。单晶m g o 是一种具有n a c l 晶体结构的面心立方晶体，空间群为f n o m ， 晶格常数a = 4 2 1 2a 。单晶m g o 晶格结构如图1 1 所示。莫氏硬度为5 5 6 5 ，脆性大。 其晶体中离子是沿( 1 0 0 ) 面里密堆积排列，晶面间键合力较弱，很容易沿( 1 0 0 ) 晶面 解理【5 6 ，】，所以对基片进行加工将不可避免的给基片表面带来损伤。单晶m g o 是一种 碱性氧化物，溶于酸和铵盐，不溶于水和乙醇。微溶或难溶于有机溶剂。在空气中易吸 收c 0 2 和水，易潮解【8 】。单晶m g o 具有介电常数小( e - - 9 6 ) ，高频介电损耗低( 在7 7 k 、 1 0 g h z 条件下，t g s = 4 x 1 0 巧) 【9 】，与高温超导材料晶格匹配好等优点，能得到大面积的基 片( 直径2 英寸或更大) ，比其它基片材料有明显成本优势( 其价格只有s t o 和l a o 基片的l 7 ，蓝宝石基片的1 4 ) 。尽管m 9 0 在空气中不够稳定，容易潮解，但据报导， 含有一定量c a o 和s i 0 2 的m g o 晶体能保持优良的稳定性能1 1 o j 。 图1 1 单晶m g o 晶格结构 f i g 1 1 t h ec r y s t a ll a t t i c eo f s i n g l ec r y s t a lm g o 大连理工大学硕士学位论文 1 2 2 单晶m 9 0 基片的加工特性 单晶m g o 有其独特的物理化学性质和力学性能，晶体为面心立方结构，硬度高， 脆性大，且为离子型晶体。工业中用来沉积h t s 薄膜多用( 1 0 0 ) 晶面，而晶体极易从该 晶面解理。所以，单晶m g o 基片是典型的难加工硬脆易解理材料。目前，用于制备h t s 薄膜的m g o 基片有圆形和矩形，一般常用的加工工艺为：将精确定向后的柱状晶体锯 切切片，再经机械研磨和机械抛光，最后通过化学抛光获得超光滑无损伤的表面，图1 2 为实验室研磨、抛光加工后的单晶m g o 基片样品照片，经该工艺加工的基片已在美国 朗讯贝尔实验室、德国洛斯阿拉莫斯国家实验超导中心、清华大学应用超导研究中心等 机构得到应用。 图1 2 单晶m g o 基片 f i g 1 2 s i n g l ec r y s t a lm g os u b s l r a t e s m g o 基片的加工特性主要表现在： ( 1 ) 由于单晶m g o 具有脆性大、易解理的特点，机械研磨时磨粒的滚压作用使基片 表面材料产生裂纹扩展和微破碎。使用不同粒度的磨料研磨去除表面材料后，基片表面 会都产生的微裂纹及解理的微台阶，磨料粒度越大解理台阶越深。这势必增加后续去除 损伤层的抛光加工的时间； ( 2 ) 作为高温超导基片材料的单晶m g o 切片尺寸多在1 0 m m x l o m m x 0 8 m m 。基片厚 度尺寸相对小，很容易导致加工后基片变形回弹大，造成基片材料耐用度降低。基片厚 度的尺寸小又带来强度变差，容易产生碎片，面形精度要求不易保证等一些新的问题， 使基片的加工难度加大； 0 ) 单晶m g o 材料物理化学活性低，其熔点高达2 8 5 0 ，在高温下加工不易与加工 工具材料起反应，不易形成溶敷、材料扩散等现象。 1 3 单晶m g o 基片加工技术研究现状 m g o 有着十分丰富的材料资源。西方国家主要( 约6 0 ) 由海水、卤水或盐水提 炼m g o ，而中国和独联体国家主要用菱镁矿生产m g o i u , 1 2 。以前，国内外普遍生产直 径1 英寸m g o 单晶，但是，为了开发新的电子和光学器件，对大尺寸m g o 单晶的需求 越来越多，所以，研究大尺寸单晶m g o 的生长与应用及其低成本高质量的加工工艺非 常有意义。