化学抛光技术在晶体材料中的应用研究毕业设计1.doc

化学抛光技术在晶体材料中的应用研究摘 要化学抛光技术是目前唯一能获得全局平面化效果的平整化技术。本文主要研究石榴石晶体的化学抛光工艺。进行不同化学抛光液抛光后效果对比实验，室温与高温抛光后效果对比实验，不同抛光时间后的效果对比实验。将抛光后的晶片利用原子力显微镜等仪器进行表面形貌的测试。经过比较分析得到：在室温下，H2SO4、H2O2体积比为11的溶液为化学抛光液，抛光1小时，此工艺为石榴石晶片合适的化学抛光工艺。抛光后晶片表面在10×10µm2范围内平均粗糙度达到0.3536nm，与传统商用硅片抛光后效果相当。此抛光工艺的获得，解决了石榴石晶体在应用于高能激光器时由于表面粗糙影响输出功率的问题。关键词 化学抛光；Yb:YAG晶体；原子力显微镜；平均粗糙度Study on chemical polishing of crystals materialAbstractChemical polishing is the only technology to achieve the overall plane currently. In this paper, chemical polishing of the garnet crystal is studied. Comparing the effect of different chemical polishing solution on polishing the sample, the sample polishing at room temperature and high temperature, different polishing time on the samples polished. Using atomic force microscopy and other equipment to test the surface morphology of the samples polished. After comparison and analysis, we know that at room temperature, using solution of H2SO4、H2O2 volume ratio of 11 as a chemical polishing solution and polishing one hour, are suitable chemical polishing technology of garnet wafer. The surface average roughness of the garnet wafer polished reached 0.3536nm in the range of 10 × 10m2, almost the same roughness as the silicon wafer polished which is used in traditional industry. As we know, surface roughness of the garnet crystal used in high-energy laser affects the output power. The polishing technology we talked about solves the problem.Keywords chemical polishing; Yb:YAG crystal ; AFM; the average roughness目 录1 绪论11.1 化学抛光的应用背景11.2 几种常见的化学机械抛光工艺31.3 应用化学抛光技术的实例41.4 石榴石基质特性及典型石榴石晶体Yb:YAG晶体52 实验方法72.1 晶体生长及加工72.2 化学抛光92.3 显微镜原理92.4 原子力显微镜原理103 抛光工艺探索113.1 化学抛光液对抛光质量的影响113.2 温度对抛光质量的影响124 实验134.1 实验流程概述134.2 晶体表面的原子力显微镜分析（1）144.3 晶体表面的原子力显微镜分析（2）184.4 实验小结22结 论24致 谢25参 考 文 献26附录A 译文27附录B 外文原文331 绪论1.1 化学抛光的应用背景现代短波光学、强光光学、电子学及薄膜科学等学科的发展对所需材料的表面质量的要求越来越高,尤其是强激光技术对光学元件表面粗糙度的要求极为苛刻,要求达到超光滑表面的标准1。