第４５卷第２期 机械工程学报 ＶＯ１．４５ ＮＯ．２ ２００９年２月 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｆｅｂ． ２００９ ＤｏＩ：１Ｏ．３９０１／ＪＭＥ．２００９．Ｏ２．２４７ 蓝宝石衬底研磨加工中研磨盘材质的影响木 文东辉鲁聪达周兆忠 （浙江工业大学机械制造及自动化教育部重点实验室杭州 ３ １００３２） 摘要：采用Ｗ１４、Ｗ３．５的Ｂ ｃ磨粒对蓝宝石衬底进行粗研磨和精密研磨的试验研究。对比分析铸铁、合成铜和合成锡盘粗 研磨蓝宝石衬底的表面粗糙度和研磨表面均匀性，试验结果表明，铸铁研磨盘获得的蓝宝石衬底宏观表面均匀性和平面度均 优于合成铜盘和合成锡盘，经铸铁研磨盘加工后的蓝宝石衬底面型峰谷值误差小于５ ｍ、中心线平均表面粗糙度Ｒａ＜０．８２ ｍ。 精密研磨试验结果表明，采用合成铜盘和Ｗ３．５Ｂ Ｃ磨粒有效地改善了蓝宝石衬底表面的均匀性，获得了Ｒａ＜２０ ｎｌｎ、面型峰 谷值误差小于１．６ ｌａｍ的均匀表面，为蓝宝石的超精密研磨奠定了良好的基础。 关键词：蓝宝石衬底研磨盘表面粗糙度表面均匀性 中图分类号：ＴＧ７４ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｐｌａｔｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｏｎ Ｓａｐｐｈｉｒｅ Ｗａｆｅｒ Ｌａｐｐｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓ ＷＥＮ Ｄｏｎｇｈｕｉ ＬＵ Ｃｏｎｇｄａ ＺＨＯＵ Ｚｈａｏｚｈｏｎｇ （Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ ｎａｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｆｉｏｎ， Ｚｈｅｊｉｎａｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１００３２） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｌａｐｐｉｎｇ ｐｌａｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｏｎ ｓｕｒｆａｃｅ ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ ａｎｄ ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ，ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｓ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ ｗｉｈｔ Ｗ１４ ａｎｄ Ｗ３．５ ｂｏｒｏｎ ｃａｒｂｉｄｅ ａｂｒａｓｉｖｅｓ ｆｏｒ ｌａｐｐｉｎｇ ｓａｐｐｈｉｒｅ ｗａｆｅｒ．Ｉｎ ｒｏｕｇｈ ｌａｐｐｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｃａｓｔ ｉｒｏｎ，ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ｃｏｐｐｅｒ ａｎｄ ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ｔｉｎ ｌａｐｐｉｎｇ ｐｌａｔｅ ａｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｍａｃｈｉｎｅ ｓａｐｐｈｉｒｅ ｗａｆｅｒ ｗｉｈｔ Ｗ１４ ｂｏｒｏｎ ｃａｒｂｉｄｅ ａｂｒａｓｉｖｅ，ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｈｔｅ ｂｅｓｔ ｍａｃｒｏ－ｕｍｆｏｒｍｉｔｙ ａｎｄ ｆｌａｔｎｅｓｓ ａｒｅ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｂｙ ｃａｓｔ ｉｒｏｎ ｌａｐｐｉｎｇ ｐｌａｔｅ．