（机械电子工程专业论文）单晶蓝宝石水合抛光机理与试验研究.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 。一 d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt oz h e j i a n gu n i v e r s i 毋o f 1 1 e c h n o l o g y f o rt h ed e g r e eo fm a s t e r e x p e r i m e n t a lr es e a r c ho nh y d r a t i o n p o l i s h i n gm e c h a n i s mo fs a p p h i r e c a n d i d a t e ：j i a n l i nw u a d v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rd o n g h u iw e n c o u e g eo fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g z h e j i a n gu n i v e r s i 哆o ft e c h n o l o g y a p r i l2 0 1 0 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名：装建乔 日期：沙f p 年易月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密龇 ( 请在以上相应方框内打“、”) 作者签名： 导师签名： 日期：沙f d 年多月f 日 日期训。年易月f 日 浙江工业大学硕士学位论文 单晶蓝宝石水合抛光机理与试验研究 摘要 对于用作光电子材料的表面加工，迫切要求的是最终的几何形状和精度要高，尤其是 要求加工表面变质层极小，且保持晶体理想的无变形。传统的研磨抛光加工方法存在诸多 问题，难以满足加工要求。水合抛光借助材料表面和水蒸汽的反应，在加工表面形成水合 化层，并施加一定的力将其从表面去除。本文主要对水合抛光的机理和试验进行了初步研 究。 运用运动学、统计学以及计算机仿真技术，数值模拟了水合抛光中工件表面的加工均 匀性及水合抛光的温度场。依据仿真结果来指导单晶蓝宝石的水合抛光试验，对抛光后获 得的蓝宝石面进行表面完整性测试分析，以判断最后的加工结果是否符合加工要求，同时 也验证了计算机仿真结果的正确。本文对单晶蓝宝石水合抛光的机理与试验研究主要包括 以下几个方面： 1 通过运动学分析，分析了水合抛光过程中工件的运动状态，在此基础上，研究了 抛光盘与工件间的相对运动轨迹，并针对轨迹均匀性提出了一种有效的评价方法。在运动 轨迹分析和评价均匀性的有效方法基础上，分析并比较了两种不同抛光系统下工件表面的 抛光均匀性，研究了抛光盘的不同结构对工件表面加工均匀性的影响。 2 运用a n s y s 有限元软件对水合抛光温度场进行数值模拟，得到了抛光盘上的温度 分布情况。在此基础上，分析了水合抛光过程中抛光盘上的温度分布均匀性及其对工件的 表面均匀性的影响。 3 通过对蓝宝石水合抛光研究的分析与总结，研究了水合抛光中水合反应原理。蓝 宝石晶体是亲水性晶体，其表面的氧原子在适当条件下容易被极化，吸附h 2 0 并使吸附着 的h 2 0 进行分解，而同时将弱化蓝宝石衬底表面原子间的结合强度，在这种化学作用下去 除材料可以明显改善亚表层晶格的完整性。 4 进行了单晶蓝宝石水合抛光的试验研究，蓝宝石衬底表面粗糙度的测试结果表明， 在实验条件下获得的蓝宝石表面粗糙度x 方向r t 6 7 4 1 1 i n ，y 方向r t 7 6 4 衄。蓝宝石表面 粗糙度r t 由抛光前3 4 5 5 n m 改善到抛光后r t 小于2 0 咖，表面划痕测试分析表面水合层的 浙江工业大学硕士学位论文 厚度约2 衄。t e m 测试分析结果表明，水合抛光获得的蓝宝石表面晶格无畸变，表面粗 度和晶格变形得到了较大的改善。 