基於固結磨料拋光墊的藍寶石襯底的超精密加工方法
2023-05-17 08:01:26
專利名稱：基於固結磨料拋光墊的藍寶石襯底的超精密加工方法
技術領域：
本發明涉及一種用於藍寶石襯底的超精密加工方法，尤其是一種利用固結磨料拋光墊進行藍寶石襯底加工的方法，具體地說，是一種基於固結磨料拋光墊的藍寶石襯底的超精密加工方法。
背景技術：
藍寶石具有硬度高、熔點高、透光性好、熱傳導性和電絕緣性優良、化學性能穩定等特點，廣泛用於國防、航空航天、科研、工業、生活等領域，如用作紅外透光材料、雷射器的窗口和反射鏡、精密儀器儀表、半導體矽的外延基片、絕緣襯底的集成晶片等。藍寶石的表面質量對器件的質量、發光效率及壽命都具有關鍵性的作用，因此對襯底材料提出了超光滑、無損傷表面的加工要求。而藍寶石襯底材料的脆性大、硬度高(莫氏9級)，僅次於金剛石(莫氏10級)，且化學性能穩定，機械加工困難，尤其對用於GaN生長的藍寶石襯底無損傷超光滑表面拋光技術更複雜。
中國專利CN1833816公開了一種藍寶石晶片納米級超光滑加工工藝，該加工工藝由粘片、塑性域磨削、研磨、粗拋、精拋、淨化等幾個步驟組成；該發明還涉及藍寶石襯底晶片加工過程中使用的專用研磨液、腐蝕液、拋光液和清洗液，最終可得到粗糙度Ra小於0.2nm—下的藍寶石襯底。公開號為CN1469459中國專利公開了一種納米級藍寶石襯底的加工方法及其專用拋光液，該加工方法由粘片、粗磨、細磨、粗拋、精拋幾個步驟組成；該拋光液由納米矽粉、乙二醇、甘油、乙醇氨以及去離子水構成，可得到粗糙度Ra在20nm以下的藍寶石襯底。公開號為CN1857864的中國專利公開了一種藍寶石襯底材料高去除速率的控制方法使用本發明方法去除速率可達到10 18 μ m/h，去除速率得到提高。公開號為CN1857865的中國專利公開了一種藍寶石襯底材料表面粗糙度的控制方法，該工藝分粗拋和精拋兩步，在大流量、低溫、低壓下拋光3h，可實現低粗糙的表面控制要求。公開號為 CN1569396的中國專利公開了一種光學藍寶石晶體基片的研磨工藝，主要包括粗磨、精磨和拋光等工藝步驟，最終可獲得很好的表面質量和平面度。公開號為CN1446667的中國專利公開了一種藍寶石的固相反應CMP加工方法，該發明通過選取比藍寶石硬度小的氧化物微粉作為磨料，並與藍寶石接觸，在接觸點發生固相反應，生成結晶層，磨料通過機械接觸把結晶層去除得到超光滑表面(表面粗糙度小於Inm)。但是以上加工方法大多屬於傳統的游離磨料化學機械研磨拋光，其磨粒分散不均勻以及磨粒運動的不可控性很容易造成拋光的不均勻，工件面形精度難以得到保證；同時，材料去除率較低，加工周期長，亞表面損傷比較高，拋光液容易對環境造成汙染。發明內容
本發明目的針對現有的藍寶石襯底加工均是採用普通拋光墊進行，造成加工效率低，成本高、精度難以得到保證及對環境汙染大的問題，發明一種利用不同粒度的固結磨料拋光墊進行藍寶石精加工的方法，充分利用固結磨料的金剛石顆粒具有切割速度快，精度·高的優點，提高加工效率，減小亞表面損傷，提高表面質量。該工藝成本低、不汙染環境，克服了傳統化學機械拋光技術中的缺點,縮短加工時間,藍寶石表面質量高,表面無坑蝕、劃痕等缺陷。
本發明的技術方案是:一種固結磨料超精密加工藍寶石襯底的方法，其特徵是它主要包括以下三個步驟:(I)採用W75 (粒徑為60-75微米)的鍍鎳金剛石固結磨料研磨拋光墊(FAP)對切割後的藍寶石毛坯進行粗磨，控制環境溫度為1(T30°C，研磨壓力在0.Γ0.3Mpa，拋光液流量為 100 300ml/min,工作檯轉速為75 150r/min,粗磨時間控制在5 lOmin。
(2)採用W28 (粒徑為20-28微米)的鍍鎳金剛石FAP對粗磨後的工件進行精磨， 控制環境溫度為1(T30°C，研磨壓力在0.05、.2Mpa，拋光液流量為10(T300ml/min，工作檯轉速為75 150r/min,精磨時間控制在15 30min。
(3)採用W5 (粒度為3.5-5微米)的金剛石FAP對精磨後的工件進行拋光，控制拋光溫度在10 30°C，拋光壓力控制在0.025 0.1Mpa,拋光液流量為100 200ml/min，拋光轉速為100 200r/min,拋光液pH值控制在8 11,拋光時間控制在40 90min,即完成研磨和拋光過程。
上述的固結磨料研磨拋光墊為樹脂和金剛石磨料均勻混合固化製備而成。
