晶體取向?qū)λ{(lán)寶石晶片拋光加工的影響研究

曹霖霖，郭路廣，袁巨龍，張翔，呂冰海，馬毅，杭偉，趙萍

（浙江工業(yè)大學(xué) a.超精密加工研究中心 b.機(jī)械工程學(xué)院，杭州 310014）

先進(jìn)陶瓷材料具有極其出色的物理、化學(xué)性能，已被廣泛應(yīng)用于光電通訊、生物工程、人體仿生等高端技術(shù)領(lǐng)域[1]。其中，作為典型的先進(jìn)陶瓷材料之一的藍(lán)寶石（α-Al2O3）晶體，具有高硬度、高透光性、高熱穩(wěn)定性以及高耐腐蝕性等優(yōu)良特性，因此在航空航天、高端武器領(lǐng)域以及民用光電領(lǐng)域都已得到大量應(yīng)用[2-4]。國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020 年）提出將高效節(jié)能、長(zhǎng)壽命的半導(dǎo)體照明產(chǎn)品列入第一重點(diǎn)領(lǐng)域（能源）的第一優(yōu)先主題。藍(lán)寶石單晶作為應(yīng)用較為廣泛的氮化鎵薄膜生長(zhǎng)襯底材料（碳化硅、藍(lán)寶石、氧化鎂、氧化鋅）之一，在發(fā)光二極管（簡(jiǎn)稱(chēng)LED）及大規(guī)模集成電路芯片中擁有不可替代的重要作用[5-13]。另外，藍(lán)寶石也因其良好的透光性能與卓越的機(jī)械特性被廣泛應(yīng)用于窗口材料中[14-16]。

目前，我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)面臨新形勢(shì)，產(chǎn)業(yè)發(fā)展從過(guò)渡期步入成熟期，對(duì)最主要的LED 襯底材料產(chǎn)品質(zhì)量的要求也更為嚴(yán)格。與此同時(shí)，隨著我國(guó)從產(chǎn)業(yè)大國(guó)升級(jí)為產(chǎn)業(yè)強(qiáng)國(guó)，藍(lán)寶石窗口材料的需求量也不斷增長(zhǎng)。因此，針對(duì)LED 襯底片與窗口材料的不同需求，不同晶體取向的藍(lán)寶石材料特性、加工工藝等逐漸成為學(xué)者們研究的熱點(diǎn)。藍(lán)寶石是典型的各向異性晶體材料，不同晶體取向的藍(lán)寶石在材料特性上存在著明顯差異[17]。正因如此，可以使藍(lán)寶石晶體在不同應(yīng)用環(huán)境下根據(jù)其物理、化學(xué)性能發(fā)揮其各自?xún)?yōu)勢(shì)。C 面藍(lán)寶石是目前用于GaN 生長(zhǎng)的最廣泛的商業(yè)化藍(lán)寶石襯底材料，A 面藍(lán)寶石在窗口材料中得到更多的應(yīng)用，M 面藍(lán)寶石晶片在非極性或半極性氮化鎵外延膜的生長(zhǎng)中具有重要應(yīng)用[18-19]。

