1 河南工业大学材料科学与工程学院, 郑州 450001
2 中国科学院宁波材料技术与工程研究所, 海洋材料及相关技术重点实验室, 浙江省海洋材料与防护技术重点实验室, 宁波 315201
单晶金刚石具有超宽的禁带宽度、低的介电常数、高的击穿电压、高的热导率、高的本征电子和空穴迁移率,以及优越的抗辐射性能, 是目前已知的最有前景的宽禁带高温半导体材料, 被誉为“终极半导体”。但单晶金刚石在半导体上的大规模应用还有很多技术难题急需解决。本文聚焦大尺寸(英寸级)单晶金刚石衬底的化学气相沉积合成、剥离切片及研磨抛光技术, 通过对近年来的相关文献进行整理, 综述了相关方面的国内外研究现状。在此基础上, 对未来单晶金刚石半导体材料的制备、剥离和研磨抛光进行了展望。
单晶金刚石 大尺寸 沉积 剥离 研磨抛光 半导体 single crystal diamond large size deposition lift-off grinding and polishing semiconductor
光学 精密工程
2023, 31(16): 2362
1 华侨大学 制造工程研究院，福建厦门3602
2 福建晶安光电有限公司，福建泉州36411
双面研磨作为蓝宝石衬底制备的一道重要工序，研磨表面裂纹深度将严重影响后续抛光的材料去除量，因此对研磨衬底表面裂纹特征研究及深度测量具有重要意义。本文采用截面显微观测法、聚焦离子束侧面观测法、差动蚀刻速率法、磁流变抛光法和逐层抛光法等方法观测双面研磨蓝宝石衬底表面裂纹特征和测量裂纹深度。采用截面显微观测法和聚焦离子束侧面观测法观测研磨后蓝宝石衬底亚表面裂纹形态主要有斜线状、横线状、钩状和树杈状。采用差动蚀刻速率法测得蓝宝石衬底研磨表面裂纹密集层厚度为9~10 μm，而采用磁流变抛光法测得研磨衬底局部亚表面裂纹深度为25~30 μm，采用逐层抛光法测得研磨衬底整体亚表面裂纹深度约为30~35 μm。此外，根据不同方法所检测的裂纹特征和裂纹深度，构建了蓝宝石衬底双面研磨表面裂纹模型，为后续抛光工艺的制定与优化提供依据。
蓝宝石衬底 研磨 表面裂纹 裂纹检测 sapphire substrate lapping surface crack crack detection 光学 精密工程
2023, 31(14): 2060
1 大连理工大学 精密与特种加工教育部重点实验室，辽宁 大连 6024
2 中国船舶集团有限公司第七〇七研究所，天津 300409
石英玻璃等光学硬脆材料在加工过程中不可避免地产生亚表面微裂纹，从而对光学元件的使役性能具有显著影响。因此，石英玻璃亚表面微裂纹的无损检测对于优化石英玻璃加工工艺进而提高加工质量具有十分重要的意义。提出了基于偏振激光散射（Polarized Laser Scattering， PLS）的石英玻璃亚表面微裂纹检测方法，搭建了PLS无损检测系统。通过压痕实验以20 mN，50 mN，100 mN压力制备亚表面微裂纹深度为5.27 μm，9.7 μm，15.42 μm的压痕试样，使用PLS检测系统对压痕试样进行无损检测，探究PLS信号与亚表面微裂纹深度的对应关系。通过不同粒径磨粒（1~20 μm）研磨制备亚表面微裂纹深度为1~10 μm的研磨试样，发现研磨PLS检测信号与亚表面裂纹深度之间呈幂函数关系。搭建的PLS检测系统可以对深度小于10 μm的石英玻璃亚表面微裂纹进行有效检测与量化。PLS检测系统检测结果可实现研磨石英玻璃微裂纹检测，进而为亚表面微裂纹控制及加工工艺优化提供指导。
偏振激光散射 亚表面微裂纹 压痕 研磨 石英玻璃 polarized laser scattering subsurface microcrack indentation grinding quartz glass 光学 精密工程
2023, 31(14): 2031
1 哈尔滨工程大学纤维集成光学教育部重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150006
2 哈尔滨工程大学物理与光电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150006
