一种薄型板状蓝宝石晶片的加工方法技术

本发明专利技术公开了一种薄型板状蓝宝石晶片的加工方法，其特征在于具有如下步骤：薄型板状蓝宝石晶片依次经过双面游离磨料研磨、双面固结硬磨料磨盘粗研磨、双面固结硬磨料磨盘精研磨和双面固结软磨料磨盘机械化学抛光处理。游离磨料双面研磨主要减小薄型板状蓝宝石晶片的波纹度，控制平面度。而双面固结磨料磨盘研磨可以增大研磨压力，提高材料去除率，加工精度和表面质量可控性强，加工效率快。固结软磨料磨盘机械化学抛光可以大幅度提高晶片研磨抛光效率，避免传统硅溶胶抛光液的大量损耗，降低成本，绿色环保。本发明专利技术可以高精度、高质量和高效率的加工制造薄型板状蓝宝石晶片。

A processing method of thin sapphire wafer

The invention discloses a processing method of thin plate-shaped sapphire wafer, which is characterized in the following steps: the thin plate-shaped sapphire wafer is successively subjected to two-sided free abrasive grinding, two-sided consolidated hard abrasive grinding plate rough grinding, two-sided consolidated hard abrasive grinding plate fine grinding and two-sided consolidated soft abrasive grinding plate mechanochemical polishing. Free abrasive double-sided grinding mainly reduces the waviness of thin sapphire wafer and controls the flatness. While the double-sided consolidated abrasive disc grinding can increase the grinding pressure, improve the material removal rate, process accuracy and surface quality controllability, and process efficiency. The mechanical and chemical polishing of consolidated soft abrasive disc can greatly improve the efficiency of wafer grinding and polishing, avoid the large loss of traditional silica sol polishing solution, reduce the cost and environmental protection. The invention can process and manufacture thin plate sapphire chip with high precision, high quality and high efficiency.

