Физико-химия в процессах формирования функциональных поверхностей деталей электронной техники и оптических систем из стекла и сапфира (α-Al₂O₃) при трибохимическом полировании
Представлен обзор информационных источников по физико-химическим процессам формирования функциональных поверхностей деталей электронной техники и оптических систем из стекла и сапфира (α-Al₂O₃). Установлено, что невозможно обеспечить необходимые требования к состоянию их поверхностей до уровня “атом...
Saved in:
| Published in: | Сверхтвердые материалы |
|---|---|
| Date: | 2009 |
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
2009
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/63406 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Физико-химия в процессах формирования функциональных поверхностей деталей электронной техники и оптических систем из стекла и сапфира (α-Al₂O₃) при трибохимическом полировании / В.В. Рогов // Сверхтвердые материалы. — 2009. — № 4. — С. 74-83. — Бібліогр.: 22 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860101173822881792 |
|---|---|
| author | Рогов, В.В. |
| author_facet | Рогов, В.В. |
| citation_txt | Физико-химия в процессах формирования функциональных поверхностей деталей электронной техники и оптических систем из стекла и сапфира (α-Al₂O₃) при трибохимическом полировании / В.В. Рогов // Сверхтвердые материалы. — 2009. — № 4. — С. 74-83. — Бібліогр.: 22 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Сверхтвердые материалы |
| description | Представлен обзор информационных источников по физико-химическим процессам формирования функциональных поверхностей деталей электронной техники и оптических систем из стекла и сапфира (α-Al₂O₃). Установлено, что невозможно обеспечить необходимые требования к состоянию их поверхностей до уровня “атомно-гладких” без физико-химического взаимодействия обрабатывающего и обрабатываемого материалов на заключительном этапе обработки — трибохимическом полировании.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:28:57Z |
| format | Article |
| fulltext |
www.ism.kiev.ua; www.rql.kiev.ua/almaz_j 74
УДК 621.623
В. В. Рогов (г. Киев)
Физико-химия в процессах
формирования функциональных
поверхностей деталей электронной
техники и оптических систем
из стекла и сапфира (α-Al2O3)
при трибохимическом полировании
Представлен обзор информационных источников по физико-
химическим процессам формирования функциональных поверхностей деталей
электронной техники и оптических систем из стекла и сапфира (α-Al2O3). Ус-
тановлено, что невозможно обеспечить необходимые требования к состоянию
их поверхностей до уровня “атомно-гладких” без физико-химического взаимо-
действия обрабатывающего и обрабатываемого материалов на заключитель-
ном этапе обработки — трибохимическом полировании.
Ключевые слова: физико-химическая обработка, трибохимиче-
ское полирование, стекло, сапфир.
Развитие современного оптического и электронного приборо-
строения в первую очередь определяется созданием нового уровня функцио-
нальных возможностей оптико-электронных приборов и устройств и, соот-
ветственно, повышением технических требований к состоянию шероховато-
сти (Rа ≤ 0,2 нм), классу оптической чистоты (Р 0–10, Р 0–20), высокой от-
ражательной способности и высокой точности формы функциональных по-
верхностей их деталей. В связи с этим приоритетным является направление
исследования многофакторных условий формирования нанорельефа поверх-
ности деталей с вышеуказанными требованиями, в первую очередь механики
и физико-химии контактного взаимодействия инструмента и обрабатываемой
детали.
Исследование физико-химического взаимодействия в зоне контакта при
финишной прецизионной обработке функциональных поверхностей деталей
наноэлектроники и оптики из стекла и сапфира тесно связано с изучением
химических и физико-химических превращений на поверхности обрабаты-
ваемых материалов под воздействием энергии трения и относится к трибохи-
мии — области химии, изучающей химические и физико-химические изме-
нения твердых веществ под влиянием механической энергии [1]. Помимо
физических свойств на фрикционные характеристики взаимодействующих
материалов большое влияние оказывают химические свойства самих контак-
тируемых поверхностей [2]. Деформация поверхностных слоев при скольже-
нии вызывает их активизацию, которая, совместно с повышением температу-
ры на пятнах фактического контакта, интенсифицирует химические реакции.