3 桂林电子科技大学光电工程学院，广西 桂林 541004
提出一种多芯光纤对角芯反射耦合器，可实现多芯光纤对称纤芯的光路低损耗串联。首先，采用纤端精密研磨的方法制备出45°圆台，得到平均插入损耗为2.14 dB的器件；其次，通过研磨制备出多角度圆台，并采用电弧平滑优化的方法实现了圆台的弧形优化，使得平均插入损耗降低至1.39 dB。对2种圆台型器件的制备容差进行了对比分析，结果表明，优化后的弧形圆台相较于优化前具有更好的制备容差和性能。
光纤光学 多芯光纤 反射耦合器 插入损耗 纤端研磨 光学学报
2023, 43(13): 1306001
1 广东工业大学物理与光电工程学院, 广州 510006
2 松山湖材料实验室, 东莞 523808
4H-SiC单晶是典型的难加工材料, 研磨加工后表面损伤的密度和深度直接影响后续抛光工序的质量和效率。采用普通铸铁盘研磨工艺会导致晶圆表面划痕多、边缘破片以及去除率不稳定等问题。本实验采用聚氨酯垫研磨工艺, 减少研磨划痕, 提高了研磨后的表面质量, 实现了SiC衬底的精准研磨。通过改变金刚石磨料粒度、磨抛盘转速、研磨压强进行SiC衬底的研磨实验, 探究最优工艺参数及各条件对研磨效果的影响规律。实验结果表明: 随着研磨盘速度增大, 研磨的去除率增大, 其对应的粗糙度先降低后升高; 增大金刚石磨料的粒径会增大研磨的去除率, 但研磨后表面粗糙度也会持续增大; 通过增加研磨压强, 材料的去除率和表面粗糙度都将增加, 但去除率增加的速率由快变慢, 而粗糙度增加的速率逐渐加快。综合考虑, 采用聚氨酯垫研磨时, 较优研磨工艺参数为: 金刚石研磨液浓度为3%, 金刚石粒径为1 μm, 研磨液供给速度为5 mL/min, 研磨压强为47 kPa, 研磨转速35 r/min。该工艺下SiC材料的去除率为0.7 μm/h, 研磨后SiC衬底的表面粗糙度为24 nm。
研磨 聚氨酯垫 表面粗糙度 去除率 金刚石磨料 4H-SiC 4H-SiC grinding polyurethane pad surface roughness removal rate diamond abrasive
1 中国科学院合肥物质科学研究院，安徽光学精密机械研究所，安徽省光子器件与材料重点实验室，合肥 230031
2 中国科学技术大学，合肥 230026
3 先进激光技术安徽省实验室，合肥 230037
YAG晶体是一种典型硬脆材料，莫氏硬度达8.5，常温下不溶于任何酸碱，加工难度较大。针对YAG晶体研磨加工，本工作提出一种分步研磨工艺。基于游离磨料研磨的方法，在研磨过程中逐级减小碳化硼(B4C)磨料粒径，选用磨料W40、磨料W28、磨料W14、磨料W7分步骤研磨，4种磨料的粒度范围依次为：40～28 μm、28～20 μm、14～10 μm、7～5 μm。通过研磨参数试验研究了每个步骤中研磨压力、研磨盘和摆轴转速、研磨液中B4C质量分数等参数对研磨效果的影响，得出最佳研磨参数；通过截面显微法测量出YAG晶体研磨后亚表面损伤的深度，确定后续抛光去除量，并探究了亚表面损伤深度hSSD与研磨后表面粗糙度Ra的关系。研究表明：当研磨压力为44.54 kPa、研磨盘和摆轴转速为60 r/min、研磨液中B4C质量分数为15%时，每个研磨步骤均取得最好研磨效果：磨料W40、磨料W28、磨料W14、磨料W7研磨的材料去除率分别为83.12、57.32、27.54、9.53 μm/min，研磨后表面粗糙度Ra分别为0.763、0.489、0.264、0.142 μm。截面显微法测量得出分步研磨后产生的亚表面损伤深度为3.041 μm，需要在后续抛光中去除; 此研磨参数下YAG晶体研磨后亚表面损伤深度与表面粗糙度的关系为：hSSD=41.46×Ra4/3，该研究可为YAG晶体元件的实际加工生产提供指导。
钇铝石榴石晶体 研磨 亚表面损伤 材料去除率 表面粗糙度 yttrium aluminum garnet crystal lapping subsurface damage material removal rate surface roughness
南京航空航天大学 机电学院 江苏省精密与微细制造技术重点实验室， 江苏南京210016