目前，美国橡树岭国家实验室( o a k r i d g e n a t i o n a ll a b o r a t o r y ，o r n l ) 和工 业晶体实验室( c o m m e r c i a lc r y s t a ll a b o r a t o r i e s ) 联合研究开发，已研制成功直径2 英 寸和3 英寸的大尺寸单晶m g o 基片并作为多种薄膜材料的衬底应用于h t s 器件和光通 信以及光计算机的光开关和调节器【1 3 , 1 4 , 1 5 。德国的柏林晶体公司也研制成功3 英寸的大 尺寸m g o 单晶。国内中科院的一些研究所和大连理工大学等少数几个单位已研制出低 成本的2 英寸m 9 0 单晶，并用于超导技术研究。由于薄膜材料对衬底基片的表面质量 要求非常苛刻，所以研究和掌握m g o 基片高精度高质量的加工技术显得非常重要。但 是在所查阅的有关单晶m g o 基片表面质量对薄膜生长影响的研究文献中【1 6 ，1 。7 ，l8 1 ，并没 有涉及m g o 基片高精度高质量的加工技术。据作者所知，目前还没有研究人员及学者 对单晶m g o 基片超精密加工技术进行系统研究。 目前世界上只有少数国家拥有单晶m g o 制备及加工技术，国外商品化小尺寸m g o 基片的加工水平已达到表面粗糙度r a 为5 a ，平整度l 4 。国内的加工水平与国外相比 有较大差距。随着薄膜技术的发展，未来对大尺寸( 2 英寸) m g o 基片表面质量提出 更高的要求。用于h t s 薄膜外延生长的m g o 基片通常需要双面抛光，要求达到表面粗 糙度r a 为2 a ，表面平整度小于九，6 ；且要求基片没有划痕、凹坑、崩边、微疵点、微 裂纹、位错、非晶相交与残余应力等表面亚表面缺陷和损伤，基片表面不产生雾化、 无残留水渍和吸附物。m g o 基片表面的宏观缺陷如抛光纹路和划痕对沉积的薄膜的形 态和性能有很大的影响( 研究表明，在表面粗糙度小于l n m 和大于1 6 n m 的m g o 基片上 沉积的h t s 薄膜的临界电流密度j c 值要相差2 到3 倍) 。 由于m g o 基片加工和应用的研究属于前沿性课题，涉及到一些尖端技术领域和商 业机密，国外对m g o 基片超精密加工理论和关键技术方面的研究成果很少报道。在能 检索查到的文献中，只有韩国j e o n g d uk i m 1 9 , 2 0 等人曾研究了不同金属结合剂金刚石砂 轮磨削单晶m g o 的特性和磨削表面裂纹，并研究了在线电火花修整和在线电解修整金 刚石砂轮技术在超精密磨削单晶m g o 时的应用。而对决定m g o 基片表面质量的最终加 大连理工大学硕士学位论文 工工艺和关键技术的研究文献无法查到，在所查到的有关m g o 基片表面质量对薄膜生 长的影响的研究文献中也很少提到基片的具体加工技术。国内尚未开展单晶m g o 基片 超精密加工理论和技术的研究。 美国国防部曾预测，在2 1 世纪的材料领域，超导材料是中国与之竞争的两种材料之 一。然而，我国对单晶m g o 基片的超精密加工理论和技术缺乏系统研究，还没有真正 掌握成熟和完善的加工技术，不具备参与国际竞争的技术实力。尽管我国的m g o 基片 的材料资源很丰富，菱镁矿资源占世界总量的l 4 ，但由于受m g o 晶体制各技术和超精 密加工技术的限制，我们只能大量出口菱镁矿石，导致矿石价格大幅下降和优良资源流 失，相反，还需要以高价格从国外购买高质量m g o 基片。而对涉及尖端技术和国防应 用领域的大尺寸高质量的m g o 基片，国外在技术和产品上对我国实行封锁。因此，本 文研究大尺寸单晶m g o 基片超精密加工理论与技术，对促进我国微电子、磁电子和光 电子等高新技术的发展，具有重要的现实意义。 