林晨，許永超

(福建工程學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，福建 福州 350118)

單晶藍(lán)寶石(α-Al2O3)作為集優(yōu)良的光學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能于一體的多功能氧化物晶體，在光電子、通訊、國防等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用[1- 2]。其中，因單晶藍(lán)寶石與半導(dǎo)體氮化鎵(GaN)晶格失配度較小、透光性好和適合高溫生長過程等特點(diǎn)已成為發(fā)光二極管(LED)最重要的襯底材料，占目前LED襯底市場的96%以上[3]。

LED器件性能的優(yōu)劣及其可靠性嚴(yán)重依賴于單晶襯底表面外延層的結(jié)晶質(zhì)量和完整性，而外延層的質(zhì)量主要取決于在外延壘晶之前襯底表面的加工質(zhì)量，獲得超光滑、超平坦、無表面/亞表面損傷的單晶藍(lán)寶石襯底表面是高質(zhì)量外延層生長的關(guān)鍵基礎(chǔ)條件。拋光作為加工單晶藍(lán)寶石襯底的最后一道工序，如何高效獲得高質(zhì)量、低損傷襯底表面是超精密拋光領(lǐng)域的重要研究課題。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者相繼提出了眾多的單晶藍(lán)寶石襯底拋光新方法，且仍以磨粒加工方式為主。本文通過對(duì)不同藍(lán)寶石襯底拋光技術(shù)的最新研究進(jìn)行歸納總結(jié)，從材料去除機(jī)理出發(fā)，對(duì)不同的磨粒超精密拋光方法從表面粗糙度、材料去除率等角度進(jìn)行比較分析，并對(duì)下一步研究重點(diǎn)進(jìn)行了展望。

1 磨粒加工去除機(jī)理

1.1 磨粒加工的去除過程

磨粒加工主要以機(jī)械、機(jī)械-化學(xué)耦合作用對(duì)襯底材料進(jìn)行去除。機(jī)械拋光是選用硬度較襯底高或相當(dāng)?shù)哪チ?，依靠其犁削和滑擦作用將襯底表面材料去除。以機(jī)械-化學(xué)耦合作用實(shí)現(xiàn)材料去除的磨粒拋光技術(shù)包括機(jī)械化學(xué)拋光(MCP)和化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)兩種：MCP是利用硬度比襯底低的活性磨料，借助其與襯底的“摩擦生熱”達(dá)到產(chǎn)生固相化學(xué)反應(yīng)所需要的活化能，使得襯底表面產(chǎn)生硬度較藍(lán)寶石材料更低的軟質(zhì)層，再通過磨料作用去除反應(yīng)物；CMP則是采用堿性拋光液與襯底表面產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，生成一定厚度的軟質(zhì)層，再通過磨料作用去除反應(yīng)物。

1.2 磨粒加工的材料去除模型

磨粒加工的拋光效能易受工藝參數(shù)、加工設(shè)備、環(huán)境等因素的影響。目前，磨粒加工硬脆性材料去除模型主要有3類，分別為純機(jī)械去除模型、塑性去除模型、化學(xué)-機(jī)械耦合去除模型。

(1)純機(jī)械去除模型 只考慮磨粒微切削的機(jī)械作用，磨粒在拋光壓力的作用下刻入襯底表面，再在一定的轉(zhuǎn)速下切除材料。當(dāng)前，較為合理的理論模型為Preston在研磨玻璃時(shí)得出的經(jīng)驗(yàn)公式，稱之Preston方程[4]：

RMR=KP×P×V

(1)

式中：RMR為襯底材料去除率；KP為Preston常系數(shù)；P為拋光壓力(Pa)；V為襯底相對(duì)拋光盤的線速度(m/s)。

Preston公式表明，針對(duì)玻璃襯底，工件材料去除率與拋光壓力和相對(duì)轉(zhuǎn)速成正比。但拋光盤的損耗、襯底的形狀等因素都集中在KP常系數(shù)中，意義不夠明確，因此其他學(xué)者在此基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行了修正，如表1所示。

表1 修正后的材料去除模型

(2)塑性去除模型 采用粒度較小的磨粒對(duì)襯底表面加工，使磨粒切入的深度足夠小、加工面發(fā)生塑性流動(dòng)的現(xiàn)象。塑性去除最重要的是通過相應(yīng)的工件屬性尋找對(duì)應(yīng)的脆塑性臨界切深，以此控制磨粒的切入深度小于臨界切深。Bifano等[9-11]根據(jù)壓痕斷裂力學(xué)理論建立了玻璃的臨界切深模型：