而传统的加工工艺不可避免地给晶体元件带来诸多的表面缺陷。再者,新材料在各种元器件中具有广泛的应用，为了获得电子元件的高性能,制造大规模集成电路的硅片、水晶振子基片、铌酸锂基片、钽酸锂基片等晶体基片不仅要求有极高的平面度和无损伤超光滑表面,还要求两端面严格平行且无晶向误差。为获得高性能的电子元器件，在材料加工中，应用化学机械抛光工艺来获得超平滑表面是一种有效的方法2。近年来，随着半导体产业的迅速发展，半导体晶片不断地朝小体积、高电路密集度、快速、低耗电方向发展。由于金属层数增加，要在大直径硅片上实现多层布线结构，刻蚀要求每一层都应具有很高的全局平整度，即要求对多层布线互连结构中凹凸不平的绝缘体、导体、层间介质（ILD）、镶嵌金属（如Al，Cu）、浅沟槽隔离（STI）、硅氧化物、多晶硅等进行平整化，这是实现大规模集成电路立体化结构的关键。在众多的平整化技术中，化学机械抛光（CMP）是目前唯一能获得全局平面化效果的平整化技术，因此，在当前最尖端的半导体科技中，CMP已经成为众所瞩目的核心技术。CMP是IBM公司于1985年发展CMOS产品时研发成功的一项新技术，并在1990年成功应用于64MB的DRAM生产中。1995年以后，CMP技术得到了快速发展，大量应用于半导体产业。CMP的研究开发工作过去主要以美国半导体制造技术联合会（SEMATECH）为主，现在已扩展到全球。欧洲联合体JESSI、法国研究公司LETI和CNET、德国FRAUDHOFER研究所、日本荏原制作所等也相继加入。我国台湾和韩国也在CMP方面研究较多。作为半导体制造工艺中的关键技术，CMP已成为研究的热点课题和发展的焦点。 随着IC元件逐渐采用小尺寸、高聚集化的多层立体布线后，光刻工艺中对解析度和焦点深度（即景深）的限制越来越高，因此对硅片的表面平整度有较高的要求，特别当产品需要三层或四层以上的金属层时，对平坦化技术的需求更显得重要。因为要在凹凸不平的表面上同时在凹处及凸处进行聚焦是十分困难的，再加上后期制造时每层电路间的连接也需要相当程度的平整度，否则电路将无法顺利接通。所以在IC制造追求结构微细化、薄膜化和布线立体化的趋势下，硅片的化学机械抛光无疑是不可或缺的关键技术。 硅片CMP机台整个系统由一个旋转的硅片夹持器、承载抛光垫的工作台和抛光液输送装置三大部分组成。化学机械抛光时，旋转的工件以一定的压力压在旋转的抛光垫上，由亚微米或纳米磨粒和化学溶液组成的抛光液在硅片与抛光垫之间流动，抛光液在抛光垫的传输和旋转离心力的作用下，均匀分布其上，在硅片和抛光垫之间形成一层液体薄膜，液体中的化学成分与硅片产生化学反应，将不溶物质转化为易溶物质，然后通过磨粒的微机械摩擦将这些化学反应物从硅片表面去除，溶入流动的液体中带走，即在化学成膜和机械去膜的交替过程中实现超精密表面加工，从而达到平坦化的目的。硅片表面的去除速率与硅片和抛光垫的相对速度及抛光压力成正比。在抛光过程中，除了机构参数及抛光垫特性的影响外，抛光区域温度及抛光液中磨料颗粒大小、粘度、溶液pH值等参数均会对平坦化效果造成重要影响。一般而言，当硅片和抛光垫表面的相对速度、压力及抛光液供应稳定时，硅片会被均匀的抛光。在硅晶片前半制程的多层循环布线中要反复使用到化学机械抛光。大量的研究表明，CMP不仅是单晶硅片获得纳米级超光滑无损伤表面的最佳方法，也是ULSI芯片多层布线中不可替代的层间平坦化方法。它在集成电路制造中的应用主要集中在以下几个方面。 氧化硅薄膜的CMP。氧化硅多应用于做绝缘膜或隔离层，因此氧化硅层的平整度将影响往后数层的制造、导线的连接以及定位的工作。通常氧化硅层多以CVD（化学汽相沉积）的方法沉积，因此会有过多的堆积层需要以CMP的方式去除，此过程没有明显的停止终点，以去除薄膜的厚度为标准，只需达到平整度要求即可。 