【技术实现步骤摘要】
一种薄型板状蓝宝石晶片的加工方法
本专利技术属于蓝宝石超精密加工
，主要涉及一种薄型板状蓝宝石晶片的加工方法。
技术介绍
蓝宝石为一种(α-Al2O3)氧化铝晶体，俗称刚玉，其晶格结构为六方晶格结构。单晶蓝宝石具有优良的光学性能和化学稳定性，并且强度高，硬度大，耐冲击性和耐磨性好，广泛应用于红外光学材料、高强度激光的窗口材料、高温超导薄膜晶片和LED衬底材料等。与其他类型的晶体材料相比，单晶蓝宝石生长速度慢，加工效率低，成本昂贵，这些严重限制了蓝宝石晶片的应用。如图1所示，传统的薄型板状蓝宝石晶片是利用金刚石多线切割技术对蓝宝石晶棒进行定尺寸切割，而后对切割而来的晶片进行游离磨料研磨和高温化学湿法腐蚀以及单面游离金刚石机械抛光，最后用纳米级硅溶胶进行化学机械抛光。由于单晶蓝宝石属于硬脆材料，用金刚石多线切割的方式难免会造成较大的表面损伤和深锯痕，增大了后续研磨和腐蚀的去除量和加工时间，不利于降低成本。同时利用强酸强碱腐蚀还会造成一定的环境污染，不符合绿色发展的理念。传统的游离磨料研磨也有许多不足之处。采用游离磨料研磨的方式，对磨料的均匀性要求高。当磨粒分布不均，有大颗磨粒参与研磨时，极易引起点坑、崩碎、裂纹、划痕等表面损伤以及亚表面损伤，加工性能不稳定。此外磨料处于游离状态，限制了加工效率。研磨盘转速太大，磨料受离心力飞出，磨料利用率低，废液处理不当还会引起环境污染，因而增加了生产成本。传统的CMP化学机械抛光技术的技术不足主要在于：加工效率低、抛光液利用率低，高的抛光液损耗加大了蓝宝石加工成本，抛光液的排放以及后续的清洗环节也对环境造成了污染。针对上述这些问题都需要对传统工艺进行改进。导模法(Edge-DefindedFilm-FedGrowth，EFG，边缘限定-薄膜供料法)是制备薄型板状蓝宝石晶片的一种新型方法，相对于金刚石多线切割技术具有生长周期短、可连续投料、可制备特定形状尺寸的晶片，无损伤层，可简化后续加工工序，有效降低成本等特点。但由于导模法是基于模具狭小缝隙对熔体毛细作用的原理，毛细作用的牵引和模具挤压作用会使成型晶片表面存在很大的波纹度，表面具有山丘状起伏的形貌，面型较差。因此针对导模法制备蓝宝石晶片的表面特征，需要开发一种新的工艺，优化面型，提高加工效率，获得优良的尺寸精度、几何精度和无加工变质层的超光滑表面。
技术实现思路
基于
技术介绍
中存在的问题，本专利技术提出了一种工序简单、绿色环保、高效低损伤的薄型板状蓝宝石晶片的加工方法。本专利技术采用的技术手段如下：一种薄型板状蓝宝石晶片的加工方法，具有如下步骤：薄型板状蓝宝石晶片依次经过双面游离磨料研磨、双面固结硬磨料磨盘粗研磨、双面固结硬磨料磨盘精研磨和双面固结软磨料磨盘机械化学抛光处理。所述双面游离磨料研磨采用上研磨盘和下研磨盘同时分别对薄型板状蓝宝石晶片上下表面进行研磨，以减小波纹度，保证平面度；研磨液由粒度大小为W14-W20的硬质磨料与去离子水按质量比1:15～1:20充分混合，搅拌均匀制成；上研磨盘转速为15-20r/min，下研磨盘转速为30-35r/min；上研磨盘和下研磨盘的研磨压力均为0.05-0.08MPa；研磨液由上研磨盘和下研磨盘内部的流道流向薄型板状蓝宝石晶片上下表面，流量为40-50ml/min；所述双面游离磨料研磨的研磨时间为25-30min。所述硬质磨料为的金刚石、SiC、B4C中的一种或多种组合；上研磨盘和下研磨盘的材质为灰铸铁或黄铜。所述双面游离磨料研磨的目的在于去除由导模法制备的薄型板状蓝宝石晶片上下表面的山丘状隆起，极大减小波纹度，优化面型，保证平面度小于10μm，避免下道工序加大研磨压力而导致应力集中的破碎现象，提高成品率。所述双面固结硬磨料磨盘粗研磨采用上粗磨盘和下粗磨盘同时分别对经双面游离磨料研磨的薄型板状蓝宝石晶片上下表面进行研磨；上粗磨盘和下粗磨盘由结合剂与粒度大小为W10-W14的硬质磨料烧结而成；上粗磨盘转速为50-60r/min，下粗磨盘转速为100-125r/min；上粗磨盘和下粗磨盘的研磨压力均为0.25-0.3MPa；所述双面固结硬磨料磨盘粗研磨的研磨时间为15-20min，冷却方式为采用去离子水持续冷却。上粗磨盘和下粗磨盘的磨盘磨料浓度为100％；所述硬质磨料为金刚石、CBN、SiC中的一种或多种组合；所述结合剂为陶瓷结合剂、陶瓷树脂复合结合剂或树脂结合剂；上粗磨盘和下粗磨盘的制作过程如下：选用粒度大小为W10-W14的硬质磨料置于研钵中混合，逐步滴入浓度为0.3～0.4％的临时粘结剂甲基纤维素水溶液或羧甲基纤维素钠水溶液至润湿硬质磨料，再加入结合剂与糊精粉的混合粉体，充分搅拌15～20min至结合剂能充分包裹硬质磨料，得到混合粉料；将上述混合粉料压入模具中，压力60～80MPa，保压4～5min；之后，放入烧结炉中650～780℃烧结，整个烧结过程在N2气氛下保护。所述陶瓷结合剂为B2O3-Al2O3-SiO2系陶瓷结合剂。所述双面固结硬磨料磨盘粗研磨的目的在于增加研磨压力和研磨转速，增加对蓝宝石晶片的去除量，提高材料去除率，提高加工效率，磨料利用率高，表面质量可控性强，解决了研磨液难以回收处理的问题。双面固结硬磨料磨盘粗研磨后薄型板状蓝宝石晶片上下表面粗糙度为450-550nm。所述双面固结硬磨料磨盘精研磨采用上精磨盘和下精磨盘同时分别对经双面固结硬磨料磨盘粗研磨的薄型板状蓝宝石晶片上下表面进行研磨；上精磨盘和下精磨盘由结合剂与粒度大小为W5-W7的硬质磨料烧结而成；上精磨盘转速为60-70r/min，下精磨盘转速120-135r/min；上精磨盘和下精磨盘的研磨压力均为0.25-0.3MPa；所述双面固结硬磨料磨盘精研磨的研磨时间为100-120min，冷却方式为采用去离子水持续冷却。上精磨盘和下精磨盘的磨盘磨料浓度为100％；所述硬质磨料为金刚石、CBN、SiC中的一种或多种组合；所述结合剂为陶瓷结合剂、陶瓷树脂复合结合剂或树脂结合剂；上精磨盘和下精磨盘的制作过程如下：选用粒度大小为W5-W7的硬质磨料置于研钵中混合，逐步滴入浓度为0.3～0.4％的临时粘结剂甲基纤维素水溶液或羧甲基纤维素钠水溶液至润湿硬质磨料，再加入结合剂与糊精粉的混合粉体，充分搅拌15～20min至结合剂能充分包裹硬质磨料，得到混合粉料；将上述混合粉料压入模具中，压力60～80MPa，保压4～5min；之后，放入烧结炉中650～780℃烧结，整个烧结过程在N2气氛下保护。所述陶瓷结合剂为B2O3-Al2O3-SiO2系陶瓷结合剂。所述双面固结硬磨料磨盘精研磨的目的在于保持一定的材料去除率，减小加工后的亚表面损伤层深度，提高薄型板状蓝宝石晶片面型精度和表面质量。双面固结硬磨料磨盘精研磨后薄型板状蓝宝石晶片上下表面粗糙度为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种薄型板状蓝宝石晶片的加工方法，其特征在于具有如下步骤：薄型板状蓝宝石晶片依次经过双面游离磨料研磨、双面固结硬磨料磨盘粗研磨、双面固结硬磨料磨盘精研磨和双面固结软磨料磨盘机械化学抛光处理。/n

