蓝宝石晶片纳米级超光滑表面加工技术研究
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蓝宝石衬底精密研磨加工实验研究
蓝宝石衬底精密研磨加工实验研究在当今科技快速发展的时代，材料科学和工程的研究与应用日益受到重视。
蓝宝石（Al2O3）是一种重要的功能性材料，具有良好的热稳定性、光学性能和机械性能，因此被广泛应用于光电子、半导体和生物医学等领域。
而蓝宝石衬底作为蓝宝石材料的一种形式，其研磨加工技术是提高蓝宝石衬底加工质量和效率的关键。
本文通过实验研究，探讨了蓝宝石衬底精密研磨加工的关键参数和影响因素。
实验采用了传统的研磨加工方法，通过调整研磨参数、研磨液、磨料和研磨头等来优化研磨过程。
实验结果表明，研磨压力、研磨速度和研磨液浓度是影响研磨加工效果的关键参数，通过合理调整这些参数可以实现蓝宝石衬底的高效加工。
在实验过程中，我们发现研磨液的浓度对研磨加工效果有重要影响。
较高浓度的研磨液可以提高研磨效率和表面质量，但过高的浓度可能导致研磨液难以顺利流动，使得研磨头不能均匀磨削蓝宝石衬底表面。
需要根据具体情况选择适当的研磨液浓度。
研磨头的选择也对研磨加工效果起到重要作用。
实验结果表明，采用较小尺寸的研磨头，可以大大提高研磨精度和表面光洁度。
小尺寸的研磨头容易造成局部过度研磨，导致研磨坑和划痕的产生。
在实际应用中需要综合考虑研磨头的尺寸和要求，选择合适的研磨头。
实验还探讨了不同磨料对研磨加工效果的影响。
实验结果表明，钻石磨料是一种常用的研磨材料，能够较好地研磨蓝宝石衬底，并获得较高的研磨精度。
但钻石磨料价格昂贵，不适合大规模生产。
需要根据实际需要和经济性考虑选择合适的磨料。
蓝宝石衬底精密研磨加工是一项重要的研究课题，通过实验研究，可以优化研磨加工过程，提高蓝宝石衬底的加工质量和效率。
研磨参数、研磨液、磨料和研磨头等因素对研磨加工效果有重要影响，需要根据实际情况进行调整和选择。
未来，还可以结合新材料和新技术的发展，进一步提高蓝宝石衬底的加工质量和效率，推动相关领域的发展。
蓝宝石晶体的双面研磨加工 - 光学 精密工程
在材料去除过程中由于上 、 下研磨盘同时作用 ， 使 得局部高温 、 高压 对 称 作 用 在 工 件 的 两 个 平 行 平 面， 有利于消除热 变 形 或 机 械 作 用 引 发 并 破 坏 材 平行度 料的平面度 、
［ ３］
。采用两个平行平面同时
进行研磨加工 ， 效率要比分别研磨加工两个平面 因此 ， 双面研磨已成为晶体超精密表面 高出很多 ，
修订日期 ： ２ ０ ０ ８ ０ ７ １ ５； ２ ０ ０ ８ １ ０ １ ５． 收稿日期 ： 国家重大科学研究计划资助项 目 （ ） ； 国家自然科学基金重点资助项目（ Ｎ ｏ ． ２ ０ ０ ６ Ｃ Ｂ ９ ３ ２ ６ ０ ７ Ｎ ｏ ． ５ ０ ５ ３ ５ ０ ４ ０； 基金项目 ： ） ； 浙江省科技计划重点资助项目 （ ； 清华大学摩擦学国家重点实验室开放 Ｎ ｏ ． ５ ０ ７ ０ ５ ０ ８ ８ Ｎ ｏ ． ２ ０ ０ ７ Ｃ ２ １ ０ ６ １） 基金资助项目 ； 浙江工业大学重中之中人才基金资助项目
（ 使表面加工损伤达到一 的切痕和 凹 凸 不 平 ； ２） 致， 以便在化学腐 蚀 过 程 中 确 保 腐 蚀 的 速 度 达 到 均匀一致 ； （ ） 修 正 蓝 宝 石 的 几 何 厚 度， 使片与片 ３ （ 提 高 平 行 度， 使蓝宝石各 之间的厚度差缩小 ； ４） 处的厚度均匀 ； （ ） 改善表面平整度 。 ５ 蓝宝石晶体 生 长 后 需 要 进 行 切 片 ， 切片后的 蓝宝石表面十分 粗 糙 且 不 平 整 ， 测试结果表明蓝 个 宝石表面粗糙 度 不 均 匀 ， 犚 ｍ， ～６ μ ｔ 范围为４ 别甚至高达 １ 为此需要进行双面研磨 ７． ４μ ｍ ， 以便为 后 续 工 序 做 好 准 备 加工 ，
犇 狌 犪 犾 犾 犪 犻 狀 狉 狅 犮 犲 狊 狊 犳 狅 狉 狊 犪 犺 犻 狉 犲 犮 狉 狊 狋 犪 犾 狆 狆 犵狆 狆 狆 狔
蓝宝石衬底片精密加工工艺研究
蓝宝石衬底片精密加工工艺研究1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 蓝宝石衬底片精密加工工艺研究Ξ□周海摘要通过对蓝宝石衬底片精密加工的设备、工具、辅料、清洗等方面的研究,优化了衬底片加工工艺,提高了衬底片加工质量,且降低了加工成本。
关键词:蓝宝石衬底片精密加工加工质量中图分类号:TH161文献标识码:A 文章编号:1671—3133(2001)09—0013—02R esearch on the technology of precision cutting of substrate sapphire□Zhou H aiAbstract I t can obviously im prove the quality of substrate sapphire ’s appearance and reduce the production cost to ameliorate techno 2logical parameters of precision cutting process.K ey w ords :S apphire Substrate Precision cutting Q u ality of product现代制造工程2001(9)一、蓝宝石衬底片精密加工中存在的问题蓝宝石具有硬度高、熔点高、透光性好、电绝缘性优良、化学性能稳定等特点,广泛应用于机械、光学、信息等高技术领域。
因其硬度高且脆性大,机械加工困难。
尤其对用于G aN 生长的蓝宝石衬底片精密加工技术更加复杂,是当今重点研究课题之一。
目前国内在批量生产蓝宝石衬底片工艺过程中,破裂及崩边比例较高,约占总数的6%左右。
研磨及抛光后,蓝宝石衬底片表面微划痕较多,有20%左右的衬底片表面因未能完全去除加工损伤层,需要重新研磨抛光,致使有部分衬底片厚度偏薄报废。
蓝宝石光学曲面柱形宽缎带磁流变抛光仿真分析及实验研究
表面技术第53卷第4期蓝宝石光学曲面柱形宽缎带磁流变抛光仿真分析及实验研究阎秋生，汪涛，黄展亮，黄蓓，潘继生，陈缘靓，夏江南（广东工业大学 机电工程学院，广州 510006）摘要：目的针对目前光滑无损伤光学曲面蓝宝石加工成本高、效率低的问题，对加工过程中磁流变抛光缎带进行流体仿真，进而优化抛光轮表面结构。
方法设计并提出3种表面结构柱形宽缎带磁流变抛光轮，介绍了磁流变抛光轮加工的基本原理，建立了磁流变抛光垫Bingham流体特性加工仿真模型，分析了3种抛光轮表面结构对工件表面磁通密度模、流场流速、流场压力分布的影响。
同时对3种抛光轮的抛光效果进行了实验探究，探究了抛光轮表面结构对材料去除率和抛光后表面粗糙度的影响规律。
结果仿真结果表明，抛光轮表面槽型结构具有能增强磁通密度模、增大流体流速和流体压力的特性。
实验结果表明，螺旋槽抛光轮的抛光效果最好，在螺旋抛光轮作用下，材料去除率为0.22 mg/h，抛光后蓝宝石表面粗糙度为1.08 nm。
最终抛光轮近壁区总压力和速度的乘积结果与抛光轮实验去除率结果具有较好的一致性。
结论槽型结构可以提高抛光液在抛光轮表面的固着效果，影响工件表面流场运动状态，增强工件表面受到抛光垫的作用力。
相较于光滑和横条槽抛光轮，螺旋槽抛光轮的抛光效率最高，表面粗糙度最低，可有效提高抛光效果。
