一種硬核軟殼復(fù)合磨料及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于磨料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種硬核軟殼復(fù)合磨料及其制備方法和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]單晶藍(lán)寶石具有優(yōu)良的光電性能、化學(xué)穩(wěn)定性、高耐磨性、高熔點(diǎn)和高硬度等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于光電子、通訊和國(guó)防等諸多領(lǐng)域。隨著高新技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)藍(lán)寶石的加工要求也不斷提高，既要求其表面達(dá)到亞納米級(jí)的加工精度，又要求其表面及亞表面沒(méi)有殘余應(yīng)力和損傷，同時(shí)還要兼顧加工效率和成本。當(dāng)前對(duì)藍(lán)寶石晶片的超精密加工多采用化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)(CMP)，以實(shí)現(xiàn)藍(lán)寶石襯底的全局平坦化。雖然化學(xué)機(jī)械拋光方法得到了廣泛的應(yīng)用，但由于單晶藍(lán)寶石作為典型的硬脆性材料，其硬度高、脆性大且化學(xué)惰性強(qiáng)等特點(diǎn)，使得這種傳統(tǒng)的晶圓加工方式用于藍(lán)寶石拋光，存在材料去除率低、表面質(zhì)量差、加工成本高以及腐蝕液嚴(yán)重污染環(huán)境等諸多問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷，提供一種硬核軟殼復(fù)合磨料。
[0004]本發(fā)明的另一目的在于提供上述硬核軟殼復(fù)合磨料的制備方法。
[0005]本發(fā)明的再一目的在于提供上述硬核軟殼復(fù)合磨料的應(yīng)用。
[0006]本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下:
[0007]—種硬核軟殼復(fù)合磨料，其具有粒徑為0.1?1 μ m的硬質(zhì)磨料核心和厚度為5?lOOnm的軟質(zhì)氧化物殼層，該軟質(zhì)氧化物殼層中的氧化物晶粒尺寸為5?20nm，
[0008]其制備方法是以氧化物的無(wú)機(jī)鹽前驅(qū)體的水溶液和硬質(zhì)磨料為原料，經(jīng)分散、恒溫回流水解、固液分離、洗滌和干燥而制得。
[0009]在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，所述硬質(zhì)磨料為金剛石、cBN、B4C、SiC和A1203中的至少一種。
[0010]在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，所述氧化物為Sn02、Ce02、Mg0、Fe0和Fe203中的至少一種。
[0011]進(jìn)一步優(yōu)選的，所述無(wú)機(jī)鹽前驅(qū)體為氯鹽、硝酸鹽和硫酸鹽中的至少一種。
[0012]—種上述硬核軟殼復(fù)合磨料的制備方法，包括如下步驟:
[0013](1)將氧化物的無(wú)機(jī)鹽前驅(qū)體溶于去離子水中，制得濃度為0.1?lmol/L的氧化物的無(wú)機(jī)鹽前驅(qū)體的水溶液；
[0014](2)將硬質(zhì)磨料加入上述水溶液中，硬質(zhì)磨料在該水溶液中的質(zhì)量濃度為1?10% ；
[0015](3)將步驟⑵的物料進(jìn)行超聲分散10?15min，以形成穩(wěn)定的懸濁液；
[0016](4)將上述懸濁液于60?90°C恒溫回流水解反應(yīng)8?72h ;
[0017](5)將步驟(4)所得的物料經(jīng)固液分離后，依次用蒸餾水和無(wú)水乙醇洗滌所得固體；
[0018](6)將步驟(5)所得固體于40?45°C烘干，即得所述硬核軟殼復(fù)合磨料。
[0019]在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，所述步驟(5)為:將步驟(4)所得的物料經(jīng)真空抽濾后，所得固體依次用蒸餾水洗滌5次和無(wú)水乙醇洗滌3次。
[0020]在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，所述步驟￠)的烘干時(shí)間為20?30h。
