张王锋
天通日进精密技术有限公司 314400
摘要：为了有效地提升蓝宝石基片的平潭化就必须要采取相应措施来对其进行单面研磨实验，为此，本文通过对磨料种类、研磨盘转速以及磨料粒径等相关参数的研究分析了影响蓝宝石基片的单面研磨质量的各类因素。
关键字：大蓝宝石基片 单面研磨 研究
一、绪论
氧化铝是单晶蓝宝石中最主要的成本，为此蓝宝石晶片具有较高的硬度、强度、熔点以及耐腐蚀性，即便在高温环境下其也具有较好的稳定性并且蓝宝石晶片的透光性、热传导以及电磁绝缘等方面都表现出较好的性能，所以其被广泛的应用在航空、国防、电子以及半导体领域中。随着社会的发展和进步，尤其是LED行业的迅速发展，蓝宝石也被应用在手机屏幕中，由此导致对蓝宝石的研磨精度、加工效率以及蓝宝石研磨质量等提出了更高地要求。蓝宝石只有经过研磨、抛光等工艺操作之后方可应用，在进行研磨过程中不仅要求操作工艺要快速的去除锯痕以及变质层，而且还要为后续的抛光提供良好的精度以及表面质量，为此，加强对蓝宝石基片的单面研磨研究显得尤为重要。
二、试验装置和试验条件
本文所进行的研磨加工实验主要是在KD15BX精密平面完成的。让蓝宝石原材料按照操作流程通过石蜡并粘贴在形状为圆形的陶瓷盘上并在研磨盘正对位置上，另外还要在圆形的陶瓷盘外套上修整环。在进行实验的过程中，主要通过配重块来对研磨的压力进行调整。将配重块放在圆形陶瓷盘的上方，然后通过挡勾机构的滑轮和修整环相切，在此过程中修整环以及圆形陶瓷盘由于受到挡勾机构以及研磨磨盘之间的摩擦力而发生自动旋转，从而促使研磨盘发生转动，研磨液此时则可以通过自动滴料器而进入到工作区域，从而对蓝宝石进行单面研磨加工。其中，实验材料为直径50mm的蓝宝石C向晶圆，其表面粗糙度为0.27μm。研磨材料为铸铁盘和合成铜盘，研磨液主要是由磨料、去离子水以及分散剂按照一定配比制成，并且在进行研磨前此研磨液需要通过超声波振动的方式来确保磨料分布均匀。蓝宝石基片厚度变化主要是通过测厚仪进行测量；通过MahrSurXＲ20型轮廓仪来测量加工后蓝宝石单面表面粗糙度；利用OLS4000型激光共聚焦显微镜来对加工后蓝宝石单面的表面形貌进行测量。
三、试验结果与讨论
3.1磨料种类的影响
通过采用不同的磨料其所呈现的硬度以及几何形态等均会存在一定的差异，为此，磨料的种类也会对蓝宝石基片的单面研磨质量以及去除率等产生一定的影响。根据实验中残留的深度以及孔洞数量不难发现，在同一时间内蓝宝石基片的材料去除量分别在碳化硅、氧化铝以及金刚石等磨料中呈增加的趋势。其中，在碳化硼以及金刚石磨料的研磨后蓝宝石基片的单面研磨表面较为均匀，表面较为平坦，尤其是经过金刚石的研磨，其表面基本上是平坦的；而通过碳化硅或者氧化铝研磨后的蓝宝石基片单面研磨质量不仅存在较大的凹坑，而且表面粗糙度也较高。由此可以看出为了更好地提升蓝宝石基片单面研磨材料的去除率并获得较高的表面质量，应当采取金刚石作为研磨磨料，但是由于研磨成本的影响，也可以采用去除率较低的碳化硼作为磨料。如下图所示为不同磨料种类对蓝宝石表面去除率以及粗糙度的影响曲线。
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3.2磨料粒径的影响
根据相关实验可以看出，随着磨料粒径的逐渐增大，蓝宝石基片的单面研磨材料去除率也逐渐增大，表面研磨粗糙度也随之增大。而造成此种现象的主要原因就是因为在各工艺参数完全一致的情况下，由于磨料粒径发生变化，所以导致在相同压力下蓝宝石单颗粒磨料所受到的载荷也不在均匀，而随着粒径的逐渐变大，载荷也会随之增大，由此导致压入工件的深度也越来越深，从而产生的较为明显的破碎效果，导致材料的去除率以及表面粗糙度变大，为此为了更好地提升蓝宝石基片的单面研磨质量必须要确保磨料粒径的大小。如下图所示为不同磨料粒径对蓝宝石表面去除率以及粗糙度的影响曲线。