От кинетики химического взаимодействия контактирующих поверхностей
сильно зависят сила и коэффициент трения, которые, исходя из основных
трибологических принципов [3], имеют молекулярно-физическую природу и
© В. В. РОГОВ, 2009
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2009, № 4 75
включают такие процессы как адгезия, адсорбция, хемосорбция и др.,
влияющие на формирование поверхностного слоя обрабатываемого материа-
ла. Таким образом, данные области науки можно считать основополагающи-
ми в достижении вышеуказанных целей и задач. Однако, как показал глубо-
кий, масштабный анализ доступных источников информации, использование
этих областей знаний в технологических процессах финишной прецизионной
обработки деталей оптических систем и электронной техники из неметалли-
ческих материалов, в особенности сапфира, недостаточно, в отличие от их
использования в других процессах (дробления, измельчения природных ма-
териалов и т. п.). Наиболее изученной является десятилетиями сложившаяся
на предприятиях оптической промышленности классическая технология пре-
цизионного полирования оптических деталей из кремнеземсодержащего
стекла SiO2 [4], а также разработка полировальных составов, в частности,
полирита на основе диоксида церия СеО2, с применением различных полиро-
вальных подложек. Авторами установлено, что вклад физико-химии в про-
цесс полирования определяется энергетической выгодностью хемосорбции
кремнезема на зернах полировального порошка СеО2. Съем материала проис-
ходит, в основном, за счет механически активированной притиром хемосорб-
ции и возрастает с увеличением содержания SiO2 в стекле. Весьма эффектив-
ным полировальным составом является состав на основе диоксида церия
СеО2, а наиболее эффективным — на основе диоксида тория ThO2. Эффек-
тивность их зависит от кристаллической структуры и хемосорбционной спо-
собности, которая обусловлена структурно-геометрическим соответствием
расположения атомов кислорода на гранях 111 кристаллов СеО2 с размерами
спаренного тетраэдра диортогруппы Si2O7 стекла. Дальнейшее развитие ис-
следований физико-химических аспектов процесса полирования оптических
деталей из силикатных стекол [5—7], выполненных в Институте сверхтвер-
дых материалов им. В. Н. Бакуля НАН Украины в 80—90-х годах прошлого
столетия, завершилось разработкой полировального инструмента со связан-
ными частицами полировального порошка СеО2 в составе композитов Аква-
пол-1, -2, -5, -7 и -8 [8], трибохимического механизма и технологии процесса
полирования оптических деталей из кремнеземсодержащих стекол. Установ-
лено, что физико-химический механизм процесса полирования оптического
стекла инструментом Аквапол включает совокупность проявления процессов
диспергирования стекла на атомно-молекулярном уровне:
— в гидролизе растворимых силикатов в поверхностном слое при взаимо-
действии с водой;
— в адгезионном изнашивании путем массопереноса фрагментов стекла
от менее когезионно-прочного SiO2 к более когезионно-прочному СеО2;
— в хемосорбционном изнашивании, сопровождающимся сорбционным
массопереносом кремнезема стекла на СеО2, усиливающимся при введении в
состав полировального композита хлорида аммония NH4Cl;
— в преобладающем усталостном износе.
При этом достигаются высокое качество и производительность обработки
(табл. 1), а также значительное сокращение расхода полировального состава
из СеО2.
На рисунке представлена зависимость интенсивности J взаимодействия
SiO2 с СеО2 и, соответственно, производительность Q съема стекла К-8 при
полировании его суспензией из полирита на основе СеО2 и инструментом
Аквапол-2 от температуры в зоне их контакта. Как следует из графика, уве-
личение J и Q происходит идентично для суспензии и инструмента до темпе-
www.ism.kiev.ua; www.rql.kiev.ua/almaz_j 76
ратуры 40 °С в зоне контакта, однако их значения для инструмента в два с
лишним раза превышают показатели для суспензии.
Таблица 1. Полирующая способность различных полировальных
составов (композитов) при полировании деталей оптических систем
и электронной техники из стекла К-8 и ситалла
Состояние обрабатываемой
поверхности Полировальный состав
(композит)
Обрабатываемая
деталь
Ra, мкм
Rmax,
мкм
Класс
оптической
чистоты Р
Q, мг/ч
Водная суспензия
(Т:Ж = 1:10)
на основе полирита ПФ*;
смоляной полировальник
приборные линзы,
призмы, подложки,
окна
не ≥ 0,01 не > 0,05 не хуже II не менее
80
Аквапол-1, -2 [8] то же 0,001—
0,002
не > 0,015 II—III ∼ 200
Аквапол-5 0,001 не > 0,007 0–40—II ∼ 140
Аквапол-7, -8
плоские подложки
лазерных зеркал,
панели жидкокри-
сталлических
дисплеев, окна
0,0003 не > 0,003 0–10—0–40 ∼ 100
Примечание. Параметры Ra и Rmax измеряли на атомно-силовом микроскопе “Nano Scope
IIIa Dimension 3000”.