晶體取向不同，使藍(lán)寶石在不同晶向上所表現(xiàn)出的材料特性不同。大量學(xué)者借助磨削、研磨、拋光等方式加工藍(lán)寶石晶片，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果來(lái)驗(yàn)證藍(lán)寶石各項(xiàng)異性所表現(xiàn)出來(lái)的差異性。胡中偉等[20]選用高速精密數(shù)控磨床對(duì)藍(lán)寶石不同晶面磨削特性進(jìn)行比較，從磨削力、磨削后的表面形貌等多方面對(duì)比分析了不同晶面的加工差異，得到C 面的磨削力最大，但最終得到的表面質(zhì)量最好，R 面的磨削力最小。Wan等[21]對(duì)不同晶面的藍(lán)寶石晶片進(jìn)行了超精密研磨，分別從表面形貌、材料去除率、損傷層等角度對(duì)比了不同晶面加工結(jié)果的區(qū)別，分析了藍(lán)寶石各向異性對(duì)研磨結(jié)果帶來(lái)的差異性。Luo 等人[22]通過(guò)研究團(tuán)隊(duì)所制備的溶膠-凝膠（SG）拋光墊對(duì)不同晶面的藍(lán)寶石襯底片進(jìn)行了加工，拋光結(jié)果表明，C 面晶片比其他晶向更光滑，并且C 面藍(lán)寶石的材料去除率明顯高于其他晶向。同時(shí)，借助透射電子顯微鏡對(duì)加工后的磨損碎片和亞表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究分析，得出不同晶面藍(lán)寶石的材料去除率取決于藍(lán)寶石襯底片晶體結(jié)構(gòu)的結(jié)論。此外，許多研究人員開(kāi)始從微觀(guān)層面（即藍(lán)寶石不同晶向的晶體結(jié)構(gòu)）來(lái)分析加工結(jié)果差異性產(chǎn)生的根本原因，揭示藍(lán)寶石各向異性對(duì)加工結(jié)果影響的本質(zhì)。Mizumoto 和Maas 等人[23-24]借助納米壓痕技術(shù)和切削試驗(yàn)研究了各向異性對(duì)藍(lán)寶石加工材料去除效果的影響，證明了藍(lán)寶石單晶這一硬脆材料實(shí)現(xiàn)塑性域加工的根本原因是菱面孿晶。Ma 等人[25]采用納米壓入技術(shù)，選取藍(lán)寶石四個(gè)典型晶面的晶片，應(yīng)用半徑為3 μm 的球形壓頭延緩藍(lán)寶石塑性變形的發(fā)生進(jìn)行壓入試驗(yàn)，通過(guò)掃描電鏡觀(guān)測(cè)殘余壓痕形貌，推斷出裂紋和孿晶是藍(lán)寶石在納米壓痕下發(fā)生彈塑性轉(zhuǎn)變的變形機(jī)理，而它們的類(lèi)型和大小在不同的晶向上有著較大差異。Wang 等[26]在藍(lán)寶石的C 面和M 面上進(jìn)行了劃痕試驗(yàn)，以研究晶體取向?qū)α鸭y萌生機(jī)制的影響。

雖然學(xué)者們對(duì)藍(lán)寶石各項(xiàng)異性所造成的加工結(jié)果差異從宏觀(guān)材料去除角度以及微觀(guān)原子排布層面進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究，但是由于試驗(yàn)條件的不同與工件材料（藍(lán)寶石晶片）本身的長(zhǎng)晶工藝不同，所獲得的研究成果之間仍存在一定區(qū)別。因此，本文針對(duì)如今行業(yè)對(duì)藍(lán)寶石LED 襯底與窗口材料的產(chǎn)量與質(zhì)量需求，選用50.8 mm 的C 面藍(lán)寶石和A 面藍(lán)寶石作為研究對(duì)象，選擇不同工藝參數(shù)（載荷、轉(zhuǎn)速），采用單因素控制變量法對(duì)藍(lán)寶石晶片進(jìn)行拋光加工試驗(yàn)。比較C 面、A 面藍(lán)寶石晶體取向作用對(duì)加工結(jié)果（表面粗糙度Ra、材料去除率MRR）的影響，得出試驗(yàn)條件下的最優(yōu)加工參數(shù)，并進(jìn)行多次重復(fù)試驗(yàn)，確保試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，從而對(duì)藍(lán)寶石不同晶面產(chǎn)業(yè)化加工過(guò)程中工藝參數(shù)的優(yōu)化具有一定的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)

