基于層疊式夾持超薄藍(lán)寶石晶片雙平面加工實驗研究

陳芝向，袁巨龍，杭偉，王勤峰，許良，呂冰海

（1.浙江工業(yè)大學(xué) 超精密加工研究中心，杭州 310023；2.天通控股股份有限公司，浙江 海寧 314412）

藍(lán)寶石單晶由于其優(yōu)異的材料性能，是LED 襯底的主要材料之一[1-3]。平面度對于降低光的散射損耗和提高發(fā)光效率十分重要，因此平面度在LED 襯底制備行業(yè)是關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)之一[4]。通常采用雙平面研磨及單平面化學(xué)機(jī)械拋光的方法來獲得高表面質(zhì)量、高尺寸精度以及低亞表面損傷的藍(lán)寶石表面[5-6]。

藍(lán)寶石晶片的平坦化多采用雙平面研磨技術(shù)，然而隨著市場的發(fā)展，對藍(lán)寶石晶片的需求量急劇增加，藍(lán)寶石材料的難加工特性使得眾多國內(nèi)外學(xué)者更多地關(guān)注于如何提升藍(lán)寶石晶片的雙平面研磨效率[7-9]，研究更高效的固結(jié)磨盤雙平面研磨技術(shù)[10-13]，及工藝參數(shù)優(yōu)化對藍(lán)寶石晶片雙平面拋光的影響[14-15]。然而，藍(lán)寶石晶棒的產(chǎn)能亦是限制藍(lán)寶石產(chǎn)業(yè)擴(kuò)大的重要因素，在有限的晶棒產(chǎn)能下，超薄藍(lán)寶石晶片的超精密加工則顯得尤為重要。

雙平面拋光是加工超薄藍(lán)寶石晶片的首選加工方法，目前適用于雙平面加工技術(shù)的夾持方式主要有：游星輪保持架、無蠟墊[16]以及石蠟粘接。2 英寸超薄藍(lán)寶石晶片的厚度在0.2 mm 以下，雙平面拋光設(shè)備采用的游星輪保持架由于強(qiáng)度及剛度不足，極易發(fā)生跑片、碎片，嚴(yán)重制約加工成品率。無蠟墊采用具有微孔結(jié)構(gòu)的聚氨酯材料通過液體膜吸附的作用夾持工件[17]，但其吸附材料易磨損，制作成本較高[18]。石蠟粘接方式具有加工精度高、殘余變形小等優(yōu)點，但其加熱、粘結(jié)、剝離及清洗等工序很費時，且存在蠟污染[19]。

針對上述問題，本文基于層疊式夾持方式，通過實驗研究了基盤表面高度差對工件平面度的影響，采用對比實驗驗證了層疊式雙平面拋光藍(lán)寶石晶片的有效性。

1 層疊式夾持基本原理

層疊式夾持方式的基本原理如圖1 所示。在基盤的上、下表面均固定兩片限位片，并在限位片上開孔，使得工件能放置于限位片中，通過限位片與基盤表面的高度差實現(xiàn)對工件的徑向限位。當(dāng)對工件進(jìn)行夾持時，在基盤與工件之間填充水滴，從而在兩個表面之間形成水膜，實現(xiàn)對工件的法向吸附，通過法向吸附力對工件的軸向位移進(jìn)行限位。兩個粗糙表面間由于存在大量的空氣介質(zhì)[20]，在不施加外力而相互接觸時，表面間發(fā)生真實接觸的區(qū)域產(chǎn)生以范德華力及毛細(xì)作用力為主的吸附力[21-22]，由于毛細(xì)力受空氣濕度的影響較大，當(dāng)濕度較低時，接觸區(qū)域的作用力以范德華力為主[23]；受到表面粗糙度的影響，真實接觸面積遠(yuǎn)小于表觀接觸面積[24-26]，因此范德華力對工件的作用力極小，表面間的吸附力遠(yuǎn)小于工件的自重，工件無法被可靠地吸附在基盤表面。當(dāng)向兩個表面間注入液體，形成液體膜后，工件與基盤間的空氣被液體膜排出，此時兩表面間的吸附力以毛細(xì)力為主[27-29]，其所形成的作用力大于工件的自重，可在法向上將工件吸附于基盤表面。限位片將工件的徑向移動進(jìn)行限位，使得工件被牢固地夾持在夾具上，此時，工件與基盤間形成“工件-基盤-工件”的層疊式夾持方式，工件厚度在基盤的作用下被當(dāng)量增厚，可被普通行星輪夾持，用于超薄平面晶片的雙平面研磨拋光。