(2)

式中：dC為玻璃的臨界切深(nm)；E為襯底的楊氏模量(MPa)；H為襯底的顯微硬度(MPa)；KC為材料的斷裂韌性(MPa·nm1/2)。

Bifano建立的玻璃臨界切深模型除了與襯底的楊氏模量、顯微硬度有關(guān)系，還取決于材料的斷裂韌性。Scholz等[12]利用顯微壓痕法提出材料斷裂韌性的測試公式，同時(shí)利用該公式對(duì)硬脆性材料中的熔融石英、藍(lán)寶石、鈦酸鋇的斷裂韌性進(jìn)行驗(yàn)算分析，提高了公式應(yīng)用的廣泛性，其得出的材料斷裂韌性公式為：

(3)

式中：κ為與金剛石壓頭的幾何形狀相關(guān)的常數(shù)，一般取0.036；P為載荷(N)；C為襯底表面壓痕的裂紋長度(nm)。

Bifano的臨界切深的理論模型材料僅限于玻璃，且模型采用的網(wǎng)格計(jì)數(shù)法具有一定主觀性，孫玉利[13]對(duì)其模型進(jìn)行了修正，并根據(jù)修正后的公式測算了硅片的臨界切深為54.63 nm。修正公式為：

(4)

戴欣平等[14]建立了單顆圓錐狀磨粒的壓入模型，利用納米壓痕和劃痕測試相結(jié)合的方法，并借助白光干涉儀、掃描電子顯微鏡、透射電鏡等方法得出單晶藍(lán)寶石塑性去除的臨界切深為100 nm左右，為藍(lán)寶石襯底加工奠定了理論基礎(chǔ)。

(3)化學(xué)-機(jī)械耦合去除模型 借助堿性拋光液與襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成一軟質(zhì)層，再以磨粒微切削的作用去除材料。Zhao等[15]利用彈塑性接觸理論和化學(xué)分子動(dòng)力學(xué)建立的材料去除速率數(shù)學(xué)模型，其模型為：

(5)

式中：dm為襯底材料表面分子或者原子的直徑(nm)；Vd為襯底與研磨墊的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度(m/s)；At為襯底與研磨墊的實(shí)際接觸面積(mm2)；η為發(fā)生化學(xué)作用的概率，其數(shù)值滿足0≤η≤1；γ為發(fā)生機(jī)械作用的概率，其數(shù)值滿足0≤γ≤1；χ為磨料的體積分?jǐn)?shù)；D為磨料的直徑(μm)。

該模型通過拋光液的化學(xué)作用把襯底表面強(qiáng)鍵的分子轉(zhuǎn)換為弱鍵的分子物質(zhì)，再利用磨料機(jī)械作用打破弱鍵所需要的能量，從分子尺度上去除材料。

2 磨粒加工方式

根據(jù)磨粒在加工過程中的運(yùn)動(dòng)形式，現(xiàn)有藍(lán)寶石襯底的磨粒拋光技術(shù)可分為游離磨料加工、固結(jié)磨料加工和半固結(jié)磨料加工3種。

2.1 游離磨料加工

將磨料分散到拋光液中，磨料呈“游離態(tài)”加工。它屬于“三體加工”，利用磨料對(duì)襯底表面的微切削與劃擦作用進(jìn)行材料去除，其作用機(jī)理如圖1所示[16]。形狀各異的磨粒在拋光壓力作用下，一部分嵌入拋光盤中對(duì)襯底進(jìn)行刻劃，達(dá)到微切削的作用；一部分持續(xù)以滾動(dòng)的方式對(duì)襯底進(jìn)行滾軋。在刻劃與滾軋的相互作用下，襯底表面的微裂紋不斷擴(kuò)大直至崩裂實(shí)現(xiàn)去除。

圖1 游離磨料加工的作用機(jī)理Fig.1 Mechanism of free abrasive polishing

游離磨料加工具有加工設(shè)備簡單、參數(shù)調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)，但也存在明顯不足：(1)磨料運(yùn)動(dòng)軌跡不可控，磨削力的大小和方向無規(guī)律，使襯底表面去除量不均，導(dǎo)致襯底表面質(zhì)量及平整度差；(2)磨料處于游離狀態(tài)，加工中易產(chǎn)生飛濺，使磨料利用率降低并污染環(huán)境，加工成本高。