关键词：抛光缎带；蓝宝石；Bingham流体；抛光轮；槽型结构；数值计算；流场中图分类号：TH161；TH122文献标志码：A 文章编号：1001-3660(2024)04-0140-12DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2024.04.013Simulation and Experimental Study on Optical Surface Wide RibbonWheel Magnetorheological Polishing of SapphireYAN Qiusheng, WANG Tao, HUANG Zhanliang, HUANG Bei,PAN Jisheng, CHEN Yuanjing, XIA Jiangnan(School of Electromechanical Engineering, Guangdong Universityof Technology, Guangzhou 510006, China)ABSTRACT: At present, the processing of smooth and non-destructive optical curved sapphire has problems of high cost and low efficiency. Magnetorheological polishing technology has advantages of real-time update of abrasives, non-wear polishing tools, easy computer control, stable removal function and controllable performance of magnetorheological microgrinding head, etc. and is suitable for polishing processing of various types of complex surfaces. In order to optimize the surface structure of the收稿日期：2023-04-28；修订日期：2023-08-11Received：2023-04-28；Revised：2023-08-11基金项目：国家重点研发计划（2023YFE0204400）；国家自然科学基金（52075102）；广东省基础与应用基础研究基金（2023A1515010922）Fund：The National Key R&D Program of China (2023YFE0204400); National Natural Science Foundation of China (52075102); the Guangdong Basic and Applied Basic Research Foundation (2023A1515010922)引文格式：阎秋生, 汪涛, 黄展亮, 等. 蓝宝石光学曲面柱形宽缎带磁流变抛光仿真分析及实验研究[J]. 表面技术, 2024, 53(4): 140-151. YAN Qiusheng, WANG Tao, HUANG Zhanliang, et al. Simulation and Experimental Study on Optical Surface Wide Ribbon Wheel Magnetorheological Polishing of Sapphire[J]. Surface Technology, 2024, 53(4): 140-151.*通信作者（Corresponding author）第53卷第4期阎秋生，等：蓝宝石光学曲面柱形宽缎带磁流变抛光仿真分析及实验研究·141·polishing wheel, increase the fixing force of the polishing wheel on the magnetorheological polishing pad, and improve the polishing effect, it is necessary to simulate the fluids of the magnetorheological polishing ribbon during processing. According to the actual processing process of the cylindrical wide ribbon magnetorheological polishing wheel, Solidworks was used to model the polishing wheel in three dimensions, and then the simulation software COMSOL was imported for multiphysics coupling simulation. A machining simulation model for controlling the fluid characteristics of magnetorheological polishing pad Bingham was established, and the effects of the surface structure of the three polishing wheels on the magnetic flux density mode, flow velocity and flow field pressure distribution in the surface processing area of the workpiece were analyzed. At the same time, the polishing effect of the three polishing wheels was experimentally explored, and the influence of the surface structure of the polishing wheel on the material removal rate and surface roughness after polishing was explored. The simulation results showed that the geometric structure on the surface of the polishing wheel had the characteristics of enhancing the magnetic flux density mode in the polishing area, increasing the fluid flow velocity and fluid pressure. Compared with the smooth wheel machining area, the magnetic flux density mode increased by 18.5%, the average flow rate of the flow field increased by 7%, the total surface pressure increased by 54.4%, and the shear force increased from 250 Pa to 850 Pa. The experimental results showed that the roughness Sa of the smooth wheel, horizontal bar wheel and spiral wheel reached 1.6, 1.57,1.08 nm, respectively, the scratch depth decreases from 60 nm to 11 nm, 9 nm and 5.5 nm, and the material removal rate was0.145, 0.155, and 0.22 mg/h, respectively. Compared with smooth wheels, polishing wheels with grooved structures had bettersurface quality and higher material removal rate after