关键词：蓝宝石，水合抛光，抛光温度场，水合反应，表面完整性 浙江工业大学硕士学位论文 e x p e r i m e n t a lr es e a r c ho nh y d r a t i o n p o l i s h i n gm e c h a n i s mo fs a p p h i r e a b s t r a c t f o rp h o t o e l e c t r o nm a t e a l s ，t l l eu 】唱e n tr e q u i r e m e n t so f 吼u f a c ef h l i s ha r el l i 曲u l t i m a t e g e o m e n ys h a p e 锄dh i 曲p r e c i s i o n ，s u c h 弱t i n ym a c l l i l l i n gm e t a i n o 叩m c1 a y e r ，i d e a lp l a n eo fn 0 d e f o n i l a t i o n s o 、v em u s te n s u r et l l ee l e c t i o i l i cs t a t eo f 翻j 1 1 a c ea t o m i c 锄dm o l e c u l a ro nt l l e c l e a n i n gs u r f a c ep r o d u c en oc h a n g e s t om e e tt h ea b o v er e q u i r e m e n t s ，v 撕o u su l t m - p r e c i s i o n g r i i l d i n gm e t l l o d s 、e r ed e v e l o p e d ，、h i c ha r el l i 曲e f ! f i c i e n c ym a c h i i l i n g 觚dc a ng e n e r a t eh i 曲 a c c u r a c yw o r kp i e c e h y d r a t i o np o l i s l l i n gi sam o l e c u l a rc o r r o s i o np r o c e s s ，t l l er a t eo fw m c hi s d e t e n n i n e db yt l l eh i 曲舶ee n e r g yo fh y ( h p l l i l i cc r y s t a l 锄dw a t e rv 印o r 1 1 1 i sp a p e ri sm a i n l y a b o mt l l eb a s i ct h e o 巧a l l dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fs y 劬e t i cs a p p l l i r eh y d r a t i o np o l i s l l i n g s i m u l a t i o na 1 1 de x p e r i m e n t a lw o r k sc a i lb es u m m 撕z e d 嬲f o l l o w s ： 1 a r e ra 1 1 a l y z i n gc o m p r e h e n s i v e l yd i f f e r e n tp o l i s l l i n gl 【i n e m a t i cm o d e s ，t h i sp a p e rc h o o s e a c t i v ed r i v i n ga n do s c i l l a t i n gp o l i s h i n gm o d e sa st h er e s e a r c ho b j e c t t h et l l e s i ss i i n u l a t e st l l e p 0 1 i s h i n gr e l a t i v e m o v e m e n tl a w ，m a c l l i n e ds u r f a c eu 1 1 i f o m i t yo fn l e 、r k - p i e c ei n t h e h y d r a t i o np o l i s l l i n gp r o c e s sb ym e a l l so fm e c h a i l i c s ，b n e m a t i c s ，s 诅t i s t i c s 锄dc o m p u t e r s i m u l a t i o nt e c l l n i q u e ，e t c i na c c o r d a n c e 谢t ht r a c k 硼j f o 椭i 够，t h j sp 印e ri m p r o v e se 仃e c t i v e e v a l u a t i o nm e t l l o d o nt l l a tb a s i s ，t h r o u 曲c o m p u t e rm o d e