加工對(duì)象選用天通公司提供的由泡生法制備的50.8 mm 藍(lán)寶石A 面和C 面單拋片，樣片直徑為50.8 mm，厚度為(430±5) μm，其晶體取向模型如圖1所示，其中綠色球代表氧原子，紅色代表鋁原子。加工面選用單拋面反面的研磨面。藍(lán)寶石襯底片的表面形貌及粗糙度通過(guò)光學(xué)3D 表面輪廓儀（SuperView W1）和掃描電子顯微鏡（SEM，蔡司ΣIGMA）進(jìn)行測(cè)量。用電子天平（Sartorius MSA225S）測(cè)量拋光前后藍(lán)寶石晶片的質(zhì)量變化。采用SuperView W1 光學(xué)3D 表面輪廓儀對(duì)加工面表面質(zhì)量進(jìn)行測(cè)試。同時(shí)，對(duì)表面取5 個(gè)區(qū)域進(jìn)行粗糙度測(cè)量，并分別取均值，得到C 面和A 面的表面粗糙度Ra。加工設(shè)備選用沈陽(yáng)科晶Unipol-1200S 型平面拋光機(jī)。拋光液選擇堿性硅溶膠，拋光墊選用直徑300 mm 的聚氨酯拋光墊。加工試驗(yàn)，每次選取3 片同一晶向的晶片，采用石蠟粘貼法將3 個(gè)晶片以相同的位置均布在上盤(pán)（載物盤(pán)）上，其實(shí)物如圖2 所示。

圖1 藍(lán)寶石晶體取向模型Fig.1 Models of sapphire crystal orientations: a) A-plane;b) C-plane

圖2 藍(lán)寶石貼片實(shí)物圖Fig.2 Schematic of sapphire patching

本試驗(yàn)選擇不同加工參數(shù)（載荷、轉(zhuǎn)速），控制單因素變量來(lái)對(duì)比A 面和C-plane 藍(lán)寶石晶體取向作用對(duì)拋光加工結(jié)果中表面粗糙度Ra、材料去除率MRR 的影響。為了比較轉(zhuǎn)速對(duì)A 面和C 面加工結(jié)果的影響，避免其他因素干擾，設(shè)定總加工載荷為6 kg，即每個(gè)晶片上平均加載力為2 kg（14.81 kPa），固定上盤(pán)轉(zhuǎn)速為40 r/min，設(shè)置4 個(gè)拋光盤(pán)轉(zhuǎn)速變量。比較加工載荷對(duì)A 面和C 面加工結(jié)果的影響試驗(yàn)，設(shè)置3 個(gè)載荷變量。每次試驗(yàn)前，用去離子水和電鍍金剛石修整輪對(duì)聚氨酯拋光墊進(jìn)行1 h 的修整，以保證在每次試驗(yàn)時(shí)拋光墊表面狀況良好，排出拋光墊上可能存在的外來(lái)雜質(zhì)（如大顆粒等）對(duì)加工結(jié)果的干擾影響。具體加工參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 拋光試驗(yàn)加工參數(shù)Tab.1 Parameters of polishing experiments

2 結(jié)果與分析

2.1 不同轉(zhuǎn)速下藍(lán)寶石A 面和C 面晶片粗糙度變化結(jié)果

A 面和C 面藍(lán)寶石粗糙度隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律如圖3 所示。不同轉(zhuǎn)速下，A 面和C 面藍(lán)寶石粗糙度均隨著拋光時(shí)間的增加而逐漸降低，并且在前2 h 內(nèi)，粗糙度的下降趨勢(shì)近似呈線(xiàn)性變化。2 h 以后，粗糙度下降的趨勢(shì)逐漸緩慢。從圖3 中可以明顯看出，無(wú)論對(duì)于C 面、還是A 面，轉(zhuǎn)速在60 r/min 時(shí)，粗糙度下降的趨勢(shì)最快；而轉(zhuǎn)速在20 r/min 時(shí)，粗糙度下降的趨勢(shì)最緩慢；在轉(zhuǎn)速40 r/min 和80 r/min 時(shí)，對(duì)應(yīng)的粗糙度變化規(guī)律近似相同。這是由于在低轉(zhuǎn)速條件下，單位時(shí)間內(nèi)與藍(lán)寶石晶片表面發(fā)生接觸的二氧化硅顆粒數(shù)目少，參與材料去除的有效磨粒數(shù)目不足，從而在化學(xué)機(jī)械拋光過(guò)程中，機(jī)械作用小于化學(xué)作用，因此粗糙度的改善不明顯。但隨著轉(zhuǎn)速的增加，機(jī)械作用明顯加強(qiáng)，因此粗糙度的下降趨勢(shì)進(jìn)一步加快，化學(xué)作用與機(jī)械作用逐步達(dá)到平衡。在60 r/min轉(zhuǎn)速時(shí)，可能達(dá)到最佳狀態(tài)。因此，粗糙度的變化趨勢(shì)最明顯。當(dāng)轉(zhuǎn)速加快到80 r/min 時(shí)，粗糙度的變化趨勢(shì)反而大幅度下降。其根本原因在于拋光盤(pán)的轉(zhuǎn)速過(guò)高，拋光液在離心作用下被大量甩出加工區(qū)域，其有效駐留時(shí)間變短，從而導(dǎo)致在加工區(qū)域的有效磨粒大量減少，化學(xué)作用和機(jī)械作用同時(shí)減弱。因此，在80 r/min 時(shí)，粗糙度的下降趨勢(shì)反而低于60 r/min 時(shí)的變化趨勢(shì)。

