固結磨料研磨藍寶石單晶的實驗研究

1單晶藍寶石加工工藝由于其優越的物理和光學性能，藍藍色光刻被廣泛應用于光刻護理件（light）和固體激光光刻化器，并逐漸成為下一代手機板的首選。現在它已經在iphone手機上實驗。目前,對于單晶藍寶石的加工需采用切片、倒角、研磨、拋光等多道工序完成,其中研磨加工是工件獲得良好平面度、保證拋光質量和效率的關鍵工序,也是專家學者研究的熱點。單晶藍寶石的研磨一般利用逐級減小研磨液中B本文采用自制的金剛石固結磨料研磨墊對藍寶石晶片進行研磨實驗,通過改變研磨液的成份,探究研磨液在固結磨料研磨藍寶石晶體中的作用,并借助光電子能譜儀XPS分析研磨液對藍寶石表面的化學作用,探索固結磨料研磨藍寶石晶體的材料去除機理,為加工工藝的優化提供了理論指導。2實驗部分2.1磨料粒徑對研磨墊面型的影響固結磨料研磨墊利用高聚合物的樹脂材料作黏接劑,把一定粒徑的金剛石磨料通過加熱引發固化劑,加熱固化而成。通過改變磨料粒徑的大小可以調節研磨墊的應用。在磨料中加入了適量的細銅粉,可以提高研磨墊硬度,改善工件面型精度。固結磨料研磨墊制備流程如圖1所示,研磨墊可分為磨料層和基體層,磨料層表面有凸起結構,凸起之間留有溝槽,便于研磨液的流動和研磨碎屑的排出。基體層不含磨料,具有一定的彈性,方便研磨墊與研磨盤的黏接,有利于研磨過程中研磨墊剛度的調節。2.2粗研加工樣品為直徑50.8mm,厚度0.5mm的藍寶石晶體的(0001)晶面,研磨加工實驗在智能型納米級拋光機(Nanopoli-100)上進行,實驗采用W14鍍鎳金剛石制作的固結磨料研磨墊。為了保證研磨條件的一致性,研磨加工前先用W75的研磨墊粗磨10min,粗研加工參數如表1所示。為了探索研磨液組份對固結磨料研磨藍寶石的影響,選用有利于研磨墊自修整性能提高的常見堿性物質,并通過改變其含量,探索不同研磨液在相同研磨條件研磨藍寶石單晶的差異。研磨液具體組份如表2所示。2.3表面形貌觀察研磨加工完成后,使用江南XJX-200型正置雙目金相顯微鏡觀察工件表面形貌。采用NanoMap500LS測量工件表面粗糙度R其中:M2.4研磨液預處理后研磨工件能譜分析為了測試藍寶石工件研磨后的表面化學組份,采用美國Thermo公司XPS(ESCALAB250Xi)分別對A,C,E,G4種不同的研磨液浸泡后的研磨工件和未經浸泡的干態研磨工件進行能譜對比分析,測試工件表面的元素組份和結合能,推斷元素的價態和存在方式。測試設置條件:以AlKa為激發源(hv=1486.6eV);發射功率200W;真空度優于1.0×103結果與討論3.1不同濃度的化學組份,不同濃度的研磨液材料去除速率,有以下基藍寶石單晶在不同研磨液作用下的材料去除率如圖2所示。在其它工藝條件相同的情況下,僅含有去離子水的研磨液A對應的材料去除速率最小,為149.8nm/min,含有其它化學組份的研磨液材料去除速率明顯高于去離子水研磨液A,去除速率最高的為含有2%乙二醇的研磨液C,為224.1nm/min。而含有相同化學組份,不同濃度的研磨液在研磨加工過程中的材料去除速率變化不大,如B和C、D和E、F和G之間的差別。單晶藍寶石工件在水中具有一定的水解作用,表面會生成相應的軟化層,有利于材料的去除3.2工件表面研磨深度圖3所示為經不同研磨液加工后藍寶石工件表面粗糙度數值,R不同研磨液研磨后藍寶石工件的表面形貌如圖4所示。