圖1 層疊式夾持原理Fig.1 Principle of layer stacked clamping

2 基盤高度差對工件的影響分析

晶片的平面度定義為晶片厚度相對于參考平面的變化[30]，晶片的平面度可間接表征晶片Bow 值及Warp 值，因此本文采用平面度來表征工件的加工精度。為研究層疊式夾持方式下工件平面度與基盤高度差之間的關(guān)系，本文選擇不同高度差條件下的基盤進(jìn)行加工實驗。首先將基盤加工至較好的平面度狀態(tài)，然后采用砂紙打磨等方式調(diào)整基盤表面高度差，根據(jù)課題組前期的研究經(jīng)驗，分別選擇高度差為5.3、9.8、19.9、29.7 μm。圖2 為采用千分表測量的不同高度差下的基盤高度分布。

加工設(shè)備采用6B 型行星式雙平面拋光機(jī)，盤面尺寸為?380 mm，實驗裝置如圖3a 所示，層疊式夾具如圖3b 所示。雙平面拋光中太陽輪轉(zhuǎn)速為20 r/min，下盤轉(zhuǎn)速為34 r/min，上盤轉(zhuǎn)速為–24 r/min，齒圈轉(zhuǎn)速為0 r/min。選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的硅溶膠溶液作為拋光液，pH 值為12.2，拋光液流量為25 mL/min。加工對象為0.17 mm 厚度的C 向2’藍(lán)寶石拋光片，加工壓力為每片19.74 kPa，拋光片的初始平面度為2 μm左右，加工時間為3 h，通過長時間的加工來觀測基盤平面度對藍(lán)寶石晶片平面度的影響。

圖2 基盤表面高度差分布Fig.2 Distribution of height difference on substrate surface

圖3 層疊夾持夾具及雙平面加工設(shè)備Fig.3 Layer stacked fixture and double-sides polishing equipment: a) double-sides polishing machine, b) layer stacked fixture

根據(jù)上述實驗條件連續(xù)加工藍(lán)寶石晶片3 h 后，藍(lán)寶石晶片的平面度如圖4 所示。圖5 為基盤高度差與藍(lán)寶石晶片平面度變化的柱狀圖。從圖4 及圖5 中可以看出，藍(lán)寶石晶片的平面度隨著基盤高度差的增大而增大，但其增大的趨勢遠(yuǎn)小于基盤平面度變化的趨勢。較典型例子為圖4d 所示工件平面度，該基盤平面度為在初始修平狀態(tài)下對基盤表面進(jìn)行人為打磨而成，其為中間凸起結(jié)構(gòu)，由于基盤表面為非理想平面，當(dāng)工件被基盤吸附時，工件與基盤表面相貼合，在加工時隨著工件的運動會進(jìn)一步復(fù)制基盤的面形。同時工件在夾具內(nèi)發(fā)生自轉(zhuǎn)，工件自轉(zhuǎn)亦會進(jìn)一步促使工件復(fù)制基盤的面形。圖6 為工件受到拋光墊施加的反向作用力示意圖（紅色箭頭），拋光墊具有一定的彈性，當(dāng)拋光墊受到施加的壓力時，由于超薄藍(lán)寶石晶片的厚度較薄，在外力作用下更易發(fā)生變形，故拋光墊擠壓超薄藍(lán)寶石晶片向基盤表面變形，形成中間較為凸起的結(jié)構(gòu)。拋光時，中間凸起結(jié)構(gòu)與拋光墊之間的相互作用力更大，從而導(dǎo)致在同等加工條件下具有更大的材料去除率。加工完成取下藍(lán)寶石晶片時，由于擠壓力的消失，藍(lán)寶石晶片發(fā)生回彈，使得在測量時出現(xiàn)中間內(nèi)凹的現(xiàn)象。因此，為保證加工質(zhì)量，基盤的平面度應(yīng)不低于超薄藍(lán)寶石晶片的目標(biāo)平面度。

圖4 不同基盤平面度下工件平面度變化Fig.4 Variation of workpiece flatness under different substrate flatness: a) height difference of baseplate is 5.3 μm, b) height difference of baseplate is 9.8 μm, c) height difference of baseplate is 19.9 μm, d) height difference of baseplate is 29.7 μm

圖5 工件平面度與基盤高度差變化圖Fig.5 The change between workpiece flatness and baseplate height difference