圖3 不同轉(zhuǎn)速下藍(lán)寶石晶片表面粗糙度與拋光時(shí)間的關(guān)系Fig.3 Relationship between surface roughness Ra of sapphire wafer and polishing time at different speeds: a) A-plane;b) C-plane

將A 面和C 面藍(lán)寶石晶片在最優(yōu)粗糙度轉(zhuǎn)速參數(shù)60 r/min 條件下的變化規(guī)律匯總，如圖4 所示。可以發(fā)現(xiàn)，A 面藍(lán)寶石的粗糙度在每個(gè)加工時(shí)間段內(nèi)均高于C 面。在總拋光時(shí)長(zhǎng)6 h 加工后，C 面的表面粗糙度Ra為(2.763±0.362) nm，而A 面的粗糙度Ra=(27.874±3.162) nm?？梢酝茢啵w取向?qū)λ{(lán)寶石A面和C 面在不同轉(zhuǎn)速下加工后粗糙度的影響是非常明顯的。

圖4 轉(zhuǎn)速60 r/min 下A、C 面藍(lán)寶石晶片表面粗糙度變化對(duì)比Fig.4 Comparison of surface roughness changes of A-plane and C-plane sapphire wafers at rotation speed of 60 r/min

2.2 不同轉(zhuǎn)速下藍(lán)寶石A 面和C 面晶片去除率變化結(jié)果

A 面和C 面藍(lán)寶石材料去除率隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律如圖5 所示。可以發(fā)現(xiàn)，不同轉(zhuǎn)速下，A、C 面藍(lán)寶石材料去除率均隨著拋光時(shí)間的增加而逐漸降低，但下降趨勢(shì)逐漸變緩，4 h 后，下降的幅度基本趨于平緩。無(wú)論是哪個(gè)晶面，當(dāng)轉(zhuǎn)速在60 r/min 時(shí)，材料去除率都明顯高于其他轉(zhuǎn)速條件下，轉(zhuǎn)速為20 r/min時(shí)，材料去除率最低。這與普林斯頓方程MRR=kPv相吻合，當(dāng)載荷一定時(shí)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度越大，則去除率越高。但是，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到80 r/min 時(shí)，A、C 面的材料去除率反而低于60 r/min 條件下，這恰好與粗糙度隨轉(zhuǎn)速變化的影響規(guī)律相同。因此，可以推斷，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)60 r/min 后，拋光盤(pán)線(xiàn)速度不斷增加，拋光液在離心作用下大量離開(kāi)加工區(qū)域，從而導(dǎo)致參與實(shí)際加工的有效磨粒濃度降低，最終導(dǎo)致拋光加工藍(lán)寶石晶片的去除率降低。

圖5 不同轉(zhuǎn)速下藍(lán)寶石晶片材料去除率與拋光時(shí)間變化關(guān)系Fig.5 Relationship between MRR of sapphire wafer and polishing time at different rotation speeds: a) A-plane; b) C-plane