由于藍寶石工件粗研后,面型精度較好,工件表面峰谷(PV)值低于2μm,而藍寶石經過30min的精研后,材料去除量可達5μm左右,可以排除精研后表面劃痕是粗研階段所留的可能。經去離子水研磨后的工件表面有較深的劃痕,說明在研磨過程中去離子水和藍寶石工件之間的化學反應比較微弱,材料的去除主要依靠研磨墊上出露金剛石的切削。含有三乙醇胺的研磨液F和G研磨后的工件亦有較明顯的劃痕,可能是由于三乙醇胺增強了研磨墊的自修整性能,FAP表面金剛石顆粒出露高度大,磨粒對表面進行滑擦造成較深的劃痕。含有乙二醇的研磨液B和C劃痕相對較少,說明其在加工的過程中化學反應較強,其次是含有乙二胺的研磨液D和E。研磨液在固結磨料研磨藍寶石單晶的過程中,一方面工件表面發生一定的化學作用,生成硬度相對較小的表面軟化層,有利于材料去除率的提高和表面質量的改善。另一方面研磨液對固結磨料研磨墊也有一定的腐蝕作用,促進研磨墊中金剛石磨粒的出露,加大對工件材料的切削。在整個研磨加工過程中,這兩方面的作用都不能忽視,從工件的表面質量分析,對于工件表面質量提高具有促進作用的研磨液化學組份分別是:乙二醇>三乙醇胺>乙二胺>去離子水。3.3工件表面al2p譜峰擬合分析為了比較不同研磨液對藍寶石工件的化學作用,使用含有去離子水、乙二醇、乙二胺和三乙醇胺4種不同化學組份的研磨液A,C,E,G分別對相同條件研磨后的藍寶石單晶浸泡30min,和一片未經浸泡的干態藍寶石工件進行XPS能譜分析。圖5所示為工件表面XPS窄掃Al2p圖譜,和圖5(e)干態Al2p譜峰相比,經過研磨液浸泡后的Al2p譜峰均發生了峰位偏移,說明研磨液浸泡后的藍寶石工件表面Al元素存在于不同的化合態,可能是工件表面的AlAl2p譜峰在73.3~74.1eV的結合能為Al對Al2p譜峰分峰擬合處理,根據譜峰面積計算各不同價態對應峰位的相對含量如表3所示。可以看出,經過研磨液浸泡后的工件Al2p均有雙峰位的出現,可以推斷工件表面均發生了一定程度的化學反應。溶液中OH3.4固結磨料對藍寶石工件的研磨圖6所示為固結磨料與藍寶石工件接觸示意圖。研磨過程中,研磨墊表面經過修整后,部分金剛石磨料露出表面與藍寶石工件接觸。在載荷作用下,藍寶石工件和研磨墊做相對運動,研磨墊上出露的金剛石顆粒對藍寶石工件進行機械滑擦和耕犁,以切削去除藍寶石工件表面最先接觸的材料,實現二體磨削加工。在加工過程中,由于研磨墊基體對金剛石顆粒的把持力不等,會造成金剛石出露高度不同,當金剛石顆粒出露較低時,其切入藍寶石工件表面的深度也較小,可以實現二體的延性加工。而當金剛石顆粒出露高度增加到一定程度時,由于其較高的硬度使其切入藍寶石工件表面的深度增大,造成工件表面裂紋,實現了工件的二體脆性加工。在加工過程中,由于研磨壓力的作用,使工件對出露磨粒的切向力增加,當切向力增加到一定程度時,會造成小部分出露高度大的金剛石顆粒脫落,混入研磨液中,對工件表面造成滾軋,實現材料的三體脆性加工。故從純機械的角度出發,固結磨料對藍寶石工件的研拋應該是二體延性加工、二體脆性加工和三體脆性加工綜合作用的結果。同時,在固結磨料對藍寶石工件的研磨過程中,研磨液一直處于工件與研拋墊之間。一方面,研磨加工過程中產生的切屑通過研磨液的流動排出,另一方面根據藍寶石自身的物理和化學特性分析,研磨液對工件的化學作用也不能被忽視。藍寶石工件