* ТУ48-4-244—82.
0 10 20 30 40 50 60 T, °C
100
200
I = Q, мг/ч
Зависимость интенсивности взаимодействия кремнезема SiO2 с СеО2 и производительно-
сти съема стекла К-8 при полировании его суспензией из полирита (�) на основе СеО2 и
инструментом Аквапол-2 (�) от температуры в зоне их контакта.
Инструменты в виде сферических притиров на основе композитов Аква-
пол-1, -2 в течение более восьми лет прошли опытно-промышленную про-
верку на Феодосийском оптическом заводе при выпуске более 4 млн. шт.
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2009, № 4 77
выпукло-вогнутых линз Ø 17—22 мм для кино- и фотообъективов, обеспечи-
вая оптическую чистоту класса Р ІІ—Р ІІІ и точность формы N равную 1—2
интерференционным кольцам, более чем в 1,5 раза большую производитель-
ность и сокращение расхода полировального порошка в 10—15 раз.
Инструменты на основе Аквапол-5, -7, -8 с положительными результатами
прошли испытания на КП “ЦКБ Арсенал” при обработке подложек лазерных
зеркал из кварцевого стекла и панелей жидкокристаллических дисплеев (t =
0,3 мм) из боросиликатного стекла по заказу фирмы “Wintek” (USA), обеспе-
чивая необходимые технические требования к состоянию обработанных по-
верхностей деталей (см. табл. 1).
Уникальные оптические и физико-механические свойства сапфира α-
Al2O3 (табл. 2) — диапазон спектрального пропускания от 100 до 5000 нм,
высокие теплотехнические и механические характеристики, превосходящие
таковые для всех марок оптических стекол — позволяют использовать его в
оптических и оптико-электронных приборах и комплексах, работающих од-
новременно в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях светово-
го спектра и жестких условиях эксплуатации, что очень важно для оборонно-
го и космического приборостроения. Однако сложившаяся за много лет на
предприятиях оптико-механической промышленности Советского Союза
классическая технология обработки оптических деталей из стекла непригод-
на для обработки оптических деталей из сапфира, превосходящего по твердо-
сти стекло в 4,5 раза, и для которого необходима принципиально новая тех-
нология обработки.
Таблица 2. Оптические и некоторые физико-механические свойства
сапфира (α-Al2O3) и оптических стекол (литературные данные)
Свойство Сапфир (α-Al2O3) Оптическое стекло
1,765 1,4721—1,7517 Коэффициент преломления nc
nd 1,773 1,4704—1,7550
Двулучепреломление
Δ (λ = 589,3 нм)
0,008 ±0,0002—0,0020
Показатель отражения ρ, %
при nd = 1,768 (λ = 589,3 нм)
7,8 3,6—7,5
Оптическое пропускание τ
при λ = 589,3 нм
0,923 0,47—0,90
Диапазон спектрального
пропускания λпр, нм
от 100 до 5000
(ИК, УФ, СВЧ)
до 2500 в ИК и до 1700
в видимой части спектра
Коэффициент дисперсии V 72,2 15—70
Твердость HKN, ГПа
HV, ГПа
18,6*
21,6*
4,75
Устойчивость к царапанию устойчив к большинству
природных материалов
кроме алмаза
не устойчиво
Химическая устойчивость
(инертность)
устойчив к агрессивным
средам (HCl, HNO3,
H3PO4, HF, H2SO4)
не устойчиво
* Данные измерений в ИСМ НАНУ.
www.ism.kiev.ua; www.rql.kiev.ua/almaz_j 78
Начиная с 80-х годов прошлого столетия и по настоящее время в ИСМ
НАН Украины в лабораторных и производственных условиях проводится
комплекс теоретических и экспериментальных исследований механики и
трибохимии контактного взаимодействия инструмента и обрабатываемой
детали и их влияния на формирование нанорельефа поверхностного слоя
деталей с вышеуказанными требованиями и, в первую очередь, физико-
химического контактного взаимодействия инструмента и обрабатываемой
детали на заключительной операции обработки — полировании.