层间绝缘膜的CMP。在层间绝缘膜的平整化方面，抛光对象有电浆辅助化学汽相沉积膜、硼磷硅玻璃及热氧化膜等。每一种对象的CMP抛光条件都随着抛光液种类、抛光压力与抛光时间而有所不同。在对不同特性的绝缘膜抛光时，大多以监测抛光终点来判定完成与否。 浅沟槽隔离的CMP。在硅晶片上经蚀刻形成沟槽后，利用CVD方式沉积氧化硅膜，再用CMP去除未埋入沟槽中的氧化硅膜，并以抛光速度相对缓慢的（如氮化硅膜）作为CMP的抛光停止层即终点，此时沟槽内的氧化硅即成为电路中的绝缘体膜。多晶硅的CMP。此为将STI过程的沟槽加深，以CVD方式沉积氧化硅或氮化硅后，再以多晶硅作为堆积材料，用CMP去除深沟外多余的多晶硅，并以在硅晶片上及沟槽内长成的氧化硅或氮化硅膜作为CMP的抛光停止层即终点，此方法常见于沟槽电容的制造过程中。 金属膜的CMP。在半导体工艺中常用作导线的金属有铝、钨、铜，CMP除了能将金属导线平整化以外，还能制作导线间连接的“接触窗”，即在两层电路间的绝缘膜上蚀刻出接触窗的凹槽，再以CVD方式将用作导线材料的金属沉积其中，最后再以CMP去除多余的金属层。此法即为IBM公司的镶嵌法。因为由抛光垫所施加的压力对硅片上凸出处作用较大，因此按照导线密度及大小的不同，硅片受抛光的程度也有差异。就是说，大区域绝缘层在一般情况下作为抛光停止层的效果颇佳，但在金属导线密度高的部分因绝缘膜层所占的面积小而容易产生过度抛光的现象，这是当前CMP领域急待解决的一大问题3。1.2 几种常见的化学机械抛光工艺（1）浴光抛光该抛光方法是美国在60年代为发展深紫外光学而研究的一种超精密抛光方法，由R.Dietz提出。在常规抛光中，操作者每隔一段时间往抛光模上加入少量抛光液。浴法抛光则是将抛光模浸在抛光液中，两者一起旋转。浴法抛光改变了抛光液的供给方式，该法优点是：利用抛光介质的热容量大，精确的控制抛光模环境温度变化，减小温度对抛光模变形的影响，还可使抛光模和工件的接触更柔和，避免因润滑不足产生过大的抛光力和过高的抛光温度。1966年，R.Dietz利用该法在熔融石英上获得了Rrms=0.3nm的超光滑表面。（2）修正环形抛光该方法是浙江工业大学研究开发使用。其特点是：将切片后的薄片工件粘贴在平面平行夹具上，作为名义大口径厚工件加工，并通过修正环的旋转来实时连续修正抛光盘的平面度。该抛光机采用了专家数据库智能控制系统，实现了加工过程高度自动化，提高了加工效率、加工质量和一致性，尽可能排除了对工人熟练程度的要求。可以用于水晶片、铌酸锂基片、硅片等平面晶体工件的加工，经广东工业大学、长沙矿冶研究院、浙江工业大学等单位使用，效果良好。在实验给定条件下，用SiO2和K3沥青抛光模对水晶基片抛光，可以加工出表面粗糙度不超过0.10.2nm，实现了“极限加工精度”；采用纯锡抛光盘及SiO2抛光粉对蓝宝石晶体镜面加工，最佳抛光条件下得到的表面粗糙度不超过0.2nm。（3）胶态硅粒抛光胶态硅粒抛光是报道较多的用于加工蓝宝石材料的抛光方法。该法已被世界上广泛接受为一种加工半导体硅片的标准方法，此外，还可用于加工金属和玻璃。从抛光机理上讲，胶态硅粒抛光属于化学抛光。抛光时在软质抛光模（沥青、人造革等）与工件之间存有极薄的胶体，由于在水平方向运动受剪切力作用产生凝胶化现象，即胶态SiO2的凝着和削薄作用。长春光学精密机械研究所在超洁净实验室里，用英国进口抛光机、聚氨酯抛光模和SiO2悬浮液抛光LiGaO2晶体，加工出表面粗糙度小于0.1nm的超光滑表面4。1.3 应用化学抛光技术的实例（1）碲锌镉晶体的化学抛光碲锌镉晶体即CdZnTe(CZT)是制作射线和X射线探测器的优良材料，其晶片的表面质量是影响探测器性能的一个关键因素。机械抛光过的CZT晶片表面存在着损伤层、划痕及结构缺陷等，会影响器件的性能。采用不同浓度的Br2-MeOH作为抛光液对CdZnTe进行化学抛光，发现用2%Br2-MeOH腐蚀时速率平稳且易于控制，能有效去除表面划痕，获得光亮表面AFM分析发现，抛光后表面粗糙度降低30%，平整度增加5。