【技术特征摘要】
1.一种薄型板状蓝宝石晶片的加工方法，其特征在于具有如下步骤：薄型板状蓝宝石晶片依次经过双面游离磨料研磨、双面固结硬磨料磨盘粗研磨、双面固结硬磨料磨盘精研磨和双面固结软磨料磨盘机械化学抛光处理。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述双面游离磨料研磨采用上研磨盘和下研磨盘同时分别对薄型板状蓝宝石晶片上下表面进行研磨；
所述双面游离磨料研磨采用上研磨盘和下研磨盘同时分别对薄型板状蓝宝石晶片上下表面进行研磨；
研磨液由粒度大小为W14-W20的硬质磨料与去离子水按质量比1:15～1:20充分混合，搅拌均匀制成；
上研磨盘转速为15-20r/min，下研磨盘转速为30-35r/min；
上研磨盘和下研磨盘的研磨压力均为0.05-0.08MPa；
研磨液由上研磨盘和下研磨盘内部的流道流向薄型板状蓝宝石晶片上下表面，流量为40-50ml/min；
所述双面游离磨料研磨的研磨时间为25-30min。


3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述硬质磨料为的金刚石、SiC、B4C中的一种或多种组合；
上研磨盘和下研磨盘的材质为灰铸铁或黄铜。


4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述双面固结硬磨料磨盘粗研磨采用上粗磨盘和下粗磨盘同时分别对经双面游离磨料研磨的薄型板状蓝宝石晶片上下表面进行研磨；
上粗磨盘和下粗磨盘由结合剂与粒度大小为W10-W14的硬质磨料烧结而成；
上粗磨盘转速为50-60r/min，下粗磨盘转速为100-125r/min；
上粗磨盘和下粗磨盘的研磨压力均为0.25-0.3MPa；
所述双面固结硬磨料磨盘粗研磨的研磨时间为15-20min，冷却方式为采用去离子水持续冷却。


5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，上粗磨盘和下粗磨盘的磨盘磨料浓度为100％；
所述硬质磨料为金刚石、CBN、SiC中的一种或多种组合；
所述结合剂为陶瓷结合剂、陶瓷树脂复合结合剂或树脂结合剂；
上粗磨盘和下粗磨盘的制作过程如下：
选用粒度大小为W10-W14的硬质磨料置于研钵中混合，逐步滴入浓度为0.3～0.4％的临时粘结剂甲基纤维素水溶液或羧甲基纤维素钠水溶液至润湿硬质磨料，再加入结合剂与糊精粉的混合粉体，充分搅拌15～20min至结合剂能充分包裹硬质磨料，得到混合粉料；将上述混合粉料压入模具中，压力60～80MPa，保压4～5min；之后，放入烧结炉中650～780℃烧结，整个烧结过程在N2气氛下保护。


6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述双面固结硬磨料磨盘精研磨采用上精磨盘和下精磨盘同时...

【专利技术属性】
技术研发人员：康仁科，高尚，李洪钢，董志刚，朱祥龙，牟宇，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21