Ｓａｐｐｈｉｒｅ ｗａｆ ｒ ｓｕｒｆａｃｅ ｗｉｔｈ ｓｕｒｆａｃｅ ｅｒｒｏｒ ｏｆ ｐｅａｋ－ｖａｌｌｅｙ ｖａｌｕｅ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ５ ｍ，ｓｔａｎｄａｒｄ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ Ｏ．８２ ｍ ａｒｅ ａｃｈｉｅｖｅｄ．Ｉｎ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｌ￣ｐｍｇ ｐｒｏｃｅｓｓ， ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ｃｏｐｐｅｒ ｌａｐｐｉｎｇ ｐｌａｔｅ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｃｏｎｄｕｃｔ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｗｉｈｔ Ｗ３．５ ｂｏｒｏｎ ｃａｒｂｉｄｅ ａｂｒａｓｉｖｅ，ｂｏｔｈ ｏｒｕｇｈｎｅｓｓ ａｎｄ ｕｎｉｏｆｒｍｉｔｙ ａｒｅ ｇｒｅａｔｌｙｉｍｐｒｏｖｅｄ，ａ ｂｅｔｔｅｒ ｓｕｒｆａｃｅ ｑｕａｌｉｔｙ、ｖｉｔｈ ａｖｅｒａｇｅ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ ｏｆｒｏｕｇｈｎｅｓｓ ｌｅｓｓ ｈｔａｎ ２０ ｎｎｌ，ｓｕｒｆａｃｅ ｅｌＴｏｒｏｆｐｅａｋ－ｖａｌｌｅｙ ｖａｌｕｅ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ １．６ ｍ ｉｓ ｇｏｔｔｅｎ ｂｙ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｌａｐｐｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｗｈｉｃｈ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｄｅｍａｎｄｓ ｏｆｕｌｔｒａ－ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｌａｐｐｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｓａｐｐｈｉｒｅ ｗａｆｅｒ Ｌａｐｐｉｎｇ ｐｌａｔｅ Ｓｕｒｆａｃｅ ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ Ｓｕｒｆａｃｅ ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ 且蓝宝石衬底硬度高，为单晶硅片的３倍，脆性大， ０前言 这两个方面的因素使得蓝宝石衬底的技术要求远远 高于单晶硅片Ｌ３】。蓝光ＬＥＤ掀开了固态照明的美好 蓝宝石衬底占半导体照明（Ｌｉｇｈｔｉｎｇ ｅｍｉｔｔｎｉｇ 前景，同时也为企业带来了巨大的市场空间，目前 ｄｉｏｄｅ，ＬＥＤ）衬底的９５％以上，专家预测，工业生 为止，尚难以了解到国内外企业蓝宝石衬底的加工 产的这个比例将会一直持续到２０１５年左右Ｌ１ Ｊ。由于 技术。 ＩＩＩ．Ｖ族薄膜生长在晶格失配率高达１３．８％、热传导 鲁聪达【４ｊ在试验的基础上，采用数值模拟结合 失配为３２％的蓝宝石衬底上Ｉ２Ｊ，ＡｌＮ、ＧａＮ等薄膜 纳米压痕方法对蓝宝石衬底的低损伤研磨技术进行 的生长过程与蓝宝石衬底的表面完整性密切相关， 了试验研究和理论分析。王娟等［５１的统计表明：国 内在批量加工蓝宝石衬底片的过程中，破裂及塌边 ·国家自然科学基金（５０５３５０４０，５０７０５０８８）、浙江省科技厅 比例较高，约占总数６％，抛光后蓝宝石衬底片表 （２００７Ｃ２１０６１）、浙江省自然科学基金（Ｙ１０５６１０）和浙江工业大学机械 面微划痕较多，因此研磨工序十分重要。ＣＨＯ等｝６】 电子工程重中之重学科开放基金资助项目。２００８０３２５收到初稿， ２００８１０１７收到修改稿 的研究表明采用抛光质量较差的蓝宝石表面生长 ２００９年２月 文东辉等：蓝宝石衬底研磨加工中研磨盘材质的影响 成锡盘对蓝宝石衬底的去除作用最弱，综合对比粗 糙度的变化，可知在单面研磨加工的初始阶段，铸 铁研磨盘的材料去除速率最佳。