(重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院 機械工程與自動化學院，重慶 401120)

0 引 言

由于具有獨特的晶格結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的機械性能和良好的熱性能，藍寶石晶體成為導體照明、大型集成電路和超導納米結(jié)構(gòu)薄膜最理想的襯底材料。世界各國，尤其是我國重視工業(yè)技術(shù)半導體照明的推廣和應用，使得藍寶石成為國家重點支持和鼓勵生產(chǎn)的能源和光電材料。

藍寶石材料具有穩(wěn)定的化學、機械和物理性能，能承受惡劣的空間環(huán)境，并在高速運行中保持較高的強度，使其成為國防軍工制造光電窗、跨波窗、整流罩、陀螺儀等組件的材料[1]。此外，其他民用領域，例如在心臟的鏡頭里，手機的屏幕，照明器和眼鏡、高檔手表、投影儀棱鏡、智能手機屏幕等領域，藍寶石材料也得到廣泛的使用[2]。

傳統(tǒng)單晶半導體材料的晶圓的加工工藝相似，主要依次有:切割→粗磨→精煉研磨→粗拋光(機械拋光)→精拋光(化學機械拋光)→檢測等多次工序[3]。藍寶石從高純氧化鋁粉結(jié)晶生長到最終加工成符合要求的晶片，其制備流程需要經(jīng)歷：長晶、定向、掏棒、滾磨、品檢、定向、切割、研磨、倒角、清洗退火、拋光、清洗檢測、包裝[4]。由于藍寶石晶體硬度過大，其莫氏硬度達到8.5，所以藍寶石晶片加工和工藝必須采用高硬度的材料和特殊的工藝，對加工設備的要求也比較嚴格。本文按照藍寶石晶體的切割、研磨、拋光三個過程的研究進行介紹。

1 切割

切割晶棒是藍寶石基板的第一道加工工序,也在藍寶石晶片制造中起著至關重要的作用，其目的是將處理過的藍寶石基板切割到所需的厚度范圍。切割后晶片厚度和表面質(zhì)量在很大程度上決定了整批藍寶石基底的最終產(chǎn)量和加工工藝的成本[4]。

目前，切割高硬度晶片的方法主要有金剛石鋸片切割、電火花切割、游離磨粒線鋸切割、固結(jié)磨粒線鋸切割以及超聲輔助金剛石線鋸振動切割等。金剛石鋸片切割是晶片材料切割加工的傳統(tǒng)方法，但由于它在加工高硬度材料時會發(fā)生鋸縫寬、鋸片剛性差、鋸切噪聲大、切割表面粗糙度大和表面損傷嚴重的缺陷，且不能進行曲線切割，所以并不適合進行高硬度晶片的精密切割。電火花切割是在導電工件和工具電極之間脈沖性火花放電時，通過電腐蝕切割材料的一種切割方法。由于電火花切割也會造成鋸縫寬、鋸切表面粗糙度差和鋸切表面燒傷層厚度大等缺點，也不適合高精密超薄大尺寸晶片的切割[5]。所以，多線線鋸切割技術(shù)成為藍寶石晶體切割中應用最廣泛的技術(shù)。下面，具體介紹切割藍寶石晶體多線線鋸切割的三種常用方法。

1.1 游離磨粒線鋸切割

游離磨粒線鋸切割是把不銹鋼絲通過滑輪和張力控制單元在引線主輥表面旋繞成間隔均勻的有序?qū)Ь€網(wǎng)。電機對引線主輥施加扭矩，使其旋轉(zhuǎn)從而引起鋼絲的軸向運動。需要切割的晶體棒料則垂直于導線網(wǎng)、即引線主輥軸線做垂直進給運動。并在導線與晶體棒條的間隙中加入含有研磨顆粒的砂漿。由于磨料顆粒的作用，鋼絲網(wǎng)可以被切割成所需厚度的薄片[6-7]。游離磨粒線鋸切割法在加工脆硬的藍寶石時存在幾個技術(shù)難題：切削速度慢、由于金屬絲磨損導致晶片厚度不均，另外就是砂漿的回收處理難[8]。

1.2 固結(jié)磨粒線鋸切割

為了避免游離磨粒線鋸切割的缺點，不采用添加磨粒砂漿的固結(jié)磨粒多線切割技術(shù)應運而生。固結(jié)磨粒多線切割法的結(jié)構(gòu)與游離磨粒多線切割法類似，區(qū)別在于磨粒通過電鍍、釬焊、樹脂硬化、燒結(jié)等方法被固結(jié)在不銹鋼鋼絲表面，直接通過鋼絲在晶棒表面進行切割，所以該法具有切縫小，表面加工質(zhì)量高、污染小的優(yōu)點[9-14]。ChibA． Y 等研究認為，采用復合電鍍方法固結(jié)金剛石磨粒制成的鋸絲具備較高的耐磨性與耐熱性，是最適合切割藍寶石等高硬脆材料的切割工具[15]。

