藍寶石晶片研磨工藝的研究

董云娜，曹淑云

（天津西美科技有限公司， 天津 300382）

藍寶石晶片研磨工藝的研究

董云娜，曹淑云

（天津西美科技有限公司， 天津 300382）

利用碳化硼W5對藍寶石研磨實驗進行研究，得出不同磨料濃度、不同懸浮液黏度和加工壓力對表面狀態(tài)、粗糙程度和工件去除率的影響。結果表明，碳化硼W5比較適宜研磨，用此磨料在濃度為15%，懸浮液黏度為0.15%（黏度通過控制羧甲基纖維素的衍生物的含量控制），研磨壓力為4 N/cm2時效果較佳，去除率可達0.63 μm/min，表面無劃痕，粗糙度較理想。

藍寶石晶片；碳化硼W5；研磨；去除率；工藝參數(shù)

藍寶石具有優(yōu)異的光學性能、機械性能和化學穩(wěn)定性。其表面質量對器件的質量、壽命等起關鍵作用[1-3]。隨著科學技術的發(fā)展，藍寶石的應用領域越來越廣泛，涉及科研、工業(yè)、國防、生活等各個領域，如精密研磨軸承、紅外透光材料、半導體芯片的襯底片、表鏡等。但藍寶石的硬度很大（為其硬度為莫氏9），其硬度僅次于金剛石，脆性大，使得對其進行機械加工難度很大。

研磨拋光為超精密加工的重要手段，而研磨作為拋光加工的前道工序，可以在一定程度上降低表面粗糙度，提高工件的表面精度，其質量的好壞直接影響著后續(xù)的拋光效率和工件的表面質量[1]，且研磨工序是藍寶石最關鍵的環(huán)節(jié)之一[4]。因此，為在單位時間內加工出更多符合要求的晶片，有必要研究其研磨拋光工藝參數(shù)以得到較好的表面質量和較優(yōu)的去除率。

鑒于此，本文在實驗的基礎上研究了研磨壓力、不同懸浮液粘度、不同磨料濃度對表面粗糙度和去除率的影響，得出了較佳的研磨加工工藝。

1 藍寶石晶片的研磨實驗

研磨實驗所用設備為UNIPOL-1501型精密研磨拋光機。研磨加工時，研磨盤為帶有均勻方形槽的新型研磨盤。

實驗所用工件是直徑為2英寸的藍寶石圓片，厚度約為0.6 mm，晶片置于本司研發(fā)的新型實用的研磨模板上。

實驗所用的研磨液為碳化硼W5與懸浮液配制而成。所用碳化硼W5（牡丹江產），懸浮液為本司研發(fā)的懸浮液CM-S301，此懸浮液由表面活性劑、分散劑、表面改性劑、去離子水等組成，pH值為11。

實驗中研磨的壓力通過增加配重盤來實現(xiàn)。研磨液采用循環(huán)使用模式，由自動滴加器供給。加工完畢，去離子水清洗工件，將工件從模板中取出，清洗干凈，進行甩干。

實驗過程中，研磨時間為20 min，流量為85 mL/min，轉速為80 r/min。

本文中的物質濃度均采用質量百分數(shù)表示。

晶片的表面狀態(tài)采用200×數(shù)碼顯微鏡進行觀察，采用五點法測量晶片厚度，用LINKS（0-25 mm）電子外徑千分尺測量晶片厚度。按照平均值作為參與計算的數(shù)據(jù)。研磨后的表面在LED光學檢測專用強光燈下觀察有無劃痕和蝕坑。

2 研磨工藝研究

影響藍寶石研磨的因素有很多，拋光液的pH值、研磨機的轉速等都會影響研磨的效果，本文主要采用單因素控制法研究研磨壓力、不同懸浮液粘度、不同磨料濃度對晶片加工去除率的影響。前期做過碳化硼W3.5、W5、W7磨粒研磨藍寶石的實驗研究，W5的效果較好，有較好的去除率和表面平整度，因此本文采用W5作為磨粒。

2.1 研磨壓力對晶片加工去除率的影響

研磨壓力分別為2、3、4 N/cm2，研磨液中碳化硼的濃度為10%。如圖1所示為研磨壓力對材料去除率的曲線。由圖1知，隨研磨壓力增加，材料的去除率增大，粗糙程度增大。這是因為增加研磨壓力，磨料與晶片間的相互作用增強；磨料與晶片間的摩擦力增加的同時，系統(tǒng)的溫度升高，反應速率加快，增強了系統(tǒng)的化學作用，導致去除率增加；增加研磨壓力，磨料嵌入研磨盤的程度增大，從而導致晶片的粗糙程度增大[5]?？紤]到壓力過大可能會對工件及研磨盤造成損傷，經實驗驗證，總壓力為2 N/cm2時研磨較佳。

