Например, Бобцов

ИЗМЕНЕНИЕ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ CVD–ZnSe ПРИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ РАЗМЕРА ЗЕРНА СУСПЕНЗИИ

УДК 681.3: 681.7.023.72
ИЗМЕНЕНИЕ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ CVD–ZnSe ПРИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ РАЗМЕРА ЗЕРНА СУСПЕНЗИИ
© 2013 г. Е. Ю. Вилкова*; О. В. Тимофеев*; С. А. Носов**; А. Н. Дубовой**, канд. техн. наук
* Институт химии высокочистых веществ РАН им. Г.Г. Девятых, г. Н. Новгород ** НИИ космических систем им. А.А. Максимова – филиал ФГУП ГКНПЦ им. М.В. Хруничева, Московская область, г. Юбилейный
E-mail: timofeev@ihps.nnov.ru
Исследовано влияние размера зерна обрабатывающей суспензии на изменение шероховатости поверхности селенида цинка в процессе его механической обработки. C помощью метода атомно-силовой микроскопии установлена зависимость значений среднеарифметической и среднеквадратической шероховатости шлифованной и полированной поверхности от размера зерна абразива. Показано, что среднеарифметическое и среднеквадратическое отклонение, характеризующее шероховатость поверхности, нелинейно убывает с уменьшением размера зерна абразива.
Ключевые слова: селенид цинка, микропорошки, полирование, шероховатость поверхности, среднеквадратическое отклонение, среднеарифметическое отклонение.
Коды OSIC: 220.0220, 240.5450, 240.5770.
Поступила в редакцию 24.07.2012.

Введение
При создании функциональных изделий и приборов оптических и полупроводниковых материалов им придают конкретную геоме-

трическую форму и добиваются определенной шероховатости поверхности. Для этого обычно осуществляют механическую и химикомеханическую обработку данных материалов. В процессе механической обработки под действием абразивных зерен происходит формирование морфологии оптической поверхности, которая характеризуется величиной шероховатости. Величина шероховатости зависит как от условий обработки, так и от свойств обрабатывающих и обрабатываемых материалов [1].
Целью работы явилось исследование влияния размера зерна шлифовальной и полировальной суспензий на шероховатость и оптическое качество поверхностей элементов на основе селенида цинка после механической обработки.

Рис. 1. Фотографии поверхностей селенида цинка, обработанных на микропорошках с различной величиной зерна. 5/3 – размер зерна 5–3 мкм, 1/0 – размер зерна 1–0 мкм.
68

Методика эксперимента
Для проведения экспериментов использовали высокочистый поликристаллический селенид цинка, который был получен мето-
“Оптический журнал”, 80, 9, 2013

Рис. 2. Функции распределения царапин и точек на поверхности селенида цинка в зависимости от размера зерна полировальной суспензии.

дом химического осаждения из газовой фазы (CVD1-методом). Образцы представляли собой диски диаметром 20 мм и толщиной 5 мм, предварительно обработанные одинаковым образом. Обработка образцов в процессе эксперимента производилась поблочно. Блок представлял собой дюралевую планшайбу, на которую были наклеены восемь образцов. Образцы полировали с использованием водных суспензий алмазных синтетических микропорошков (АСМ) и полировальных водорастворимых жидкостей (ПВЖ) на основе алмазных микропорошков на предварительно подготовленных полировальниках. Для контроля качества полученных шлифованных и полированных поверхностей были использованы методы оптической [2] и атомно-силовой [3] микроскопии.
Результаты и обсуждение
Проведены исследования влияния состава и размера зерна обрабатывающей суспензии на качество получаемых поверхностей оптических элементов на основе селенида цинка. Для экспериментов использовались АСМ и ПВЖ на основе алмазных микропорошков. Для количественной оценки дефектов полированной поверхности использовали методику «компьютерного» зрения [2]. Полученные фотографии
1  CVD – Chemical Vapor Deposition (химическое осаждение из газовой фазы).
“Оптический журнал”, 80, 9, 2013