（2）铌酸锂晶体的化学抛光采用铌酸锂（LiTaO3）晶体作为研究对象，通过改变CMP过程中各个参数对其作用强度来观察基片表面的变化情形。首先将试件通过常规的研磨抛光使其保证具有一致性表面，即常规检测下其光洁度是合格的。然后采用化学抛光液（SiO2）、磨砂革抛光盘对其进行CMP加工试验。在这一过程中，吸附在抛光盘上的化学抛光液不断地对晶体抛光面产生侵蚀作用，生成胶状膜层。而该膜层又经机械磨削作用被不断割除从而暴露出新的表面，就这样周而复始的对晶体表面不断的化学侵蚀和机械割除构成了化学机械抛光的基本过程，这一过程看起来似乎非常简单，但由于被抛光对象的不同，对抛光液、抛光盘、PH值、机械转速、压力就会有不同的选择。很显然要想获得较理想的加工表面，应使机械磨削作用与化学腐蚀作用保持相对的平衡。发现在合适的条件下晶体表面粗糙度可由原来的2.077nm减小到1.075nm6。1.4 石榴石基质特性及典型石榴石晶体Yb:YAG晶体石榴石是最常用的激光基质材料，包括人造石榴石，有钇铝石榴石Y3Al5O12(YAG), 镥铝石榴石Lu3Al5O12(LuAG), 钆镓石榴石Gd3Ga5O12(GGG)和钆钪铝石榴石Gd3Sc2Al3O12(GSGG)。属于立方晶系，稀土石榴石类晶体由于具有非常优异的物理和机械性能，是激光晶体的首选基质材料。石榴石具有高功率大能量激光基质材料所要求的很多特性：（1）晶体光学各向同性，高质量的晶体内折射率无变化。（2）石榴石晶体质地坚硬，莫式硬度达到了6以上；热导率高，热膨胀系数 小；抗裂强度大,弹性模量达到300GPa以上。因此石榴石晶体具有良好的机械和热力学性能，能够容许高平均功率下工作。（3）晶体生长工艺成熟，能生长出大尺寸高质量的晶体，Nd:YAG晶体的尺寸达到了f100mm以上，Yb:YAG晶体的尺寸也达到了75mm以上。满足了高功率大能量激光器所需要的高质量大尺寸棒状或盘片激光介质。以上介绍的石榴石晶体的特点，下面以石榴石晶体中的YAG晶体为例，对YAG晶体的结构和物化性能等作详细的介绍。YAG作为激光介质始于1964年，此后一直被用作固体激光基质晶体。表1.1列出了YAG石榴石晶体的一些物化特性，可以看出YAG晶体具有优异的光学、热力学、机械性能和化学稳定性。同时，能给激活离子提供良好的晶体场环境，因而是理想的激光基质晶体。表1.1 YAG晶体的物化特性物化特性YAG组成Y3Al5O12晶体结构立方晶系，Ia3d空间群晶胞参数 (nm)1.2008熔点()1920密度 (g/cm3)4.55莫式硬度8热导率 (Wm-1K-1)10.7热膨胀系数 (K-1) <111>7.8×10-6折射率1.820透光波段 (m)0.285.5化学性质不溶于H2SO4、HNO3、HCl和HF中，当温度大于250时溶于H3PO4将Yb3+离子掺杂到 Y3A15012 基质中生长成 Yb:YAG晶体，此种晶体结合了Yb3+离子和YAG基质的优点，具有量子效率高、不存在激发态吸收和上转换，具有宽的吸收带和发射带、长的荧光寿命，优良的光学、 热力学和机械性能等特点。而且YAG基质的物化特性综合性能最为优良，所以Yb:YAG已成为最引人注目的固体激光介质之一，LD泵浦的高功率Yb:YAG固体激光器成为新的研究热点，并将其视为发展高效、高功率固体激光器的一个主要方向。综上，在材料加工中，应用化学机械抛光工艺来获得超平滑表面是一种有效的方法。且化学机械抛光（CMP）是目前唯一能获得全局平面化效果的平整化技术，是当前最尖端的半导体科技中的核心技术。因此本论文以化学抛光技术为主要研究内容。石榴石晶体由于具有非常优异的物理和机械性能，是激光晶体的首选基质材料。稀土掺杂石榴石晶体广泛应用于固体激光器中，成为重要的激光增益介质。石榴石晶体在激光器的应用中，要求表面超光滑，以减少光伤阈值，提高激光的输出效率。因此本论文选择石榴石晶体材料为研究材料。本论文主要研究石榴石晶体材料的化学抛光工艺，通过不断的调整工艺参数，得到合适的化学抛光工艺，通过化学抛光得到超平滑表面的石榴石晶片。2 实验方法2.1 晶体生长及加工提拉法生长石榴石系列单晶体（1）原料制备提拉法是创始人Czochralski于1918年提出的一种晶体生长方法，所以提拉法也称Czochralski法（CZ法）。