polishing, among which the polishing effect of spiral wheels was the best.The product result of the total pressure and velocity in the near wall area of the final polishing wheel had good consistency with the experimental removal rate of the polishing wheel, and the error was within 10%. The groove structure can improve the fixing effect of the polishing liquid on the surface of the polishing wheel, affect the flow field motion state of the workpiece surface, and enhance the force of the polishing pad on the surface of the workpiece. Compared with smooth and transverse groove polishing wheels, spiral groove polishing wheels have the highest polishing efficiency and the lowest surface roughness, which can effectively improve the polishing effect.KEY WORDS: polishing ribbon; sapphire; Bingham fluid; polishing wheel; groove structure; numerical calculation; flow field蓝宝石具有优良的光学性能和物理力学性能[1]，广泛应用于光学窗口、LED衬底等方面，对其表面形状精度、表面粗糙度和亚表面损伤等有严格的要求[2]，但蓝宝石光学曲面加工仍然是难题之一[3-4]。
超光滑表面抛光技术_陈杨
进村武男 ( T. Shinmura) 发展了 MA F[10] ( Mag2 netic Abrasive Finishing) 技术 , 其原理是在磁场中 (N 极和 S 极之间) 填充磁性细微磨料 ,在磁场作用 下形成磁力抛光刷 ,工件在其中边旋转边振动 ,从而 实现抛光 1 该方法不仅可以加工磁性材料 ,也可加 工非磁性金属材料 ,以及陶瓷 、硅片等非金属材料 1
[ 关键词 ] 抛光 ; 超光滑表面 ; 机理 ; 评价
[ 中图分类号 ] T G356. 28 [ 文献标识码 ] A [ 文章编号 ] 1671 - 7775 (2003) 05 - 0055 - 05
精密和超精密加工技术 、制造自动化是先进制 造技术的两大领域 ,精密工程 、精细工程和纳米技术 是现代制造技术的前沿 , 也是未来制造技术的基 础 1超精密加工是一门新兴的综合性加工技术 ,它 集成了现代机械 、电子 、测量及材料等先进技术成 就 ,使得目前的加工精度达到了 0101 μm 级 ,极大 地改善了产品的性能和可靠性 1 超光滑表面加工技 术是超精密加工体系的一个重要组成部分 ,在国防 工业 、信息产业民用产品的制造中占有非常重要的 地位且有着广泛的市场需求 ,具有良好的发展 前景 1
日本的 Y. Namba 等技术人员为加工抛光磁头
材料 ,提出了浮法抛光[6] ( Float polishing) 工艺 1 使 用高平面度平面并带有同心圆或螺旋沟槽的锡抛光
盘 ,将抛光液覆盖在整个抛光盘表面上 ,使抛光盘及 工件高速旋转 ,在两者之间抛光液呈动压液体状态 , 并形成一层液膜 ,再利用液膜里的磨料高速冲击工 件表面 ,从而实现材料的去除 1 该工艺可获得的表 面粗糙度小于 011 nm (rms) ,平面度小于λ/ 20 的超 光滑表面 1 浮法抛光类似于 EEM 抛光法 ,不同之 处在于浮法抛光使用的是硬质锡盘作为磨具 , 而 EEM 法抛光以聚氨酯胶轮作为磨具 1
[ 关键词 ] 抛光 ; 超光滑表面 ; 机理 ; 评价
[ 中图分类号 ] T G356. 28 [ 文献标识码 ] A [ 文章编号 ] 1671 - 7775 (2003) 05 - 0055 - 05
精密和超精密加工技术 、制造自动化是先进制 造技术的两大领域 ,精密工程 、精细工程和纳米技术 是现代制造技术的前沿 , 也是未来制造技术的基 础 1超精密加工是一门新兴的综合性加工技术 ,它 集成了现代机械 、电子 、测量及材料等先进技术成 就 ,使得目前的加工精度达到了 0101 μm 级 ,极大 地改善了产品的性能和可靠性 1 超光滑表面加工技 术是超精密加工体系的一个重要组成部分 ,在国防 工业 、信息产业民用产品的制造中占有非常重要的 地位且有着广泛的市场需求 ,具有良好的发展 前景 1
日本的 Y. Namba 等技术人员为加工抛光磁头
材料 ,提出了浮法抛光[6] ( Float polishing) 工艺 1 使 用高平面度平面并带有同心圆或螺旋沟槽的锡抛光
盘 ,将抛光液覆盖在整个抛光盘表面上 ,使抛光盘及 工件高速旋转 ,在两者之间抛光液呈动压液体状态 , 并形成一层液膜 ,再利用液膜里的磨料高速冲击工 件表面 ,从而实现材料的去除 1 该工艺可获得的表 面粗糙度小于 011 nm (rms) ,平面度小于λ/ 20 的超 光滑表面 1 浮法抛光类似于 EEM 抛光法 ,不同之 处在于浮法抛光使用的是硬质锡盘作为磨具 , 而 EEM 法抛光以聚氨酯胶轮作为磨具 1
混合磨料柔性抛光工具加工蓝宝石衬底技术研究
探索了高活性磨料和环境友好型的酸碱性加工
环境协调混合磨料加工过程中化学作用与机械作用 之间的匹配性结果表明采用高活性软磨料和合适的 有机酸碱化合物有效提高了加工表面质量和加工效 率。
通过制备核壳结构的复合磨料改变软磨料的受 力方式以促进混合磨料的加工性能。结果表明金刚 石/羟基氧化铁复合磨料能够有效减小晶片表面划痕 深度，且羟基氧化铁壳层能够增强抛光盘基体对金刚 石磨粒的把持力，有效地延长了抛光工具的使用寿 命。
提出了以混合磨料柔性抛光工具和气液辅助化 学机械抛光的新工艺取代传统的铜抛和化学机械抛光 工艺来获得超光滑无损伤表面的新工艺，使得蓝宝石 晶片在粗抛光阶段的加工时间缩短至50min，加工效 率提高了将近65%。
本文的研究丰富了蓝宝石衬底抛光技术的思路 和方法，对实现蓝宝石衬底的高效率、高质量和无污 染的抛光加工具有现实指导意义。
通过理论和试验的方法研究了不同种类软磨料 与蓝宝石在研抛条件下的反应活性。研究表明在摩擦 力诱导的条件下，二氧化硅较氧化镁和氧化铁磨料对 蓝宝石具有更高的反应活性，最易与蓝宝石发生固相 化学反应生成硅酸铝盐。
通过制备混合磨料半固结柔性抛光盘进行蓝宝 石衬底的抛光试验。结果表明当软质磨料的化学反应 作用和硬质磨料的机械去除作用达到动态平衡时， 软硬混合磨料较单一硬质磨料的材料去除率提高了 52.63%，同时表面粗糙度Sa降低了19.55%。分析了 软硬混合磨料的去除机理，建立了混合磨料的材料去 除模型。经过机械接触-反应层预生成-反应层生成反应层去除四个阶段实现了材料去除。
◆广告 查询编号：2012
论文名称：混合磨料柔性抛光工具加工蓝宝石衬底技术研究 论文作者：华侨大学 / 许永超 指导教师：徐西鹏《研究领域：石材先进加工工具与技术、半导体材料精密超
环境协调混合磨料加工过程中化学作用与机械作用 之间的匹配性结果表明采用高活性软磨料和合适的 有机酸碱化合物有效提高了加工表面质量和加工效 率。
通过制备核壳结构的复合磨料改变软磨料的受 力方式以促进混合磨料的加工性能。结果表明金刚 石/羟基氧化铁复合磨料能够有效减小晶片表面划痕 深度，且羟基氧化铁壳层能够增强抛光盘基体对金刚 石磨粒的把持力，有效地延长了抛光工具的使用寿 命。