Об использовании при полировании деталей из сапфира (α-Al2O3) водной
суспензии на основе коллоидного кремнезема SiO2, а также о гипотетическом
представлении их химического взаимодействия по уравнению
Al2O3 + H2O + 2SiO2 → Al2Si2O7·2H2O (1)
с образованием и удалением продукта реакции каолинита Al2Si2O7 в процессе
фрикционного взаимодействия полировальника и детали с достижением вы-
сокого качества поверхности без “алмазного фона”, впервые стало известно
из публикаций японских исследователей [9, 10]. Сильное специфическое
взаимодействие между Al2O3 и SiO2 было подтверждено и обосновано в фун-
даментальных трудах Р. Айлера [11]. Несмотря на то, что указанное взаимо-
действие получило широкое применение, процесс полирования сапфира на
его основе остается весьма трудоемким и актуальным для дальнейшего ис-
следования и разработки. Как установлено в [11], в реакции ионного обмена
между Al2O3 и SiO2 только не более 25 % поверхностных атомов Si может
быть замещено атомами Al, т. е. существует определенное ограничение коли-
чества взаимодействующих атомов Si и, соответственно, концентрации SiO2 в
полировальном составе. Сверхдопустимая концентрация SiO2 увеличивает
силу и коэффициент трения между обрабатываемым образцом сапфира и
полировальником так, что процесс ТХП может стать невозможным. В ИСМ
НАН Украины проведены комплексные научно-исследовательские работы по
физико-химии процесса формирования функциональных поверхностей дета-
лей электроники и оптики из сапфира с целью достижения необходимых к
ним требований. В результате:
— исследованы физико-химические свойства (концентрация SiO2, плот-
ность, рН и полирующая способность) различных полировальных составов
(табл. 3, 4) на основе коллоидного кремнезема;
— определены их оптимальные значения для деталей различного назначе-
ния и состояния обработанных поверхностей, которое они обеспечивают [14];
— на патентном уровне разработаны необходимые инструменты для под-
готовки поверхностей под полирование и для полирования [13];
— исследована интенсивность физико-химического контактного взаимо-
действия полировального состава с сапфиром в зависимости от рН, темпера-
туры в зоне их контакта и номинального давления pa, а также концентрации в
нем SiO2 [15] и определены условия ее повышения (табл. 5).
Как следует из данных табл. 4:
— при повышении температуры в зоне контакта от 20 до 50 °C интенсив-
ность и, соответственно, производительность трибохимического полирования
(ТХП) увеличивается в 1,6 раза;
— при повышении номинального давления рa в контакте в 1,7 раза J и Q
снижаются в связи с тем, что в зоне контакта уменьшается толщина слоя
полировального состава и, соответственно, количество SiO2, взаимодейст-
вующего с Al2O3;
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2009, № 4 79
Таблица 3. Состав и физико-химические свойства полировальных
суспензий на основе коллоидного кремнезема SiO2, используемых
при ТХП сапфира
Полировальные составы
NALCO-2354 NALCO-2360 Состав и свойства
ОСЧ.6-3*
исходный рабочий исходный рабочий
SiO2 23,6 48,2 8,5 50,8 9,0
Si — 47,4** — 57,82* —
O — 52,4** — 40,82* —
Примеси B, Fe, Co, Mn,
Cu, Ni, Cr, Ti
10–3—10–5
Na
0,51—0,38
— Na
0,94
—
Этанол 3,2 — — — —
Состав,
% (по
массе)
Н2О остальное остальное остальное остальное остальное
рН 9,3 11,32 10,85 8,6 8,54
Вязкость, c·G 22 — — — —
Свойства
Плотность γ,
г/см3
— 1,48 1,12 1,56 1,18
*ТУ 6-09-4989—83
** По данным определения поэлементного химического состава сухого остатка из раство-
ра с помощью растрового электронного микроскопа с системой микроанализа, остальные
значения определены по содержанию сухого остатка SiO2 с помощью анализатора влаж-
ности ХМ-60.
Таблица 4. Полирующая способность полировальных составов
(композитов) при полировании деталей электронной техники
и оптических систем из сапфира (α-Al2O3)║(0001) при T = 20 °C
Состояние
обработанной
поверхности
Производи-
тельность Q
Полировальный
состав
рН
Обрабатываемые
детали
Ra, мкм Класс Р мг/ч мкм/ч
Сиопол-1 [13]
c водно-аммиачным
коллоидным
раствором ОСЧ.6-3
9,3 подложки КНС структур,
окна
0,0003 0–40—І 1,2 0,15
Водный раствор
коллоидного
кремнезема (SiO2)
торговой марки
NALCO-2354
10,85
подложки для эпитаксии
GaN, KHC структур,
приборные линзы, окна,
призмы
0,0002—
0,0003
0–10—
0–20
2,8
0,36
NALCO-2360 8,54 то же ≤ 0,0002 то же 2,2—2,7 0,35
Примечание. Параметр Ra измеряли на атомно-силовом микроскопе “Nano Scope IIIa
Dimension 3000”.