1 3 1 单晶m g o 基片的制备 在晶体生长过程中一个微小的杂质，有时会成为一个晶种，并就此长成一个孽晶。 另外杂质在结晶过程中还会形成气泡，因此杂质浓度将直接影响晶体质量。所以选择高 纯度的原料，在适宜的温度下原料更容易快速、全部熔融，并尽可能使晶体沿一个方向 生长，保证单晶有较高的成品率，同时也容易生长成大尺寸晶体【2 1 1 。 本课题所涉及的单晶m g o 粗晶块均采用弧熔法生产，因单晶生长不用坩埚，是在 自身融熔的粉末围成的壳内进行生长，所以仅采用一直径大些的不锈钢筒式容器，外壁 采用水冷却装置即可，此法易形成大尺寸晶体。首先将原料放入容器中，按一定角度插 入石墨电极，调控电源功率，电源设备选用三相变压器控制，初期通电量很小，随着温 度升高逐渐增大，当温度达到使原料融熔状态时，保持恒温，稳定4 5 h 之后，缓慢降 温。在降温过程中，通氮气或氩气以吹扫融熔时未挥发的杂质到熔体的边缘处，避免掺 杂到晶体中而影响晶体质量。同时也会因此而降低气泡产生，以便获得高透明度的晶体。 晶体的生长是随着电源功率的不断增加，m g o 原料充分融熔并随着电极的逐渐消耗， 晶体自发成核，逐渐长大，在电功率稳定期间，最终完成晶体生长 2 2 , 2 3 , 2 4 1 。这种方法的 优点是生产量大，设备结构简单。缺点是由于石墨电极在熔制过程中进入单晶m g o 使 产品纯度降低1 2 ”。 ( a ) 融熔原料( b ) 晶体生长完成 ( c ) 精确定向后得到柱状晶体( d ) 外圆锯切割片 图1 3 单晶m g o 基片的制备工艺流程 f i g 1 3 p r o c e s sf l o wo f p r e p a r a t i o nt e c h n o l o g yf o rs i n g l em g os u b s u m e 用于薄膜制备的m g o 基片有圆形和矩形，基片厚度小于l m m ，特征尺寸从5 m m 到5 0 m m 不等。原始基片由精确定向的m g o 晶体切片得到。原始切割片厚度不均匀， 且表面存在波纹、切痕等；同时存在较大的表面及亚表面损伤层。图1 3 为单晶m g o 基片的制备工艺流程。在后续的加工过程中，必须去除切割片表面的波纹、切痕和表面 及亚表面损伤，得到厚度一致、表面平整、光滑的基片。因此，需要根据不同应用领域 对m g o 基片表面质量提出的要求，针对单晶m g o 硬脆、易解理等特性制定合理的基片 加工工艺，获得高质量的基片表面。 1 3 2 单晶m g o 基片研磨加工中存在的问题 单晶m g o 要经过一系列的加工才能成为具有高面型精度和表面质量的原始基片， 为沉积高温超导薄膜等工序准备平坦化超光滑无损伤的衬底表面。本课题涉及的单晶 m g o 基片样片直径都是2 0 m m 的。大量实验发现，该尺寸范围的基片适宜用现有的机 大连理工大学硕士学位论文 械研磨+ 抛光工艺这种传统的基片加工工艺，这也是目前工业生产中制备m g o 基片最常 用的加工方法。 研磨加工过程中基片粘在载片台下表面并平放于研磨盘上，研磨盘上滴加含有磨料 的研磨液，研磨盘匀速旋转，载物台往复摆动，同时在研磨盘摩擦力的作用下自转1 2 6 , 2 ”。 研磨加工使用金属研磨盘，如铸铁盘、铜盘、锡铅合金盘等。磨料的选择对加工效果有 很大影响，磨粒尺寸越大，硬度越高，则研磨时的材料去除率越高，表面粗糙度越大， 产生的表面损伤层也越深，后续加工时间加长【勰】。由于采用金刚石外圆锯片切割工艺切 割的单晶m g o 基片会产生较大的翘曲变形，基片表面还会残留切痕和微裂纹，损伤层 深度可达3 0 t t m 以上，且存在面型精度差等问题。