提出了以混合磨料柔性抛光工具和气液辅助化 学机械抛光的新工艺取代传统的铜抛和化学机械抛光 工艺来获得超光滑无损伤表面的新工艺，使得蓝宝石 晶片在粗抛光阶段的加工时间缩短至50min，加工效 率提高了将近65%。
本文的研究丰富了蓝宝石衬底抛光技术的思路 和方法，对实现蓝宝石衬底的高效率、高质量和无污 染的抛光加工具有现实指导意义。
通过理论和试验的方法研究了不同种类软磨料 与蓝宝石在研抛条件下的反应活性。研究表明在摩擦 力诱导的条件下，二氧化硅较氧化镁和氧化铁磨料对 蓝宝石具有更高的反应活性，最易与蓝宝石发生固相 化学反应生成硅酸铝盐。
通过制备混合磨料半固结柔性抛光盘进行蓝宝 石衬底的抛光试验。结果表明当软质磨料的化学反应 作用和硬质磨料的机械去除作用达到动态平衡时， 软硬混合磨料较单一硬质磨料的材料去除率提高了 52.63%，同时表面粗糙度Sa降低了19.55%。分析了 软硬混合磨料的去除机理，建立了混合磨料的材料去 除模型。经过机械接触-反应层预生成-反应层生成反应层去除四个阶段实现了材料去除。
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论文名称：混合磨料柔性抛光工具加工蓝宝石衬底技术研究 论文作者：华侨大学 / 许永超 指导教师：徐西鹏《研究领域：石材先进加工工具与技术、半导体材料精密超
蓝宝石衬底精密研磨加工实验研究
蓝宝石衬底精密研磨加工实验研究1. 引言1.1 研究背景本研究旨在探讨蓝宝石衬底精密研磨加工技术及其在实验中的应用。
蓝宝石衬底是一种具有优异光学性能和化学稳定性的材料，在许多领域有着广泛的应用。
由于其硬度高、易碎性强，传统加工方法难以满足其精密加工的需求。
对蓝宝石衬底的精密研磨加工技术进行研究具有重要意义。
目前，国内外对蓝宝石衬底的研究主要集中在其制备工艺、物理化学性质及应用前景等方面，而对其精密研磨加工技术的研究相对较少。
本研究旨在通过实验研究，探讨蓝宝石衬底精密研磨加工的关键技术及其影响因素，为提高蓝宝石衬底的加工精度和表面质量提供技术支持。
本研究将结合蓝宝石衬底的特性分析和精密研磨加工技术，设计相应的实验方案，通过对实验结果的分析和总结，探讨蓝宝石衬底精密研磨加工的实际效果，并对未来的研究方向进行展望。
希望通过本研究能够为蓝宝石衬底的精密加工提供一定的参考和指导。
1.2 研究目的研究目的：本研究旨在探讨蓝宝石衬底精密研磨加工过程中的关键技术和影响因素，通过实验研究和数据分析，揭示蓝宝石衬底磨削过程中的规律性规律和问题，为提高蓝宝石衬底的加工质量和效率提供理论支持和实验指导。
具体目标包括：1. 分析蓝宝石衬底的物理、化学和力学特性，为后续研究提供基础数据支持；2. 探讨精密研磨加工技术在蓝宝石衬底加工中的应用现状和存在的问题；3. 设计合理的蓝宝石衬底精密研磨实验方案，验证相关理论和方法的可行性；4. 分析实验结果，总结出蓝宝石衬底精密研磨加工的规律性和关键因素；5. 提出改进实验措施和建议，为未来蓝宝石衬底研磨加工提供技术支持和指导。
2. 正文2.1 蓝宝石衬底的特性分析蓝宝石衬底是一种应用广泛的高质量晶体材料，具有优异的机械、热学和光学性能。
蓝宝石衬底具有极高的硬度，仅次于金刚石，能够较好地抵抗磨损和刮伤，适合用作精密加工和磨削。
蓝宝石衬底的化学性质稳定，不易受到化学腐蚀和氧化，从而保证了其在各种环境下的稳定性。
蓝宝石化学机械抛光及清洗技术研究现状与存在问题分析论文
硬度为蓝宝石另一重要的机械性质它也代表着耐磨耗的能力单晶蓝宝石纯度越高则硬度相对越高单晶蓝宝石硬度越高氧化铝的耐磨耗的能力越佳表11蓝宝石单晶物理性质化学式al2o3晶格常数aa4765c13000密度gcm398硬度泊松比025030杨氏模数gpa345剪弹性模数gpa145极限应力gpa448比热cal01123单晶蓝宝石与二氧化硅的固相化学反应二氧化硅与单晶蓝宝石在无外加能量情况下两者之间很难产生固相化学反应而在外加能量情况下如抛光烧结且能量超越二氧化硅与单晶蓝宝石之间所需的活化能而产生固相化学反应其反应式如下sioalsio11该固相化学反应式须当温度约为400kkelvin时才会起固相化学反应其生成物为富铝红柱石此温度相当于在抛光过程中单晶蓝宝石基片的表面温度
目
录
1 绪论......................................................................................................................................1 1.1 课题研究的意义 ..........................................................................................................1 1.2 蓝宝石的材料特性.......................................................................................................1 1.2.1 蓝宝石的晶体结构 .............................................................................................1 1.2.2 单晶蓝宝石的机械性质 ......................................................................................1 1.2.3 单晶蓝宝石与二氧化硅的固相化学反应..............................................................2 1.3 蓝宝石化学机械抛光原理 ............................................................................................2 1.4 蓝宝石化学机械抛光研究现状 .....................................................................................3 1.5 蓝宝石清洗技术研究现状 ............................................................................................4 1.6 课题研究的内容 ..........................................................................................................4 2 蓝宝石晶片化学机械抛光运动参数分析 .................................................................................5 2.1 引言............................................................................................................................5 2.2 单面化学机械抛光运动过程分析及仿真 .......................................................................5 2.2.1 单面化学机械抛光加工机理 ...............................................................................5 2.2.2 抛光运动轨迹分析与仿真...................................................................................5 