基于铝酸镁尖晶石材料的化学机械抛光工艺技术研究

刘冬梅，李晓，付秀华，贾宗合，郭贵新

（长春理工大学光电工程学院，长春 130022）

基于铝酸镁尖晶石材料的化学机械抛光工艺技术研究

刘冬梅，李晓，付秀华，贾宗合，郭贵新

（长春理工大学光电工程学院，长春 130022）

透明铝酸镁尖晶石（MgAl2O4）具有优异的光学性能，随着光电技术的发展，铝酸镁尖晶石的需求量日益增加，对其表面质量也提出更高的要求。分析了铝酸镁尖晶石材料的特性，针对铝酸镁尖晶石材料硬度大，加工效率低等难点，依据普林斯顿方程加工理论，采用化学机械方法对镁铝尖晶石进行抛光。通过实验研究了影响铝酸镁尖晶石研抛工艺过程的因素并对工艺参数进行了优化，使铝酸镁尖晶石表面质量及加工效率得到了有效提高。

铝酸镁尖晶石；抛光效率；工艺因素；表面质量

铝酸镁尖晶石（Spinel）化学式为(MgAl2O4)，为立方晶系，是由高纯度特细的尖晶石粉末通过热等静压的方法烧结而成的一种功能型陶瓷，铝酸镁尖晶石的饱和结构使其具有较高的热稳定性，由常温至高温液相的过程中不经历相变也不会产生双折射。对采用热压烧结结合热等静压工艺制备的透明尖晶石陶瓷制品测试其主要性能，如表1所示［1］。

由表1可知，铝酸镁尖晶石耐磨性很好，硬度达莫氏8级，熔点为2135℃，高温条件下仍能保持较好的稳定性。尖晶石的硬度在随温度升高过程中变化很小，有很好的机械性能，蓝宝石单晶虽然性能与尖晶石相近，但当温度从室温变化至500℃时，硬度会至少下降一半［2］。两者具有较为近似的光学性能，在紫外、可见光、红外光波段的光学透过率都很高，尖晶石采用陶瓷的批量生产工艺，制造成本大大降低，并且能够制成较大尺寸，因此近年来成为一种非常有应用前景的光学材料。

60年代初，MgAl2O4粉末由美国GE公司合成，并用真空烧结或气氛烧结制备出了透明尖晶石陶瓷材料。70年代末，美国军方开始对热压尖晶石红外整流罩进行研究，通过实验证明热压尖晶石的机械、光学和热学等综合性能较其它一般材料更为优良。在80年代，美国的Coors Porcelain Company曾将透明镁铝尖晶石陶瓷商业化［3］并在红外战术导弹系统中应用。Rate Controlled Sintering（RCS）Technologies Inc采用烧结结合热等静压工艺制备了光学和机械性能优异的尖晶石陶瓷［4］。90年代初国内的人工晶体研究院展开了对透明镁铝尖晶石陶瓷的研究，目前已经研制出性能优异的透明尖晶石陶瓷，并且已经在高温耐腐蚀红外窗口材料、透明防弹装甲等方面得到应用。

目前国内外的研究大多集中在铝酸镁尖晶石的合成工艺和材料性能上，对其研磨抛光工艺研究报道较少。镁铝尖晶石化学稳定性极高、硬脆性较大，所以其加工困难，不容易得到较好的表面质量，这是目前研究的难点。为了提高铝酸镁尖晶石加工效率和改善其表面质量，着手于研究尖晶石的研抛机理和优化研抛工艺参数具有重要的理论意义和应用前景。

1 化学机械抛光理论

化学机械抛光技术（Chemical Mechanical Polishing，简称CMP）是结合抛光液的化学作用和磨粒的机械作用的一种加工技术，在化学作用下生成的软质层通过不断的被机械作用去除的过程中实现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难度：若采用传统的机械方式即使用金刚石等硬质磨料去除，具有较高的材料去除率的同时会带来较大损伤，使后续加工过程更加繁杂；若采用纯化学抛光，虽然能得到较好的表面质量但同时会大大降低材料的去除率。使用CMP技术来实现铝酸镁尖晶石的光滑表面加工成为目前研究的方向［5］。