为了提高加工效率和加工表面质量， 往往采用粗、精两道工序或粗、半精、精加工三道工序进行研磨加工。粗研磨的主要目 的是去除大部分余量；精研磨的主要目的是提高工件的面型精度，降低基片表面粗糙度， 提高表面质量【2 9 】。经粒度w 2 5 的磨料研磨j n - r 后的单晶m g o 基片表面粗糙度可以达 到纳米级刚。 机械抛光j n i 与研磨加工的运动形式相同，但是使用软质材料( 如聚氨酯、无纺布、 阻尼龙等) 抛光垫代替金属研磨盘。抛光时抛光液中的磨料尺寸通常使用粒度在w l 以 下的软磨料( 如s i 0 2 或c e 0 2 ) 。 采用机械研磨加抛光工艺加工单晶m g o 基片虽然能够得到较光滑的表面，但这种 传统的基于三体摩擦磨损机理的研磨加工工艺存在如下问题： ( 1 ) 研磨加工时，由于磨料标号尺寸为磨料中占大多数磨粒的粒度，所以磨料尺寸分 散，只有大尺寸磨粒与工件表面接触去除材料，从而产生较大的接触压力，使脆性大、 易解理的m g o 晶体表面产生微裂纹和沿解理面的微破碎，在基片表面形成解理的微台 阶、凹痕和残留的微裂纹，影响后续加工的表面质量【3 l 】； ( 2 ) 基片与研磨盘、基片与抛光垫之间的磨料浓度及压力分布不均，导致基片表面材 料去除不均匀，很难达到高的加工精度； ( 3 ) 这种基于三体摩擦磨损机理的研磨加工工艺中，有效作用的磨粒少，材料去除率 低；此外研磨过程中磨料的飞溅损失问题限制了研磨盘转速的提高，从而也限制了加工 效率的提高网； ( 4 ) 为了保证加工效果，必须保持磨料研磨时的稳定性，其使用、维护和管理麻烦， 废液处理麻烦，增加了使用成本，易造成环境污染# ( 5 ) 粗、精研磨工序转换时，工件和抛光需机床的反复清洗。同时，大量高纯度化学 试剂和去离子水配制的腐蚀液和清洗液被一次性使用消耗。 1 4 单晶m 9 0 损伤检测方法的研究现状 目前还没有对单晶m g o 基片研磨加工技术进行系统研究的论文，对其表面亚表面 损伤检测的研究则更加匮乏，国内对单晶m g o 基片研磨加工及损伤检测方面的研究起 步很晚。在能检索到的论文中，有针对材料加工后表面形貌的研究：j e o n g - d uk i m 等人 【1 8 】用s e m 观测了不同的金属结合剂金剐石砂轮磨削后单晶m g o 表面裂纹形貌，主要研 究了砂轮切削深度对单晶m g o 表面形貌的影响：有针对加工后基片沉积薄膜性能的研 究：s a n g s u bk i m 等人【3 3 】对比研究了分别沉积在切片、抛光片及经退火处理后的单晶 m g o 基片上的p b t i 0 3 铁电薄膜的微结构及结晶性。发现通过射频磁控溅射在这三种基 片上均可以获得离c 轴方向定向的薄膜，但是其微结构和结晶性在很大程度上则依赖于 基片表面的加工方式；有针对材料断裂应力的研究：s c l a n g f o r t 3 4 】等人观测了高纯单 晶m g o 在材料表面产生变形和破裂的过程中同时释放电子和光子的过程，研究了晶体 破碎后释放光予的时间，并讨论了断裂应力和破裂特性的相关性：更多的是采用压痕的 方法进行研究：x j r e n t 等人【3 5 】使用努普显微压痕硬度仪沿 晶向对( 0 0 1 ) 单晶 m g o 进行实验，得到加工表面的显微硬度数据，实验中加载范围为o 1 2 5 1 0 0 1 k g f , 温 度范围为2 0 - 6 0 0 。另外还研究了在样片表面涂抹各种涂层对实验结果的影响。发现压 痕尺寸的影响随着温度的增加而减小但是不受表面是否有涂层的影响；并定性提出压痕 尺寸受卸载后弹性恢复的约束，因此与单晶m g o 材料的硬度与弹性模数比有内在联系； c t r o m a s 等人p 6 】将b e r k o v i c h 纳米压痕技术应用在沿( 0 0 1 ) 晶面切开表面的单晶m g o 基片的研究上。