CZ法是从熔体生长单晶最常用的，也是目前应用最为广泛的单晶生长方法之一。本实验所用的晶体就是用这种方法制备的,是一种比较成熟的晶体生长方法。图2. 1 提拉法设备示意图晶体生长以高纯Al2O3(99.999%)、Y2O3(99.999%)、Yb2O3(99.999%)为初始原料，在烧料炉中400oC恒温5小时以除去吸附H2O及其它的杂质。然后称料，并研磨均匀、充分混合。在200MPa压力下压制成块，然后将料块放入刚玉坩埚中装进马釜炉里，在1300的空气气氛下烧结12h成Yb:Y3Al5O12多晶料块。烧结好的原料应放入干燥箱备用。（2）生长工艺选择<111>方向的纯YAG 晶体做为籽晶。晶转速率1020rpm，生长速率12mm/h，氮气作为保护气氛。晶体生长流程如下：烤晶种升温化料充氮气抽真空装炉收尾等肩生长放肩缩径下种取出晶体降温图2.2 晶体生长流程（3）退火对于提拉法生长的各种稀土离子掺杂的石榴石晶体，为了消除色心和小晶面造成的应力场，因此原生态的晶体必须进行高温氧化气氛退火处理。图2.3 提拉法生长的Yb: YAG 晶体晶体生长完成后，需要根据实验要求对其进行切割打磨等加工。（1）晶体切割晶体切割，就是按照加工所要求的晶体切割方向切割晶体，把晶体切割成所需要的尺寸和形状，以便于加工器件。切割后的晶体材料一般称为晶片。因为晶体的性质有各向异性的特点，所以在切割过程中，要严格按照要求的方向切割，这样才能保证切割后得到的晶体能够有特定的功能。不同晶体性质有所不同，有的晶体非常坚硬，有的则易碎，所以晶体切割需要很多大型设备保证加工的晶体的质量。（2）晶体打磨晶体打磨，就是把切割好的晶体，按照一定的表面光滑程度要求，利用各种设备或者磨料颗粒，或者其他的手段对晶体表面进行加工，以提高表面的光洁程度。许多用作光学器件的晶片对表面的平整程度有很高的要求，切割之后的晶片表面有很多的划痕和坑洞，这种晶片是不能直接使用的，这就需要对晶片进行打磨加工。由于晶体性质不同，以及实际应用的要求不同，打磨抛光的手段以及达到要求也有所区别。下图为处理好的将要进行化学抛光的晶片图2.4 将进行化学抛光的晶片2.2 化学抛光 化学抛光是用化学试剂对样品表面凹凸不平区域进行选择性溶解以消除磨痕、获取光滑表面的一种方法。在某个温度下将机械抛光好的Yb:YAG晶体放置于某种化学抛光液中，选择一个抛光时间进行化学抛光实验，化学抛光后的样品经超声波清洗后，用滤纸吸干后在德国Leitz 光学显微镜下进行观察，并进一步用原子力显微镜进行表面形貌的测试。比较抛光前后的晶体的表面形貌，重复上述步骤，找出合适的抛光条件。2.3 显微镜原理显微分析是材料科学的一个很重要的研究方法，它可以观察及研究材料中用宏观分析方法无法观察到的组织细节及缺陷。光学显微镜就是进行显微分析的主要工具。显微镜的基本放大原理如所示。其放大作用主要由焦距很短的物镜和焦距较长的目镜来完成。目前光学显微镜可观察的最小尺寸一般是0.2mm左右，有效放大率最大为15001600倍。偏光显微镜与普通显微镜的结构大致一样，只是在入射光栏孔径后面增加一偏光镜，称为起偏镜。起偏镜或检偏镜中间至少应有一个是可以转动的，以便调节这两个偏振镜振动面之间的夹角。此外，根据不同的要求，还要用到聚光镜，勃氏镜等其他附件。偏光显微镜常用来观察晶体的轴向、解理、孪晶、镶嵌、应力引起的双折射等结构和缺陷，在晶体检测方面有广泛的应用。采用Leitz orthoplan-pol大视场偏光显微镜对Yb:YAG晶体的位错蚀坑、开裂、包裹物等缺陷进行了细致的观察。实验用样品均经过精细的机械抛光。对需要观察位错蚀坑的样品，还要进行化学抛光和腐蚀7。图2.5光学显微镜的成像原理2.4 原子力显微镜原理原子力显微镜(atomic force microscopy，AFM)是利用STM检测隧道电流变化的办法来检测出样品表面原子间力的变化，从而达到观察样品表面状态原子级尺度变化的仪器。原子力显微镜的工作原理如图2.4所示。一个对于微弱力特别敏感的微悬臂(cantilever)的一端固定，另一端装上一个尖端极细的针尖，针尖是AFM极其重要的部件。