圖6 拋光墊對工件作用力示意圖Fig.6 The force of polishing pad on the workpiece

3 層疊式雙平面加工實驗

為了對比層疊式夾持與石蠟粘接的加工效果，采用雙平面拋光方式對兩種夾持方式下的超薄藍(lán)寶石晶片進(jìn)行加工，在拋光墊上放置3 個行星輪保持架，將單批次加工的6 個工件分為兩組，分別為層疊式夾持及石蠟粘接方式。采用石蠟吸附方式時將層疊式夾具的限位片去除，在基盤表面均勻涂抹石蠟吸附藍(lán)寶石晶片并調(diào)節(jié)基盤高度，使得兩組實驗在加工階段的初始高度保持一致。

本實驗采用2’超薄藍(lán)寶石研磨片，厚度為0.17 mm，限位片夾持厚度為0.105 mm，具體實驗參數(shù)如表1所示。采用Sartorius 公司生產(chǎn)的MSE225S-1CE-DU精密天平測量藍(lán)寶石晶片的材料去除量，測量精度為0.1 mg。根據(jù)測得的質(zhì)量，計算單位時間內(nèi)的材料去除高度以表征材料去除率。表面粗糙度則采用Taylor Hobson 公司生產(chǎn)的接觸式粗糙度儀，每隔60 min 測量藍(lán)寶石的材料去除率及表面粗糙度，測量點如圖7所示，分別測量中心（點1）以及半徑20 mm 上的4個點，每個晶片各個單點均測試3 次，求其變化量并取均值。

變異系數(shù)CV（Coefficient of Variation）是概率分布離散程度的一個歸一化量度，其定義為標(biāo)準(zhǔn)差與平均值之比。為表征兩種夾持方式下藍(lán)寶石晶片表面粗糙度均勻性，通過對兩組藍(lán)寶石晶片各測試點的表面粗糙度求均值及標(biāo)準(zhǔn)差，并計算變異系數(shù)CV 作為表面粗糙度均勻性表征參數(shù)。

表1 拋光實驗參數(shù)Tab.1 Polishing experiment parameters

圖7 藍(lán)寶石晶片表面測點示意圖Fig.7 Schematic diagram of measuring points on sapphire wafer surface

4 結(jié)果及分析

圖8 為對比實驗中粗糙度隨時間的變化曲線。從圖8 中可以看出，兩者均表現(xiàn)為隨著時間的增長而非線性降低，層疊吸附方式加工的藍(lán)寶石表面粗糙度均值為Ra=1.48 nm，石蠟粘接方式加工的藍(lán)寶石表面粗糙度均值為Ra=2.08 nm，均達(dá)到較好水平。

對比兩種方式下藍(lán)寶石晶片表面粗糙度的變化，其無論是在變化規(guī)律亦或是粗糙度變化量，兩者均存在較大的相似性，但從總體來說，層疊吸附方式下藍(lán)寶石表面粗糙度優(yōu)于石蠟粘接方式下的表面粗糙度。圖9 為采用白光干涉儀拍攝的藍(lán)寶石晶片在層疊吸附及石蠟粘接方式下的表面形貌。而從加工均勻性來看，石蠟粘接方式最終獲得的表面粗糙度的CV=0.1148，而層疊吸附夾持狀態(tài)下工件表面粗糙度的CV=0.0329，其均勻性優(yōu)于石蠟粘接方式。

圖8 表面粗糙度隨時間變化Fig.8 The change of surface roughness with time

圖9 兩種夾持方式表面粗糙度對比Fig.9 Comparison of surface roughness between two clamping methods: a) the result of layer stacked clamping is Ra=1.4 nm,Sa=1.1 nm, b) the result of paraffin bonding is Ra=1.7 nm, Sa=1.7 nm

工件表面軌跡分布的均勻性直接決定了工件在加工中材料去除的均勻性，因此對工件表面的軌跡均勻性進(jìn)行仿真分析。在分析兩種夾持方式下工件的運動狀態(tài)后，通過構(gòu)建幾何運動模型并采用軌跡線分布標(biāo)準(zhǔn)差的變異系數(shù)CV 對軌跡線的分布均勻性進(jìn)行定量評價。采用等間距、等角度的網(wǎng)格劃分模式對工件表面進(jìn)行劃分，由此產(chǎn)生N個不同面積的扇形單元，每個扇形單元內(nèi)的軌跡線長度之和與對應(yīng)單元格面積之比為均勻性分析的樣本參數(shù)，隨后對N個單元格內(nèi)的樣本參數(shù)求標(biāo)準(zhǔn)差及均值，從而獲得變異系數(shù)CV 值。