使用原子力显微镜观测到纳米尺寸的玫瑰花形滑移线，并观测在载荷 位移曲线中出现的突加负载等特殊情况，利用纳米压痕技术结合原子力显微镜观测来研 究晶体早期的脆性破坏形式；j t d i c k i n s o n d 及y g a i l l a r d 等人【3 7 , 3 8 】采用纳米压痕的研究 方法，得出晶体的结构是造成位错滑移重要因素。在 1 1 0 滑移系统中，位错沿 1 1 0 4 5 滑移面运动；后者抛光去除部分表面材料后，针对抛光去除位错坑的情况，预测曲率半 径1 0 l a i n 的压痕产生的位错层深度应该在几个微米以上。 以上研究多是基于对单晶m g o 的物理性质进行研究，很少针对工业中作为薄膜沉 积基片材料的单晶m g o 基片进行研究。而且大多是针对单晶m g o 的表层损伤进行研究， 很少涉及对其亚表面损伤的研究及定量进行亚表面损伤深度的检测分析。 所以只能对相近似的材料进行借鉴，探索得到适合定量检测研磨加工单晶m g o 基 片的表面，亚表面损伤的方法。有一些研究人员做了一些值得借鉴的研究，如半导体研究 所采用t e m 和双晶x 射线衍射法分析了砷化镓晶片切、磨、抛过程中引入的损伤层深 度【3 9 】；上海计量测试技术研究院采用s e m 、t e m 和光学显微镜研究了硅片背面的机械 损伤( 包括软损伤) t 4 0 1 ；福州大学用t e m 研究了单晶硅压痕微裂纹的形成与扩展，压 大连理工大学硕士学位论文 痕应力场使高脆性单晶硅发生滑移方式的塑性变形，表现出各种位错组态【4 1 1 ；湖南大学 采用斜面s e m 分析了n w c i c o 涂层材料磨削的材料去除机理1 4 2 ；天津大学 4 3 1 采用x r d 测量对采用传统电子陶瓷工艺制备的b a o t i 0 2 z n o 帅2 0 5 ( b t z n ) 微波介质陶瓷系 统的相转变机制与介电性能进行了研究；郑红军m 等利用分步腐蚀的方法对切、磨加工 后的砷化镓晶片进行观测，通过回摆曲线的半峰宽( f w h m ) 值与化学腐蚀深度的关系 来确定损伤层的厚度。 国外关于硅片损伤表面亚表面损伤方面的研究很多，如z j p e i 4 5 , 4 6 , 4 7 研究了硅片自 旋转磨削条件下引起的亚表面损伤、裂纹构形以及磨削参数对损伤程度的影响； l c z h a n g 和i z a r u d i1 4 8 , 4 9 等采用截面透射电子显微镜( t e m ) 对压痕、划痕及超精密 磨削和抛光条件下引起单晶硅亚表面损伤的微观结构变化进行了研究；另外他们从理论 和实验两方面系统地研究了不同应力状态下引起的相位转换；y g o g o t s i 和c b a e k 等采 用拉曼光谱系统地研究了切片、研磨片以及边缘磨削硅片的相位转换。 这些研究成果都各有其借鉴和指导意义，但实际应用在对单晶m g o 基片的研究中， 却发现很多方法都有这样或那样的不足：如单晶m g o 不具备拉曼活性，不能应用拉曼 光谱进行检测：其键能大，对其进行离子减薄效果不理想：导电性差，应用扫描电子显 微镜( s e m ) 进行观测需要粘贴导电胶，影响观测效果，只对粗研磨加工的基片有较理想 的观测效果。因此，选用合理的研究方案，定量获得单晶m g o 亚表面损伤层深度，研 究损伤分布规律，将是对其损伤检测研究的重大突破。 1 5 课题的研究内容及意义 本课题来源于国家自然科学基金项目“大尺寸单晶m g o 高温超导基片高效超精密 加工理论与技术研究”( 5 0 4 7 5 1 4 9 ) ，教育部科技研究重点项目( 1 0 5 0 5 3 ) 和辽宁省科 技计划项目( 2 0 0 4 2 2 2 0 0 1 ) 。 