藍寶石襯底精密研磨加工實驗研究

虞國良

【摘 要】為了實現對藍寶石晶體的高效低損傷研磨加工，對藍寶石晶體的精密研磨加工表面粗糙度、去除率進行試驗研究。采用不同粒度碳化硼磨粒雙面研磨晶體，考察了研磨盤轉速、加載下壓力和研磨顆粒粒徑對研磨加工表面質量的去除率和表面粗糙度參數的影響。實驗結果表明：研磨壓力和研磨盤轉速是影響去除率的最大因素;在相同條件下，磨料的顆粒粒徑對去除率和表面粗糙度起到關鍵性的作用。

【關鍵詞】藍寶石;精密研磨;表面粗糙度;實驗研究

中圖分類號： TB47 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）36-0170-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.36.079

Experimental Study on the Precision Lapping of Sapphire Substrate

YU 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）its 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 study

0 引言

藍寶石晶體具有優良的光學特性和力學性能[1-3]，是首選的光電襯底材料和半導體基片，更可以用作軍事等重要技術領域的窗口材料，這使得對其表面加工質量有著非常高的要求。要求藍寶石表面要達到超光滑的無損傷表面[4]。目前超光滑表面[5]是指：表面粗糙度小于1nm的表面。無損傷表面[6]是指：加工表面不能有加工變質層，且表面晶格完整。由于藍寶石硬度高且脆性大，對其進行機械加工非常困難，鏡面加工技術更加復雜。由于藍寶石元件在航空航天、國防軍事等方面的特殊用途，國際上藍寶石晶片的加工工藝一直處于保密階段。現有藍寶石的研磨工藝，加工效率較低，因此藍寶石精密研磨加工具有重要的意義。

1 試驗條件與材料

實驗使用的主要儀器Nanopoli-100研磨機，其研磨盤為Φ380mm鑄鐵十字槽研磨盤，采用德國Mahr S2型接觸式粗糙度測試儀測試粗糙度，使用日本島津公司的毫克級（0.1mg）AUY220型天平測量重量。

實驗材料：藍寶石（Sapphire），化學分子式為α-Al2O3，俗稱剛玉，屬于六方晶系，如圖1所示。磨料使用B4C。

實驗步驟可以簡化為：修盤→研磨→清洗→稱重→研磨。最后，用輪廓儀測量所有試驗的藍寶石晶片表面的粗糙度和面形輪廓度，用于分析各個工藝參數與表面質量要求之間的關系以及工藝參數的變化對表面質量要求的影響。

（1）藍寶石六方晶格;（2）未加工和已加工的藍寶石

圖1 藍寶石分子結構及晶片

2 實驗結果與分析

2.1 壓力對去除率和表面粗糙度的影響

壓力參數對研磨去除率和表面粗糙度的影響如圖2所示。研磨效率隨著下壓力的增大而增大。但試件表面粗糙度值在初期略有上升，然后減少，在10.9MPa時達到最小。因此，下壓力的增加要在一定的范圍內才可以得到最佳的研磨效果。

2.2 轉速對研磨去除率和表面粗糙度的影響

研磨盤轉速參數對研磨去除率和表面粗糙度的影響如圖3所示。研磨去除率隨研磨盤轉速的變化效果明顯，轉速增加，去除率顯著增大，在30rpm時達到最大值，轉速再增加時，去除率有少量下降。同時試件的表面粗糙度值隨研磨盤轉速的增大而上升，轉速為30rpm時表面粗糙度值有明顯下降，隨之又上升。因此研磨盤轉速也應控制在合理的范圍內以保證研磨效率和表面粗糙度。

圖2 下壓力對研磨去除率和表面粗糙度的影響

圖3 轉速對研磨去除率和表面粗糙度的影響

2.3 磨粒粒徑對表面粗糙度及去除率的影響

從圖4中可以得知，去除率隨磨料粒徑的增大是先降低再升高，當研磨顆粒粒徑為W3.5和W14時較高，粒徑為W5和W7時較低;表面粗糙度數值近似線性變化，磨料粒徑小時其值最小，隨后逐漸變大。這種現象是因為在其他條件相同的情況下，磨料粒徑小，單位時間內參與研磨切削的磨粒就多，切削充分，去除率就高;試件表面粗糙度值較小。

圖4 磨料顆粒粒徑對去除率和表面粗糙度的影響

3 結論

本文對藍寶石精密研磨進行了實驗研究，討論了研磨盤轉速、加載下壓力、研磨顆粒粒徑對研磨加工表面質量的去除率和表面粗糙度參數的影響。得到如下結論：研磨壓力和研磨盤轉速是影響去除率的最大因素;在相同條件下，磨料的顆粒粒徑對去除率、表面粗糙度起到關鍵性的作用。

【參考文獻】

[1]G rzegory I. High nitrogen pressure growth of GaN crystals and their applications for epitaxy of GaN based structures[J]. Materials Science and Engineering， 2001：30-34.

[2]王曉暉，劉祥林，陸大成.用于GaN生長的藍寶石襯底化學拋光研究[J].半導體學報.1996（10）：57-62.

[3]Chol K S， John S T. Optimum machining of optical crystals. Mechanical Engineering[J].2003（4）：68-72.

[4]Nakamura S， Ann. InGaN-based Laser Diodes[J].Rew.Mater. Sci，1998（28）：125.

[5]楊力.先進光學制造技術[M].北京：科學出版社，2001.

[6]袁哲俊，王先逵.精密和超精密加工技術[M].北京：機械工業出版社，1999.