1.3 超聲輔助金剛石線鋸振動切割

超聲輔助金剛石線鋸振動切割法是在固結(jié)磨粒多線切割法的線鋸上，輔助施加一定頻率和振幅的超聲波的切割方法，目前處于實驗階段。超聲波振動方向與線鋸運動方向垂直的為縱向超聲振動線鋸切割，在線鋸運動方向施加橫向的超聲波的為橫向超聲振動線鋸切割，高頻振蕩使得線鋸在去除材料時進行切割、摩擦和沖擊[5]。實驗表明，縱向施加縱向超聲振動的切割比未施加超聲振動的線鋸切割可以有效提高材料去除率，切割表面的粗糙度也降低了，但在切割硬度較高的晶體材料時，由于振動明顯，使得鋸縫寬度加大；由于切割循環(huán)往返次數(shù)多，加快了線鋸的磨損[16]。而橫向超聲振動線鋸切割中，線鋸和晶體之間是高頻振蕩的斷續(xù)接觸，使得線鋸和晶體之間的摩擦系數(shù)大幅減小，這極大地提高了切割表面質(zhì)量并延長了線鋸的使用壽命[17]。

1.4 冷分離技術(shù)

冷分離技術(shù)cold split 是由德國Siltectra 有限公司開發(fā)出的一種新的無切縫晶片制造工藝，該種加工方法需要經(jīng)過表面清洗預處理、激光調(diào)理、犧牲層、聚合物涂層、快速冷卻剝離、剝離晶片、清除聚合物和犧牲層、獲得晶片和回收剩余原料、拋光等步驟，最后可得到質(zhì)量良好的薄加工晶片[3]。目前，該技術(shù)處于研究階段，還未能投入工業(yè)生產(chǎn)。

2 研磨

研磨是藍寶石基板的第二道加工工序，主要目的是去除藍寶石基板表面在切割工序時產(chǎn)生的劃痕，提高基材表面的精度。根據(jù)不同的分類方法，可以把研磨分為單面研磨與雙面研磨、粗磨與精磨。

2.1 單面研磨與雙面研磨

單面研磨即研磨時只能加工基底的一個表面，由于研磨時需要把襯底粘在鋼盤上，磨削結(jié)束后，去除粘結(jié)固定的壓力，基底發(fā)生變形，這就會造成上下兩個表面發(fā)生翹曲變形，平面度變差。所以，單面研磨不適合大批量生產(chǎn)。雙面研磨即利用上、下兩個研磨盤，同時加工基底的兩個面，這種加工方法在晶片兩面施加的壓力是相同的，所以晶體不容易發(fā)生翹曲變形，平面度也較好[3]。同時，雙面研磨提高了研磨加工效率，也可簡化加工工序、減少加工誤差，是大批量研磨采用的最常用的方式[4]。

2.2 粗磨與精磨

根據(jù)研磨加工時磨粒的大小，可以把研磨分為粗磨與精磨。粗磨主要是為去除切割加工時的刀痕時采用的工序，精磨則主要是為了改變晶體表面粗糙度、提高表面加工質(zhì)量而使用的。其中，精密磨削加工精度在0.1～1 μm，表面粗糙度可達到Ra0.02～0.1 μm。超精密加工精度可達到0.03～0.3 μm，表面粗糙度Ra 30～5 nm[18]。上一小節(jié)提到的雙面研磨往往都是精密磨削，需要使用雙面研磨機床進行加工。關于藍寶石的精密磨削，國內(nèi)外學者進行了相關研究。劉道標等[19]通過實驗發(fā)現(xiàn)，磨粒粒徑對藍寶石基底表面損傷層深度影響最大。張保國等[20]發(fā)現(xiàn)使用細粒碳化硼和金剛石顆粒鑲嵌的陶瓷研磨盤，可以有效降低藍寶石基片表面損傷。Sokol J J 等[21]研究發(fā)現(xiàn)，二體摩擦在研磨藍寶石材料時，其去除率、表面光潔度和亞表面損傷等方面要優(yōu)于三體摩擦。Wang L 等[22]在雙面研磨機床的基礎上建立了數(shù)學模型，對藍寶石基片與磨料顆粒的相對運動進行了仿真實驗，研究發(fā)現(xiàn)較低的研磨盤轉(zhuǎn)速會造成藍寶石基片上、下表面材料均勻性較差。