2.2.3 仿真结果及讨论.................................................................................................6 2.3 双面化学机械抛光运动过程分析及仿真 .......................................................................7 2.3.1 双面化学机械抛光加工机理 ...............................................................................7 2.3.2 抛光运动轨迹方程的建立...................................................................................7 2.3.3 ?a、ωp、ωt 及ωw 四者关系的确定.................................................................8 2.3.4 仿真结果及讨论.................................................................................................9 2.4 本章小结................................................................................................................... 10 3 抛光参数对材料去除率及粗糙度的影响 ............................................................................... 10 3.1 抛光设备的确定 ........................................................................................................ 10 3.11 抛光机.............................................................................................................. 10 3.12 抛光垫.............................................................................................................. 10 3.13 抛光液.............................................................................................................. 10 3.2 抛光参数对材料去除率及粗糙度的影响 ..................................................................... 11 3.2.1 SiO 2 的粒度对晶片抛光的影响........................................................................... 11 3.2.2 SiO2 的浓度对晶片抛光的影响.......................................................................... 11 3.2.3 抛光液的 pH 值性对晶片抛光的影响 ................................................................ 12 3.2.4 抛光液的温度对晶片抛光的影响 ...................................................................... 12 3.2.5 抛光压力对晶片抛光的影响 ............................................................................. 12 3.2.6 抛光盘的转速对晶片抛光的影响 ...................................................................... 13 3.3 本章小结................................................................................................................... 13 4 蓝宝石表面的清洗............................................................................................................... 13 4.1 引言.......................................................................................................................... 13 4.2 蓝宝石表面清洗原理 ................................................................................................. 14 4.2.1 蓝宝石表面状态与洁净度................................................................................. 14 4.2.2 吸附理论 ......................................................................................................... 14
目
录
1 绪论......................................................................................................................................1 1.1 课题研究的意义 ..........................................................................................................1 1.2 蓝宝石的材料特性.......................................................................................................1 1.2.1 蓝宝石的晶体结构 .............................................................................................1 1.2.2 单晶蓝宝石的机械性质 ......................................................................................1 1.2.3 单晶蓝宝石与二氧化硅的固相化学反应..............................................................2 