l i n gt e c l l l l i q u ew eh a v eo b t a i n e dh o w t h es 仇l c t u r eo fp o l i s h i n gp a di n f l u e n c e st h e 缸a c ku n i f o m 时o ft l l ew o r k - p i e c e 1 1 1 a tp r o v i d e su s g o o d “i d e n c ei i lt l l es u b s e q u e n te x p e r i m e n t a ld e s i g n 2 1 1 1 1 o u g hf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，t i l et h e s i ss i m u l a t e st 1 1 ep o l i s h i n gt e m p e r a t u r ef i e l di n 廿l ep r o c e s so fh y d r a t i o np o l i s l l i n g i tc o m e st oac o n c l u s i o nt 1 1 a td l i r i n gh y d r a t i o np o l i s l l i n gt l l e t e m p e r a n 玳d i s t r i b u t i o no fp o l i s h i n gp a di su i l i f o m ，t h a ti sf a v o r a b l ef o rt l l es u r f a c eu n i f o 咖时 o ft 1 1 e 、v o r k p i e c e 3 1 1 1 r o u g hp r e l i m i n a d re x p e r i m e n t ，w es t l l d i e dt 1 1 em e c h a n i s mo fh y ( 1 r a t i o np o l i s l l i n go f s 印p h i r e s 印p l l i r ei sh y d r o p h i l i ca n di t s s u r f a c eo x y g e na t o m sc a l lb ee a s i l yp o l 撕z e du n d e r 印p r o p r i a t ec o n d i t i o n s t h e nt h ep o l 撕z e do x y g e na t o m sc a i la b s o r bt 1 1 eh 2 0 ，a n dd e c o m p o s e t h eh 2 0 a tt 1 1 es 锄et i m e ，t h es a p p h i r es u b s t r a t eb o n d i n gs t r e n 舒hb e t w e e na t o m sa r ew e a k e n e d 一i i i 一l v - 浙江工业大学硕士学位论文 目录 摘要 第1 章绪论 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 第2 章 2 1 2 2 l e d 衬底的要求与现状 衬底表面完整性对高亮度l e d 的影响 单晶蓝宝石的材料特性 1 3 1单晶蓝宝石的晶体结构。 1 3 2 单晶蓝宝石的材料特性。 单晶蓝宝石超光滑表面研究现状 1 4 1 单晶蓝宝石晶体材料加工技术简介 1 4 2 国内外研究现状及分析 本论文的主要研究工作和解决的问题 水合抛光轨迹均匀性研究 抛光轨迹均匀性研究方法 抛光相对运动分析及抛光轨迹仿真 2 2 1 主动驱动式l2 2 2 2 摆动驱动式14 2 2 3 抛光轨迹仿真15 2 3 抛光均匀性评价方法与计算流程1 8 2 3 1 工件抛光轨迹均匀性评价方法l8 2 3 2 抛光均匀性计算流程18 2 4 抛光盘开孔形式对抛光轨迹均匀性的影响2 0 2 4 1 直线式开孔抛光轨迹仿真计算及其结果2 0 2 4 2 圆环式开孔的抛光轨迹仿真计算及其结果2 2 2 4 3 螺旋线式开孔的抛光轨迹仿真计算及其结果2 3 2 5 本章小结2 5 第3 章水合抛光温度场的有限元模拟。2 7 3 1 热传导问题的有限元法2 7 3 2 有限元模型及其边界条件的建立2 7 3 2 1 试验装置及模型的建立2 7 3 2 2 创建几何模型、划分网格2 8 浙江工业大学硕士学位论文 3 2 3 边界条件及外载荷2 9 3 3 求解结果及讨论。