A、C 面在最優(yōu)轉(zhuǎn)速60 r/min 條件下的材料去除率對(duì)比如圖6 所示。定性地說(shuō)，藍(lán)寶石C 面的材料去除率遠(yuǎn)高于A 面。從試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)可知，在不同加工時(shí)間段內(nèi)，C 面的材料去除率近似為A 面的2.1 倍，加工初始階段甚至達(dá)到2.5 倍。從材料特性方面分析，影響到其加工難易程度的材料特性（如彈性模量、硬度）有所差異。A 面的硬度值和彈性模量分別為28.7 GPa 和417.2 GPa，明顯高于C 面的24.9 GPa 和402.6 GPa[19]。材料特性的不同，會(huì)造成拋光加工結(jié)果存在差異。從微觀(guān)角度分析，通過(guò)圖1 中藍(lán)寶石A、C 面晶體取向模型可知，C 面與A 面的晶體取向完全不同，并且兩者之間相互垂直，其各自晶面相鄰原子層之間的距離以及晶格鍵能必然不同。藍(lán)寶石化學(xué)機(jī)械拋光材料去除的機(jī)理目前雖未有完備翔實(shí)的結(jié)論，但普遍認(rèn)為化學(xué)機(jī)械拋光的本質(zhì)主要是憑借拋光液的化學(xué)作用弱化相鄰原子層的晶格鍵能，使得相鄰原子層之間的鍵合能降低，并打開(kāi)原子鍵，再通過(guò)磨粒與工件表面擠壓、劃擦的機(jī)械作用，最終實(shí)現(xiàn)材料去除。因此，從材料特性與晶體微觀(guān)角度的分析以及拋光加工的試驗(yàn)結(jié)果可以得出，晶體取向作用對(duì)藍(lán)寶石A 面和C 面在不同轉(zhuǎn)速下材料去除率的影響是顯著的。

圖6 轉(zhuǎn)速60 r/min 條件下A、C 面藍(lán)寶石晶片的材料去除率對(duì)比Fig.6 Comparison of MRR of A-plane and C-plane sapphire wafers at the rotation speed of 60 r/min

2.3 不同載荷下藍(lán)寶石A 面和C 面晶片表面粗糙度變化結(jié)果

加工設(shè)備的加載力最小增量為0.5 kg，本試驗(yàn)選擇3 個(gè)載荷參數(shù)（9.87、14.81、19.75 kPa）作為單因素變量，對(duì)A 面和C 面藍(lán)寶石晶片分別進(jìn)行拋光加工，拋光盤(pán)轉(zhuǎn)速選擇前組試驗(yàn)得到的最優(yōu)轉(zhuǎn)速參數(shù)60 r/min。不同載荷下，A 面和C 面藍(lán)寶石晶片粗糙度的變化趨勢(shì)如圖7 所示?？梢杂^(guān)察到，在3 種載荷條件下，A、C 面藍(lán)寶石晶片的粗糙度均隨著加工時(shí)間的增加而降低，下降趨勢(shì)也是前2 h 速率快，2 h后逐漸變緩。在載荷為14.81 kPa 時(shí)，粗糙度下降得最快，下降速率明顯高于9.87、19.75 kPa。隨著載荷逐漸增加，磨粒作用在晶片上的力增大，表面質(zhì)量進(jìn)一步得到改善。但是當(dāng)載荷進(jìn)一步增加時(shí)，工件表面與拋光墊之間的接觸空隙被壓縮，使得能夠流入到加工區(qū)域的拋光液總量降低。因此，在載荷達(dá)到19.75 kPa時(shí)，晶片的表面粗糙度反而低于14.81 kPa 時(shí)。

圖7 不同載荷條件下藍(lán)寶石晶片粗糙度與拋光時(shí)間關(guān)系Fig.7 Relationship between surface roughness of sapphire wafer and polishing time at different load conditions: a) A-plane;b) C-plane

綜上所述，在14.81 kPa 載荷條件下，A、C 面藍(lán)寶石各組試驗(yàn)結(jié)果均可以獲得最優(yōu)表面粗糙度。在該載荷條件下，A、C 面藍(lán)寶石晶片拋光各階段的表面粗糙度隨時(shí)間的變化如圖8 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，C 面粗糙度的改善明顯高于A 面，并且在相同的加工時(shí)間階段，C 面的表面質(zhì)量要優(yōu)于A 面。