1.3 蓝宝石化学机械抛光原理 ............................................................................................2 1.4 蓝宝石化学机械抛光研究现状 .....................................................................................3 1.5 蓝宝石清洗技术研究现状 ............................................................................................4 1.6 课题研究的内容 ..........................................................................................................4 2 蓝宝石晶片化学机械抛光运动参数分析 .................................................................................5 2.1 引言............................................................................................................................5 2.2 单面化学机械抛光运动过程分析及仿真 .......................................................................5 2.2.1 单面化学机械抛光加工机理 ...............................................................................5 2.2.2 抛光运动轨迹分析与仿真...................................................................................5 2.2.3 仿真结果及讨论.................................................................................................6 2.3 双面化学机械抛光运动过程分析及仿真 .......................................................................7 2.3.1 双面化学机械抛光加工机理 ...............................................................................7 2.3.2 抛光运动轨迹方程的建立...................................................................................7 2.3.3 ?a、ωp、ωt 及ωw 四者关系的确定.................................................................8 2.3.4 仿真结果及讨论.................................................................................................9 2.4 本章小结................................................................................................................... 10 3 抛光参数对材料去除率及粗糙度的影响 ............................................................................... 10 3.1 抛光设备的确定 ........................................................................................................ 10 3.11 抛光机.............................................................................................................. 10 3.12 抛光垫.............................................................................................................. 10 3.13 抛光液.............................................................................................................. 10 3.2 抛光参数对材料去除率及粗糙度的影响 ..................................................................... 11 3.2.1 SiO 2 的粒度对晶片抛光的影响........................................................................... 11 3.2.2 SiO2 的浓度对晶片抛光的影响.......................................................................... 11 3.2.3 抛光液的 pH 值性对晶片抛光的影响 ................................................................ 12 3.2.4 抛光液的温度对晶片抛光的影响 ...................................................................... 12 3.2.5 抛光压力对晶片抛光的影响 ............................................................................. 12 3.2.6 抛光盘的转速对晶片抛光的影响 ...................................................................... 13 3.3 本章小结................................................................................................................... 13 4 蓝宝石表面的清洗............................................................................................................... 13 4.1 引言.......................................................................................................................... 13 4.2 蓝宝石表面清洗原理 ................................................................................................. 14 4.2.1 蓝宝石表面状态与洁净度................................................................................. 14 4.2.2 吸附理论 ......................................................................................................... 14