поверхностей селенида цинка после процесса полирования представлены на рис. 1. Данные о поверхностной плотности точечных дефектов и их размеры приведены на рис. 2. Ошибка определения размеров и количества дефектов не превышает 10% и на приведенных рисунках ограничивается размерами точек. Из рис. 1 и 2 видно, что уменьшение размера зерна полирующего абразива приводит к уменьшению количества и размеров поверхностных дефектов. Использование суспензий ПВЖ алмазных микропорошков приводит к улучшению качества обрабатываемой поверхности. Это связано с тем, что в суспензии ПВЖ, в отличие от водных суспензий алмазных микропорошков, за счет присутствия в них связывающего компонента сохраняется постоянная концентрация полирующего абразива в единице объема. В водных суспензиях АСМ этого добиться не удается.
Были проведены эксперименты по исследованию влияния размера зерна суспензии на шероховатость поверхности селенида цинка в процессе механической обработки. Для шлифования использовались суспензии микропорошков электрокорунда, а для полирования суспензии – ПВЖ алмазных микропорошков. Оценка шероховатости поверхности проводилась на атомно-силовом микроскопе НТ–206 по методике, изложенной в [3]. В таблице приведены значения среднеарифметической (Ra) и среднеквадратической (Rq) шероховатости поверхности селенида цинка в зависимости от величины зерна абразива в процессе механической обработки
69

Таблица. Изменение шероховатости поверхности селенида цинка в зависимости от размера зерна абра-
зива в процессе механической обработки

Размер зерна абразива, мкм

Ra (среднее), нм

Rq (среднее), нм

Шлифовальные порошки

20

299,8

376,6

10

222,8

284,8

5

167,0

211,9

3

186,5

234,6

Полировальные порошки

5 7,7

9,9

3 4,7

6,1

2 2,7

4,0

1 2,0

2,9

как для процесса шлифования, так и для процесса полирования. Видно, что уменьшение размера зерна абразива приводит к уменьшению шероховатости поверхности в обоих случаях. Однако различие между значениями шероховатости поверхностей после шлифования и полирования микропорошками с одинаковой величиной зерна (5 мкм) достигает 20 раз. Кроме того, уменьшение среднеквадратической и среднеарифметической шероховатости при уменьшении размера зерна абразива в процессе шлифования происходит намного медленнее, чем в процессе полирования. Это объясняется различием в механизмах образования шлифованной и полированной поверхностей. Изображения рельефа шлифованной поверхности, полученные методом СЗМ (сканирующей зондовой микроскопии), приведены на

Рис. 3. Изображения рельефа шлифованных поверхностей селенида цинка, обработанных на микропорошках электрокорунда с различным размером зерна, полученные методом СЗМ. а – 20 мкм, б – 10 мкм, в – 5 мкм, г – 3 мкм.
70 “Оптический журнал”, 80, 9, 2013

Рис. 4. Изображения рельефа полированных поверхностей селенида цинка, обработанных на микропорошках с различным размером зерна, полученные методом СЗМ. а – 5 мкм, б – 3 мкм, в – 2 мкм, г – 1 мкм.

рис. 3. Сравнивая изображения шлифованной и полированной поверхностей (рис. 3 и 4), можно видеть, что в первом случае поверхность состоит из бугров и ям, которые образуются в процессе обработки под действием зерен абразива. Согласно классическим теориям [4, 5] в процессе шлифования обработка идет за счет скалывания материала с обрабатываемой поверхности, резания поверхности в данном случае не происходит. На изображениях отсутствуют протяженные дефекты, которые можно было бы отнести к царапинам. Таким образом, как для стекла, так и для кристаллического материала (селенид цинка) механизм шлифования подобен,