www.ism.kiev.ua; www.rql.kiev.ua/almaz_j 80
— при повышении в 1,5 раза концентрации кремнезема в полировальном
составе по причинам указанным выше, снижается J и, соответственно, Q
ТХП;
— J и Q зависят от химической активности полировального состава;
— повышение температуры в зоне контакта не изменяет состояние по-
верхностного слоя обрабатываемой детали, но стабилизирует его (по Ra, Rq).
Таблица 5. Влияние условий обработки и концентрации SiO2
в полировальном составе на интенсивность трибохимического
контактного взаимодействия, производительность съема материала
и состояние поверхностного слоя деталей из сапфира
при их полировании составом NALCO-2354
Интенсивность взаимодействия J = Q, мг/ч
при температура в зоне контакта, °С Параметр
20 30 40 50
0,020 2,8 3,3 3,8 4,4 Номинальное давление р, МПа
0,034 2,0 3,4 3,9 4,5
8,5 2,8 3,3 3,8 4,4 Концентрация кремнезема SiO2
в полировальном составе
(ра = 0,02 МПа), % (по массе)
12,4 2,1 1,9 2,9 3,1
Средние значения параметров состояния
поверхностного слоя
Ra, нм 0,2 0,2 < 0,2 0,2
Rq, нм 0,3 0,3 0,2 0,3
Rmax, нм 2,2 3,2 2,4 3,5
Главным, определяющим фактором повышения интенсивности взаимо-
действия SiO2 и Al2O3 и производительности ТХП является химическая ак-
тивность полировального состава и, соответственно, скорость химической
реакции между ними.
На основании полученных результатов разработаны опытные технологии
финишной прецизионной обработки деталей электронной техники (подложки
для эпитаксии GaN, КНС структур (кремний на сапфире)) и оптических сис-
тем (приборные линзы силовой оптики) [16, 17] из сапфира, а также изготов-
лены опытные партии указанных изделий, которые прошли аттестацию с
применением современных средств измерений и получили положительную
оценку. Достигнуто состояние функциональных поверхностей сопоставимое
с мировым уровнем: у подложек — шероховатость Ra ≤ 0,2 нм (2 Å), класс
оптической чистоты Р 0–10—Р 0–20 с четким изображением линий Кикучи
при использовании метода дифракции отраженных электронов и микроскопа
“Цейс-50”; у сферических поверхностей приборных линз из сапфира — ше-
роховатость Ra < 1 нм и класс оптической чистоты P III—P V. При этом точ-
ность формы плоских поверхностей была равна 1—2 интерференционных
кольца, а сферических — 3—5.
Обстоятельные исследования процессов формирования при механических,
химических, радиационных, плазменных и других воздействиях поверхно-
стей элементов микрооптики из сапфира, в частности, эллиптических и сфе-
рических линз в составе чипов гетероструктур InGaN/GaN/Al2O3 светодиодов
с микролинзами, при создании новых источников белого света выполнены
авторами [18]. После механического полирования апробировали бесконтакт-
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2009, № 4 81
ное химическое полирование (БХП) в условиях ламинарного потока травите-
лей — ортофосфорной кислоты Н3РО4 (400—500 °С), расплава буры Na2B4O7
(1000 °С), расплава бисульфата калия (450 °С). Наилучшее качество поверх-
ности обеспечивает СClF3 (хлортрифлюорометан) при T = 1400—1500 °C со
скоростью 0,6 мкм/мин. Авторы [18] относят к наиболее распростаненным
газовое травление сапфира потоком чистого водорода при 1300—1400 или
1100—1200 °С со скоростью до 0,1 мкм/мин. Однако при указанном травле-
нии полирующий эффект удается достигнуть только на базовых поверхно-
стях (0001). При реактивном ионно-плазменном химическом травлении
(ПХТ) температура процессов понижается до 200—500 °С. В качестве травя-
щих газов могут быть использованы фторсодержащие (СF3, CF4, SF4, CHF3) и
углеродсодержащие (СО, СО2) соединения при температурах выше 2000 К
(скорость травления Al2O3 (0001) составляет 6—240 мкм/мин), а также BCl3,
BBr3 со скоростью травления 0,09 мкм/мин. Авторы считают, что высокое
кристаллическое совершенство поверхности подложек и чипов из сапфира
возможно получить также с помощью ионного или радиационного отжига.
