董云娜 曹淑云

摘 要：利用碳化硼W5對藍(lán)寶石研磨實驗進(jìn)行研究，得出不同磨料濃度、不同懸浮液黏度和加工壓力對表面狀態(tài)、粗糙程度和工件去除率的影響。結(jié)果表明，碳化硼W5比較適宜研磨，用此磨料在濃度為15%，懸浮液黏度為0.15%（黏度通過控制羧甲基纖維素的衍生物的含量控制），研磨壓力為4 N/cm2時效果較佳，去除率可達(dá)0.63 μm/min，表面無劃痕，粗糙度較理想。

關(guān) 鍵 詞：藍(lán)寶石晶片；碳化硼W5；研磨；去除率；工藝參數(shù)

中圖分類號：TQ 028 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1671-0460（2015）10-2410-03

Study on the Grinding Technique for Sapphire Wafer

DONG Yun-na， CAO Shu-yun

（Tianjin Ximei Technology Co.，Ltd.， Tianjin 300382， China）

Abstract： The grinding experiment of sapphine wafer by using boron carbide W5 was studied. Effect of abrasive concentration， suspension viscosity and surface processing pressure on the surface state， roughness and removal rate was investigated. The results show that， boron carbide W5 is appropriate for grinding； when the abrasive concentration is 15%， the viscosity of the suspension is 0.15%， and the pressure is 4 N/cm2， the removal rate can reach to 0.63μm/min， and the roughness of surface is ideal.

Key words： Sapphire wafer； Boron carbide W5； Grinding； Removal rate； Technological parameters

藍(lán)寶石具有優(yōu)異的光學(xué)性能、機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性。其表面質(zhì)量對器件的質(zhì)量、壽命等起關(guān)鍵作用[1-3]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，藍(lán)寶石的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，涉及科研、工業(yè)、國防、生活等各個領(lǐng)域，如精密研磨軸承、紅外透光材料、半導(dǎo)體芯片的襯底片、表鏡等。但藍(lán)寶石的硬度很大（為其硬度為莫氏9），其硬度僅次于金剛石，脆性大，使得對其進(jìn)行機(jī)械加工難度很大。

研磨拋光為超精密加工的重要手段，而研磨作為拋光加工的前道工序，可以在一定程度上降低表面粗糙度，提高工件的表面精度，其質(zhì)量的好壞直接影響著后續(xù)的拋光效率和工件的表面質(zhì)量[1]，且研磨工序是藍(lán)寶石最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一[4]。因此，為在單位時間內(nèi)加工出更多符合要求的晶片，有必要研究其研磨拋光工藝參數(shù)以得到較好的表面質(zhì)量和較優(yōu)的去除率。

鑒于此，本文在實驗的基礎(chǔ)上研究了研磨壓力、不同懸浮液粘度、不同磨料濃度對表面粗糙度和去除率的影響，得出了較佳的研磨加工工藝。

1 藍(lán)寶石晶片的研磨實驗

研磨實驗所用設(shè)備為UNIPOL-1501型精密研磨拋光機(jī)。研磨加工時，研磨盤為帶有均勻方形槽的新型研磨盤。

實驗所用工件是直徑為2英寸的藍(lán)寶石圓片，厚度約為0.6 mm，晶片置于本司研發(fā)的新型實用的研磨模板上。

實驗所用的研磨液為碳化硼W5與懸浮液配制而成。所用碳化硼W5（牡丹江產(chǎn)），懸浮液為本司研發(fā)的懸浮液CM-S301，此懸浮液由表面活性劑、分散劑、表面改性劑、去離子水等組成，pH值為11。

實驗中研磨的壓力通過增加配重盤來實現(xiàn)。研磨液采用循環(huán)使用模式，由自動滴加器供給。加工完畢，去離子水清洗工件，將工件從模板中取出，清洗干凈，進(jìn)行甩干。

實驗過程中，研磨時間為20 min，流量為85 mL/min，轉(zhuǎn)速為80 r/min。

本文中的物質(zhì)濃度均采用質(zhì)量百分?jǐn)?shù)表示。

晶片的表面狀態(tài)采用200×數(shù)碼顯微鏡進(jìn)行觀察，采用五點法測量晶片厚度，用LINKS（0-25 mm）電子外徑千分尺測量晶片厚度。按照平均值作為參與計算的數(shù)據(jù)。研磨后的表面在LED光學(xué)檢測專用強(qiáng)光燈下觀察有無劃痕和蝕坑。

2 研磨工藝研究

影響藍(lán)寶石研磨的因素有很多，拋光液的pH值、研磨機(jī)的轉(zhuǎn)速等都會影響研磨的效果，本文主要采用單因素控制法研究研磨壓力、不同懸浮液粘度、不同磨料濃度對晶片加工去除率的影響。前期做過碳化硼W3.5、W5、W7磨粒研磨藍(lán)寶石的實驗研究，W5的效果較好，有較好的去除率和表面平整度，因此本文采用W5作為磨粒。

2.1 研磨壓力對晶片加工去除率的影響

研磨壓力分別為2、3、4 N/cm2，研磨液中碳化硼的濃度為10%。如圖1所示為研磨壓力對材料去除率的曲線。由圖1知，隨研磨壓力增加，材料的去除率增大，粗糙程度增大。這是因為增加研磨壓力，磨料與晶片間的相互作用增強(qiáng)；磨料與晶片間的摩擦力增加的同時，系統(tǒng)的溫度升高，反應(yīng)速率加快，增強(qiáng)了系統(tǒng)的化學(xué)作用，導(dǎo)致去除率增加；增加研磨壓力，磨料嵌入研磨盤的程度增大，從而導(dǎo)致晶片的粗糙程度增大[5]?？紤]到壓力過大可能會對工件及研磨盤造成損傷，經(jīng)實驗驗證，總壓力為2 N/cm2時研磨較佳。