2 9 3 4 本章小结3 2 第4 章蓝宝石水合抛光中水合反应原理。3 3 4 1 水蒸汽在蓝宝石表面的吸附作用3 3 4 1 1材料固气界面吸附作用3 3 4 1 2 吸附作用特性曲线3 3 4 1 3 水在蓝宝石表面的化学吸附特性曲线3 5 4 2 水合抛光机理分析3 7 4 2 1 a 1 2 0 3 和h 2 0 间的水合反应3 7 4 2 2 蓝宝石水合抛光机理3 8 4 3 蓝宝石水合抛光试验研究3 9 4 3 1 可行性分析3 9 4 3 3 蓝宝石的水合抛光试验研究4 0 4 4 本章小结4 2 第5 章蓝宝石衬底水合抛光的表面完整性测试4 4 5 1 蓝宝石水合抛光机设计4 4 5 2 水合抛光试验。4 6 5 3 水合抛光表面完整性测试。4 7 5 3 1 x r d 测试4 7 5 3 2 表面粗糙度测试4 8 5 3 3 t e m 测试5 2 5 4 本章小结5 4 第6 章总结与展望。5 5 6 1 研究总结5 5 6 2 课题展望5 6 参考文献5 7 j 改谢6 0 攻读学位期间发表的学术论文6 l 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1l e d 衬底的要求与现状 固态照明是全世界公认的一种最有效的节能途径，而高亮度发光二极管( l i 出 e r n j t t i l l gd i o d e ，l e d ) 的问世，使得l e d 的用途发生了革命性的变革_ 从指示灯转向 照明【l - 3 1 。我国照明用电量2 0 0 0 亿度，占总发电量的1 2 ，据预测通过发展固态照明每 年可以节电l 0 0 0 亿度，将超过我国三峡三期工程完工后的总发电量( 8 4 6 8 亿度) ，其经 济效益和社会效益是极其可观的，将大大减少火力发电造成的大气污染，有效地保护地 球的生态环境。国家半导体照明工程的启动，大大拓展了l e d 的应用领域，使我国l e d 产业进入了快速发展的新阶段，中下游产业( 薄膜生长、芯片及封装) 发展迅速，但上 游产业( 蓝宝石晶体生长和研磨抛光加工) 进展缓慢【4 卅，导致目前我国只能提供装饰、 指示灯等低附加值l e d 灯具。 衬底作为半导体照明产业技术发展的基石，是半导体照明产业的核心技术，具有非常 重要的地位，衬底材料的选用直接决定了l e d 芯片的制造路线。评价衬底材料必须考虑下 列因素【7 捌： 1 衬底与外延膜的结构匹配程度：外延材料与衬底材料的晶体结构相同或相近、晶格 常数失配小、结晶性能好、缺陷密度低； 2 衬底与外延膜的热膨胀系数匹配程度：热膨胀系数的匹配非常重要，外延膜与衬底 材料在热膨胀系数上相差过大不仅可能使外延膜质量下降，还会在器件工作过程中，由于 发热而造成器件损坏； 3 衬底与外延膜的化学稳定性匹配程度：衬底材料要有好的化学稳定性，在外延生长 的温度和气氛中不易分解和腐蚀，不能因为与外延膜的化学反应使外延膜质量下降； 4 材料制备的难易程度及成本的高低：考虑到产业化发展的需要，衬底材料的制备要 求简洁，成本不宜很高，衬底尺寸一般不小于2 英寸。 当前用于g a n 基l e d 的衬底材料比较多，但是能用于商品化的衬底目前只有两种， 即蓝宝石和碳化硅衬底，其它诸如g a n 、s i 、z n o 衬底还处于研发阶段，离产业化还有一 段距剐1 0 。1 3 1 。不同l e d 衬底材料的能带、晶格常数及热特性比较如图1 1 所示。目前，国 际上公认的l e d 衬底材料为蓝宝石( s 印p h i r e ，a a 1 2 0 3 ) ，蓝宝石晶体结构与g a n 相似， 1 浙江工业大学硕士学位论文 符合g a n 薄膜生长过程中耐高温的要求，具有良好的高温稳定性和机械力学性能，加之对 其研究较多，生产技术较为成熟，价格便宜，因此成为制作白、蓝、绿、蓝绿光g a n 基 l e d 的关键衬底材料【1 4 。16 】。s i c 作为衬底材料应用的广泛程度仅次于蓝宝石，s i c 作为l e d 衬底材料仅次于蓝宝石，具有化学稳定性好、导电性能好、导热性能好、不吸收可见光等 优点，但不足方面也很突出，如其热膨胀系数与g a n 相差较大，容易导致外延g a n 层裂 纹，价格太高( 碳化硅比蓝宝石衬底的价格高1 0 倍) ，晶体质量难以达到a 1 2 0 3 和s i 那 么好，国际上能提供商用高质量s i c 衬底的厂家只有美国g r e e 公司。目前还没有第三种 衬底用于g a nl e d 的商业化生产。 轴i b 诳a f l 啪t h | l 融址f 坤f 咐如o f m i e m l i 甜肘懈 煳i i 矗譬卧由y 矗lt 。