公式（1）和（2）是CMP的基础理论依据。

公式（1）为“Preston”假设理论，根据该理论可以创建以下形式的数学线性结构的模型：式中，K是由模具材料、溶液浓度、室温和潮湿程度等因素决定的，定义为比例常数。V(x,y,t)是制造光学元件表面上随意选择一点(x,y)和该点瞬时间(t)内的抛光速度。P(x,y,t)是研抛过程中光学元件受到的压力，该模型对材料的去除率与压力和速度之间的关系进行了定性的说明；公式（2）是说明化学作用速率的阿累尼乌斯方程，其中K为频率因子常数，Ea为反应活化能，R为气体常数，T是绝对温度。

在化学机械抛光过程中反应速率不是机械与化学作用的简单相加，实际反应速率比单纯的机械作用速率和单纯的化学作用的和要大。

在化学机械抛光过程中使材料表面去除并获得光滑表面的机理主要包括［6］：

（1）磨损机理：在抛光过程中，在一定压力作用下元件表面材料与磨料不断发生机械作用进而达到材料的去除。

（2）化学机理：在抛光过程中，元件表面材料和抛光液发生化学反应生成的物质硬度比材料要小，在磨粒的机械作用下使表面材料更快的去除。

（3）流动机理：在抛光过程中，粗糙表面峰点位置的材料流到峰谷处，逐渐使表面光滑。

2 影响铝酸镁尖晶石抛光效果的因素分析

实验采用如图1所示的化学机械抛光方法，采用聚氨酯材料制成的抛光垫，为使实验样品表面形貌一致，选择气泡率较小的尖晶石样品，采用W40的金刚砂对样品粗磨8min，W28的金刚砂对其精磨20min，初始表面粗糙度为0.132μm，在恒温23℃条件下，选取不同磨料配置浓度为10%的抛光液，调节研抛液pH值，调整工件和旋转平台的相对转速，抛光时间为4h。用测厚仪测得每次实验后材料的厚度变化并计算出材料去除率，用白光干涉仪测量每次实验后样品的表面粗糙度，采取单一因子实验法对比分析抛光前后的厚度及粗糙度，测试样品表面并对结果进行数学平均。

图1 化学机械抛光示意图

2.1 磨料的影响

抛光液中磨料在抛光过程中起到重要的影响效果，碳化硅、硅溶胶、氧化铝磨料等是常用的磨料，使用纳米粒度仪分析磨料粒径分布如图2所示。

图2 不同磨料粒子的粒径分布

在同样的室温及其它实验条件下，分别采用平均粒径为600nm左右的Al2O3粒子，平均粒径为500nm左右的SiC粒子和平均粒径为110nm的SiO2制成分散液，对铝酸镁尖晶石晶片抛光四小时。

图3 不同磨料对材料表面质量的影响

图3（a）（b）是不同磨料粒子在相同浓度条件下对晶片的材料去除率和表面粗糙度的关系。在相同质量浓度的条件下，磨粒的粒径越大则在单位接触面积内与晶片作用的磨粒数就越少，单个磨粒受到的压力过大，去除速率反而过低；由于抛光后材料的表面粗糙度与磨粒切削深度平均值成正比，磨粒粒径越小时参与到抛光过程中的粒径数越多，单个磨粒受到的压力越小，切削深度随之减少。由于二氧化硅溶胶粒径最小，碳化硅次之，氧化铝粒径最大，因此硅溶胶对材料的去除率相对最高，抛光后得到的材料表面粗糙度相对最佳。所以在抛光过程中选择二氧化硅溶胶作为磨料。

2.2 介质的选择

在CMP过程中，酸性或碱性介质中的化学成分与铝酸镁尖晶石表面发生化学反应生成腐蚀层覆盖在尖晶石表面，这层化学腐蚀层即为软质层，形成的软质层使工件的临界切深变大［8］且硬度较铝酸镁尖晶石小，可以更快的促使表面材料去除，同时pH值也影响了抛光液中磨料的悬浮程度即胶体的稳定度［9］。