[0021 ] 一種上述硬核軟殼復(fù)合磨料在超精密拋光藍(lán)寶石晶片中的應(yīng)用。
[0022]本發(fā)明的有益效果是:
[0023]1、本發(fā)明的硬核軟殼結(jié)構(gòu)的復(fù)合磨料在藍(lán)寶石襯底超精密加工過(guò)程中能夠提高加工效率和表面質(zhì)量，其具體原理為:在硬質(zhì)磨料機(jī)械加工應(yīng)力作用下，復(fù)合磨料表面的軟質(zhì)氧化物殼層與晶圓接觸部位，因摩擦產(chǎn)生界面化學(xué)反應(yīng)，形成相變鈍化層，其鈍化層的組織較藍(lán)寶石松軟易于被去除，且不會(huì)殘留應(yīng)力和損傷層，從而實(shí)現(xiàn)藍(lán)寶石晶片的高效超精密無(wú)損加工；
[0024]2、本發(fā)明的制備方法的包覆層結(jié)構(gòu)形貌厚度可控，工藝簡(jiǎn)單、成本低廉，適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0025]圖1為本發(fā)明的硬核軟殼復(fù)合磨料的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖2為本發(fā)明實(shí)施例1所用的金剛石磨料的掃描電鏡照片；
[0027]圖3為本發(fā)明實(shí)施例1制備的硬核軟殼復(fù)合磨料的掃描電鏡照片；
[0028]圖4為用本發(fā)明實(shí)施例1制備的硬核軟殼復(fù)合磨料拋光前的藍(lán)寶石形貌圖；
[0029]圖5為用本發(fā)明實(shí)施例1制備的硬核軟殼復(fù)合磨料拋光后的藍(lán)寶石形貌圖；
[0030]圖6為本發(fā)明實(shí)施例3制備的硬核軟殼復(fù)合磨料的透射電鏡照片。
【具體實(shí)施方式】
[0031]以下通過(guò)【具體實(shí)施方式】結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行進(jìn)一步的說(shuō)明和描述。
[0032]實(shí)施例1
[0033](1)將氯化鐵溶于去離子水中，制得濃度為lmol/L的氯化鐵溶液300mL ；
[0034](2)將4.5gffl金剛石磨料(如圖2所示)加入上述氯化鐵溶液中；
[0035](3)將步驟⑵的物料進(jìn)行超聲分散lOmin，以形成穩(wěn)定的懸濁液；
[0036](4)將上述懸濁液置于90°C的恒溫水浴中，恒溫回流水解反應(yīng)48h ;
[0037](5)將步驟(4)所得的物料經(jīng)真空抽濾后，所得固體依次用蒸餾水洗滌5次和無(wú)水乙醇洗滌3次；
[0038](6)將步驟(5)所得固體于40°C烘干24h，即得所述硬核軟殼復(fù)合磨料(如圖1和圖3所示)，其具有粒徑為1 μ m的金剛石磨料核心和厚度約lOOnm的軟質(zhì)氧化鐵殼層，該殼層中的氧化鐵晶粒尺寸為10nm左右。
[0039]將上述硬核軟殼復(fù)合磨料應(yīng)用于半固結(jié)柔性拋光工具機(jī)械化學(xué)拋光藍(lán)寶石晶片，得到Ra為0.8nm的亞納米級(jí)表面加工質(zhì)量，加工前后對(duì)比如圖4和圖5所示。
[0040]實(shí)施例2
[0041](1)將硝酸鎂溶于去離子水中，制得濃度為0.2mol/L的硝酸鎂溶液200mL ；
[0042](2)將2gW0.5氧化鋁磨料加入上述硝酸鎂溶液中；
[0043](3)將步驟⑵的物料進(jìn)行超聲分散lOmin，以形成穩(wěn)定的懸濁液；
[0044](4)將上述懸濁液置于60°C的恒溫水浴中，恒溫回流水解反應(yīng)24h ;
[0045](5)將步驟(4)所得的物料經(jīng)真空抽濾后，所得固體依次用蒸餾水洗滌5次和無(wú)水乙醇洗滌3次；
[0046](6)將步驟(5)所得固體于40°C烘干24h，即得所述硬核軟殼復(fù)合磨料(如圖1所示)，其具有粒徑為0.5 μπι的氧化鋁磨料核心和厚度約20nm的軟質(zhì)氧化鎂殼層，該殼層中的氧化鎂晶粒尺寸為8nm左右；
[0047]將上述硬核軟殼復(fù)合磨料應(yīng)用于半固結(jié)柔性拋光工具機(jī)械化學(xué)拋光藍(lán)寶石晶片，拋光后藍(lán)寶石表面粗糙度Ra為0.6nm。
[0048]實(shí)施例3
[0049](1)將硫酸亞鐵溶于去離子水中，制得濃度為0.2mol/L的硫酸亞鐵溶液250mL ；
[0050](2)將5gW0.25立方氮化硼磨料加入上述硫酸亞鐵溶液中；
[0051](3)將步驟(2)的物料進(jìn)行超聲分散15min，以形成穩(wěn)定的懸濁液；
[0052](4)將上述懸濁液置于85°C的恒溫水浴中，恒溫回流水解反應(yīng)36h ;