根據(jù)實驗參數(shù)對兩種夾持方式下的工件進(jìn)行單磨粒加工軌跡仿真，仿真時間為60 s，最終工件表面的軌跡分布結(jié)果如圖10 所示。從圖10 中可以看出，石蠟粘接方式的工件表面軌跡呈現(xiàn)放射性，且在近中心處存在圓環(huán)狀軌跡線密集區(qū)；而層疊式夾持方式下的工件表面軌跡呈現(xiàn)螺旋向外展開狀，相較于石蠟粘接方式，其軌跡線分布更加密集。對兩個表面的軌跡線進(jìn)行均勻性分析，結(jié)果表明石蠟粘接方式的軌跡均勻性參數(shù)CV 為0.3458，層疊夾持方式下工件的軌跡均勻性參數(shù)CV 為0.2704，可以看出在層疊式夾持方式下加工的藍(lán)寶石晶片表面軌跡分布的均勻性優(yōu)于石蠟粘接方式，與實驗結(jié)果吻合。

圖10 兩種夾持方式下工件表面的軌跡分布Fig.10 Trajectory distributions of workpiece surface under two clamping methods: a) paraffin bonding, b) layer stacked clamping

圖11 為兩種夾持方式下藍(lán)寶石材料去除率隨時間的變化曲線。從圖11 中可以看出，在同等條件下，層疊吸附方式的材料去除率要略優(yōu)于石蠟粘接的方式。由于基盤平面度保持在1 μm，因此由基盤引起的工件變形幾乎可以忽略，故認(rèn)為層疊吸附與石蠟粘接方式下藍(lán)寶石晶片表面壓力差異可以忽略。根據(jù)經(jīng)典的普林斯頓方程可知，材料去除率與加工時的速度、壓力以及系數(shù)有關(guān)，系數(shù)則與拋光液、磨粒粒徑、溫度等參數(shù)有一定聯(lián)系。在本實驗中，壓力以及系數(shù)均保持一致，因此認(rèn)為材料去除率的差異表現(xiàn)為工件與拋光墊之間相對速度的差異，由于夾持方式的變化使得工件在加工時的運動狀態(tài)發(fā)生變化，使得工件在兩種夾持方式下與拋光墊之間的轉(zhuǎn)速差存在差異，進(jìn)一步導(dǎo)致兩者材料去除率存在差異。

圖11 材料去除率隨時間的變化曲線Fig.11 Material removal rate curve

圖12 為不同夾持方式下藍(lán)寶石晶片的對比圖。兩種夾持方式加工獲得藍(lán)寶石表面平面度分別為PV=0.968 μm 以及PV=1.159 μm。從層疊式夾持方法的實驗結(jié)果來看，有效地解決了超薄藍(lán)寶石晶片雙平面加工的難題，實現(xiàn)了超薄藍(lán)寶石晶片的雙平面高精度加工。

兩組實驗對比可以看出，層疊吸附方式在平面度及表面粗糙度均勻性等方面略優(yōu)于石蠟粘接方式，均可實現(xiàn)高平坦化的藍(lán)寶石晶片超精密加工。但從可操作性及單位時間效率角度來看，采用石蠟粘接方式加工的藍(lán)寶石表面需進(jìn)行重復(fù)的加熱—粘接—加熱—取片—洗蠟—清洗表面等流程，單組實驗的非加工時間遠(yuǎn)大于層疊吸附方式。層疊吸附方式下，不存在重復(fù)的加熱、洗蠟等過程，降低了額外的時間成本及設(shè)備成本，其單位時間內(nèi)的加工效率遠(yuǎn)高于傳動的石蠟粘接方式。

圖12 不同夾持方式下藍(lán)寶石晶片平面度對比Fig.12 Comparison of flatness under different clamping methods: a) the result of layer stacked clamping is PV=0.968 μm, b) the result of paraffin bonding is PV=1.159 μm

5 結(jié)論

1）在雙平面加工方式下，基盤的高度差將導(dǎo)致工件最終平面度的變化?；P的高度差越大，工件的平面度越差，分析其原因在于超薄平面工件在長時間的外力作用下發(fā)生微量的變形，同時由于加工時的受力變形使得中間區(qū)域與邊緣區(qū)域產(chǎn)生壓力差，導(dǎo)致材料去除不均勻。

2）通過石蠟粘接與層疊式夾持方式的雙平面對比實驗，兩者之間的粗糙度均值及平面度相差較小，層疊式夾持方法略優(yōu)于石蠟粘接。層疊式夾持方法獲得的表面粗糙度變異系數(shù)優(yōu)于石蠟粘接方式。

3）層疊式夾持方法相較于石蠟粘接方式，單位時間內(nèi)的加工效率優(yōu)于石蠟粘接方式，實現(xiàn)了超薄藍(lán)寶石的高精度雙平面加工。