圖1 研磨壓力對去除率的影響

Fig.1 The impact on removal rate with different grinding pressure

2.2 不同懸浮液黏度對去除率的影響

用羧甲基纖維素的衍生物來控制懸浮液的黏度，羧甲基纖維素的衍生物的百分含量分別為0.08%、0.1%、0.15%、0.2%，如圖2所示為不同懸浮液黏度對去除率的影響。由圖2知，當(dāng)羧甲基纖維素的衍生物的百分含量增加時，去除率增加，表面平整度增加。這是因為當(dāng)羧甲基纖維素的衍生物的百分含量增加時，拋光液的黏度增大，使得晶片與拋光液之間的潤滑作用增加，從而減少了對晶片的刮擦，晶片表面的平整度增加?？紤]到黏度太大操作不便，較優(yōu)的為含0.15%的羧甲基纖維素的衍生物的研磨液。

2.3 不同磨料濃度對表面狀態(tài)和去除率的影響

配制的研磨液的濃度分別為10%、12%、15%，如圖3所示為不同濃度的研磨液的晶片表面狀態(tài)。

圖2 不同懸浮液黏度對去除率的影響

Fig.2 The impact of the suspension viscosity on removal rate

圖3 用不同濃度的研磨液研磨后的晶片表面狀態(tài)

Fig.3 The surface state of grinding wafer with different concentration of grinding fluid

其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為： （a）10%；（b）12%；（c）15%

圖4為不同濃度的研磨液對晶片表面的去除率。

圖4 研磨液濃度對去除率的影響

Fig.4 The impact on removal rate with different concentration of the grinding fluid

由圖3、圖4知，隨磨料濃度的增加，去除率逐漸增大，劃傷依次減少，表面平整度逐漸增加。15%的研磨液對藍(lán)寶石晶片不產(chǎn)生劃傷。這是因為，磨料濃度增加，相同體積的研磨液中間含有的有效研磨顆粒增加，機(jī)械磨削作用增強(qiáng)，導(dǎo)致去除率增加；研磨液濃度過低，晶片與研磨盤之間的相互摩擦，易對晶片進(jìn)行刮擦，導(dǎo)致劃傷，增加其粗糙度[6，7]?？紤]到黏度過大操作不便，較佳的研磨液濃度為15 %。

3 結(jié) 論

碳化硼W5對藍(lán)寶石進(jìn)行研磨加工，能夠獲得較好的表面狀態(tài)：隨研磨壓力增加，材料的去除率增大，粗糙程度增大；當(dāng)羧甲基纖維素的衍生物的百分含量增加時，去除率增加，表面平整度增加；隨磨料濃度的增加，去除率逐漸增大，劃傷減少。

綜合優(yōu)化的研磨加工參數(shù)為：采用開槽陶瓷盤進(jìn)行研磨，研磨時間為20 min，流量為85 mL/min，轉(zhuǎn)速為80 r/min。用此磨料在濃度為15%，懸浮液黏度為0.15%（黏度通過控制羧甲基纖維素的衍生物的含量來控制），總壓力為4 N/cm2時效果較佳，去除率可達(dá)0.63 μm/min，表面無劃痕，粗糙度較理想。

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（上接第2409頁）

（3）入口流量的變化對除油率的影響較大，隨著入口流量的增大，除油率增大，但當(dāng)入口流量達(dá)到一定值后，除油率會出現(xiàn)下降趨勢。

（4）單級運(yùn)行反相加藥40 mg/L時，旋流除油裝置除油效率可達(dá)85%以上；兩級串聯(lián)運(yùn)行反相加藥40 mg/L時，除油效率可達(dá)90%以上。

5.2 存在的問題

（1）旋流除油系統(tǒng)的正反相加藥系統(tǒng)目前還是臨時性的，不能保證藥的充分混合，管線鋪設(shè)不完善，加藥量的計量比較困難，藥品配制比較麻煩；

（2）旋流除油裝置目前所用的流量計為電磁流量計。經(jīng)反相破乳后大量油相以片狀形式分布在液流上層，流量計的電極正好探入該層而被油片包裹，致使流量計出現(xiàn)較大的誤差，讀數(shù)大范圍跳動，難以實現(xiàn)準(zhǔn)確計量。雖然可以通過旋轉(zhuǎn)流量計的安裝角度暫時改善這種情況，但在裝置上某些空間有限的位置實現(xiàn)不了，而經(jīng)過旋轉(zhuǎn)后的流量計操作人員觀察或讀取數(shù)據(jù)時也比較困難。

3.500 0 m3旋流除油裝置可以實現(xiàn)自動化控制，但目前其控制系統(tǒng)獨(dú)立，沒有與全站DCS控制系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)接。

5.3 建議

（1）建議將30～40 mg/L當(dāng)作除油效果的最佳反向破乳劑投加濃度區(qū)間；

（2）不能過分追求除油效率，除油效率過高，污水中懸浮物含量下降，即懸浮物被油相帶走，這會給旋流回收油的處理帶來極大困難。因此溢流比要控制在一個合適的范圍之內(nèi)。建議生產(chǎn)時單級運(yùn)行溢流比控制在約10% ，兩級串聯(lián)時溢流比控制在約20%；

（3）入口流量的控制要合理，應(yīng)避免流量過大或者過??；

（4）旋流回收油投加正向破乳劑后，保持溫度，沉降時間至少要達(dá)到24 h以上。

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