第2期 2018年2月
组合机床与自动化加工技术
ModularMachineTool&AutomaticManufacturingTechnique
文章编号：10012265(2018)02013604
D0I:10. 13462/j. cnki. mmtamt. 2018. 02. 034
单晶蓝宝石高效超精密加工技术研究
何艳，苑泽伟，王坤，李树荣
No.2 Feb.2018
（1.沈阳工业大学机械工程学院，沈阳110870；2.一汽大众汽车有限公司，长春130013）
摘要：针对光电子器件、集成电路等应用领域对单晶蓝宝石高质量的表面需求，而单晶蓝宝石自身的硬度和良好的化学稳定性给抛光带来较大的困难。文章在分析、对比直接采用2um金刚石磨料化学机械抛光蓝宝石基片效果的基础上，提出机械研磨与化学机械抛光相结合的工艺抛光蓝宝石。结果表明，采用10um的碳化硼磨料机械研磨蓝宝石，材料去除率为8.03um/h，表面粗糙度Ra由 1.18μm迅速降至22.326nm；采用粒径为2um和0.5um的金刚石磨料化学机械抛光蓝宝石晶片，有效的去除机械抛光带来的损伤，最后表面粗糙度Ra可达0.55nm。此抛光工艺能满足蓝宝石晶体高效、超光滑、低损伤的抛光要求。
关键词：单晶蓝宝石：机械研磨：化学机械抛光
中图分类号：TH161；TG506
文献标识码：A
High-Productivity Ultraprecise Polishing Technique of Single Crystal Sapphire
HE Yan', YUAN Ze-wei', WANG Kun’, LI Shu-rong
(1. School of Mechanical Engineering,Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China;2. Faw-Volkswagen Automotive Co. , Lid. , Changchun 130013, China)
Abstract: Single crystal sapphire surface of high quality is required in the fields of optoelectronic devices, integrated circuits, and so on, Single crystal sapphire substrates require to possess high quality surface finish and integrity to significantly enhance performance and reliability of various microelectronics and LED de-vices. but its super high mechanical hardness and super strong chemical inertness bring enormous difficult fo polishing- In this paper, the effect of chemical mechanical polishing with using 2 μm diamond abrasive was analyzed and compared on sapphire wafer. A method of technology for processing single crystal sapphire was proposed, which integrates mechanical lapping with chemically assisted mechanical polishing- Experi-mental results show that the material removal rate (MRR) is 8. 03 μm/h and surface roughness Ra is re duced from 1.18 μm to 22.326 nm bylapping with using boron carbide(10 μm).2 μum and 0.5μm diamond abrasive are used to remove the damage of mechanical polishing. Finally, a surface roughness, Ra = O. 55 nm, can be achieved by using this machining process. Combination of polishing process can basically satisfy re quirements of high efficiency, low damage, ultra smooth for polishing sapphire crystal.
Key words: single crystal sapphire; mechanical lapping; chemical mechanical polishing
0引言
单晶蓝宝石材料具有优异的光学、物理和化学性能，在高科技特别是光电子、通讯、国防等领域具有较为诱人的应用前景。作为最硬的氧化物晶体，蓝宝石具有高的强度、高的抗震性、高的透光性、优良的耐磨性、极好的介电特性、高的热导率及耐化学腐蚀性[1-2] 近年来随着发光二极管（LED)及智能手机屏幕产业的迅猛发展更是加大了市场对蓝宝石晶体的需求，蓝宝石将逐步成为下一代手机面板的首选材料，目前已在
iPhone手机上试产[3-5]。由于蓝宝石硬度仅次于金刚石，因此采用机械研磨抛光方法对蓝宝石进行加工，加工效率低，且易造成表面/亚表面损伤。
上述应用领域对蓝宝石晶体的加工精度和表面完整性要求越来越高，必须借助于成熟的材料加工及处理方法来获得超光滑的平坦加工表面。目前，化学机械抛光（CMP）已经成为公认的加工蓝宝石的平坦化技术且成本低、操作简单[7]。熊伟等[10]研究发现使用1%粒径为80nmSi0，的抛光液化学机械抛光蓝宝石晶片的效果最好.材料去除率为36.5nm/min，表面
收稿日期：2017-0403；修回日期：2017-05-07
*基金项目：国家自然科学基金项目（51305278）；中国博士后基金面上项目（2014M551124）；教育部博士点基金（20132102120006）；沈阳市科技项
万劳数据205-1-10）
作者简介：何（易1—），女，辽宁鞍山人，沈阳工业大学博士研究生，研究方向为精密加工与特种加工，（E-mail)18842527510@163.com。