3 拋光

拋光是晶片表面加工的最后工序，其目的是為了去除晶片表面的微小凸起，進一步降低晶體表面粗糙度，使表面無表層應力，無變質(zhì)。

3.1 機械拋光

機械拋光即使用機械摩擦的方法把晶體表面的微小起伏。為了得到高質(zhì)量的拋光表面，需要調(diào)整磨料的種類、顆粒度、工藝參數(shù)。根據(jù)文獻[3]可知，用1 μm 的磨料雙面拋光，其晶片平整度和厚度誤差可以控制在10 μm 以內(nèi)，晶片表面的粗糙度在0.25 nm 左右。

3.2 化學機械拋光

化學機械拋光是由化學腐蝕和機械磨削交替作用來完成加工的一種技術(shù)，首先使用化學拋光液軟化晶體表面，再利用磨粒與軟質(zhì)層之間的機械摩擦提高晶體表面質(zhì)量[23]。具體則是由拋光機床上的拋光盤、拋光液、拋光墊及動力系統(tǒng)來實現(xiàn)的，因此影響最終加工質(zhì)量和效率的因素較多。具體來說，提高堿值、增大壓力、提高轉(zhuǎn)速都能提高拋光速率，另一方面，磨料粒徑越小，獲得的表面粗糙度越低[24]。

3.3 磁流變拋光

磁流變拋光是一種利用磁體控制磁性磨料與拋光盤之間的磨削力，在芯片表面產(chǎn)生高磨削力的拋光方法。由于磁流變拋光的法向壓力很低，壓入工件深度較淺，卻能獲得高質(zhì)量的晶體表面，同時亞表面損傷很少[25-26]。目前在磁流變拋光技術(shù)的實現(xiàn)上仍存在磁流變液的研制和拋光加工過程中的柔性化控制等難題。

3.4 水合拋光

水合拋光，是依靠高溫水蒸氣與晶體表面發(fā)生水合反應，生成硬度較低的氧化鋁水合物，再用木質(zhì)拋光盤與晶片的摩擦力對晶體表面進行拋光，由于加工過程中無磨粒，故也稱為無磨粒拋光[27-28]。加工過程中，水蒸氣通過開孔的拋光盤，與晶體表面發(fā)生反應，生成水鋁石。水合拋光需要水與加工晶體之間進行水合反應，故目前該技術(shù)只應用于易溶解于水的藍寶石、玻璃等晶片，加工范圍較窄。

3.5 激光拋光

激光拋光技術(shù)是利用熱作用和能量密度高的激光束照射工件表面，利用激光與材料表面的相互作用從而消除表面物質(zhì)的加工方法。激光與材料間的作用方式有熱作用和光化學作用，可把激光拋光分為熱拋光和冷拋光。熱拋光即利用激光的熱效應,通過熔化、蒸發(fā)等過程去除材料。因此只要材料的熱物理性能好,都可以用它來進行拋光,但由于溫度梯度大而產(chǎn)生的熱應力大,易產(chǎn)生裂紋,因此熱拋光的效果不是很好。冷拋光是利用材料吸收光子后，利用光化表層材料的化學鍵被打斷或者是晶格結(jié)構(gòu)被破壞，從而實現(xiàn)材料的去除。冷拋光時熱效應可以被忽略，因此熱應力很小，不產(chǎn)生裂紋，也不影響周圍材料且容易控制材料的去除量，特別適合于硬脆性材料的精密加工[29]。

如今，激光拋光技術(shù)越來越廣泛地被用于藍寶石材料的超精密拋光[30]。但是，激光拋光的設備制造費用昂貴、加工過程中的檢測技術(shù)和精度控制技術(shù)要求比較高，使得其在工業(yè)應用中受到了限制。

3.6 復合拋光

拋光的加工步驟屬于超精密加工，然而，單一的拋光技術(shù)在保證了表面粗糙度的條件下，往往材料去除率低、大大影響了拋光效率。兩種及以上復合的拋光技術(shù)在產(chǎn)業(yè)化需求的基礎上應運而生。復合拋光包括超聲波磁流變、超聲波水合、超聲波振動輔助等，即在磁流變、水合拋光等技術(shù)中，附加超聲振動系統(tǒng)，使得加工工具或工件以特定的頻率和振幅進行超聲頻機械振動，帶動微粒摩擦晶體表面，從而進行拋光[31-33]。

4 結(jié)束語

藍寶石晶體具有強度高、耐高溫、耐化學腐蝕、抗磨損等優(yōu)良性能，在半導體照明、國防軍工、航天航空和智能穿戴、電子產(chǎn)品等領域得到廣泛的應用。而藍寶石作為典型的硬脆難加工材料，實現(xiàn)高效低損傷超精密加工成為其應用發(fā)展的障礙。為此，針對現(xiàn)有加工技術(shù)中存在的難題，需要進一步研究切割、研磨、拋光過程中的機理理論，探索藍寶石晶片加工的工藝方法和路線。同時，借鑒國外新的加工技術(shù)，采用更先進的超精密加工工藝和設備，從而制備出高質(zhì)量的基底。