蓝宝石衬底精密研磨加工实验研究
蓝宝石衬底精密研磨加工实验研究作者：虞国良来源：《科技视界》2019年第36期【摘要】为了实现对蓝宝石晶体的高效低损伤研磨加工，对蓝宝石晶体的精密研磨加工表面粗糙度、去除率进行试验研究。
采用不同粒度碳化硼磨粒双面研磨晶体，考察了研磨盘转速、加载下压力和研磨颗粒粒径对研磨加工表面质量的去除率和表面粗糙度参数的影响。
实验结果表明：研磨压力和研磨盘转速是影响去除率的最大因素;在相同条件下，磨料的颗粒粒径对去除率和表面粗糙度起到关键性的作用。
【关键词】蓝宝石;精密研磨;表面粗糙度;实验研究中图分类号： TB47 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）36-0170-002DOI：10.19694/ki.issn2095-2457.2019.36.079Experimental Study on the Precision Lapping of Sapphire SubstrateYU Guo-liang（School of engineering， zhejiang normal university， Jinhua Zhejiang 321000， China）【Abstract】This paper presents the experimental research on the surface quality parameters such as roughness and removal rate in the precision lapping of sapphire in order to realize the high efficiency and low damaged lapping. The different grain sizes of B4C were selected to lapping the double side of sapphire （0001） and the effects of processing parameters as load， speed of rotation and grain size had on the surface quality parameters were investigated. The results of experiment showed that：（1）it’s load and speed of rotation that were the most important factors to the removal rate;（2）the grain side played a key role in improving the removal rate and roughness under the same conditions.【Key words】Sapphire; Precision lapping; Roughness; Experimental study0 引言蓝宝石晶体具有优良的光学特性和力学性能[1-3]，是首选的光电衬底材料和半导体基片，更可以用作军事等重要技术领域的窗口材料，这使得对其表面加工质量有着非常高的要求。
蓝宝石衬底精密研磨加工实验研究
蓝宝石衬底精密研磨加工实验研究摘要：蓝宝石衬底在半导体照明、太阳能电池、光电子器件等领域都有广泛应用。
然而，由于它的硬度高，研磨难度大，现有大多数研究都是集中在晶体生长和制备方面。
本研究利用紫外激光机器开展了蓝宝石衬底的研磨加工试验研究。
通过对加工参数、切削深度、切削速度、切削液等控制实验，发现加工时液体的垂向喷射方式最佳；并且采用20nm 的聚氨酯磨料，可以获得表面Ra小于50 nm的蓝宝石衬底。
研究表明，采用紫外激光机器进行蓝宝石衬底的加工和磨削是可行的。
关键词：蓝宝石衬底；研磨加工；紫外激光机器；磨料；表面粗糙度。
引言过去的研究多集中在基板晶体生长和制备方面[5, 6]，对于蓝宝石衬底的精密研磨加工仅有少数报道。
现有研究中，最常用的是机械研磨的方法，但这种方法具有研磨效率低、加工环境受限、表面光洁度差、缺乏自动化等缺点[7]。
与此不同的是，紫外激光机器具有双激光束干涉测量、高速控制、高效切削等优点，因此被广泛应用于高精度材料加工中[8-10]。
本研究依托紫外激光机器，试图进一步提高蓝宝石衬底的研磨加工效率和精度。
实验方法1. 实验材料实验所采用的蓝宝石衬底尺寸为10×10 mm，厚度为0.5 mm，表面光洁度为Ra≤0.5nm，晶体方向为C。
磨料为聚氨酯，颗粒大小为20nm。
2. 实验装置实验采用的紫外激光机器为类型，激光波长为355 nm，控制系统为实时双激光束干涉测量，控制精度为0.01 μm。
加工头部采用旋转切割。
3. 实验过程为了研究蓝宝石衬底的最佳研磨加工参数，我们对不同参数下的表面粗糙度和切削深度进行了测试。
实验过程如下：步骤1：首先清洗蓝宝石衬底表面，去除油脂和表面杂质。
步骤2：在实验中选取最佳切削深度，切削速度和切削液浓度。
步骤3：在加工过程中不断监测表面粗糙度的变化，如果达到目标精度则停止加工，否则调整加工参数继续加工。
步骤4：在加工完毕后对蓝宝石衬底的表面粗糙度和切削深度进行测试并进行分析。
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原子力显微镜 (A tom ic Force M icroscope简称 AFM ) ,作
为蓝宝石晶片表面微观形貌检测工具 。其基本原理
是 :用一个直径不到 10 nm ,长度只有几微米的尖锐探
针 ,装在长 200μm 的悬臂端 ,探针与晶片的分子间作
用力使悬臂发生弯曲 。当晶片被扫描时 ,探测器测量
the suitable po lishing conditions are suggested as: the grain size of SiO2 is less than 7 nm , the concentration of SiO2 is 3% , the pH value of the polishing liquid is 11and the polishing p ressure is 200Pa. Keywords sapphire; super2smooth surface; polishing
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 。
是 [ 13 ] :砂轮单个磨粒的最大切削深度 ( as, max ) 应该小 于该材料的临界切削厚度 ( ac ) ,即 : as, max < ac
砂轮单个磨粒的最大切削深度 :
aa, max =
4 vw 1 /2 vsN d C
ap 1 /4 de
其中 vw ———工件进给速度 , mm / s
( 2. X inghua X iangsheng O pto2electron ic M a teria l Co. , L td, X inghua 225700, J iangsu, Ch ina)
