中國(guó)粉體網(wǎng)訊  藍(lán)寶石單晶有著極高硬度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、耐磨損、材料比重低等優(yōu)勢(shì),，同時(shí)可在接近2000°Ｃ的超高溫條件下工作，因而被廣泛地應(yīng)用于耐溫高壓器件、特種窗口,、光學(xué)系統(tǒng)、耐磨損器件,、紅外制導(dǎo),、導(dǎo)彈整流罩等軍民用、軍事,、智能設(shè)備,、科研高科技領(lǐng)域。

藍(lán)寶石的應(yīng)用領(lǐng)域

其中,，藍(lán)寶石應(yīng)用最廣泛的是用作LED襯底材料,。LED作為具有高效率、長(zhǎng)壽命和驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)的新一代光源,，應(yīng)用范圍涉及景觀,、裝飾,、照明光源等眾多領(lǐng)域。

藍(lán)寶石襯底的加工流程

在藍(lán)寶石元器件的制備過(guò)程中,，首先需要對(duì)藍(lán)寶石晶棒進(jìn)行切割加工,，使其成為藍(lán)寶石晶片，隨后進(jìn)行研磨及拋光,，藍(lán)寶石的表面平整度決定了其性能,。然而，藍(lán)寶石晶體硬度高,、脆性大,、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，表面加工較為困難,。因此,，如何提高藍(lán)寶石的加工性能成為藍(lán)寶石產(chǎn)業(yè)升級(jí)的難點(diǎn)。

01.藍(lán)寶石切割技術(shù)

晶棒切割是藍(lán)寶石加工的第一道工序,，切割加工質(zhì)量直接影響晶片性能,、產(chǎn)量及后續(xù)加工成本，因此,，藍(lán)寶石的切割加工是該產(chǎn)業(yè)的重中之重,，其主要切割工藝有以下幾類。

（1）金剛石鋸片切割

由于藍(lán)寶石的高硬度,，導(dǎo)致傳統(tǒng)的砂漿切割及樹(shù)脂刀具金剛石砂輪的切割對(duì)其無(wú)能為力,，而金剛石鋸片切割作為一種傳統(tǒng)的切割方法，具有切割精度高,、鋸片有良好的導(dǎo)熱性和熱穩(wěn)定性,、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，成為藍(lán)寶石發(fā)展初期切割方式的一種必然選擇,。然而隨著技術(shù)的進(jìn)步,，該切割方式存在的鋸縫寬、切割表面損傷多,、粗糙度大,、切割應(yīng)力大、切割結(jié)束時(shí)出現(xiàn)切片崩邊甚至飛邊等系列問(wèn)題逐步凸顯,，已不適合藍(lán)寶石的精密切割,。

（2）金剛石線鋸切割

金剛石線鋸切割技術(shù)，即固結(jié)磨料多線切割技術(shù),。金剛石線鋸是在基體上固結(jié)金剛石磨料的一種切割工具,，因其切縫小于0.5mm的特點(diǎn)可以加工普通硬脆材料，適用于藍(lán)寶石,、水晶,、太陽(yáng)能級(jí)多晶硅等硬脆材料的切割,。

鎳電鍍金剛石線鋸示意圖

與廣泛使用的傳統(tǒng)砂漿切割技術(shù)相比，金剛石切割技術(shù)具有切割速率高,、切片質(zhì)量好,、材料損耗低、鋸屑易于回收等優(yōu)點(diǎn),。

（3）電火花線切割

電火花線切割是利用導(dǎo)電工件和電極絲之間的脈沖火花放電產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫,，使被切割工件局部點(diǎn)蝕，從而完成加工的一種方法,，理論上切割藍(lán)寶石的厚度可以很薄,，國(guó)內(nèi)外對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了廣泛研究，但結(jié)果顯示電火花切割會(huì)造成切片表面質(zhì)量較差,、燒傷層厚度大等缺陷,，導(dǎo)致該方法不再適合加工高精度藍(lán)寶石材料。

02.藍(lán)寶石研磨技術(shù)

研磨是針對(duì)藍(lán)寶石切割過(guò)程中帶來(lái)的表面損傷和尺寸誤差,，利用附著或鑲嵌在磨盤(pán)上的磨料與工件對(duì)磨,，消除切割缺陷、提高工件表面質(zhì)量的過(guò)程,。

（1）游離磨料研磨

游離磨料研磨是將金剛石/SiC磨料混合到研磨液中,，隨后研磨液通過(guò)噴霧等方式持續(xù)輸送到研磨盤(pán)上，磨粒隨著研磨盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶入研磨盤(pán)與藍(lán)寶石對(duì)磨面之間,，從而達(dá)到研磨效果,。該方法加工藍(lán)寶石的研磨初期一般是用鑄鐵材質(zhì)的研磨片和較大粒徑的SiC磨料，隨后用較軟的銅研磨盤(pán)和小粒徑的金剛石磨料,，研磨效果受多方面因素影響,。