圖8 載荷14.81 kPa 條件下A、C 面藍(lán)寶石晶片表面粗糙度變化對(duì)比Fig.8 Comparison of surface roughness changes of A-plane and C-plane sapphire wafers at load conditions of 14.81 kPa

2.4 不同載荷下藍(lán)寶石A 面和C 面材料去除率變化結(jié)果

A、C 面藍(lán)寶石的材料去除率在不同載荷條件下的變化規(guī)律如圖9 所示。隨著拋光時(shí)間的增加，不同載荷條件下，A、C 面藍(lán)寶石晶片的材料去除率都逐漸降低，但下降趨勢(shì)逐漸減緩。這是因?yàn)槌跏茧A段，樣片的表面質(zhì)量差，表面微觀(guān)形貌存在較多凸起，所以起始階段的材料去除率會(huì)明顯高于后期。無(wú)論對(duì)于A 面還是C 面，當(dāng)載荷為14.81 kPa 時(shí)，材料去除率都明顯高于其他條件。這是由于接觸力增大，作用在工件表面的法向力增加，從而可以實(shí)現(xiàn)材料的快速去除。但隨著載荷增大到一定程度以后，A 面和C 面的材料去除率反而低于14.81 kPa 時(shí)，說(shuō)明達(dá)到一定程度后，材料去除率并非絕對(duì)地隨著載荷的增加而增加，這與粗糙度隨載荷的變化情況相類(lèi)似。

圖9 不同載荷條件下藍(lán)寶石晶片材料去除率與拋光時(shí)間變化關(guān)系Fig.9 Relationship between MRR of sapphire wafer and polishing time at different load conditions : a) A-plane; b) C-plane

通過(guò)上述試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在載荷14.81 kPa、拋光盤(pán)轉(zhuǎn)速60 r/min 的條件下，A、C 面藍(lán)寶石都可以獲得最好的表面粗糙度和材料去除率。選定該組加工參數(shù)，進(jìn)行5 次重復(fù)試驗(yàn)。加工前后的A、C 面藍(lán)寶石晶片的3D 表面形貌與SEM 表面形貌如圖10 所示。可以看出，經(jīng)過(guò)6 h 的拋光加工，A、C 面晶片的表面質(zhì)量都得到極大提升，C 面晶片的表面質(zhì)量要優(yōu)于A 面。

圖10 加工前后A、C 面藍(lán)寶石晶片3D 表面形貌與SEM 表面形貌Fig.10 3D surface morphology and SEM surface morphology of A-plane and C-plane sapphire wafers before and after processing:a) 3D surface morphology of A-plane; b) SEM surface morphology of A-plane; c) 3D surface morphology of C-plane; d) SEM surface morphology of C-plane

3 結(jié)論

1）通過(guò)控制變量法，分別將載荷與拋光盤(pán)轉(zhuǎn)速作為影響因素，對(duì)A、C 面藍(lán)寶石晶片分別進(jìn)行拋光。兩種晶體取向的藍(lán)寶石晶片表面粗糙度Ra隨加工時(shí)間的變化曲線(xiàn)均呈現(xiàn)出先快速降低，隨后變緩的趨勢(shì)。材料去除率MRR 也表現(xiàn)為在初始加工階段材料快速去除，之后隨著加工時(shí)間增加逐漸變緩，最后趨于穩(wěn)定的情況。

2）拋光盤(pán)轉(zhuǎn)速為60 r/min，載荷為14.81 kPa 時(shí)，藍(lán)寶石A、C 面晶片可以在相同的加工階段內(nèi)獲得更好的表面質(zhì)量和更高材料去除率。拋光6 h 后，A 面藍(lán)寶石晶片Ra=24.874 nm，MRR=3.715 nm/min；C面藍(lán)寶石Ra=2.763 nm，MRR=7.647 nm/min。

3）在加工參數(shù)相同的前提下，對(duì)比藍(lán)寶石A 面與C 面晶片的拋光結(jié)果發(fā)現(xiàn)，C 面的材料去除率MRR為A 面的2.1～2.5 倍，并且C 面可以更快地獲得納米級(jí)的表面粗糙度，即C 面更易加工。因此，晶體取向?qū)λ{(lán)寶石晶片拋光加工的影響是非常顯著的。