虞國良

【摘 要】為了實(shí)現(xiàn)對藍(lán)寶石晶體的高效低損傷研磨加工，對藍(lán)寶石晶體的精密研磨加工表面粗糙度、去除率進(jìn)行試驗(yàn)研究。采用不同粒度碳化硼磨粒雙面研磨晶體，考察了研磨盤轉(zhuǎn)速、加載下壓力和研磨顆粒粒徑對研磨加工表面質(zhì)量的去除率和表面粗糙度參數(shù)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：研磨壓力和研磨盤轉(zhuǎn)速是影響去除率的最大因素;在相同條件下，磨料的顆粒粒徑對去除率和表面粗糙度起到關(guān)鍵性的作用。

【關(guān)鍵詞】藍(lán)寶石;精密研磨;表面粗糙度;實(shí)驗(yàn)研究

中圖分類號： TB47 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）36-0170-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.36.079

Experimental Study on the Precision Lapping of Sapphire Substrate

YU Guo-liang

（School of engineering， zhejiang normal university， Jinhua Zhejiang 321000， China）

【Abstract】This paper presents the experimental research on the surface quality parameters such as roughness and removal rate in the precision lapping of sapphire in order to realize the high efficiency and low damaged lapping. The different grain sizes of B4C were selected to lapping the double side of sapphire （0001） and the effects of processing parameters as load， speed of rotation and grain size had on the surface quality parameters were investigated. The results of experiment showed that：（1）its load and speed of rotation that were the most important factors to the removal rate;（2）the grain side played a key role in improving the removal rate and roughness under the same conditions.

【Key words】Sapphire; Precision lapping; Roughness; Experimental study

0 引言

藍(lán)寶石晶體具有優(yōu)良的光學(xué)特性和力學(xué)性能[1-3]，是首選的光電襯底材料和半導(dǎo)體基片，更可以用作軍事等重要技術(shù)領(lǐng)域的窗口材料，這使得對其表面加工質(zhì)量有著非常高的要求。要求藍(lán)寶石表面要達(dá)到超光滑的無損傷表面[4]。目前超光滑表面[5]是指：表面粗糙度小于1nm的表面。無損傷表面[6]是指：加工表面不能有加工變質(zhì)層，且表面晶格完整。由于藍(lán)寶石硬度高且脆性大，對其進(jìn)行機(jī)械加工非常困難，鏡面加工技術(shù)更加復(fù)雜。由于藍(lán)寶石元件在航空航天、國防軍事等方面的特殊用途，國際上藍(lán)寶石晶片的加工工藝一直處于保密階段?，F(xiàn)有藍(lán)寶石的研磨工藝，加工效率較低，因此藍(lán)寶石精密研磨加工具有重要的意義。

1 試驗(yàn)條件與材料

實(shí)驗(yàn)使用的主要儀器Nanopoli-100研磨機(jī)，其研磨盤為Φ380mm鑄鐵十字槽研磨盤，采用德國Mahr S2型接觸式粗糙度測試儀測試粗糙度，使用日本島津公司的毫克級（0.1mg）AUY220型天平測量重量。

實(shí)驗(yàn)材料：藍(lán)寶石（Sapphire），化學(xué)分子式為α-Al2O3，俗稱剛玉，屬于六方晶系，如圖1所示。磨料使用B4C。

實(shí)驗(yàn)步驟可以簡化為：修盤→研磨→清洗→稱重→研磨。最后，用輪廓儀測量所有試驗(yàn)的藍(lán)寶石晶片表面的粗糙度和面形輪廓度，用于分析各個工藝參數(shù)與表面質(zhì)量要求之間的關(guān)系以及工藝參數(shù)的變化對表面質(zhì)量要求的影響。

（1）藍(lán)寶石六方晶格;（2）未加工和已加工的藍(lán)寶石

圖1 藍(lán)寶石分子結(jié)構(gòu)及晶片

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 壓力對去除率和表面粗糙度的影響

壓力參數(shù)對研磨去除率和表面粗糙度的影響如圖2所示。研磨效率隨著下壓力的增大而增大。但試件表面粗糙度值在初期略有上升，然后減少，在10.9MPa時達(dá)到最小。因此，下壓力的增加要在一定的范圍內(nèi)才可以得到最佳的研磨效果。

2.2 轉(zhuǎn)速對研磨去除率和表面粗糙度的影響

研磨盤轉(zhuǎn)速參數(shù)對研磨去除率和表面粗糙度的影響如圖3所示。研磨去除率隨研磨盤轉(zhuǎn)速的變化效果明顯，轉(zhuǎn)速增加，去除率顯著增大，在30rpm時達(dá)到最大值，轉(zhuǎn)速再增加時，去除率有少量下降。同時試件的表面粗糙度值隨研磨盤轉(zhuǎn)速的增大而上升，轉(zhuǎn)速為30rpm時表面粗糙度值有明顯下降，隨之又上升。因此研磨盤轉(zhuǎn)速也應(yīng)控制在合理的范圍內(nèi)以保證研磨效率和表面粗糙度。

圖2 下壓力對研磨去除率和表面粗糙度的影響

圖3 轉(zhuǎn)速對研磨去除率和表面粗糙度的影響

2.3 磨粒粒徑對表面粗糙度及去除率的影響

從圖4中可以得知，去除率隨磨料粒徑的增大是先降低再升高，當(dāng)研磨顆粒粒徑為W3.5和W14時較高，粒徑為W5和W7時較低;表面粗糙度數(shù)值近似線性變化，磨料粒徑小時其值最小，隨后逐漸變大。這種現(xiàn)象是因?yàn)樵谄渌麠l件相同的情況下，磨料粒徑小，單位時間內(nèi)參與研磨切削的磨粒就多，切削充分，去除率就高;試件表面粗糙度值較小。

圖4 磨料顆粒粒徑對去除率和表面粗糙度的影響

3 結(jié)論

本文對藍(lán)寶石精密研磨進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，討論了研磨盤轉(zhuǎn)速、加載下壓力、研磨顆粒粒徑對研磨加工表面質(zhì)量的去除率和表面粗糙度參數(shù)的影響。得到如下結(jié)論：研磨壓力和研磨盤轉(zhuǎn)速是影響去除率的最大因素;在相同條件下，磨料的顆粒粒徑對去除率、表面粗糙度起到關(guān)鍵性的作用。

【參考文獻(xiàn)】

[1]G rzegory I. High nitrogen pressure growth of GaN crystals and their applications for epitaxy of GaN based structures[J]. Materials Science and Engineering， 2001：30-34.

[2]王曉暉，劉祥林，陸大成.用于GaN生長的藍(lán)寶石襯底化學(xué)拋光研究[J].半導(dǎo)體學(xué)報.1996（10）：57-62.

[3]Chol K S， John S T. Optimum machining of optical crystals. Mechanical Engineering[J].2003（4）：68-72.

[4]Nakamura S， Ann. InGaN-based Laser Diodes[J].Rew.Mater. Sci，1998（28）：125.

[5]楊力.先進(jìn)光學(xué)制造技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2001.

[6]袁哲俊，王先逵.精密和超精密加工技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.