2.2 固結(jié)磨料加工

利用硬質(zhì)結(jié)合劑將磨料固定于拋光盤上，依靠磨粒外露的鋒刃對(duì)襯底表面的耕犁作用去除材料，屬于“二體加工”。固結(jié)磨料加工的作用機(jī)理如圖2所示[17]。

圖2 固結(jié)磨料加工的作用機(jī)理Fig.2 Mechanism of fixed abrasive polishing

固結(jié)磨料加工的優(yōu)點(diǎn)是：磨料固定于拋光盤上，不易脫落，磨料利用率較高；可實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)動(dòng)，磨粒的軌跡呈規(guī)律運(yùn)行；結(jié)合劑硬度高，加工后襯底表面面形精度較好。固結(jié)磨料加工也存在不足：(1)固結(jié)磨具在制備過程中超細(xì)磨料分散不均勻且易團(tuán)聚，導(dǎo)致襯底表面劃痕嚴(yán)重；(2)磨粒外露的鋒刃高度不等，易造成襯底表面及亞表面機(jī)械損傷，拋光效果不佳。

2.3 半固結(jié)磨料加工

以不飽和樹脂、藻酸鈉鹽[18]等軟質(zhì)結(jié)合劑以及磁流變液的“陷阱”效應(yīng)為代表，使磨粒在一定范圍內(nèi)移動(dòng)，同時(shí)又受到約束而形成半固結(jié)磨料加工，半固結(jié)磨料加工有效避免了大顆粒磨粒對(duì)工件表面造成的損傷，如圖3所示[19]。以“二體磨損為主、三體磨損為輔”，介于游離磨料與固結(jié)磨料之間，較大磨粒在壓力作用下，使周圍的磨粒發(fā)生遷移，較大磨粒逐漸陷入其余顆粒中，直至達(dá)到等高狀態(tài)。

圖3 半固結(jié)磨具的“陷阱效應(yīng)”Fig.3 “Trap effect” of semi-fixed abrasive polishing tool

半固結(jié)磨料加工的優(yōu)點(diǎn)是：(1)可使用較大粒徑的磨料代替超細(xì)磨粒加工襯底，避免超細(xì)磨料團(tuán)聚；(2)半固結(jié)拋光盤具有一定的彈性，使磨粒在一定的范圍內(nèi)發(fā)生退讓而保持出刃高度一致，拋光表面質(zhì)量較好，避免對(duì)襯底表面產(chǎn)生深度劃痕，實(shí)現(xiàn)對(duì)藍(lán)寶石高質(zhì)量的柔性拋光。半固結(jié)磨料加工是一種比較理想的加工方法，但其盤面較軟，磨粒易脫落，存在加工效率低且壽命短等不足。

2.4 不同磨料加工方式的影響因素

磨料加工藍(lán)寶石襯底易受加工工藝參數(shù)(壓力、轉(zhuǎn)速、時(shí)間)、磨粒參數(shù)(種類、粒徑、濃度)等因素的影響。對(duì)于游離磨料加工，當(dāng)拋光壓力過小時(shí)，與襯底接觸的磨料減少，不利于發(fā)揮磨料切削作用；拋光壓力適中時(shí)，有利于較多磨料對(duì)襯底進(jìn)行滾軋和劃擦作用；拋光壓力過大時(shí)，襯底與拋光墊之間的間隙變小，粒徑較大的磨粒易對(duì)襯底產(chǎn)生損傷。加工轉(zhuǎn)速方面，當(dāng)轉(zhuǎn)速過小時(shí)，磨料運(yùn)動(dòng)不充分，襯底與磨料接觸機(jī)會(huì)減少，導(dǎo)致材料去除率降低；拋光轉(zhuǎn)速適中時(shí)，襯底與磨料的接觸機(jī)會(huì)變多，使磨料對(duì)襯底的切削更聚集、均勻，對(duì)襯底的拋光效果較好；拋光轉(zhuǎn)速過大時(shí)，磨料還未產(chǎn)生切削作用，便在離心力的作用下引起飛濺，導(dǎo)致襯底拋光加工質(zhì)量差。在恒定的拋光壓力及轉(zhuǎn)速條件下，由于襯底初始粗糙度較大，磨料的去除作用較為明顯，襯底拋光效果較好。隨著加工時(shí)間的延長，襯底表面粗糙度逐漸趨于穩(wěn)定。