p 嘲嘲 c i 廿；m3 1 锻l j w 抽k，9 x 1 0 4 氍 t - ，i $ ，s 。i 飞l 矿鬣 a k，l ： 2 0 砒鼬k4 缸l 旷鬣 一4 始：，h 1 0 蔗 州 铀咖憎 44 5 $ a”懒嗍k 双l 矿餐 、g a n h “i c e c 渊培m ：3 1 奉蠹 蜊铺 8 ，铺4 ，骷鼬x4 ：x l 矿鬣 鼢燃钾e 矗嘲种p ：3 3 0 v t l ，l ：a4 擗x i o 艰 ：zn8 熟 2 n o 嘲慧麓勰缨嬲嬲黧氅黧嬲然缫徽警燃爱呷鬻嬲罄塑鬻戮璧嬲 乙一一龇糊艄蔬滋滋黼驻裔麴鞫嘲 g a a s ； s a p p h l 馆) 吼一i n 搴哺 3o35 4o 盘55e5 58 08 5 l a n i c ec o n s t a n tf a ) 图1 1不同l e d 衬底材料的能带、晶格常数及热特性 1 2 衬底表面完整性对高亮度l e d 的影响 由于g a n 材料生长在与自身晶格失配高达1 5 8 的蓝宝石衬底上，即l e d 为一多层 异质结构，如图1 2 所示。在异质结构中，蓝宝石衬底因研磨、抛光等产生的微小内应 力将改变a l n 、a l g a n 、g a n 薄膜的晶格常数，导致薄膜应力的产生，当薄膜累积了过 多的应力时，其表面会产生许多小凸起、裂纹与空隙，如图1 3 所示。由于氮化镓薄膜 与氧化铝( a 1 2 0 3 ) 基板之间晶格位错达到1 5 8 ，氮化镓薄膜中存在双轴向压应变，容 易形成位错、应力、孔洞等各种缺陷1 1 7 之1 1 ，最常见的缺陷是沿着c 轴成长的贯穿式位错， 密度约为1 0 1 0 1 0 1 2 c m 。2 。由于位错对发光效率产生负面影响，因此降低氮化镓薄膜中的 2 7 8 5 4 3 2 ， o 爹m一氨霸圆罄c毋x窑cm 浙江工业大学硕士学位论文 贯穿式位错密度是制造高效率蓝、绿光二极管的首要目标【2 2 - 2 4 1 。1 9 8 6 年，日本名古屋大 学的i a k a s a l ( i 教授利用有机金属气相沉积成功生长出高质量的氮化镓薄膜，a k a s a l ( i 首 先在蓝宝石基板上低温生长2 2 5 啪厚度的氧化铝缓冲层，并在1 0 5 0 的高温生长氮化 镓薄膜，薄膜品质大幅提升。现在流行的技术是通过加入砷化铟镓厂砷化镓( i i l g a a s 魄s ) 超晶格来减少贯穿式位错密度，从而提高l e d 的内部发光效率及其寿命，因此提高l e d 的内部发光效率的根本途径是降低薄膜位错缺陷【2 5 。2 9 】。位错缺陷的产生与蓝宝石衬底表 面完整性及薄膜生长技术密切相关，目前薄膜生长的控制技术成本高，而且其工艺的完 善与蓝宝石衬底表面完整性是离不开的，因此蓝宝石衬底的表面完整性是高亮度l e d 发 光效率的基石【3 0 。4 1 。 p g a n p 一 i f f g 弘嘲 i n g a nm q w l i 9 雉- 鲫艟h 1 口妇y e r g a n b u f f 搿l 硼e r 图1 2l e d 结构简酬3 2 】 ， c h - 搴- 钿t l 村啭 # o i t 萱嘲 s t p o i to v s 口r t 2 劓lh 蕾- p f 蛳i -娜 图1 3g a n 薄膜表面的小凸起与空隙 1 3 单晶蓝宝石的材料特性 1 3 1单晶蓝宝石的晶体结构 单晶蓝宝石属于共价键，且其结晶系统为一般可分为两种排列方式：六方密堆积与立 浙江工业大学硕士学位论文 方最密堆积两种，单晶蓝宝石的莫氏硬度为9 ，其硬度仅次于金刚石的，现己确定的蓝宝 石有丫、p 、a 、亏、t 1 、o 、1 c 、p 、搿9 种，本文研究的蓝宝石为a 舢2 0 3 ，其构造如图1 - 4 ( a ) 所示。二相氧化铝是由六层的氧原子如图1 - 4 ( b ) 所示，以舢屯怛的方式所构成的单位晶 格，其中每层各含3 个氧，如果以单位晶格来算、氧原子共1 8 个。而铝原子在第一层、第 四层各为2 个铝原子，其于4 层各有3 个铝原子，以单位晶格来算，铝原子共1 2 个，以此方 式所构成的n a 1 2 0 3 结构为八面体，此八面体可形成共点、共棱、共面的构造【3 5 1 。 ( a ) 锯。氨 搿、b 怒 二咒 第一层第二层第三层 第四层 第五层第六层 ( b ) 图1 - 4 蓝宝石晶体结构图 1 3 2 单晶蓝宝石的材料特性 单晶蓝宝石的机械性质与其本身密度有关，单晶蓝宝石密度越大则机械性质越佳。理 论上纯度1 0 0 单晶蓝宝石的理论密度为3 9 8 6 9 c m 3 ，其相对的机械性质也为最佳。