Основным фактором, улучшающим структуру поверхности при таких отжи-
гах, по мнению авторов, является процесс рекристаллизации нарушенного
слоя, сопровождающийся снятием внутренних напряжений вокруг дефектов,
внесенных механической обработкой. В итоге авторы приходят к выводу, что
оптимальными и экономически целесообразными вариантами технологии
формирования поверхности подложек и чипов являются химическое полиро-
вание и плазмохимическое травление, позволяющие обеспечить состояние их
поверхности Ra = 20 Å (2 нм) и Rmax = 220 Å (22 нм), что по их мнению со-
поставимо с результатами зарубежных исследователей — соответственно 17
и 22,5 нм. Авторы пришли к выводу, что достигнутое ими состояние поверх-
ности на сапфире является экономически достаточным для экстракции излу-
чения светодиодов с гетероструктурой InGaN/Al2O3, поскольку дальнейшее
дорогостоящее уменьшение Ra и Rmax не увеличивает интенсивности излу-
чения. К сожалению, авторы при исследовании и выводах не оценивали со-
стояние обработанных по своим вариантам технологии поверхностей по глав-
ному оптическому показателю — классу оптической чистоты по ГОСТ-
11141—84, а также точности формы (плоскости, сферы). Поскольку не указан
прибор, используемый для измерения параметров шероховатости Ra, Rmax
поверхности и его разрешающая способность, трудно судить о точности их
измерения. Поэтому, несмотря на информационную обстоятельность публи-
кации, судить о приемлемости предлагаемых подходов применительно к дос-
тижению мировых требований Ra ≤ 0,2 нм, Р 0–10, Р 0–20 к подложкам гете-
роструктур InGaN/Al2O3 и тем более технологии изготовления приборных
оптических линз из сапфира затруднительно.
Авторы [19], исследуя процесс химико-механического полирования мик-
ролинз и полусферических колпаков (обтекателей) диаметром от 3 до 180 мм
из сапфира (α-Al2O3) c использованием полировального состава на основе
коллоидного кремнезема SiO2 за 240 мин машинного времени обработки дос-
тигали наилучших, с их точки зрения, результатов по шероховатости обрабо-
танных поверхностей Ra = 0,969 нм (исходная шероховатость изделий была
Ra не больше 1,31 нм), оптической чистоте класса s/d = 20/10 (Mil) и точно-
сти формы N = 0,1λ (λ = 589,3 нм). Шероховатость измеряли на атомно-
силовом микроскопе “Solver.Pro”. Характеристика полировального состава не
указана.
www.ism.kiev.ua; www.rql.kiev.ua/almaz_j 82
Без химических добавок не обходится и производство алмазно-
абразивного инструмента, особенно для финишного шлифования и предвари-
тельного полирования высокоточных деталей оптико-электронных произ-
водств из сапфира, кварца, стекла, полупроводников. В состав шихты таких
инструментов вводят, например, муравьиную кислоту НСО2Н [20], которая
при нагревании в процессе работы инструмента разлагается с выделением
водорода, усиливающего и дополняющего восстановительные воздействия на
обрабатываемый материал. Кроме того, растворяясь в водном растворе СОЖ,
НСО2Н способствует обновлению (вскрытию) алмазных зерен на рабочей
поверхности инструмента, повышая его работоспособность.
Известно [21], что изменение скорости химической реакции происходит за
счет изменения энергии активации Еа, т. е. необходимого количества энергии
для прохождения реакции. Химические реакции, как и все природные про-
цессы, протекают самопроизвольно, если они сопровождаются уменьшением
(ΔG < 0) энергии Гиббса системы при постоянстве давления и температуры.
Для варианта ТХП сапфира полировальным составом на основе коллоидного
кремнезема ΔG = –26,6 кДж/моль, так что реакция (1) может протекать само-
произвольно.