铝酸镁尖晶石(MgAl2O4)理论上含有Al2O371.7%，MgO28.3%，在酸性介质中与研抛液接触部分可发生反应为：

在碱性介质中能够发生如下所示的化学反应：

理论上分析，在酸碱研抛液中，铝酸镁尖晶石与其接触部分都应能发生化学反应生成硬度较其本身小的一层软质层，但考虑实际情况，酸性研抛液具有较强的腐蚀性，对设备造成腐蚀产生金属离子，不仅对人体造成危害而且也会污染环境，所以实验过程中采用碱性介质并调节pH值进行对比。

采用上述平均粒径为110nm的SiO2溶胶作为磨料，在铝酸镁尖晶石抛光液中加入醇胺类有机弱碱（1%的三乙醇胺）调节pH值。图4（a）、（b）为抛光液的pH值与材料去除率和抛光后尖晶石表面粗糙度的变化关系。可看出，调节pH值在10.5～11.5范围内时，尖晶石材料去除率和抛光后尖晶石表面粗糙度能同时达到优化。此时抛光过程中被去除的颗粒更容易悬浮在抛光液中，不仅有效防止了硅溶胶的沉淀而且使抛光过程中的化学作用得到增强，提高了尖晶石材料去除速率。

图4 抛光液pH值对材料表面质量的影响

2.3 相对转速的影响

实验中通过改变尖晶石工件与抛光垫的相对转速，得出相对转速与材料去除率的关系。

图5 相对转速对表面质量的影响

从图5（a）中可以看出，在相对转速变大时尖晶石的材料去除率呈现先增加后减小的趋势，相对转速为150rmp时材料的去除率达到最大，相对速率进一步增加时，材料去除率反而下降。图5（b）显示了相对转速与尖晶石表面粗糙度的关系，与图5（a）相反，表面粗糙度随相对转速的增大先降低后增加。

由实验得到，在相对转速变大时材料去除率呈现先增大后减小的趋势，抛光后表面粗糙度先变小后变大。当转速较小时，抛光液不能被均匀的甩开，在抛光过程中主要以机械去除为主，此时抛光速率过慢表面粗糙度过大；当转速过大时离心作用过强，抛光液很难进入材料表面，因此也不能达到很好的抛光效果。

3 结论

通过对影响镁铝尖晶石化学机械抛光的几个较为重要的参数进行实验对比，得出在铝酸镁尖晶石抛光过程中首先应该选择碱性的介质，当pH为11左右时，铝酸镁尖晶石的材料去除率和表面粗糙度能同时达到优化。其次，在抛光研磨过程中应当加入适当浓度的平均粒径为110nm的SiO2以提高抛光效率。最后工件与抛光垫的相对转速在125rmp～150rmp范围内时铝酸镁尖晶石的材料去除率和表面粗糙度能同时达到优化。

铝酸镁尖晶石的化学机械抛光过程是一个物理和化学结合作用的过程，其影响因素较多需要各个方面综合考虑，只有在完善化学机械抛光机理模型的基础上针对铝酸镁尖晶石的物理化学特性进行定性定量分析才可能找到相对较好的加工艺方案，较高效率地获得表面质量较好的光滑表面。

［1］黄存新，雷牧云，彭载学，等.透明多晶尖晶石的光学和物理性能［J］.人工晶体学报，2001，30（1）：67-71.

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［5］Wang Juan，Liu Yuling，Tan Baimei，et al.Chemical MechanicalPolishingofSapphireSubstrate［J］. Journal of the Electrochemical Society，2010，157（6）：688-691.

［6］李霞章，陈杨，陈志刚，等.纳米CeO2颗粒的制备及其化学机械抛光性能研究［J］.摩擦学学报，2007，27（1）：1-5.

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［8］Wang Z K，Wang Z K，Zhu Y W，et al.Effect of lapping slurry on critical cutting depth of spinel［J］. Applied Surface Science，2015（347）：849-855.

［9］居志兰，朱永伟，王建彬，等.抛光介质对固结磨料化学机械抛光水晶的影响［J］.光学精密工程，2013，21（4）：955-962.

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

吉林省重大科技攻关专项资助（20140203002G）

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