针尖与样品的距离可以控制，其与样品的接触模式也可以选择，可以是直接轻轻地接触样品表面；或者不接触样品表面；还可以不断地轻敲样品表面。根据牛顿力学原理，原子之间的这种排斥力与距离成反比，当二者的距离小于纳米级时，其排斥力约为10-710-4N/Å。通过在扫描时控制这种力的恒定，带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动。利用光学检测法或隧道电流检测法，可测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的信息8。图 2.6 原子力显微镜工作原理图3 抛光工艺探索一般说来 ,材料的去除率越大 ,得到的表面质量越差。在一般情况下,材料的去除率与化学抛光液、抛光温度等有关。下面就对这些影响抛光质量的因素进行具体的分析，并选择适合本实验的抛光条件。3.1 化学抛光液对抛光质量的影响化学抛光液:化学抛光液对抛光效果影响很大。不同的抛光液的腐蚀性的强弱不同，反应生成物也不一样。腐蚀性强的抛光液，抛光效率固然高，但是抛光不均匀，抛光晶体表面平滑度不易控制。腐蚀性弱的抛光液，抛光过程易于控制，但是抛光效率低。有的抛光液在抛光初始的时候，抛光效果很好，但由于反应生成物不断地堆积在晶体表面，从而阻碍了抛光的进一步进行。所以，化学抛光液抛光过程中的生成物也是必须考虑的影响抛光质量的重要因素。根据对相关文献的研究和实验室的条件，初步确定可以用浓H2SO4或者H2SO4、H2O2体积比为11的混合液作为本实验的化学抛光液。为了进一步确定哪一种抛光液的抛光效果更佳，进行了如下实验：在室温下，分别用浓H2SO4和H2SO4、H2O2体积比为11的混合液对Yb:YAG晶体抛光30分钟，对抛光后的晶体进行表面检测。 图3.1(a) 用浓H2SO4抛光后在显微镜 (b) 用H2SO4、H2O2等体积的混合液抛光下的表面形貌 后在显微镜下的表面形貌观察图3.1(a)可知：用浓硫酸作为化学抛光液，样品表面会覆盖很厚的沉积层且出现大的颗粒，抛光质量很不理想。观察图3.1(b)可知：采用H2SO4、H2O2体积比为11的混合溶液作为化学抛光液，不会在反应过程中出现不溶性残渣，抛光质量较为理想。所以，在本实验中选择了H2SO4、H2O2体积比为11的混合溶液作为化学抛光液。3.2 温度对抛光质量的影响温度：温度在抛光中起着非常重要的作用，它对抛光质量的影响体现在抛光的各个环节。一般来说，温度越高抛光速率越高，表面平整度越好，但化学腐蚀严重，表面完美性差。所以温度必须在合适的范围内，才能满足晶圆片的平整度要求，得到完美的晶圆片表面9。为了确定一个合适的抛光温度，进行了如下实验：分别在室温和加热情况下，用H2SO4、H2O2体积比为11的混合溶液对Yb:YAG样品抛光30分钟，对抛光后的晶体进行表面检测。 3.2 (a) 室温抛光后在AFM下的立体表面形貌 (b) 加热抛光后在AFM下的立体表面形貌图3.2(a) 即室温下Yb:YAG样品在H2SO4、H2O2体积比为11的抛光液中化学抛光30分钟在AFM下测得的立体表面形貌。图中可观察到明显的长长的划痕分布在晶体表面，表面粗糙度为0.8948nm。图3.2(b)为加热情况下Yb:YAG样品在H2SO4、H2O2体积比为11的抛光液中化学抛光30分钟在AFM下测得的立体表面形貌。图中可观察到整个晶体表面坑坑洼洼，高低起伏很大，出现了严重腐蚀的状况，表面粗糙度为13.47nm，竟比室温情况下的10倍还大。比较上述不同温度下的抛光情况，发现室温下抛光较温和，抛光质量较好；而加热情况下，由于反应剧烈，出现了严重腐蚀的现象。所以，本实验选择在室温下进行。综上所述，本实验选取H2SO4、H2O2体积比为11的混合液作为化学抛光液，在室温下进行化学抛光的研究。抛光时间对抛光质量有很大的影响。抛光时间不足，抛光不充分，表面质量达不到要求。抛光时间过长，会出现抛光过度，抛光液对晶体表面进一步腐蚀，出现很多大的腐蚀坑。只有在合适的抛光时间下，才能获得满足表面光滑度要求的晶片。