磨粒的微破碎是影响固结磨料垫研磨性能的主要因素，结合剂的组成与强度影响其微破碎行为。为实现高效研磨加工，探索不同组份的硅基结合剂聚集体磨粒的制备工艺及其研磨加工性能。在840 ℃，880 ℃，920 ℃温度下采用硅含量不同的结合剂制备聚集体金刚石磨粒，观察其微观形貌，并用其制备固结磨料垫，比较其在7 kPa，14 kPa，21 kPa研磨压力下固结硅基聚集体磨料垫研磨K9玻璃的研磨性能。结合剂中硅含量越高、烧结温度越高，结合剂填充越均匀、孔隙分布越合理，聚集体磨粒研磨加工时微破碎越明显，加工性能随之提升；在21 kPa研磨压力下，结合剂中硅含量最高、烧结温度为920 ℃制得的硅基聚集体金刚石磨料所制成的亲水性固结磨料垫研磨K9玻璃效率最高，材料去除率达到63.32 μm/min，表面粗糙度Ra值为0.515 μm。采用固结硅基聚集体金刚石磨料垫可以实现K9光学玻璃的高效研磨。
高效研磨 固结磨料垫 聚集体金刚石 硅基结合剂 high-efficiency lapping fixed abrasives pads agglomerated diamond abrasives silicon-based bind
1 浙江大学杭州国际科创中心先进半导体研究院，浙江省宽禁带功率半导体材料与器件重点实验室，杭州 311200
2 浙江大学硅材料国家重点实验室，材料科学与工程学院，杭州 310027
3 杭州乾晶半导体有限公司，杭州 311200
4 浙江机电职业技术学院，杭州 310053
研磨作为4H碳化硅(4H-SiC)晶片加工的重要工序之一，对4H-SiC衬底晶圆的质量具有重要影响。本文研究了金刚石磨料形貌和分散介质对4H-SiC晶片研磨过程中材料去除速率和面型参数的影响，基于研磨过程中金刚石磨料与4H-SiC晶片表面的接触情况，推导出简易的晶片材料去除速率模型。研究结果表明，磨料形貌显著影响4H-SiC晶片的材料去除速率，材料去除速率越高，晶片的总厚度变化(TTV)越小。由于4H-SiC中C面和Si面的各向异性，4H-SiC晶片研磨过程中C面的材料去除速率高于Si面。在分散介质的影响方面：水基体系研磨液的Zeta电位绝对值较高，磨料分散均匀，水的高导热系数有利于控制研磨过程中的盘面温度；乙二醇体系研磨液的Zeta电位绝对值小，磨料易发生团聚，增大研磨过程的磨料切入深度，晶片的材料去除速率提高，晶片最大划痕深度随之增大。
4H碳化硅 研磨 金刚石磨料 分散介质 材料去除速率 面型参数 4H-SiC lapping diamond abrasive dispersion medium material removal rate surface parameter
本文分别采用热缩聚法和水热法合成了g-C3N4和In2S3, 再用简单的机械研磨工艺制备出了In2S3/g-C3N4复合光催化剂。采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和紫外可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)对In2S3/g-C3N4复合光催化剂的晶体结构、形貌、微观结构和光学性质进行了表征,在可见光照射下, 通过降解四环素(TC)来评价其光催化活性。结果表明, 研磨比例为1∶4(摩尔比)的In2S3/g-C3N4复合光催化剂表现出最佳的光催化性能, 在氙灯下TC的光降解表观速率常数是0.025 1 min-1, 分别是In2S3和g-C3N4的2.9倍和1.6倍, 在自然光下TC的光降解表观速率常数是0.010 4 min-1, 分别是In2S3和g-C3N4的2.6倍和1.4倍。In2S3/g-C3N4复合光催化剂优异的光催化性能归功于载流子的高效迁移和分离以及增强的光吸收能力。本研究为设计和开发用于抗生素废水处理的可见光响应光催化剂提供了一条有前景的途径。
In2S3/g-C3N4复合光催化剂 机械研磨 四环素 光催化 In2S3/g-C3N4 composite photocatalyst mechanical grinding tetracycline photocatalysis In2S3 In2S3 g-C3N4 g-C3N4
