蓝宝石超声与兆声清洗试验研究

【作者】 钟劲； 梁志强； 王西彬； 杨海成； 苏瑛； 郭芮； 许增奇；

【机构】 北京理工大学机械与车辆学院； 北京理工大学先进加工技术国防重点学科实验室； 西安应用光学研究所；

【摘要】 蓝宝石表面洁净程度会显著影响元件的使用性能及寿命,清洗是保证其使用性能必要的加工步骤,目前蓝宝石清洗以湿法清洗为主,使用有机溶剂、酸、碱、去离子水等溶液的,在合适的温度下,采用浸泡、漂洗、冲洗等工艺,以达到对蓝宝石表面污染物均匀去除的目的。随着抛光工艺的改进,含有大量纳米级颗粒的抛光液在蓝宝石化学机械抛光中被使用,其残留的微小颗粒利用超声空化作用难以有效去除,兆声清洗频率高,可以有效去除纳米级小颗粒。因此,需要对超声清洗和兆声清洗方法进行深入研究,分析不同频率下振动作用的清洗效果,从而为蓝宝石洁净化工艺提供指导建议。针对高精度抛光的蓝宝石,分别在超声与兆声环境下对其进行清洗试验。采用原子力显微镜检测蓝宝石表面形貌,观察纳米级颗粒残留以及原子台阶结构,在微观层面分析蓝宝石表面洁净程度;利用X射线光电子能谱仪检测蓝宝石清洗前后C、O、Al、Si四种元素的相对含量,分析蓝宝石表面污染物残留情况以及超声和兆声的清洗效果;采用接触角测量仪测量蓝宝石清洗前后表面接触角,宏观上表征蓝宝石表面洁净程度;利用激光扫描显微镜及图像处理软件分析并计算表面颗粒污染物分布及大小。试验结果表明,兆声清洗有效地去除了蓝宝石表面纳米级小颗粒,其清洗后蓝宝石表面洁净程度高、残留颗粒少,接触角最小为31.4°,1μm以下残留颗粒数为1,利用原子力显微镜可观察到高精度抛光蓝宝石表面的原子台阶结构,而超声清洗无法实现,此外兆声清洗可以将清洗前蓝宝石表面粗糙度0.306nm降低至0.096nm,优于超声清洗的0.131nm。蓝宝石清洗前表面硅元素含量较高为9.02%,这是氧化硅抛光液残留造成的,超声清洗和兆声清洗后其相对含量分别下降4.6%和5.2%,对于纳米级的氧化硅颗粒的去除,兆声清洗更有效。试验结果为抛光后蓝宝石的清洗工艺提供了参考依据。更多还原