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蓝宝石晶片纳米级超光滑表面加工技术

导读: 蓝宝石(a一Al2O3)是一种集优良光学性能、物理性能和化学性能于一体的多功能氧化物晶体。

  1引言

  蓝宝石(a一Al2O3)是一种集优良光学性能、物理性能和化学性能于一体的多功能氧化物晶体。在光电子领域,蓝宝石晶体是制造氮化稼(GaN)发光二极管(LED)的首选衬底片材料;在光通讯领域,蓝宝石晶体不仅用作短波长有源器件,还用做无源器件的偏振片;在激光领域,蓝宝石是优秀的激光介质材料(如Ti:Al2O3,Cr:Al2O3);在超导领域,蓝宝石晶体除可制作Y系、La系等高温超导薄膜外,还可生长新型实用MgB2高温超导薄膜;在国防领域,蓝宝石晶体是红外军用装置、导弹、潜艇、卫星空间技术、高能探测和高功率强激光的重要窗口材料。

  蓝宝石无论作为光电子领域的衬底片还是光通讯领域的窗口,都对其加工质量有着非常高的要求。如作为金属有机化学气相沉积法(MOCVD)生长GaN的蓝宝石衬底片,要求表面是超光滑、无损伤表面。目前超光滑表面是指:表面粗糙度小于1nm(RMS)的表面。无损伤表面是指:加工表面不能有加工变质层,且表面晶格完整。

  由于蓝宝石硬度高(莫氏9.5,仅次于莫氏10.0的金刚石)、脆性大,对其机械加工十分困难,无损伤超光滑表面制备技术更加复杂。因此产业化制备满足光电子、光通讯领域需求的高品质蓝宝石晶体元件技术是相当复杂的系统工程,它涉及晶体结构、超精密加工、物理化学、机械制造等相关交叉学科。由于蓝宝石元件在航天、军事等方面具有十分重要的用途,因此蓝宝石晶片加工技术在西方国家都极为保密。

  目前国内蓝宝石晶片生产厂家仍然沿用光学玻璃的传统生产技术,已经无法加工出满足光电子、微电子所需要的无损伤层的超光滑高品质蓝宝石晶片,所以本文针对大尺寸蓝宝石晶片塑性磨削机理、纳米级研磨技术、无损伤层的浮法化学机械抛光等技术进行研究,以原子力显微镜(AFM)为主要检测工具,通过分析蓝宝石晶片的塑性域磨削和化学机械抛光工艺,能够稳定的制备无损伤层的超光滑蓝宝石晶片。

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