蓝宝石抛光技术的研究进展

( 前言
蓝宝石具有硬度高 + 熔 点 高 ( 透 光 性 好 ( 热 传 导 性 和 电绝缘性优良( 化学性能稳定等特点
, (-
! 故它的应用和
商品化显示着诱人的前景 ! 被 广 泛 用 作 精 密 仪 器 仪 表 ( 航 天工业作红外透光材料 ( 激 光 器 的 窗 口 和 反 射 镜 ( 半 导 体 硅 的 外 延 基 片 ( 半 导 体 67/ 的 外 延 衬 底 材 料 ( 绝 缘 衬 底 的集成芯片等
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机电工程技术 !""# 年第 $% 卷第 & 期
蓝宝石抛光技术的研究进展 ’
郭晓艳 ! 魏
" 广东工业大学 !
昕! 谢
广东广州
昕
%(""&" #
摘要 $ 本文介绍目前蓝宝石晶体主要的抛光方法 ! 包括机械抛光 ( 化学抛光 ( 化学机械抛光 ( 激光抛光等 ! 并对它们的工作原理 ( 特点作了分析和总结 ! 特别对最近出现的一种新的抛光技术 & && 激光抛光技术作了详细的介绍 ) 关键词 $ 蓝宝石 * 化学机械抛光 * 激光热抛光 * 激光冷抛光 中图分类号 $ ./$")0! 文献标识码 $ 1 文章编号 $ (""&2&)&! 3!""#4 "&2""5#2"$
及扩散层等组成 . 蓝宝石抛 光 表 面 的 损 伤 层 深 度 与 磨 料 的 粒径成正比关系
,)-
.
"!’ 化学抛光 化学抛光主要采用 对 工 件 材 料 具 有 腐 蚀 作 用 的 抛 光 液 对工件进行化学腐蚀去除材 料 . 化 学 腐 蚀 的 目 的 是 除 去 机 械抛光过程中在表面上产生 的 机 械 损 伤 层 ! 并 清 除 各 种 沾 污 ! 从而得到平整光亮 + 晶格完整的清洁表面 . 有文献
EF 值 为 87&
% 7778* 晶 面 蓝 宝 石 进 行 抛 光 时 表 面 质 量 最
$ 激光抛光技术
激 光 抛 光 技 术 的 发 展 始 于 上 世 纪 &7 年 代 中 期 & 属 于 非接触抛光& 与前面几种接触抛光方法相比& 有以下优 点 ) ! 非接触抛光对样品表 面 不 会 施 加 压 力 & 样 品 不 易 破 裂 + " 激光抛光灵活性高 & 可 进 行 三 维 曲 面 抛 光 & 也 可 对 局部小区域进行抛光 + # 抛 光 精 度 较 高 & 特 别 是 短 波 长 短 脉 冲 激 光 可 达 到 纳 米 级 抛 光 精 度 + $抛 光 环 境 比 较 简 单 & 一般都在室温下进行 ’ %8* 激光抛光机理 激光抛光本质上就 是 激 光 与 物 质 相 互 作 用 & 激 光 与 物 质的作用方式有热作用和光 化 学 作 用 & 因 此 可 把 激 光 抛 光 简单分为热抛光和冷抛光
,)-
" """( ’ 晶 面 蓝 宝 石 衬 底 已 成 功 地 用 于 67/ 的 金 属 有 机 物 . 化学抛光产生的破坏层深度较浅 ! 但 抛光时需要的温度较高 ! 容 易 导 致 抛 光 雾 斑 . 一 般 化 学 腐 蚀用于生长前衬底的抛光 .
. 图 ( 为机械抛光
蓝宝石表面微观模型 ! 蓝宝 石 表 面 是 由 微 小 划 痕 + 微 裂 纹
’ 但激光抛
光蓝宝石的研究报道较少 ’ 国 外 有 学 者 通 过 激 光 钻 孔 对 激 光与蓝宝石的相互作用进行 了 初 期 的 研 究 & 主 要 是 关 于 蓝 宝石能 量 阈 值 # #A(* 的 确 定 以 及 激 光 波 长 ( 能 量 密 度 对 抛 光过程的影响规律和蓝宝石色变等 ’
!8;"
’ 热抛光一般用连续长波长
激光 & 通过熔化 ( 蒸发等过 程 来 去 除 材 料 表 面 的 成 分 ’ 但 由于热效应 & 温度梯度大 & 产 生 的 热 应 力 大 & 容 易 产 生 裂
图! 化学机械抛光蓝宝石晶体表面粗糙度 #!" *
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纹 & 抛光表面质量不是很好 & 通常用于粗抛光 ’ 激光冷抛光一般用 短 脉 冲 短 波 长 激 光 & 冷 抛 光 主 要 是 通过 , 消融 - 作用 & 即光化 学 分 解 作 用 去 除 材 料 ’ 材 料 吸 收光子后& 材料中的化学键被打断或者晶格结构被破坏& 表面材料离开本体 & 从而实现材料的去除
! 蓝宝石能量阈值的确定
蓝宝石能量阈值与脉冲能量( 能量密度( 重复频率(
!!