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3.3研磨盘转速的影响
根据相关实验不难得出研磨盘的转速也会对蓝宝石基片的单面研磨质量产生影响，一般情况下，蓝宝石基片的单面研磨去除率以及表面的粗糙度会随着研磨盘转速的提高而有所增加，当其转速达到60r/min材料的去除率可以达到最大值，此时如果转速持续增加，其去除率将会呈减小的趋势。而造成此种现象的原因主要是因为当转速较低时，在单位时间内磨料与工件接触的次数较少，磨粒的更新速度较慢，再加上磨料受到的切削作用较小，自然也就导致其材料的去除率低;而随着研磨盘转速的不断增加，在单位时间内也会导致磨粒和工件间的接触机会变多，磨粒的更新速度也随之变快，从而促使材料的去除率逐渐升高。但是当研磨盘的转速高于60r/min时，因为研磨盘的转速较快，而磨粒由于受到较强的离心力而被甩出去，再加上高转速下研磨盘所导致振动变大，进而致使去除率呈下降的趋势。而对于工件的粗糙度而言其在20～60r/min区间并没有发生较大的变化，而在60～100r/min表面粗糙度则出现了明显的波动，为此，通过分析可以看出在对蓝宝石基片的单面研磨加工时，为了确保材料的去除率以及表面质量研磨盘的转速应当控制在60r/min。如下图所示为不同研磨盘转速对蓝宝石表面去除率以及粗糙度的影响曲线。
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3.4研磨压力的影响
根据相关实验表面研磨压力的增大会导致蓝宝石基片的单面研磨去除率有所增大，而表面粗糙度则会随着压力的增大呈减小的趋势。当研磨的压力从1.67Psi增加到5.24Psi时材料的去除率明显的增加了一倍左右，并且材料的表面质量也较为均匀。那是因为，由于研磨压力的增大，磨料所进入到研磨盘的深度也会增加，磨粒对材料的切深也会变大，另外由于外部压力的增大也会致使原来不参与研磨的小粒径磨料也参与到研磨中，进而提升材料的去除率，降低研磨工件的表面粗糙度。如下图所示为不同研磨压力对蓝宝石表面去除率以及粗糙度的影响曲线。
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3.5磨料质量分数的影响
随着磨料质量分数的增大，材料的去除率会先成上升然后又下降的趋势。根据实验证明当材料质量分数达到3wt%左右时，材料的去除率可以达到最高值。材料的表面粗糙度也会随着磨料质量分数的增大先呈上升而后又趋于平缓的趋势。那是因为，当磨料质量分数较低时，单位体积内所参与研磨的磨料数量较小，自然也就导致去除率较低，而随着质量分数的不断增加，直到增加到3wt%时，材料的去除率达到最高值，而如果此时继续增加磨料的浓度，虽然参与研磨的磨料数量会有所增加但是也会由于浓度较高而出现推挤的情况，从而导致去除率降低。通过结合研磨成本以及加工质量，研磨液的质量分数应当控制在3wt%最好。如下图所示为不同磨料质量分数对蓝宝石表面去除率以及粗糙度的影响曲线。
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参考文献
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[2]罗求发，陆静，徐西鹏．蓝宝石基片超精密抛光技术研究进展［J］．超硬材料工程，2017，29(1):47-51．
[3]董云娜．蓝宝石晶片粗磨工艺的研究［J］．金刚石与磨料磨具工程，2017，37(3):88-90．
作者简介：张王锋，1986年4月，男，浙江海宁，天通日进精密技术有限公司， 314400，浙江海宁，汉，中级工程师，本科 ，泛半导体生产技术及设备和机械自动化 .