中國粉體網(wǎng)訊  藍(lán)寶石單晶有著極高硬度和結(jié)構(gòu)強度、耐磨損、材料比重低等優(yōu)勢，同時可在接近2000°Ｃ的超高溫條件下工作，因而被廣泛地應(yīng)用于耐溫高壓器件、特種窗口、光學(xué)系統(tǒng)、耐磨損器件、紅外制導(dǎo)、導(dǎo)彈整流罩等軍民用、軍事、智能設(shè)備、科研高科技領(lǐng)域。

藍(lán)寶石的應(yīng)用領(lǐng)域

其中，藍(lán)寶石應(yīng)用最廣泛的是用作LED襯底材料。LED作為具有高效率、長壽命和驅(qū)動電路簡單等特點的新一代光源，應(yīng)用范圍涉及景觀、裝飾、照明光源等眾多領(lǐng)域。

藍(lán)寶石襯底的加工流程

在藍(lán)寶石元器件的制備過程中，首先需要對藍(lán)寶石晶棒進行切割加工，使其成為藍(lán)寶石晶片，隨后進行研磨及拋光，藍(lán)寶石的表面平整度決定了其性能。然而，藍(lán)寶石晶體硬度高、脆性大、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，表面加工較為困難。因此，如何提高藍(lán)寶石的加工性能成為藍(lán)寶石產(chǎn)業(yè)升級的難點。

01.藍(lán)寶石切割技術(shù)

晶棒切割是藍(lán)寶石加工的第一道工序，切割加工質(zhì)量直接影響晶片性能、產(chǎn)量及后續(xù)加工成本，因此，藍(lán)寶石的切割加工是該產(chǎn)業(yè)的重中之重，其主要切割工藝有以下幾類。

（1）金剛石鋸片切割

由于藍(lán)寶石的高硬度，導(dǎo)致傳統(tǒng)的砂漿切割及樹脂刀具金剛石砂輪的切割對其無能為力，而金剛石鋸片切割作為一種傳統(tǒng)的切割方法，具有切割精度高、鋸片有良好的導(dǎo)熱性和熱穩(wěn)定性、使用壽命長等特點，成為藍(lán)寶石發(fā)展初期切割方式的一種必然選擇。然而隨著技術(shù)的進步，該切割方式存在的鋸縫寬、切割表面損傷多、粗糙度大、切割應(yīng)力大、切割結(jié)束時出現(xiàn)切片崩邊甚至飛邊等系列問題逐步凸顯，已不適合藍(lán)寶石的精密切割。

（2）金剛石線鋸切割

金剛石線鋸切割技術(shù)，即固結(jié)磨料多線切割技術(shù)。金剛石線鋸是在基體上固結(jié)金剛石磨料的一種切割工具，因其切縫小于0.5mm的特點可以加工普通硬脆材料，適用于藍(lán)寶石、水晶、太陽能級多晶硅等硬脆材料的切割。

鎳電鍍金剛石線鋸示意圖

與廣泛使用的傳統(tǒng)砂漿切割技術(shù)相比，金剛石切割技術(shù)具有切割速率高、切片質(zhì)量好、材料損耗低、鋸屑易于回收等優(yōu)點。

（3）電火花線切割

電火花線切割是利用導(dǎo)電工件和電極絲之間的脈沖火花放電產(chǎn)生的瞬時高溫，使被切割工件局部點蝕，從而完成加工的一種方法，理論上切割藍(lán)寶石的厚度可以很薄，國內(nèi)外對該技術(shù)進行了廣泛研究，但結(jié)果顯示電火花切割會造成切片表面質(zhì)量較差、燒傷層厚度大等缺陷，導(dǎo)致該方法不再適合加工高精度藍(lán)寶石材料。

02.藍(lán)寶石研磨技術(shù)

研磨是針對藍(lán)寶石切割過程中帶來的表面損傷和尺寸誤差，利用附著或鑲嵌在磨盤上的磨料與工件對磨，消除切割缺陷、提高工件表面質(zhì)量的過程。

（1）游離磨料研磨

游離磨料研磨是將金剛石/SiC磨料混合到研磨液中，隨后研磨液通過噴霧等方式持續(xù)輸送到研磨盤上，磨粒隨著研磨盤的轉(zhuǎn)動帶入研磨盤與藍(lán)寶石對磨面之間，從而達(dá)到研磨效果。該方法加工藍(lán)寶石的研磨初期一般是用鑄鐵材質(zhì)的研磨片和較大粒徑的SiC磨料，隨后用較軟的銅研磨盤和小粒徑的金剛石磨料，研磨效果受多方面因素影響。