前面已经确定了合适的化学抛光液和抛光温度，接下来是研究抛光时间对抛光质量的影响。本实验的主要内容就是研究抛光时间对抛光质量的影响，即选取不同的抛光时间，在室温下用H2SO4、H2O2体积比为11的抛光液对Yb:YAG晶体进行抛光，检测抛光前后的晶体表面，找出较合适的抛光时间。4 实验4.1 实验流程概述本文主要研究抛光时间对抛光质量的影响。下面是具体实验过程。首先将试件通过常规的研磨抛光使其保证具有一致性表面，即在常规检测下其光洁度是合格的。针对YAG基质，选取了H2SO4、H2O2体积比为11的混合液作为化学抛光液，在室温下，采用不同的抛光时间对晶片进行化学抛光，即抛光30min、抛光1hour以及抛光1.5hour。分别在抛光前、 抛光30min、抛光1hour 及抛光1.5hour（见表1），用原子力显微镜测试在10m的范围内其表面平均粗糙度进行测量，找出使其晶片表面达到高的光洁度和平面度的抛光时间点。表4.1 样品分组及抛光环境抛光时间抛光晶体抛光温度抛光液抛光前Yb:YAG室温体积比为11 的H2SO4与H2O2抛光30分钟抛光1小时抛光1.5小时4.2 晶体表面的原子力显微镜分析（1）1 抛光前 图4.1.a Yb:YAG样品化学抛光前在AFM 图4.1.b Yb:YAG样品化学抛光前在AFM 下的平面表面形貌图 下的立体表面形貌图 图4.1.c Yb:YAG样品化学抛光前在AFM的表面形貌图4.1为抛光前样品AFM表面形貌图，可见明显的机械加工留下的划痕，划痕交错深浅的分布在晶体表面。较深的划痕可由5nm左右，晶体的表面粗糙度为1.126nm，在一些对表面质量要求较高的工艺中，这样的元件是不可以用的。有必要对其表面进行处理，使其达到平面度和光滑度的要求。下面研究了不同抛光时间对抛光效果的影响。2 抛光30min 图4.2.a Yb:YAG样品化学抛光30min 图4.2.b Yb:YAG样品化学抛光30min在AFM下的平面表面形貌图 在AFM下的立体表面形貌图图4.2.c Yb:YAG样品化学抛光30min在AFM的表面形貌图4.2即Yb:YAG样品在H2SO4、H2O2体积比为11的抛光液中化学抛光30min在AFM下的表面形貌。对其进行观察可以发现，抛光作用很明显，表面粗糙度为0.8948nm,与抛光前相比表面粗糙度有所好转，这种变化趋势是好的，但还是可以观察到明显的长长的划痕分布在晶体表面，所以有必要对其进行进一步的化学抛光。3 抛光1hour图4.3.a Yb:YAG样品化学抛光1hour 在显微镜下的表面形貌 图4.3.a为Yb:YAG样品化学抛光1hour 在显微镜下表面形貌，可以观察到整个表面非常光滑。已看不到明显的划痕，只有星星点点的很细小的坑，为了更精确地观察其表面，继续用原子力显微镜测量其表面形貌。 图4.3.b Yb:YAG样品化学抛光1hour 图4.3.c Yb:YAG样品化学抛光1hour在AFM下的平面表面形貌图 在AFM下的立体表面形貌图图4.3.d Yb:YAG样品化学抛光1hour在AFM下的表面形貌图4.3.b-4.3.d为Yb:YAG样品在H2SO4、H2O2体积比为11的抛光液中化学抛光1 hour在AFM下的表面形貌。图中已观察不到明显的划痕，表面非常的平整光滑，较深的坑也只有0.5nm左右，表面粗糙度为0.3536 nm，较抛光前和抛光30min都要好。这是不是最合适的抛光时间呢？为了弄清楚这一点，有必要看看更长的抛光时间下的抛光效果。4 抛光1.5hour 图4.4.a Yb:YAG样品化学抛光1.5hour 图4.4.b Yb:YAG样品化学抛光1.5hour在AFM下的平面表面形貌图 在AFM下的立体表面形貌图图4.4.c Yb:YAG样品化学抛光1.5hour在AFM下的表面形貌图4.4为Yb:YAG样品化学抛光1.5hour在AFM下的表面形貌。观察表面形貌图，晶体表面布满了腐蚀坑，其中较深的坑，深度有15nm左右，表面粗糙度为5.980nm,比抛光前的表面更粗糙，这是抛光过度的表现。可见并不是抛光时间越长，抛光效果越好。表2列出了抛光前、抛光30分钟，抛光1小时和抛光1.5小时的样品的表面形貌情况。