上述步驟(I)和(2)使用的固結磨料研磨拋光墊中採用鍍鎳金剛石磨料，鍍鎳金剛石為金剛石粉末顆粒表面電鍍一層氧化鎳，鍍覆後金剛石質量增加到原來的1109^200%。
上述步驟(3)使用的固結磨料研磨拋光墊中採用沒有鍍鎳的普通金剛石。
上述所有拋光液均為去離子水和多種化學添加劑組成，並可由下述公式表示:
權利要求
1.一種基於固結磨料拋光墊的藍寶石襯底的超精密加工方法，其特徵是包括以下步驟:(1)採用W75的鍍鎳金剛石固結磨料研磨拋光墊FAP對切割後的藍寶石毛坯進行粗磨， 控制環境溫度為10 30°C，研磨壓力在0.1 0.3Mpa，拋光液流量為100 300ml/min，工作檯轉速為75 150r/min,粗磨時間控制在5 IOmin ；(2)採用W28的鍍鎳金剛石固結磨料研磨拋光墊FAP對粗磨後的工件進行精磨，控制環境溫度為10 30°C，研磨壓力在0.05 0.2Mpa，拋光液流量為100 300ml/min，工作檯轉速為75 150r/min,精磨時間控制在15 30min ；(3)採用W5的金剛石FAP對精磨後的藍寶石進行拋光，控制拋光溫度在10 30°C，拋光壓力控制在0.025 0.1Mpa，拋光液流量為100 200ml/min，拋光轉速為100 200r/ min,拋光液pH值控制在8 11,拋光時間控制在40 90min,即完成研磨和拋光過程。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於所述的固結磨料研磨拋光墊為樹脂和金剛石磨料均勻混合固化製備而成。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於所述步驟(I)和(2)使用的固結磨料研磨拋光墊中採用鍍鎳金剛石磨料，鍍鎳金剛石為金剛石粉末顆粒表面電鍍一層氧化鎳，鍍覆後金剛石質量增加到原來的110% 200%。
4.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於所述步驟(3)使用的固結磨料研磨拋光墊中採用沒有鍍鎳的普通金剛石。
5.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於所有拋光液均為由去離子水和多種化學添加劑組成，並滿足下述公式:W = A a +B β +C Y +D μ +E η，式中W為拋光液體積總量I, A為去離子水在拋光液中所佔的最高體積分數，B為三乙醇胺在拋光液中的最高體積分數，C為烷基酚聚氧乙烯醚在拋光液中的最高體積分數，D為乙二胺在拋光液中的最高體積分數，E為丙三醇在拋光液中的最高體積分數，α、β、Υ、μ、η分別為A、B、C、D、E實際添加量的係數。
6.根據權利要求4所述的方法，其特徵在於A的值為90%，B的值為20%，C的值為 10%，D的值為10%，E的值為20%。
7.根據權利要求4所述的方法，其特徵在於，α、β、Υ、μ、η的取值範圍如下0.8 ≤ a ≤ 1 O ≤ β ≤1 0.3≤ Y ≤ 1O ≤ μ≤ 10≤n ≤ 1。
8.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述每一步驟完成後，都要將所述工件和拋光設備清洗乾淨，並且隨後執行下一步驟研磨或拋光。
全文摘要
本發明公開了一種基於固結磨料拋光墊的藍寶石襯底的超精密加工方法，它主要包括粗磨、精磨、拋光三步驟首先，採用W75的鍍鎳金剛石固結磨料研磨拋光墊(FAP)對切割後的藍寶石毛坯進行粗磨，其次，採用W28的鍍鎳金剛石FAP對粗磨後的工件進行精磨，最後，採用W5的金剛石FAP對精磨後的工件進行拋光，即完成研磨和拋光過程。本發明加工藍寶石襯底，整個工藝過程縮短到2小時以內，大大縮短藍寶石的加工時間，最終可以得到工件表面粗糙度Ra小於3nm的藍寶石襯底，並可有效去除坑蝕、劃痕等表面缺陷，且亞表面損傷低，表面質量優。本發明提高了藍寶石襯底的加工效率和表面質量，並且成本低，無汙染。
文檔編號B24B37/04GK103252708SQ20131020470
公開日2013年8月21日 申請日期2013年5月29日 優先權日2013年5月29日
發明者李軍, 李鵬鵬, 王建彬, 朱永偉, 左敦穩, 夏磊, 王文澤, 王慧敏 申請人:南京航空航天大學