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脉 冲 个 数 % 蓝 宝 石 材 料 缺 陷 等 多 种 因 素 有 关 & 文 献 # .0 $ ’’ 基 于 脉 冲 能 量 和 消 融 孔 直 提 出 了 一 种 求 !12 的 新 方 法 ’ 径 的 平 方 ! "!" 的 正 比 关 系 而 确 定 !12& 由 此 可 得 ( 波 长
’/1$ 技 术 是 为 了 克 服 化 学 抛 光 和 机 械 抛 光 的 缺 点 & 而 在
其基础上发展起来的 & 是磨 粒 机 械 磨 削 和 抛 光 液 化 学 腐 蚀 作用组合的抛光技术 & 它借 助 超 微 粒 子 的 研 磨 作 用 以 及 抛 光液的化学腐蚀作用在被研 磨 的 介 质 表 面 上 形 成 光 洁 平 坦 平面
<!?>)@<$=>)A$@( ! 温度 !!%;- ! 时间 (% 分钟为 """"( ’ 晶
面蓝宝石衬底腐蚀的较好条件 气相外延生长中
,5, #-
. 张纯亮等人采用锡抛
. 用此条件处理的
光盘和由水+ 金刚石及少量辅料组成抛光液抛光蓝宝石 后 ! 将蓝宝石机械抛光表面 分 为 三 个 阶 段 $ 微 破 碎 层 去 除 阶段 + 过渡阶段和抛光表面形成阶段
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& 现已成为半导体加工行业的主导技术 ’
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化学机械抛光的研 究 报 道 主 要 集 中 于 抛 光 工 艺 过 程 方 面’ 袁巨龙等 ( 王娟等
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研究了蓝宝石衬底的化学
#- * 图$
#I * 抛光后的蓝宝石衬底的原子力显微镜图
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机械抛光& 考虑了各种因素对抛光质量的影响’ 结果表 明 ) 采用锡抛光盘 & 9+:! 磨料 & 抛光速度为 ;%<=%* > *+0& 抛光压力为 !%7<$774? > ,*!& 抛光液浓度为 %<5@AB & 8$C7D
,%-
! 抛光方法及其影响因素
目前应用于蓝宝石 的 抛 光 技 术 有 多 种 ! 按 照 其 工 作 原 理和方式 ! 主要可分为 $ 机 械 抛 光 + 化 学 抛 光 + 化 学 机 械 抛光 + 激光抛光等四大类 . "(’ 机械抛光 机械抛光是蓝宝石 传 统 的 抛 光 方 法 ! 它 采 用 人 造 金 刚 石 微 粉 研 磨 膏 进 行 抛 光 . 由 于 金 刚 石 硬 度 " 莫 氏 (" 级 ’ 比蓝宝石 " 莫氏 & 级 ’ 高 ! 且 现 有 微 粉 分 选 工 艺 较 落 后 使 得微粉颗粒尺寸分布范围广 ! 因 而 不 可 避 免 在 蓝 宝 石 单 晶 抛光表面产生划痕 . 现在高 档 手 表 越 来 越 多 地 采 用 蓝 宝 石 表蒙! 其加工方法是用金刚石微粉在双面研磨机上抛光! 最终的 平 面 度 可 控 制 在 8$!9 内
! "60&( ) *+!% -6$0( ) *+!% 060&( ) *+!" 的 激 光 钻 孔 蓝 宝 石 时 )
-6$0( ) *+! 时表面质量最好 & 通过以上文献我们得出 ( 当激
光源自文库量密度稍高于蓝宝石的 能 量 阈 值 时 ) 抛 光 表 面 质 量 最 好&
33%/+ ) 脉宽 .%"45 时 ) 蓝 宝 石 !12 为 $6!3( ) *+!& 脉 冲 数 与
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研究报道了蓝宝石衬底的化 学 抛 光 ! 结 果 表 明 $ 先 将 蓝 宝 石衬底在 (%"":(%%";- 的空气 中 预 热 ) 小 时 后 ! 再 在 高 压 下用 <$=>) 作抛光液 ! 温度 $#":)"";- ! 抛光 (" 分钟为抛 光表面质量最好的条件. 王晓辉等从腐蚀液组分的稳定 性 + 腐蚀速度的合理性 + 表 面 形 貌 的 变 化 及 损 伤 层 的 去 除 情况等多方面因素综合考虑 蓝 宝 石 衬 底 的 化 学 抛 光 ! 认 为
文献 !8!" 研究了不同种类磨料 %G.!:$( 单 晶 金 刚 石 和 多 晶金刚石 *( 不同 1F 值的抛光液 ( 不同晶面的蓝宝石对抛 光 表 面 质 量 的 影 响 & 结 果 表 明 ) 采 用 G.!:$ 磨 料 & 抛 光 液