Скорость реакции можно изменить [21] с помощью катализатора. В кон-
тактной зоне каталитические реакции, по данным [22], обычно протекают на
поверхности твердого тела и обусловлены активацией молекул реагентов при
взаимодействии с поверхностью. Особую группу составляют гетерогенно-
каталитические реакции, объединяемые понятием гетерогенного ионного
катализа. В реакциях кислотно-основного типа высокой активностью обла-
дают комплексные катализаторы, состоящие из нескольких веществ, описы-
ваемые общей формулой Xn, Mm, Yy, где Х — лиганд, связывающий атом ме-
талла с поверхностью; М — активный центр (атом) переходного металла;
Y — внешний лиганд. В общем случае комплекс может быть моноядерным
(Т = 1) или полиядерным (Т ≥ 2) и связан с поверхностью одним или несколь-
кими лигандами Х [22]. Например, близкий для (1) растворимый комплексный
катализатор гидрирования Rh{P(C6H5)]3·Cl может быть закреплен на поверхно-
сти силикагеля (SiO2). Однако нахождение и использование катализаторов для
ускорения реакций взаимодействия Al2O3 и SiO2 при ТХП сапфира с целью
повышения его производительности ограничивается тем, что при увеличении
интенсивности взаимодействия Al2O3 и SiO2 ухудшается состояние обрабаты-
ваемой поверхности, в частности, по параметру Rmax (см. табл. 5).
Из анализа вышеизложенного очевидна значимость физико-химии в про-
цессах формирования поверхностей деталей электронной техники и оптиче-
ских систем из стекла и сапфира (α-Al2O3) до требуемого уровня.
1. Хайнике Г. Трибохимия / Пер. с англ. — М.: Мир, 1987. — 584 с.
2. Бакли Д. Поверхностные явления при адгезии и фрикционном взаимодействии / Пер. с
англ. А. Б. Белого, Н. К. Мышкина: Под ред. А. И. Свириденко. — М.: Машинострое-
ние, 1986. — 360 с.
3. Справочник по триботехнике: В 3 т. Т. 1. Теоретические основы / Под общ. ред. М. Хеб-
ды, А. В. Чичинадзе. — М.: Машиностроение, 1989. — 400 с.
4. Ходаков Г. С., Кудрявцева Н. Л. Физико-химические процессы полирования оптиче-
ского стекла. — М.: Машиностроение, 1985. — 224 с.
5. Рогов В. В. Трибохимический механизм процесса полирования стекла инструментом
“Аквапол” // Оптико-механическая промышленность. — 1991. — № 6. — С. 56—60.
6. Rogov V. V., Filatov Y. D., Kottler W., Sobol V. P. New technology of precision polishing of
glass optics // Opt. Eng. — 1999. — 40, N 8. — P. 1641—1645.
7. Сверхтвердые материалы. Получение и применение: В 6 т. / Под общ. ред. Н. В. Нови-
кова. — Т. 4. Инструменты и технологические процессы в прецизионной обработке /
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2009, № 4 83
Под ред. В. В. Рогова. — Киев: ИСМ им. В. Н. Бакуля, ИПЦ “Алкон”, НАНУ, 2006. —
260 с.
8. Свидетельство Украины № 13366 на товарный знак “Аквапол” с приоритетом от
30.08.1999 г.
9. Новый способ полировки поверхности кристаллов. — Densoken Nyusu (News in Electro-
technical Lab.). — 1973. — 230. — P. 5.
10. Yasunaga N., Imanaka O. Polishing hart crystals with soft powder // Technocrat. — 1975. —
8, N 9. — P. 15—21.
11. Айлер Р. Химия кремнезема / Пер. с англ. — М.: Мир, 1982. — Ч. 1. — 416 с.; Ч. 2. —
712 с.
12. Рогов В. В., Рублев Н. Д., Троян А. В., Попельнюк В. Н. Развитие технологии финишной
прецизионной обработки функциональных поверхностей оптических и электронных
деталей из синтетического монокорунда // Сверхтв. материалы. — 2002. — № 5. —
С. 83—87.
13. Пат. 48581А Украинa, МПК7 В 24 В 1/00, В 24 D 3/3. Спосіб фінішної, прецизійної
обробки деталей з монокорунду і полірувальний інструмент / В. В. Рогов, М. Д. Руб-
льов, О. В. Троян, Т. Л. Кротенко. — Опуб. 15.08.02, Бюл. № 8.
14. Rogov V. V., Tkach V. N., Rublev N. D. et al. Analysis of the state condition of the surfaces
of sapphire (α-Al2O3) parts after finishing // J. Superhard materials. — 2008. — N 3. —
P. 67—74.
15. Rogov V. V., Rublev N. D., Krotenko T. L. Troyan A. V. Investigations into the intensity of
the tribochemical contact interaction of a polishing compound and sapphire when machined
// Ibid. — N 4. — 2008. — P. 75—78.
16. Новиков Н. В., Рогов В. В. Инновационная технология финишной обработки элементов
микроэлектроники и электронной светотехники ХХI века из сапфира (α-Al2O3) //
Журнал “Контенант”, международной Академии Контенант, Москва-Красногорск, 2005,
апрель. — С. 39—41.