表4.2 各样品的表面形貌抛光时间表面形貌表面粗糙度抛光前划痕交错深浅的分布在晶体表面。较深的划痕有5nm左右。1.126nm抛光30分钟与抛光前相比表面粗糙度有所好转，这种变化是我们乐见的，但还是可以观察到明显的长长的划痕，所以有必要对其进行进一步的化学抛光。0.8948nm抛光1小时表面非常的平整光滑，较深的坑也只有0.5nm左右，较抛光前和抛光30min都要好。0.3536 nm抛光1.5小时晶体表面布满了腐蚀坑，其中较深的坑，深度有15nm左右。5.980nm4.3 晶体表面的原子力显微镜分析（2）通过比较这几组情形，发现用H2SO4、H2O2体积比为11作为抛光液，在室温下，采用不同的抛光时间对晶片进行化学抛光，其中抛光时间为1hour抛光效果最好。为得到更精确地实验结果，在接近1小时的前面与后面各取一个抛光时间点，又进行了两组实验，即抛光45min和抛光1小时15分钟。列表如下：抛光时间抛光晶体抛光温度抛光液抛光45分钟Yb:YAG室温体积比为11 的H2SO4与H2O2抛光1小时15分钟表4.3 样品抛光环境1 抛光45min图4.5.a Yb:YAG样品化学抛光45min在显微镜下的表面形貌图4.5.a为Yb:YAG样品化学抛光45min在显微镜下的表面形貌。晶体表面还算光滑，没有大的斑痕，但是可以看到表面分布有一些较大的坑点，明显没有抛光1小时的效果好。这是抛光不充分的结果。继续对其进行AFM检测。 图4.5.b Yb:YAG样品化学抛光45min 图4.5.c Yb:YAG样品化学抛光45min在AFM下的平面表面形貌图 在AFM下的立体表面形貌图图4.5.d Yb:YAG样品化学抛光45min在AFM下的表面形貌图4.5.b-4.5.d为Yb:YAG样品化学抛光45min在AFM下的表面形貌。从图中已看不到大的、明显的划痕了，但可以看到一些腐蚀坑，坑的深度可达4.6nm左右，表面表面粗糙度为1.067 nm,比抛光前好一些，但是不如抛光1小时的效果。进一步说明了抛光不充分。2 抛光1h15min图4.6.a Yb:YAG样品化学抛光1.25hour在显微镜下的表面形貌图4.6.a为Yb:YAG样品化学抛光1.25hour在显微镜下的表面形貌。表面可见坑坑洼洼，抛光效果也不如抛光1小时的好。可见是抛光过度的结果。接下来对其进行AFM检测。 图4.6.b Yb:YAG样品化学抛光1.25hour 图4.6.c Yb:YAG样品化学抛光1.25hour在AFM下的平面表面形貌图 在AFM下的立体表面形貌图图4.6.d Yb:YAG样品化学抛光1.25hour在AFM下的表面形貌。图4.6.b-4.6.d为Yb:YAG样品化学抛光1.25hour在AFM下的表面形貌。抛光1.25hour，从表面形貌图上可以看到很多明显的腐蚀坑，坑的深度可达11nm左右，表面粗糙度为4.846nm,远远不如抛光45min,当然更不如抛光1小时效果好。表4为样品抛光45分钟、抛光1小时15分钟和抛光1小时的表面形貌。 表4.4 抛光45分钟、1小时15分钟和抛光1小时的样品的表面形貌抛光时间表面形貌表面粗糙度抛光45分钟可看到一些腐蚀坑，坑的深度可达4.6nm左右。1.067nm抛光1小时15分钟看到很多明显的腐蚀坑，坑的深度可达11nm左右。4.846nm抛光1小时表面非常的平整光滑，较深的坑也只有0.5nm左右，较抛光前和抛光30min都要好。0.3536 nm4.4 实验小结针对YAG基质，用H2SO4、H2O2体积比为11的混合液作为化学抛光液，在室温下，采用不同的抛光时间对晶片进行化学抛光，即分别抛光30分钟、45分钟、1小时、1小时15分钟、1小时30分钟。为了更直观地观察比较各组实验结果，给出样品表面粗糙度与抛光时间关系的坐标图（图4.7）。图4.7 样品表面粗糙度与抛光时间关系的坐标图从图4.7中可以明显地看出：当抛光时间不足1小时的时候，化学抛光不够充分，抛光效果未达最佳；而当抛光时间超过1小时的时候，则出现抛光过度进而严重腐蚀的现象，表面光滑程度迅速变差；抛光时间为1小时的时候，抛光效果较佳，表面无划痕，无