表明&
化学机械抛光后的蓝宝石表 面 经 化 学 腐 蚀 处 理 有 助 于 提 高
蓝宝石能量阈值有如下关系 ( 随 着 脉 冲 数 的 增 加 ) 蓝 宝 石 的 能 量 阈 值 下 降 ) 当 脉 冲 数 增 加 到 %" 个 以 后 ) 能 量 阈 值 不再变化
# .0$
$激光切割蓝宝石过程规律
文 献 # !. $ 研 究 近 紫 外 CDE 激 光 器 微 加 工 蓝 宝 石 ) 结果表明 ( 脉冲能量密 度 为 &6!3( ) *+! 时 ) 扫 描 速 度 越 小 ) 消融深度越深) 表面质量越好* 消融效率与扫描速度无 关 ) 当 能 量 密 度 为 &6!3( ) *+! 时 ) 消 融 效 率 达 到 最 高 ) 之 后呈下降趋势 &
’ 广东省科技计划项目 " 项目编号 $ !"")*("!"("(+# 和广州市科技计划项目 % 项目编号 $ !""%,( & -""+( ’
收稿日期 $ !""# & "# & !#
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#$$ 化学机械抛光 化 学 机 械 抛 光 % ’()*+,-. /),(-0+,-. 12.+3(+04 & 简 称
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考虑了各种因素对蓝宝石衬底化学机
械抛光的影响规律 & 抛光表 面 质 量 的 控 制 是 一 个 综 合 的 控 制过程 ’ 图 $ 为化学机械抛 光 后 蓝 宝 石 晶 片 表 面 形 貌 的 原 子力显微镜图 & 图 $ %-* 为过抛后的原子力显微镜图 & 表 面 粗 糙 度 虽 不 高 & 但 表 面 呈 桔 子 皮 样 & 不 光 滑 & 图 $ % I* 表面光滑 & 且表面粗糙度更小 ’ 图 $ %- * 可能是抛光压力 过低 & 抛光速度慢 & 导致了 晶 体 表 面 形 成 桔 皮 缺 陷 + 也 可 能与抛光垫凹凸不平 & 玷污严重有关 ’ 图 $ %I * 是各因素 控制合适的结果 ’
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好 & 表面粗糙度 H/9 可达 7C$0*’ 因为金刚石硬度 比 蓝 宝 石高 & 会在蓝宝石抛光表面 产 生 划 痕 & 故 比 较 而 言 & 这 里 选 择 了 G.!:$ 磨 料 ’ 9+:! 硬 度 % 莫 氏 =C% 级 * 比 蓝 宝 石 稍 低 & 理 论 上 来 讲 & 9+:! 是 抛 光 蓝 宝 石 的 理 想 磨 料 & 事 实 上 & 化学机械抛光过程中采用最多的磨料也是 9+:!’ 王银珍等人
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’ 在抛光过
程中 & 热效应可以忽略 & 热 应 力 很 小 & 不 产 生 裂 纹 & 不 影 响周围材料 & 材料去除量容 易 控 制 ’ 所 以 & 激 光 冷 抛 光 特 别适合精密抛光 & 尤其适合硬脆材料的精密抛光 ’ #!* 激光抛光蓝宝石研究现状 目前关于金刚石薄膜( 高分子聚合物( 陶瓷( 半导 体( 光学元件等材料的激光抛光研究较多
化学机械抛光最大 的 优 点 就 是 能 使 蓝 宝 石 衬 底 实 现 全 局平面化& 但实际生产中蓝宝石裂痕和崩边现象较为严 重& 返工率的提高势必影响抛光成本’ 有研究 晶片表面质量 ’
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EFD&C7 时 & 表 面 粗 糙 度 # !"* 可 达 7C8<7C$0* % 如 图 ! *’
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. 在上述应用中! 蓝宝石零件必须有很
图( 蓝宝石机械抛光表面微观模型
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高的表面质量 . 所以 ! 蓝宝 石 的 精 密 和 超 精 密 加 工 已 成 为 制造技术领域中的关键问题 . 本 文 在 综 合 归 纳 目 前 常 用 的 几种蓝宝石抛光方法的基础 上 ! 介 绍 近 几 年 出 现 的 一 种 新 型的抛光技术 & && 激光 抛 光 技 术 ! 并 与 传 统 的 抛 光 方 法 进 行比较 .