17. Рогов В. В., Рублев Н. Д., Ветров А. Г. и др. Перспективность новой технологии ИСМ
НАНУ по изготовлению оптических приборных линз из сапфира (α-Al2O3) //
Інструментальний світ. — 2007. — № 4. — С. 12—14.
18. Осинский В. И., Гончаренко Т. И., Ляхова Н. Н. Влияние обработки поверхности чипов
на экстракцию излучения сверхярких светодиодов на гетероструктурах InGaN/Al2O3 //
Физическая инженерия поверхности. — 2003. — 1, № 1. — C. 94—98.
19. Дронь О. С., Коровкина Н. М., Кузнецов А. С. и др. Исследование процесса полирова-
ния сапфира // Научно-технический вестник СПЕГУ ИТМО. Вестник 30. Фундамен-
тальные и прикладные исследования информационных систем и технологий. — Санкт-
Петербург, 2006. — С. 129—135.
20. Пат. 2169658 РФ, МПК7 В 24 D 3/32, B 24 D 3/34. Состав для алмазного инструмента /
В. С. Кондратенко. — Опубл. 27.06.2001.
21. Химическая энциклопедия: В 4 т. — М.: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2. —
С. 335—337.
22. Отто М. Современные методы аналитической химии / Пер. с нем. — М.: Техносфера,
2003. — 416 с.
Ин-т сверхтвердых материалов Поступила 05.05.09
им. В. Н. Бакуля НАН Украины
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-63406 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0203-3119 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:28:57Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Рогов, В.В. 2014-06-01T07:12:14Z 2014-06-01T07:12:14Z 2009 Физико-химия в процессах формирования функциональных поверхностей деталей электронной техники и оптических систем из стекла и сапфира (α-Al₂O₃) при трибохимическом полировании / В.В. Рогов // Сверхтвердые материалы. — 2009. — № 4. — С. 74-83. — Бібліогр.: 22 назв. — рос. 0203-3119 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/63406 621.623 Представлен обзор информационных источников по физико-химическим процессам формирования функциональных поверхностей деталей электронной техники и оптических систем из стекла и сапфира (α-Al₂O₃). Установлено, что невозможно обеспечить необходимые требования к состоянию их поверхностей до уровня “атомно-гладких” без физико-химического взаимодействия обрабатывающего и обрабатываемого материалов на заключительном этапе обработки — трибохимическом полировании. ru Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України Сверхтвердые материалы Исследование процессов обработки Физико-химия в процессах формирования функциональных поверхностей деталей электронной техники и оптических систем из стекла и сапфира (α-Al₂O₃) при трибохимическом полировании Article published earlier |
| spellingShingle | Физико-химия в процессах формирования функциональных поверхностей деталей электронной техники и оптических систем из стекла и сапфира (α-Al₂O₃) при трибохимическом полировании Рогов, В.В. Исследование процессов обработки |
| title | Физико-химия в процессах формирования функциональных поверхностей деталей электронной техники и оптических систем из стекла и сапфира (α-Al₂O₃) при трибохимическом полировании |
| title_full | Физико-химия в процессах формирования функциональных поверхностей деталей электронной техники и оптических систем из стекла и сапфира (α-Al₂O₃) при трибохимическом полировании |
| title_fullStr | Физико-химия в процессах формирования функциональных поверхностей деталей электронной техники и оптических систем из стекла и сапфира (α-Al₂O₃) при трибохимическом полировании |
| title_full_unstemmed | Физико-химия в процессах формирования функциональных поверхностей деталей электронной техники и оптических систем из стекла и сапфира (α-Al₂O₃) при трибохимическом полировании |
| title_short | Физико-химия в процессах формирования функциональных поверхностей деталей электронной техники и оптических систем из стекла и сапфира (α-Al₂O₃) при трибохимическом полировании |
| title_sort | физико-химия в процессах формирования функциональных поверхностей деталей электронной техники и оптических систем из стекла и сапфира (α-al₂o₃) при трибохимическом полировании |
| topic | Исследование процессов обработки |
| topic_facet | Исследование процессов обработки |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/63406 |
| work_keys_str_mv | AT rogovvv fizikohimiâvprocessahformirovaniâfunkcionalʹnyhpoverhnosteidetaleiélektronnoitehnikiioptičeskihsistemizsteklaisapfiraαal2o3pritribohimičeskompolirovanii |