例如单 晶蓝宝石的抗压缩强度为抗拉强度的l o 倍，抗压缩强度大约为1 9 2 4 g p a 之间，杨氏弹性模 量e 为3 8 0 g p a ，一般铁材的弹性模量e 为2 0 0 g p a ，单晶蓝宝石的杨氏弹性模量约为一般铁 材的2 倍。但当单晶蓝宝石处于1 2 0 0 时，则氧化铝的弹性模量会急速下降，见表1 1 。硬 度为蓝宝石另一重要的机械性质，它也代表耐磨耗的能力，单晶蓝宝石纯度越高，则硬度 相对提高，单晶蓝宝石硬度越高，氧化铝的耐磨耗的能力越耐3 5 】。 单晶蓝宝石热性质主要包括热传导系数、热扩散系数、比热与热膨胀系数。单晶蓝宝 石的热性质和其纯度有关，一般而言，纯度越高，则其热传导系数及热扩散系数也会越高， 但热膨胀系数则不一定。热扩散系数与热传导系数会随著温度升高而上升，当单晶蓝宝石 的温度升高到8 0 0 ，其氧化铝的热含量趋近饱和1 3 5 1 。 浙江工业大学硕士学位论文 表1 1 单晶蓝宝石物理性质 化学式_ a 1 2 0 3 晶格常数( 矗) 密度( g c m 3 ) 硬度 泊松比 杨氏模量( g p a ) 剪弹性模量( g p a ) 表观弹性极限( g p a ) 比热( c 彬) 热导系数( w m k ，3 0 0k ) 熔点( ) a _ 4 7 6 5c = 13 0 0 0 3 9 8 莫氏9 o 2 5 o 3 0 3 4 5 1 4 5 2 7 5 o 1 平行方向3 5 1 ，垂直方向3 3 0 2 0 4 0 1 4 单晶蓝宝石超光滑表面研究现状 1 4 1单晶蓝宝石晶体材料加工技术简介 由于蓝宝石硬度高且脆性大，对其进行机械加工非常困难，超光滑表面加工技术更加 复杂，是当今重点研究课题之一，目前我国在蓝宝石超光滑表面加工中，普遍采用如图l 一5 所示工艺路线。 实际使用中的各种晶片，都是由晶棒切割加工制成，在用内圆切片机或线切割机将 半导体晶棒切割成晶片时，因切割条件总会有变化，切割片在厚度和平整度等方面都存在 偏差。如果切割条件不合适，还会造成较深的损伤层。晶片抛光过程中表面去除量很小， 还需要用研磨来有效改善晶片的弯曲度、平整度与平行度的偏差，并降低损伤层厚度。 传统工艺一般都是采用硬度比蓝宝石大的磨料对其进行研磨，会产生如下不足： 辱 浙江工业大学硕士学位论文 1 加工过程中宝石片缺角比例较高，占总数的5 8 。 2 研磨及抛光后，宝石片表面划痕较重，有2 0 左右宝石片表面有粗深痕迹，需要重 新研磨抛光，致使部分宝石片厚度偏薄报废，且影响生产节奏。 3 加工成本高，加工废液处理不当易引起环境污染。 针对以上在单晶蓝宝石基片加工中存在的不足，获得超光滑无损伤表面，目前，许多 先进的超精加工技术都得到了发展，如化学机械抛光、机械化学抛光、浮动抛光、水合抛 光、水面滑行抛光、电泳抛光、磁流体抛光和弹性发射加工等【3 6 3 9 】。上述技术有些已在单 晶硅、光学玻璃、精细陶瓷、蓝宝石晶体、水晶、砷化镓( g a a s ) 晶体等硬脆晶体材料的超 精密加工中得到应用，有些尚在进一步的研究中。其中本文在水合抛光发展方向进行了大 量的研究工作。 1 4 2 国内外研究现状及分析 蓝宝石是一种相当难加工的材料，熔点高( 2 0 4 0 ) ，硬度高( 9 m o h s ) ，目前主要的 加工方法有机械抛光、化学抛光、化学机械抛光、激光冷抛光、机械化学抛光( 干式、湿 式) 、无磨粒抛光等方法【柏4 7 1 。 1 机械抛光 机械抛光是传统的抛光方法，它是依靠抛光颗粒与加工表面的直接接触，经过摩擦得 到超光滑表面的方法。它的磨料一般采用金刚石或氧化铝微细颗粒，每一个颗粒在抛光过 程中都是一个微小的抛光装置，靠它们微小的切削力进行微量切削而达到机械去除加工表 面的目的【4 8 】。机械去除法中最为关键的是抛光磨具，它的材料必须是软质金属或沥青树脂。 抛光颗粒要大部分嵌入磨具中，使磨料的颗粒能够均匀的接触加工表面，从而抛光均匀， 得到高质量的表面，其示意图如图1 6 。机械抛光法的去除率大，能够得到粗糙度为纳米级 的表面。但是由于是直接接触，特别是抛光颗粒不纯的情况下，容易对表面产生划伤，产 生内应力等，所以目前这种方法的应用已经不是很多。 2 化学抛光 化学抛光主要采用对工件材料具有腐蚀作用的抛光液对工件进行化学腐蚀去除材料。 化学腐蚀的目的是除去机械抛光过程中在表面上产生的机械损伤层，并清除各种玷污，从 而得到平整光亮、晶格完整的清洁表面。有文献研究报道了蓝宝石衬底的化学抛光。结果 表明：先将蓝宝石衬底在( 1 5 0 0 1 5 5 0 ) 的空气中预热4 小时后，再在高压下用h 3 p 0 4 作 抛光液，温度3 6 0 4 0 0 ，抛光1 0 分钟为抛光表面质量最好的条件。