藍(lán)寶石整流罩

（2）固結(jié)磨料研磨

固結(jié)磨料研磨是將磨料通過粘結(jié)劑固定形成類似砂紙一樣的碾磨盤的方法。固結(jié)磨料研磨時，研磨盤材質(zhì)對研磨效果有顯著影響，國內(nèi)外學(xué)者針對青銅、復(fù)合材料、陶瓷樹脂材料等不同材質(zhì)的研磨盤研究表明，硬度高、剛性大的研磨盤較彈性大的研磨盤能夠更好地控制加工面的平整度，但加工面的質(zhì)量和粗糙度控制不如后者。磨粒的粒徑和濃度亦影響研磨質(zhì)量，其中粒徑大小與研磨效率呈正比，與加工面質(zhì)量呈反比關(guān)系，單位面積磨粒濃度的增加會提高加工質(zhì)量，但濃度過高時會影響磨粒的固定，容易產(chǎn)生磨粒的拔出、剝落，從而形成游離磨粒，影響加工質(zhì)量，此外，研磨液的選擇也會影響研磨效率。

固結(jié)研磨顯著改善了游離研磨中磨料分布不均勻、轉(zhuǎn)速不宜過高的問題，避免了游離磨料中磨料的滾扎和劃擦，降低了工件亞表面損傷深度，使表面加工質(zhì)量更高，已成為一種新型的藍(lán)寶石加工技術(shù)。

（3）雙面研磨

雙面研磨是利用上下兩個研磨盤對藍(lán)寶石晶片同時進行表面研磨加工的工藝流程，避免了單面加工時晶片受約束而產(chǎn)生的應(yīng)力，不易產(chǎn)生單面加工中出現(xiàn)的翹曲變形，擁有較好的平面度，同時簡化了加工工序，提高了加工效率和加工質(zhì)量。

03.藍(lán)寶石拋光技術(shù)

目前藍(lán)寶石的超精密加工技術(shù)主要有磁流變拋光、水合拋光、激光拋光和化學(xué)機械拋光。

（1）磁流變拋光

美國曼徹斯特大學(xué)于1997年首次采用磁流變拋光技術(shù)加工藍(lán)寶石等超硬紅外光學(xué)材料。

磁流變拋光是一種新型的技術(shù)，加工后藍(lán)寶石晶片表面不存在亞表面損傷層，表面完整性較好。且磁流變拋光一種可控的柔性的拋光技術(shù)，其加工效率較高，且容易實現(xiàn)自動化加工。但是磁流變液的研制和拋光過程中柔性化控制等難題目前仍未得到很好地解決。

（2）水合拋光

水合拋光又稱為無磨料拋光，是通過高溫蒸氣與藍(lán)寶石晶片表面之間發(fā)生水合反應(yīng)，生成硬度較低的氧化鋁水合物，再通過拋光盤與工件之間的摩擦將其去除。水合拋光不用任何磨料和拋光液，屬于環(huán)保型的加工方式，加工后晶片的面型精度較高。但水合拋光的加工效率較低，且目前水合拋光機理研究不夠深入。

（3）激光拋光

激光拋光是一種非接觸式加工方式，通過一個聚焦的激光束斑作用在工件表面，產(chǎn)生熱作用和光化作用熔化或者蒸發(fā)工件材料，從而達(dá)到工件光潔的表面。激光拋光存在很多優(yōu)點，例如加工效率高，可以加工復(fù)雜曲面，拋光精度高。激光拋光在藍(lán)寶石加工中的應(yīng)用越來越廣泛，但是目前的激光拋光設(shè)備制造費用昂貴。

（4）化學(xué)機械拋光

化學(xué)機械拋光技術(shù)是將化學(xué)作用與機械作用有機結(jié)合起來，在二者作用的交替進行中完成單晶藍(lán)寶石晶片表面的拋光，這種拋光方式可以有效避免單純機械拋光造成的表面損傷和單純化學(xué)拋光易造成的拋光速度慢、表面平整度和拋光一致性差等缺點。

藍(lán)寶石CMP的原理及材料去除模型

小結(jié)

化學(xué)機械拋光技術(shù)可以兼顧加工表面全局及局部平整度，是一種真正意義上的原子分子級的極限加工技術(shù)，是目前最常用的加工藍(lán)寶石的方法。

參考來源：

[1]康森等.藍(lán)寶石切割研磨及拋光技術(shù)研究進展

[2]屈明慧等.藍(lán)寶石化學(xué)機械拋光液的研究進展

[3]于海洋.單晶藍(lán)寶石化學(xué)機械拋光的研究

[4]謝文祥.藍(lán)寶石的化學(xué)機械拋光液研究

[5]王方.藍(lán)寶石化學(xué)機械拋光液用硅溶膠制備工藝研究

[6]何宇雷.藍(lán)寶石金剛線切割廢料綜合回收利用的研究

[7]王紹臣.藍(lán)寶石精密磨削及化學(xué)機械拋光研究

[8]盧亞楠.拋光液組分對不同晶面藍(lán)寶石材料CMP性能的影響研究

（中國粉體網(wǎng)/山川）

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