對(duì)于固結(jié)磨料加工，當(dāng)拋光壓力較小時(shí)，由于固結(jié)磨料外露的磨粒高度不一致使得有效磨粒數(shù)較少，導(dǎo)致材料去除率較低；拋光壓力較大時(shí)，固結(jié)磨料參與切削的數(shù)量增多，亦可提高化學(xué)反應(yīng)所需的活化能，襯底材料去除率變大，但表面損傷是主要問題。對(duì)于拋光轉(zhuǎn)速較小時(shí)，磨料出刃高度不均，使襯底表面受力不均，轉(zhuǎn)速相對(duì)不平穩(wěn)，造成拋光效果差；拋光轉(zhuǎn)速較大時(shí)，襯底轉(zhuǎn)動(dòng)相對(duì)平穩(wěn)，發(fā)揮切削作用的磨料變多，拋光性能變好。Wang等[20]通過單因素試驗(yàn)法研究了拋光壓力、轉(zhuǎn)速對(duì)藍(lán)寶石襯底的材料去除率及表面粗糙度的影響規(guī)律，如圖4所示。

圖4 拋光轉(zhuǎn)速、壓力對(duì)藍(lán)寶石襯底材料去除率及表面粗糙度的影響Fig.4 Influences of polishing speed and pressure on sapphire substrate material removal rate and surface roughness

對(duì)于半固結(jié)磨料加工，當(dāng)拋光壓力過小時(shí)，因磨粒粒徑不一致，藍(lán)寶石接觸磨料的數(shù)量較少，拋光效果較差；拋光壓力較大時(shí)，拋光盤的“陷阱”作用明顯，可兼顧表面質(zhì)量和材料去除率，襯底拋光性能較優(yōu)；拋光壓力過大時(shí)，因盤面較軟，加工后襯底平整度較差。對(duì)于加工轉(zhuǎn)速方面，當(dāng)拋光轉(zhuǎn)速過小時(shí)，磨粒對(duì)襯底的切削減弱，拋光效率較低；拋光轉(zhuǎn)速增大時(shí)，磨粒對(duì)襯底的切削作用明顯，拋光效果好。

對(duì)于不同的拋光技術(shù)，磨料的種類、粒徑和濃度也會(huì)對(duì)加工效果產(chǎn)生顯著影響。在磨粒種類方面，傳統(tǒng)的機(jī)械拋光主要采用硬度比藍(lán)寶石高或相當(dāng)?shù)哪チ蟻砣コ牧希趻伖庵腥菀桩a(chǎn)生深劃痕?，F(xiàn)今基于機(jī)械-化學(xué)耦合的作用，大多采用硬度低于藍(lán)寶石的二氧化硅磨料，利用堿性拋光液或者二氧化硅與工件發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成一層硬度較低的軟質(zhì)層，再由磨粒的機(jī)械作用去除。熊偉、Wu、林旺票等[19,21-22]均采用了二氧化硅對(duì)單晶藍(lán)寶石進(jìn)行拋光，得到了較好的表面質(zhì)量和較高的材料去除率。

Zhang、臧江龍、鄭坤等[23-25]通過實(shí)驗(yàn)得出了襯底材料去除率隨著磨粒粒徑、濃度的增大而增大的結(jié)論。游離磨料的粒徑、濃度增大會(huì)增加磨料對(duì)工件的滾軋和劃擦。固結(jié)磨料的粒徑增大會(huì)引起耕犁效應(yīng)加劇。固結(jié)磨料濃度過小時(shí)，外露的磨料數(shù)量少，導(dǎo)致磨料受力大而容易脫落，拋光盤損耗加大，襯底加工效果差；濃度過大時(shí)，對(duì)磨料的束縛能力變差，易增加拋光盤的損耗，影響其形狀精度和使用壽命，因此固結(jié)磨料的濃度適中才有利于襯底拋光。半固結(jié)磨料的粒徑增大會(huì)降低“陷阱效應(yīng)”的作用，導(dǎo)致較大粒徑的磨料無法完全陷入，造成襯底加工表面劃痕明顯。