本文在分析单晶m g o 性质的基础上，针对目前我国在加工单晶m g o 时普遍存在加 工效率低和加工质量差等问题，对单晶m g o 研磨的工艺参数进行研究，分析磨料粒度、 研磨压力、研磨速度等对研磨效率的影响，确定合理的工艺参数。并对单晶m g o 研磨 过程中表面形貌及亚表面损伤进行研究。 本文主要研究内容包括： ( 1 ) 通过单晶m g o 基片研磨工艺试验，研究了磨料粒度、研磨盘转速、工作载荷等 因素对材料去除率和基片表面粗糙度的影响，确定合理的研磨加工工艺参数，确定加工 流程； ( 2 ) 研究了单晶m g o 基片亚表面损伤的检测方法。应用截面显微法及逐层腐蚀法对 单晶m g o 基片亚表面损伤进行了检测分析，对各种加工方式得到的单晶m g o 基片的损 伤深度进行研究； ( 3 ) 观测各样片的亚表面损伤构成特点，测量损伤深度，总结损伤分布规律，这同时 也为研磨加工工艺参数的合理选择及后道抛光加工的进行提供了依据。 本课题的研究意义在于：通过对单晶m g o 基片高效超精密加工中的关键技术进行 深入系统的研究，进行加工工艺改进，从而提高加工效率、降低加工成本、减少废品率、 提高材料利用率。掌握m g o 基片的研磨技术将为我国生产高质量的m g o 基片提供拥有 自主权的超精密加工技术；对切片及不同粒度的磨料研磨加工的单晶m g o 基片的表面 亚表面损伤进行检测分析，研究了不同加工方式与m g o 基片表面形貌之间的关系：对 亚表面损伤深度的分布规律进行了分析，得到不同加工方式对m g o 基片亚表面损伤深 度的影响规律以及影响程度，这同时为研磨加工工艺参数的合理选取提供了参考依据； 因此，研究研磨加工对基片造成的损伤对最终实现基片的低损伤、高效率研磨加工具有 深远意义。对脆性高、硬度大的单晶、多晶及陶瓷等材料的加工及分析材料去除机理同 样具有重要的指导意义。 大连理工大学硕士学位论文 2 单晶m g o 基片研磨加工的试验研究 研磨加工技术是历史上最久而又不断发展的加工方法。在加工中各种磨粒、微粉或 超微粉或呈游离状态( 自由状态) ，它的切削是由游离分散的磨粒作自由滑动、滚动和 冲击来完成的。现代新发展起来的超精研磨和抛光技术，主要有两大类：一是为寻求降 低表面粗糙度值及提高尺寸精度的高要求而展开的；二是为实现电子元件、光学元件等 特定功能材料及其复合材料的各种元件机能而展开的。它主要研究解决与高形状精度和 尺寸精度相匹配的表面粗糙度和极小的表面变质层问题。作为高尖端科技产品的单晶 m g o 基片由于囊括了这两大类要求，对基片的表面质量要求犹为突出。 本文针对影响单晶m g o 基片表面加工质量的主要加工参数进行工艺实验，从而选 取到合适的加工参数。目的在于在实验研究的基础上建立能够稳定进行小批量单晶m g o 基片生产的研磨工艺规程。为后续抛光加工节省了时间、提高了效率，并为保证抛光加 工高质量、无损伤的表面提供了有力的技术支持。研磨加工过程中m g o 基片用石蜡按 均布地粘在配重盘下表面后放在研磨盘上，研磨盘上预先滴加适量含有磨料的研磨液， 研磨盘绕自身轴线匀速回转。配重盘同时在研磨盘摩擦力作用下及电机带动下自转，研 磨液由研磨盘中心处加入，如图2 。1 所示： 苴 、 、 淀 图2 1 研磨加工示意图 f i g 2 1 n ms k e t c ho f l a p p m g 研磨过程中由于不断加入研磨液，单位时间作用的磨粒的有效切削数较多，可以得 到高的表面精度及加工效率。但是，由于研磨液对加工点的供应是随机的，容易造成加 工不均匀；若磨粒的切削深度小而切削长度增加，引起磨粒切削刃磨损；研磨液形成的 动压分布及其浮力的作用也影响研磨加工的质量。研磨加工使用金属研磨盘，如铸铁盘、 铜盘、锡铅合金盘等。磨料的选择对加工效果有很大影