王晓辉等从腐蚀液组分 的稳定性、腐蚀速度的合理性、表面形貌的变化及损伤层的去除情况等多方面因素综合考 6 虑蓝宝石衬底的化学抛光，爿 面蓝宝石衬底腐蚀的较好条件 的金属有机物气相外延生长中 较高，容易导致抛光雾斑， 3 化学机械抛光 化学机械抛光一般采用a l 的化学液以化学反应使蓝宝石 料强制性机械力的方式将钝化 金刚石微粉所得到的加工表面，化学机械抛光最大的优点就是能使蓝宝石衬底实现全局平 面化，但加工后的蓝宝石表面仍然存在细微的划痕。国内外的众多学者对c m p 的工艺参数 也做过一定量的研究。如：浙江大学袁巨龙等，研究讨论了抛光过程中化学机械抛光的必 备条件，并提出了相应的抛光机理1 5 。文中得出蓝宝石加工过程中，蓝宝石与磨料以高速 接触擦过的界面接触点，即使是极短的时间( 1 0 3 1 0 。5 s ) ，也能发生固相化学反应，生 成1 0 a 数量级厚度的反应层，且与母体的结合力很低，极易用机械力去除。c h e n 等分析了 抛光参数如抛光压力、转速对c m p 加工性能的影响，发现各个参数都能以不同的方式影响 c m p 性能【5 2 1 。c h o 等分析了a l 薄膜的c m p 过程中抛光压力、磨粒浓度等机械参数变化时的 抛光效果，结果表明在较低的抛光压力( 1 0 k p a ) 和相对较高的a 1 2 0 3 磨粒浓度( 5 ) 时， a l 薄膜表面的质量最满意【5 3 1 。 昌= = 运动方向 图1 6 机械去除法图1 71 所金刚石微粉抛光表面 4 激光抛光 激光抛光本质上就是激光与物质相互作用，激光与物质的作用方式有热作用和光化学 作用，因此可把激光抛光简单分为热抛光和冷抛光【5 4 】。热抛光一般用连续长波长激光， 通过熔化、蒸发等过程来去除材料表面的成分。但由于热效应，温度梯度大，产生的热应 力大，容易产生裂纹，抛光表面质量不是很好，通常用于粗抛光。冷抛光主要是通过“消 l 浙江工业大学硕士学位论文 融”作用，即光化学分解作用去除材料。材料吸收光子后，材料中的化学键被打断或者晶 格结构被破坏，表面材料离开本体，从而实现材料的去除1 5 5 ，5 6 1 。在抛光过程中，热效应可 以忽略，热应力很小，不产生裂纹，不影响周围材料，材料去除量容易控制。所以，激光 冷抛光特别适合精密抛光，尤其适合硬脆材料的精密抛光。 目前关于金刚石薄膜、高分子聚合物、陶瓷、半导体、光学元件等材料的激光抛光研 究较多【5 7 1 。但激光抛光蓝宝石的研究报道较少，国外有学者通过激光钻孔对激光与蓝宝石 的相互作用进行了初期的研究，主要是关于蓝宝石能量阈值的确定以及激光波长、能量密 度对抛光过程的影响规律和蓝宝石色变等。c y j i a i l g 等f 5 8 1 用8 0 0 眦的飞秒激光照射蓝宝石 晶片，晶片表面颜色变黑，对光吸收率增加，同时s e m 照片下c - z 法生长的蓝宝石观察到 微裂纹。晶片颜色变化可能是微小裂纹影响的结果。 激光冷抛光表面质量较高，不易产生裂纹，具有广泛的应用前景，但激光器设备较昂 贵，抛光成本高，冷抛光机理的系统研究还很缺乏。 5 干式和湿式机械化学抛光 ( m e c h 锄i c a lc h e i l l i c a lp o l i s h i n g ，m c p ) 是目前蓝宝石衬底抛光加工的主要手段。干、 湿式机械化学抛光以软质粒子s i 0 2 为磨粒，利用固相化学反应作为材料去除方式，极大地 改善化学机械抛光对蓝宝石衬底表面引发的次表面损伤。图1 8 为在石英玻璃盘上s i 0 2 磨 料干式机械化学抛光所得到的加工表面，虽然没有明显的磨粒划伤，但s i 0 2 磨料莫式硬度 仍然高达7 ，导致抛光表面的转位缺陷十分明显，如图1 8 ( b ) 和图1 8 ( c ) 所示，此外 m c p 所需要设备成本与技术要求非常甜1 3 】。随着纳米时代的来临，开发符合成本且可以达 到亚纳米级绿色抛光技术乃时势所趋。 ( a ) 表面形貌( 3 - 舡ms i 0 2 ) ( b ) 3 0 0 。ch 3 p 0 4 腐蚀( c ) 侧向观察图 图1 8 石英玻璃盘上s i 0 2 磨粒干式机械化抛光蓝宝石衬底 6 无磨粒抛光 无磨粒抛光法( n o n a b r a s i v ep o l i s h i n g ) 是利用适当抛光工具( 相对硬度较工件软) 无 & 浙江工业大学硕士学位论文 添加任何磨料状态下，利用工件和抛光盘粗糙表面峰摩擦接触引发局部区域的高温高压， 促成摩擦化学反应并形成纳米级介面反应膜。伴随着相对滑动效应，将介面膜去除而实现 抛光作用，工件表面趋于原子级光滑，且工件表面不会形成微小划痕及造成次表面损伤。 