3 磨粒加工方式的比較分析

同等條件下，不同的磨粒加工方式對(duì)藍(lán)寶石襯底的表面粗糙度、材料去除率不一致，分析并對(duì)比不同的磨粒加工方式對(duì)藍(lán)寶石襯底拋光實(shí)現(xiàn)高效率、高質(zhì)量、無污染的超精密加工研究具有指引作用。

kim等[26]對(duì)“三體加工”的游離磨料和“二體加工”的固結(jié)磨料拋光藍(lán)寶石襯底進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析。隨著不同的工藝參數(shù)數(shù)值的增大，二者的材料去除率均提高，但是固結(jié)磨料始終高于游離磨料，如圖5所示。使用銅樹脂盤、鋁樹脂盤、錫樹脂盤、固結(jié)金剛石盤拋光襯底后的表面粗糙度分別為38.03、25.28、19.03、69.05 nm。游離磨料處于自由態(tài)，對(duì)襯底進(jìn)行“滾軋”和“劃擦”的三體加工作用是由基盤和載物盤之間產(chǎn)生的。而固結(jié)磨料加工，其產(chǎn)生“耕犁”的二體加工作用對(duì)襯底材料去除貢獻(xiàn)較大，所以游離磨料拋光襯底的材料去除率較固結(jié)磨料低，但固結(jié)磨料外露的鋒刃高度差異明顯，易使襯底表面產(chǎn)生崩碎凹坑和“耕犁”痕跡，其拋光后表面粗糙度較游離磨料差。

Luo等[18]研究了固結(jié)磨料和半固結(jié)磨料對(duì)藍(lán)寶石襯底的拋光性能，得到金剛石固結(jié)磨料和半固結(jié)磨料對(duì)藍(lán)寶石襯底拋光的材料去除率為26.9、3.5 nm/min，表面粗糙度為99、3.7 nm。半固結(jié)磨料因其磨料可在適度范圍內(nèi)移動(dòng)，可使盤面磨粒外露的鋒刃高度保持一致對(duì)襯底加工，其能獲得的表面粗糙度效果較好，但因其盤面較軟，對(duì)襯底拋光材料去除率相對(duì)較低。

圖5 不同工藝參數(shù)下游離磨料和固結(jié)磨料拋光藍(lán)寶石襯底的材料去除率Fig.5 Material removal rate of sapphire substrate polished by free abrasive polishing and fixed abrasive polishing with different process parameters

4 總結(jié)與展望

目前，國內(nèi)外研究者在單晶藍(lán)寶石襯底的磨粒拋光技術(shù)方面取得了一系列進(jìn)展，但隨著藍(lán)寶石需求量的增大，對(duì)其加工質(zhì)量的要求也不斷提升，必將對(duì)磨粒拋光提出更新的、更嚴(yán)格的要求。為了提高單晶藍(lán)寶石的磨粒精密加工技術(shù)，以下問題值得進(jìn)一步深入研究：

1)新機(jī)理。當(dāng)前磨粒加工技術(shù)的機(jī)理研究中，較多以游離磨料展開為主。通過相關(guān)工藝參數(shù)的調(diào)整及計(jì)算機(jī)仿真軟件等手段，揭示固結(jié)磨料及半固結(jié)磨料的加工機(jī)理，有效地提高單晶藍(lán)寶石高面形精度和高質(zhì)量的表面。

2)新工藝。不同的磨粒加工方式加工單晶藍(lán)寶石較為單一化，參數(shù)變化種類較少。根據(jù)不同的磨粒加工方式的特點(diǎn)進(jìn)行結(jié)合，制備多種組合式的復(fù)合結(jié)構(gòu)磨具對(duì)單晶藍(lán)寶石襯底精密拋光，確定最優(yōu)的工藝參數(shù)組合。

3)裝備開發(fā)。研制新型拋光設(shè)備，提高設(shè)備拋光自動(dòng)化程度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝夾工件加工、拋光液自動(dòng)檢測更換、拋光工具修整程序簡化且一鍵控制、降低拋光廢品率。

4)工程批量化。從整個(gè)加工工藝鏈角度出發(fā)研究單晶藍(lán)寶石拋光環(huán)節(jié)的銜接，實(shí)現(xiàn)全程加工自動(dòng)處理，縮短單晶藍(lán)寶石整個(gè)加工工藝流程時(shí)間。