Abstract This paper p roposed a new app roach to p roduce nanom eter class super2smooth surfaced sapphire wa2 fers that satisfied the requirem ents of photoelectric material by means of ductile mode grinding, chem ical me2 chanical polishing method and atom ic force m icroscopy inspecting. The ductile mode grinding of sapphire is a2 chieved by high rigid grinding machine w ith the diamond wheel ofW 7 and the feed of f = 1μm / r. Through spe2 cial sapphire wafer polishing liquid that is m ainly composed of SiO2 so l, undam aged super2smooth wafers w ith surface roughness RM S < 0. 2 nm can be obtained steadily. In order to grow GaN film on the sapphire substrate,
A l2 Si2 O7 ·2H2 O
如果化学反应作用较弱 ,而机械研磨作用较强 , 会
导致整个抛光过程的速率慢 , 同时抛光片表面产生橘
皮 、拉丝等现象 ; 如果化学反应作用较强 , 而机械研磨
作用较弱 ,会使整个抛光速度变慢 ,这是因为反应物解
析慢 ,反应产物不能及时脱离表面 ,反应剂无法接触到
晶片 ,阻挡了反应继续进行 ,同时抛光表面容易产生腐
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
3 本文得到江苏省教育厅自然科学研究计划 (04KJD430213)和国家高技术研究发展计划 (863计划 ) (2002AA311010)资助
图 1 化学机械抛光示意图
在被抛光垫和晶片之间形成一层抛光液薄膜 , 这 层膜起传输微粒和传递压力的作用 , 抛光液与晶片发 生化学反应 ,将不溶物质转化为易溶物质 (化学反应过 程 ) ,然后通过机械摩擦将这些易溶物从晶片表面去掉 (机械研磨过程 ) , 这两个过程相互促进形成良性循 环 ,从而使被抛光片表面实现全局光滑平面化 。
第 5期
周海 :蓝宝石晶片纳米级超光滑表面加工技术研究
29
蓝宝石衬底片 ,要求表面是超光滑 、无损伤表面 [ 9 ] 。目 前超光滑表面是指 [ 10 ] :表面粗糙度小于 1nm ( RM S)的 表面 。无损伤表面是指 [ 11 ] :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 [ 12 ] 。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 。
1 引言
蓝宝石 (α - A l2 O3 )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 ] 。在光 电子领域 ,蓝宝石晶体是制造氮化镓 ( GaN )发光二极 管 (LED )的首选衬底片材料 [ 2～4 ] ;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 [ 5 ] ;在激光领域 ,蓝宝石是优秀的激光介质材料
ap ———磨削深度 , mm
vs ———砂轮的线速度 , mm / s
N d ———砂轮动态有效磨刃数 , mm - 2
de ———砂轮当量直径 , mm
C———磨削常数 。
材料的临界切削厚度 : ac = K
E H
KIC 2 H
其中 , E———材料的弹性模量 , M Pa
H———材料的显微硬度 , GPa
(如 Ti: A l2 O3 , C r: A l2 O3 ) [ 6 ] ;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 M gB2高温超导薄膜 [ 7 ] ;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 [ 8 ] 。
周 海 1 姚绍峰 2
(1. 盐城工学院机械工程学院 江苏 盐城 224003) (2. 兴化祥盛光电子材料公司 江苏 兴化 225700)
摘 要 本文提出以蓝宝石塑性磨削和化学机械抛光为主要手段 ,以原子力显微镜为主要检测工具 ,来制备满足光电子 领域要求的纳米级超光滑蓝宝石晶片的新方法 。在高刚性磨床上 ,用 W 7的金刚石砂轮以 f = 1μm / r进给量 ,实现了蓝宝 石晶片的浅损伤塑性域磨削 。配制了以 SiO2溶胶为抛光料的蓝宝石晶片专用抛光液 ,稳定地获得了无损伤层的 RM S小于 0. 2 nm 的超光滑蓝宝石晶片表面 。 GaN 外延生长所需蓝宝石晶片的合理抛光参数是 : SiO2的粒子直径为 7 nm、浓度为 3%、pH = 11、压力 P = 200Pa。 关键词 蓝宝石 ;超光滑表面 ;抛光 中图分类号 TH161, TN205 文献标识码 A
Study on super2sm ooth surface mach in ing technology for sapph ire wafer
Zho u Ha i Yao S hao fe ng ( 1. D epa rtm en t of M echan ica l Eng ineering, Yancheng Institu te of Technology, Yancheng 224003, J iangsu, Ch ina)
悬臂的弯曲程度 ,计算机将测量的悬臂弯曲量转换成
表面形貌图 。
图 2 蓝宝石表面磨削后的 AFM 显微图形
经过塑性磨削后的蓝宝石晶片 ,在平面研磨机上 , 采用锡铅合金研磨盘 ,以 W 0. 5 球状聚晶金刚石微粉 配制的研磨液进行化学机械抛光前的研磨 ,从而省去 了以往多道复杂的研磨工序 。
将研磨后的载片盘装到图 1 所示的抛光机上 ,用 配置的不同浓度 、不同 SiO2粒子直径和不同 pH 值的 蓝宝石专用抛光液 ,对晶片进行化学机械抛光 ,抛光参 数为 :抛光盘转速为 150 r/m ,载片盘转速为 120 r/m ,压 力 P = 200Pa。
总第 149期
A l(OH ) 3 + 3H +
A l3 + + 3H2 O
A lO (OH ) + 3H +
A l3 + + 2H2 O
A l2 O3 + 2OH -
2 A l2- + H2 O
A l(OH) 3 +OH -
A lO2- + 2H2 O
A l2 O3 + 2SiO2 + 2H2 O
KIC ———材料的断裂韧性 , M Pa m K———磨削液影响系数 2. 2 化学机械抛光 目前晶体材料的抛光方法主要有 :机械抛光 、化学 抛光 、离子束抛光 、激光束抛光等 。但是每种抛光方法 都有一定的缺点 ,机械抛光虽然能够实现全局平面化 , 但是难以实现粗糙度 RM S 小于 1nm 的纳米级抛光 ;化 学抛光虽然能够实现纳米级抛光 , 但是不能实现全局 平面化 ;而离子束抛光 、激光束抛光不仅不能实现全局 平面化 ,而且目前仍然处在实验阶段 。 根据蓝宝石晶片的物理和化学性质 , 结合上述机 械抛光和化学抛光的特点 , 本课题采用以化学抛光为 主的化学机械抛光 ( Chem ica l M echan ica l Polish ing, 简 称 CM P)技术 [14 ] ,它是机械磨削和化学腐蚀的组合技 术 ,它借助超微粒子的研磨作用以及浆料的化学腐蚀 作用 ,实现全局平面化超光滑纳米级无损伤精密抛光 。 CM P的基本方法是将晶片在研磨液中 , 相对于抛光垫 旋转 ,并施加一定的压力 ,借助机械摩擦及化学腐蚀作 用来完成抛光 。抛光装置如图 1所示 , 平台在电机的 带动下转动 , 晶片粘在载片盘上 , 载片盘通过电机驱 动 ,转动方向与平台相同 。