我国学者王立江教授提出低温冰盘的无磨粒抛光技术已经验证了这种方法在金属材 料、玻璃和硅片纳米级抛光中的可行性，但该方法尚不能适应于高硬度、高化学稳定性的 蓝宝石单晶加工中。 日本学者yn 锄b a i ”】根据水蒸汽能使蓝宝石衬底表面活化原理，采用杉木抛光蓝宝石 成功获得r a 0 2 r 曲的表面。试验结果表明：在抛光盘转速为4 4 砒n i n ，加载5 0 0 9 的条件下， 不同材料的抛光盘和不同温度的水蒸汽下蓝宝石( 0 1 1 2 ) 面的去除率也不同。随着蒸汽温 度的升高，去除率增大，杉木抛光盘上的加工效果最好。如表1 2 所示。 表1 2 用不同材料的抛光盘和不同温度的水蒸汽下蓝宝石( 0 11 2 ) 面的 加工速度( m g 1 1 ) ，条件：加载5 0 0 9 ，抛光盘转速4 4 r p m z h u 等【6 0 6 1 】发现采用去离子水调节出不同p h 值丫a 1 2 0 3 的碱性抛光液，实现了蓝宝石衬 底的抛光加工，通过傅立叶红外光谱( f t i r ) 测试发现蓝宝石表面发生水解作用形成水铝 石。 国立台湾科技大学林原庆、张慰正探讨了蓝宝石表面无磨料抛光，使用了黄铜、a i s l 3 0 4 不锈钢、s 1 5 c 低碳钢及铝质抛光盘，分别在水、肥皂水及二氧化硅水溶液中抛光蓝宝石片。 实验结果表明，使用a i s l 3 0 4 不锈钢在2 0 坝二氧化硅水溶液中抛光蓝宝石工件可以得到光 滑平坦、无微小划痕的蓝宝石表面，材料去除率约为0 9 1 5 n m m i n ，表面粗糙度r a0 3 0 7 n m 。 二氧化硅水溶液浓度的高低会直接影响化学反应的速率，进而影响蓝宝石工件的材料去除 率及表面粗糙度值。 以上分析表明，蓝宝石衬底的机械抛光方法具有较高的加工精度和加工效率，但表面 质量不能完全达到要求，化学抛光可以得到无加工变质层的平滑表面，却在加工精度和加 工效率上存在一些问题。蓝宝石衬底表面在水蒸汽作用下能够发生化学反应，可以实现无 9 1 5 2 水合 分析抛光过程中抛光盘上的温度分布是否均匀，以及对工件表面均匀性的影响。 3 单晶蓝宝石水合抛光水合反应原理分析：蓝宝石晶体是亲水性晶体，其表面的氧原 子在适当条件下容易被极化，吸附h 2 0 并使吸附着的h 2 0 进行分解，而同时将弱化蓝宝石 衬底表面原子间的结合强度，在这种化学作用下去除材料可以明显改善亚表层晶格的完整 性。因此针对蓝宝石衬底的加工要求分析水蒸汽的温度对材料去除率和加工表面质量的影 响规律，获得实现材料最佳粘附去除的条件，保证亚表层晶格的完整，实现高效和无缺陷 加工。通过静态试验，在高压容器中通过高温( 1 0 0 2 0 0 ) 水蒸汽探讨蓝宝石衬底与水蒸 汽的作用规律，通过差热分析、x 】 m 测试、纳米压痕及e d s 测试元素百分比等方法综合测 试反应膜的成份和性质，寻找能够提高发应速率合理的温度范围。 4 单晶蓝宝石水合抛光后表面完整性分析：重点是晶格、表面粗糙度的测试分析。使 用德国马尔公司s 2 表面粗糙度测量仪、原子力显微镜( a f m d f m ) 、x 光反射仪( 非接触 式) 等综合测量和分析宏观、微观表面微粗糙度，再利用光学显微镜观察试片整体的抛光 质量，再由a f m 、x 光反射仪与l e e d 的结果以判断此衬底是否适合当作高亮度l e d 的蓝宝 石衬底。 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章水合抛光轨迹均匀性研究 水合抛光不使用任何磨料和化学腐蚀液，使用和工件之间不产生固相反应的材料作为 抛光盘。抛光装置可以用传统的抛光装置，但必须在水蒸汽环境下进行加工，加工去除的 是材料表面上生成的氧化铝水合物层。水蒸汽的作用相当于传统抛光中磨粒的作用。水蒸 汽是通过抛光盘上的小孔进入抛光环境，与蓝宝石表面发生反应。抛光盘开孔方式不同， 工件上的抛光轨迹、抛光均匀性也不同，为了控制水合抛光过程的稳定性、均匀性，需要 通过m a t l a b 轨迹仿真及均匀性评价方法找出抛光盘最佳的开孔形式。鉴于抛光盘上孔 加工的难易程度，本章考虑了以下三种开孔形式：直线式开孔、圆环式开孔和螺旋线式开 孔。该轨迹仿真结果为后续的试验设计提供了理论依据。 2 1 抛光轨迹均匀性研究方法 抛光轨迹取决于加工设备和运动参数。抛光过程的轨迹曲线分为两类：工件上一定点 相对于抛光盘的运动轨迹s l ，以及抛光盘上一定点相对于工件的运动轨迹s 2 。s l 对于揭示 抛光盘抛光均匀性具有重要意义，而s 2 直接关联着工件被加工表面的形貌特征、纹理分布。 本章主要分析轨迹s 2 ，即抛光盘上一定点相对于工件的运动轨迹【6 2 1 。 运动分析是抛光轨迹均匀性研究的基础，已有研究通常作如下假设： 工件、磨粒、抛光盘均为刚体： 工件