对铸铁研磨盘加工 的表面进行了测试，宏观上蓝宝石衬底 已经大大 降低至原来的１／８，数值小于１００ ｎｒｌｌ，符合后续单 面精密和超精密研磨工序要求。在研磨的初始阶段， 合成铜研磨盘的研磨效率接近铸铁盘，合成铜研磨 盘加工后蓝宝石表面Ｒ。＝８３ ｎｍ，但其研磨后的表面 面积不如铸铁盘大。合成锡研磨盘加工后蓝宝石衬 底表面明显地显示出已研磨加工和未加工界面的表 面形貌现象，研磨面积不及铸铁盘的ｌ／４。 表１研磨４０ ｍｉｎ后蓝宝石衬底的表面粗糙度 铸铁盘 合成铜盘 合成锡盘 中心线平均表面粗糙度Ｒｄｇｍ Ｏ．０７６ ０．０８３ Ｏ．２３４ 轮廓最大高度表面粗糙度ＲＪｇｍ ０．７２０ ０．６９０ ２．１４０ 十点平均表面粗糙度 ｚ／ｐｍ Ｏ．５２０ Ｏ．５５０ １．５５０ 为了进一步对比铸铁、合成铜、合成锡研磨盘 对单面研磨加工蓝宝石衬底的效果，将单面研磨加 工时间持续到２４０ ｍｉｎ，研磨条件同上，所得结果 如表２。铸铁、合成铜、合成锡研磨盘加工后蓝宝 石衬底 依次为４４、５６、３８ ｎｍ，Ｒｔ基本维持在３００～ ３５０ ｎ／／１范围，表面粗糙度结果显示了铸铁研磨盘在 蓝宝石衬底单面粗研磨加工中具有最强的适应性。 表２研磨２４０ ｍｉｎ后蓝宝石衬底的表面粗糙度 ３研磨盘材质对均匀性的影响 图ｌａ为蓝宝石衬底单面研磨前的二维表面形 貌，由于蓝宝石衬底表面粗糙均匀的一致性差，导 致激光干涉的反射发散。铸铁研磨盘硬度高、耐磨 性好，在相同的加工条件下磨粒嵌入的深度较合成 铜、合成锡研磨盘浅，因此在蓝宝石衬底表面造成 较为粗糙的表面几率远远大于合成铜、合成锡研磨 盘。单面研磨前蓝宝石衬底 ＝０．６０ ｇｍ，经历铸铁、 合成铜、合成锡盘研磨２４０ ｍｉｎ后的非均匀表面处 依次为１７２、５８、４５ ｎｍ，依次如图ｌｂ、ｌｃ、１ｄ 所示。测试数据结果表明，无论采用何种研磨盘都 有力地改观了残留的表面粗糙程度，研磨的微观均 匀性以合成铜、合成锡较好。 微观均匀性受所选取观察区域的随机性影响 较大，为此在平面度仪上进行平面度测试分析，借 助于不均匀粗糙度的平面对激光反射效果存在差异 来判断均匀程度，即根据图像的连续性来判断结果。 对铸铁、合成铜、合成锡研磨盘加工的同一批次３ 片蓝宝石衬底的测试结果统计数据如表３所示。蓝 宝石衬底宏观表面均匀性对应的研磨盘依次为铸 铁、合成铜、合成锡，这个结论与微观均匀性的排 序是相反的，由于长时间的研磨加工，合成铜和合 成锡的耐磨性较差，同心圆沟槽出现不同程度的边 踏，由此这两种研磨盘加工后的蓝宝石衬底平面度 数值较大。为此在粗研磨加工工序中，采用铸铁研 磨盘可以保证蓝宝石衬底的宏观表面均匀性和面形 精度。 表３蓝宝石衬底的宏观均匀性对比 ４蓝宝石衬底的精密研磨加工 蓝宝石衬底精研磨加工目的是为了进一步提高 面形精度和降低表面粗糙度、表面损伤层。为了减 少磨粒团聚造成大划痕的概率，在单面精密研磨加 工中采用煤油作为Ｗ３．５Ｂ Ｃ磨粒的分散剂。在粗研 磨加工中，不难发现铸铁盘加工后的表面粗糙度数 值较大，合成铜盘研磨后的蓝宝石衬底表面均匀性 与铸铁盘的效果接近，而其表面粗糙度也达到了合 成锡盘的效果，故选用合成铜研磨盘作为精密研磨 工具，试验参数和条件与粗研磨加工相同，研磨时 间６０ ｍｉｎ。 接触式粗糙测试精密研磨后蓝宝石衬底 ａ＝８ａｍ，由于Ｍａｈｒ Ｓ２的测试极限在１０ｎｍ左右， 故此数据的准确性不佳。为了研究蓝宝石衬底精研 磨加工后的表面均匀性，采用光干涉分析蓝宝石衬 底的宏观和微观均匀性，如图２、３所示。测试结果 表明衬底表面的光干涉成像效果良好，面型峰谷值 误差Ｐｖ＜１．６ ｇｍ、粗糙度标准偏差尺 。＜０．３２５ ｇｍ， 蓝宝石衬底表面平整、均匀性良好。其微观均匀性 分析表明，精密研磨有效地改善了蓝宝石衬底表面 粗糙度：Ｒ ＜２０ｎｍ、Ｒｔ＜２５０ｎｌＴｌ。通过精研磨加工， 使得蓝宝石衬底的表面粗糙度在加工前后降低了 ５０％，平面度已经接近１ ｇｍ，为蓝宝石衬底的超精 密研磨加工奠定了良好的基础。 250机械工程学报第45卷第<2期nlll0静静口表面的均匀性Rt<2501nl／精密研磨后蓝宝石衬底R16“m。20P