朱楠楠博士答辩公告

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朱楠楠博士答辩公告

发布时间:2017-12-13浏览次数:1030作者:来源:机电学院供图:审核:

答辩博士：朱楠楠

指导教师：朱永伟教授

论文题目：铌酸锂晶体的固结磨料高效低损伤研抛机理与工艺研究

答辩委员会：

主席：李迎教授/博导南京理工大学

委员：宋胜利教授/博导中国人民解放军陆军工程大学

左敦稳教授/博导南京航空航天大学

朱永伟教授/博导南京航空航天大学

卢文壮教授/博导南京航空航天大学

孙玉利教授/博导南京航空航天大学

徐锋教授/博导南京航空航天大学

秘书：李军副教授/硕导南京航空航天大学

答辩时间：2017年12月17日15:00

地点：南航明故宫校区6#-201

本文围绕LN晶圆各晶向的脆塑转变机理、亚表面损伤机理及研磨抛光接触机制，提出了亲水性固结磨料技术对单晶LN晶圆进行研磨抛光的方法，借助实验研究和理论分析等手段，深入地研究了单晶LN的晶体结构对各晶向脆塑转变的影响，研磨方式、工艺条件及基体硬度对工件亚表面损伤深度的影响规律，并对固结磨料研磨抛光工艺进行了系统的研究，提出了采用聚集体磨料对软脆材料进行持续加工的新工艺。

主要完成工作如下：

1. 研究了单晶LN不同晶向的脆塑转变机理

采用显微硬度法研究了单晶LN各晶面的维氏硬度、压头对角线沿各晶向的断裂韧性以及裂纹的扩展，采用纳米压痕和纳米划痕方法研究了各晶向的弹性模量和临界切深，分析了晶体结构对各晶向脆塑转变临界值的影响，并对LN材料的脆塑转变临界切深公式进行了修正。研究发现：Z-cut晶面和X-cut晶面的显微硬度差异不显著；弹性模量方面Z-cut晶面约为X-cut晶面的1.1倍；Z-cut晶面X轴的临界切深最大，X-cut晶面Z轴的临界切深最小；Y轴晶向沿这两个晶面上的测试值略有差异。

2. 研究了铌酸锂晶体研磨抛光的接触机制

检测了工件表面的嵌入磨粒，分析了游离磨料加工过程中尖锐磨粒和类球形磨粒嵌入工件的临界条件，以及固结磨料加工过程中磨粒的脱落机制和嵌入磨粒的拔出机制。研究表明：固结磨粒脱落与界面的粘结强度有关；磨粒嵌入与工件局部变形、接触界面的摩擦系数有关，摩擦系数越大越易嵌入，尖锐磨粒切入工件的特征角越小越易嵌入，类球形磨粒则与切入速度和切入角度有关；嵌入磨粒受研抛垫的循环挤压作用，夹持磨粒的工件材料发生塑性破坏时磨粒将被拔出。

3. 研究了LN晶体的亚表面损伤机理

采用改进的角度抛光法检测LN晶体研磨抛光过程中引入的亚表面损伤层深度，研究了亚表面损伤的形成机理，分析了研磨方式、磨粒粒径、研磨压力对亚表面损伤层的影响，并研究了固结磨料垫基体硬度对亚表面损伤的影响。结果发现：常温下使用浓度为40%的HF溶液腐蚀LN研抛后的表面，腐蚀30min时适宜观察亚表面损伤；相同工艺条件下，游离磨料研磨后的亚表面损伤层深度是固结研磨的3~4倍；固结研磨时磨粒粒径从W28减小到W14，损伤层深度下降约55%~70%；研磨压力下降50%后，损伤层深度下降约40%；硬度和弹性模量较大的固结磨料基体诱发了密集且较深的亚表面微裂纹，损伤层深度比低硬度基体的实验值增大了1倍。

4. 建立了固结磨料研磨的表面粗糙度模型

开展了金刚石与树脂基体的界面结合强度与树脂基体压缩强度的测试，通过对界面结合强度和基体强度的测试得到了固结磨料垫磨粒脱落的主要原因，即界面结合作用失效；分析了固结磨料研抛过程中磨粒的退让现象，并结合界面粘结力的因素建立了固结磨料切深和粗糙度模型，预测了给定工艺条件下磨粒出露的最大高度值、切深和工件表面粗糙度值，并验证了偶然嵌入的脱落磨粒能够被固结垫基体拔出。

5. 开展了固结磨料研磨抛光单晶LN晶圆的工艺研究

采用自制的固结磨料研磨抛光垫对LN单晶进行了研磨、抛光工艺探索，分析了各工艺参数（研磨压力、主轴转速、磨粒表面处理）对去除速率和表面粗糙度的影响，并根据实际加工阶段与各阶段亚表面损伤层深度值制定了合理的研磨、抛光工艺路线，得到了最优工艺参数。

6. 提出了聚集体磨料持续加工LN晶圆的新工艺

探讨了LN单晶研磨抛光过程中研抛垫的自修整性能，从基体性能和磨粒形态两个角度研究了影响软脆材料持续加工过程中研抛垫自修整的因素；针对持续研磨加工时效率下降和工具磨损的问题，提出了聚集体磨料研磨抛光LN晶圆的新工艺。研究表明：基体硬度高的研抛垫抗磨损性能好，基体硬度过高不利于磨粒的脱落更替，对于提高LN晶体的持续加工效率可以适当采用低硬度的固结研抛垫；长时间持续加工情况下，聚集体磨料制备的固结研抛垫的材料去除速率远超过同等粒径的单晶磨料垫，聚集体磨料在一定程度上提高了研抛垫的使用寿命，同时聚集体表面出露的原始小磨粒脱落-再出露的动态过程不断交替，改善了研抛垫的自修整性能，提高了LN晶体的材料去除速率。

主要创新点：

（1）提出了基于固结磨料研磨抛光技术的高效低损伤加工软脆晶体LN的方法，采用亲水性树脂为固结垫基体对LN晶圆进行研磨抛光，实现了LN晶圆的高效低损伤加工。

（2）针对LN晶体的材料特性，通过EDS元素测定方法检测了嵌入磨粒的化学组成，研究了研磨抛光工序中磨粒嵌入工件表面的现象；提出了尖锐磨粒和类球形磨粒嵌入工件的临界条件，分析了固结磨料的磨粒脱落机制和嵌入磨粒的拔出机制。

（3）通过对不同工艺条件研磨抛光LN晶圆的亚表面损伤检测研究，揭示了研磨方式、工艺参数、研磨抛光垫基体硬度对加工后的LN晶圆亚表面损伤深度和损伤形成机理的影响，有效降低了LN晶圆研磨抛光后的亚表面损伤深度。

（4）通过树脂基体和金刚石界面的结合强度的测试结果，揭示了磨粒脱落的主要原因是结合界面失效，结合磨粒退让和结合界面剪切失效两方面因素，建立了固结磨料磨粒出露最大高度、切入深度和表面粗糙度预测模型，计算得到的表面粗糙度值与实验数据一致性好；获得了亲水性固结磨料高效低损伤研磨抛光LN晶圆的加工技术。

（5）首次采用聚集体磨料制备固结磨料垫对软脆晶体材料进行持续加工，利用聚集体结合剂的疲劳断裂实现了磨料加工过程中的微破碎，保证了研磨抛光过程的稳定性，显著提升了固结磨料持续研磨抛光LN晶圆的加工效率和表面质量。

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