藍(lán)寶石整流罩

（2）固結(jié)磨料研磨

固結(jié)磨料研磨是將磨料通過(guò)粘結(jié)劑固定形成類似砂紙一樣的碾磨盤(pán)的方法,。固結(jié)磨料研磨時(shí)，研磨盤(pán)材質(zhì)對(duì)研磨效果有顯著影響,，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)青銅,、復(fù)合材料,、陶瓷樹(shù)脂材料等不同材質(zhì)的研磨盤(pán)研究表明,，硬度高,、剛性大的研磨盤(pán)較彈性大的研磨盤(pán)能夠更好地控制加工面的平整度,，但加工面的質(zhì)量和粗糙度控制不如后者。磨粒的粒徑和濃度亦影響研磨質(zhì)量,，其中粒徑大小與研磨效率呈正比，與加工面質(zhì)量呈反比關(guān)系,，單位面積磨粒濃度的增加會(huì)提高加工質(zhì)量,，但濃度過(guò)高時(shí)會(huì)影響磨粒的固定，容易產(chǎn)生磨粒的拔出,、剝落,，從而形成游離磨粒，影響加工質(zhì)量,，此外,，研磨液的選擇也會(huì)影響研磨效率,。

固結(jié)研磨顯著改善了游離研磨中磨料分布不均勻,、轉(zhuǎn)速不宜過(guò)高的問(wèn)題，避免了游離磨料中磨料的滾扎和劃擦,，降低了工件亞表面損傷深度,，使表面加工質(zhì)量更高,，已成為一種新型的藍(lán)寶石加工技術(shù)。

（3）雙面研磨

雙面研磨是利用上下兩個(gè)研磨盤(pán)對(duì)藍(lán)寶石晶片同時(shí)進(jìn)行表面研磨加工的工藝流程,，避免了單面加工時(shí)晶片受約束而產(chǎn)生的應(yīng)力,，不易產(chǎn)生單面加工中出現(xiàn)的翹曲變形,，擁有較好的平面度,，同時(shí)簡(jiǎn)化了加工工序,，提高了加工效率和加工質(zhì)量。

03.藍(lán)寶石拋光技術(shù)

目前藍(lán)寶石的超精密加工技術(shù)主要有磁流變拋光,、水合拋光,、激光拋光和化學(xué)機(jī)械拋光,。

（1）磁流變拋光

美國(guó)曼徹斯特大學(xué)于1997年首次采用磁流變拋光技術(shù)加工藍(lán)寶石等超硬紅外光學(xué)材料,。

磁流變拋光是一種新型的技術(shù),，加工后藍(lán)寶石晶片表面不存在亞表面損傷層,，表面完整性較好,。且磁流變拋光一種可控的柔性的拋光技術(shù),，其加工效率較高,，且容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化加工,。但是磁流變液的研制和拋光過(guò)程中柔性化控制等難題目前仍未得到很好地解決。

（2）水合拋光

水合拋光又稱為無(wú)磨料拋光,，是通過(guò)高溫蒸氣與藍(lán)寶石晶片表面之間發(fā)生水合反應(yīng),，生成硬度較低的氧化鋁水合物,，再通過(guò)拋光盤(pán)與工件之間的摩擦將其去除,。水合拋光不用任何磨料和拋光液，屬于環(huán)保型的加工方式,，加工后晶片的面型精度較高。但水合拋光的加工效率較低,，且目前水合拋光機(jī)理研究不夠深入,。

（3）激光拋光

激光拋光是一種非接觸式加工方式,，通過(guò)一個(gè)聚焦的激光束斑作用在工件表面,，產(chǎn)生熱作用和光化作用熔化或者蒸發(fā)工件材料，從而達(dá)到工件光潔的表面,。激光拋光存在很多優(yōu)點(diǎn)，例如加工效率高,，可以加工復(fù)雜曲面，拋光精度高,。激光拋光在藍(lán)寶石加工中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但是目前的激光拋光設(shè)備制造費(fèi)用昂貴,。

（4）化學(xué)機(jī)械拋光

化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)是將化學(xué)作用與機(jī)械作用有機(jī)結(jié)合起來(lái),，在二者作用的交替進(jìn)行中完成單晶藍(lán)寶石晶片表面的拋光,，這種拋光方式可以有效避免單純機(jī)械拋光造成的表面損傷和單純化學(xué)拋光易造成的拋光速度慢,、表面平整度和拋光一致性差等缺點(diǎn)。

藍(lán)寶石CMP的原理及材料去除模型

小結(jié)

化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)可以兼顧加工表面全局及局部平整度，是一種真正意義上的原子分子級(jí)的極限加工技術(shù),，是目前最常用的加工藍(lán)寶石的方法,。

參考來(lái)源：

[1]康森等.藍(lán)寶石切割研磨及拋光技術(shù)研究進(jìn)展

[2]屈明慧等.藍(lán)寶石化學(xué)機(jī)械拋光液的研究進(jìn)展

[3]于海洋.單晶藍(lán)寶石化學(xué)機(jī)械拋光的研究

[4]謝文祥.藍(lán)寶石的化學(xué)機(jī)械拋光液研究

[5]王方.藍(lán)寶石化學(xué)機(jī)械拋光液用硅溶膠制備工藝研究

[6]何宇雷.藍(lán)寶石金剛線切割廢料綜合回收利用的研究

[7]王紹臣.藍(lán)寶石精密磨削及化學(xué)機(jī)械拋光研究

[8]盧亞楠.拋光液組分對(duì)不同晶面藍(lán)寶石材料CMP性能的影響研究

（中國(guó)粉體網(wǎng)/山川）

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