однако есть и различие. В нашем случае это отсутствие на обрабатываемой поверхности пластически деформированных участков.
Сравнение значений среднеарифметической и среднеквадратической шероховатости поверхностей после шлифования и полирования (таблица) показывает, что на начальном этапе полирования шлифованной поверхности сначала будет удаляться шероховатый слой размером несколько сотен нанометров. Из рис. 3 видно, что данный слой имеет очень развитую морфологию, поэтому можно предположить, что скорость съема на начальном этапе будет максимальной. Данное предположение

“Оптический журнал”, 80, 9, 2013

71

наблюдаются изменение рельефа и появление ровных участков. Показано, что среднеарифметическое и среднеквадратическое отклонение профиля поверхности нелинейно убывает с уменьшением размера зерна абразива (рис.5). Это говорит о том, что уменьшение эффективного размера зерна в процессе полирования описывается нелинейной функцией. Минимальное значение среднеарифметического отклонения и среднеквадратического отклонения достигнуто в процессе механического полирования с использованием микропорошка с размером зерна 1 мкм и составило 1,9 и 2,9 нм соответственно.

Выводы

Рис. 5. Зависимость шероховатости поверхности от размера зерна абразива: 1 – среднеарифметическое отклонение профиля Ra; 2 – среднеквадратическое отклонение профиля Rq.
подтверждается экспериментальными данными работы [6], где показано, что скорость съема на начальном этапе (5 – 10 минут) в 2 – 3 раза больше среднего значения.
Изображения рельефа полированной поверхности, полученные методом СЗМ, приведены на рис. 4. Из рисунка видно, что уменьшение размера зерна абразива с 5 до 1 мкм приводит к изменению морфологии обрабатываемой поверхности селенида цинка. Если морфология поверхности, обработанной микропорошком с размером зерна 5 мкм, определяется рельефом, созданным в процессе резания поверхности, то по мере уменьшения размеров зерна

Проведены исследования процессов шлифования и полирования селенида цинка с использованием суспензий различной зернистости и состава. С помощью методов оптической и атомно-силовой микроскопии экспериментально установлена зависимость шероховатости поверхности, получаемой в результате механической обработки, от размера зерна шлифовальной и полировальной суспензии. Показано, что среднеарифметическое и среднеквадратическое отклонение, характеризующее шероховатость поверхности, нелинейно убывает с уменьшением размера зерна абразива.
Минимальные значения среднеарифметической и среднеквадратической шероховатости поверхности селенида цинка получены при использовании для полирования алмазной суспензии с размером зерна 1 мкм и составили 1,9 и 2,9 нм соответственно.

*****

ЛИТЕРАТУРА
1. Обейд А. Исследование динамики шероховатости поверхности стекол ВК7 и ТФ1 при обработке поверхностным притиром // Оптический журнал. 2005. Т. 72. № 12. С. 79–82.
2. Гаврищук Е.М., Вилкова Е.Ю., Колесников А.Н., Тимофеев О.В. Исследование полированных поверхностей халькогенидов цинка путем компьютерного распознавания дефектов на микрофотографиях // Оптический журнал. 2010. Т. 77.№ 1. С.87–94.
3. Дубовой А.Н., Кулаков В.А., Носов С.А., Гаврищук Е.М., Тимофеев О.В. Использование атомно-силовой микроскопии при оценке характеристик поверхности оптических элементов, полученных на основе наноструктурированной керамики из халькогенидов цинка //Тезисы докладов XVII Российского симпозиума по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел. Черноголовка, 2011. С. 84.
4. Винокуров В.М. Исследование процесса полировки стекла. М.: Машиностроение, 1967. 196 с.
5. Ходаков Г.С. Кудрявцева Н.Л. Физико-химические процессы полирования оптического стекла. М.: Машиностроение,1985., 224 с.
6. Вилкова Е.Ю., Тимофеев О.В. Влияние травления и химико-механического полирования на качество поверхности поликристаллического ZnSe // Неорганические материалы. 2010. Т. 46. №3. С. 297–301.

72 “Оптический журнал”, 80, 9, 2013