圖1 研磨壓力對去除率的影響Fig.1 The impact on removal rate with different grinding pressure

2.2 不同懸浮液黏度對去除率的影響

用羧甲基纖維素的衍生物來控制懸浮液的黏度，羧甲基纖維素的衍生物的百分含量分別為0.08%、0.1%、0.15%、0.2%，如圖2所示為不同懸浮液黏度對去除率的影響。由圖2知，當羧甲基纖維素的衍生物的百分含量增加時，去除率增加，表面平整度增加。這是因為當羧甲基纖維素的衍生物的百分含量增加時，拋光液的黏度增大，使得晶片與拋光液之間的潤滑作用增加，從而減少了對晶片的刮擦，晶片表面的平整度增加?？紤]到黏度太大操作不便，較優(yōu)的為含0.15%的羧甲基纖維素的衍生物的研磨液。

2.3 不同磨料濃度對表面狀態(tài)和去除率的影響

配制的研磨液的濃度分別為10%、12%、15%，如圖3所示為不同濃度的研磨液的晶片表面狀態(tài)。

圖2 不同懸浮液黏度對去除率的影響Fig.2 The impact of the suspension viscosity on removal rate

圖3 用不同濃度的研磨液研磨后的晶片表面狀態(tài)Fig.3 The surface state of grinding wafer with different concentration of grinding fluid其質量分數(shù)分別為： (a)10%；(b)12%；(c)15%

圖4 為不同濃度的研磨液對晶片表面的去除率。

圖4 研磨液濃度對去除率的影響Fig.4 The impact on removal rate with different concentration of the grinding fluid

由圖3、圖4知，隨磨料濃度的增加，去除率逐漸增大，劃傷依次減少，表面平整度逐漸增加。15%的研磨液對藍寶石晶片不產生劃傷。這是因為，磨料濃度增加，相同體積的研磨液中間含有的有效研磨顆粒增加，機械磨削作用增強，導致去除率增加；研磨液濃度過低，晶片與研磨盤之間的相互摩擦，易對晶片進行刮擦，導致劃傷，增加其粗糙度[6,7]?？紤]到黏度過大操作不便，較佳的研磨液濃度為15 %。

3 結 論

碳化硼W5對藍寶石進行研磨加工，能夠獲得較好的表面狀態(tài)：隨研磨壓力增加，材料的去除率增大，粗糙程度增大；當羧甲基纖維素的衍生物的百分含量增加時，去除率增加，表面平整度增加；隨磨料濃度的增加，去除率逐漸增大，劃傷減少。

綜合優(yōu)化的研磨加工參數(shù)為：采用開槽陶瓷盤進行研磨，研磨時間為20 min，流量為85 mL/min，轉速為80 r/min。用此磨料在濃度為15%，懸浮液黏度為0.15%（黏度通過控制羧甲基纖維素的衍生物的含量來控制），總壓力為4 N/cm2時效果較佳，去除率可達0.63 μm/min，表面無劃痕，粗糙度較理想。

［1］ 李鵬鵬，李軍，王建彬,等.固結磨料研磨藍寶石襯底的工藝研究[J].人工晶體學報，2013, 42 (11): (2258-2264)．

［2］ 王嬌，李紅軍，弓巧俠,等.冷坩堝法制備α-Al2O3多晶材料的工藝參數(shù)研究[J].人工晶體學報，2012, 41 (3): 578-583.

［3］ Hader B. Super polishing of sapphire A method to produce atom ically flat and damage free surfaces [ J ]. Surface Science, 2000: 118-130.

［4］邢鵬飛、吳龍駒、曹寶勝,等.一種藍寶石晶片研磨用碳化硼粉的生產工藝:CN,201410053757.7[P].

［5］ Y. Namba, H. Tsuwa. Ultra-fine finishing of sapphire single crystal [J].Ann Cirp, 1977, 25 (1): 325-329.

［6］ 王娟，劉玉玲.藍寶石襯底片化學機械拋光的研究[J]. 微細加工技術，2005, 4（12）.

［7］ 王永輝，趙慧峰.藍寶石晶片研磨工藝的研究 [J].三門峽職業(yè)技術學院學報，2009, 8（1）: 119-121+37-40．

Study on the Grinding Technique for Sapphire Wafer

DONG Yun-na, CAO Shu-yun
（Tianjin Ximei Technology Co.,Ltd., Tianjin 300382, China）

The grinding experiment of sapphine wafer by using boron carbide W5 was studied. Effect of abrasive concentration, suspension viscosity and surface processing pressure on the surface state, roughness and removal rate was investigated. The results show that, boron carbide W5 is appropriate for grinding; when the abrasive concentration is 15%, the viscosity of the suspension is 0.15%, and the pressure is 4 N/cm2, the removal rate can reach to 0.63μm/min, and the roughness of surface is ideal.

Sapphire wafer; Boron carbide W5; Grinding; Removal rate; Technological parameters

TQ 028

： A

： 1671-0460（2015）10-2410-03

2015-04-17

董云娜（1985-），女，天津人，碩士，畢業(yè)于天津工業(yè)大學，研究方向：從事半導體材料研究。E-mail：xmtec.cn@gmail.com。