蓝宝石衬底的超光滑表面加工进展
蓝宝石晶片纳米级超光滑表面加工技术研究
蓝宝石晶片纳米级超光滑表面加工技术研究摘要：蓝宝石本身属于氧化物的多功能晶体，其具备特有的理化性能与光学特性。
近些年以来，蓝宝石晶片正在被全面运用于多种多样的领域，例如光电子与其他有关领域。
蓝宝石晶体可以被用作衬底片的首选材料，同时还能用来制造二极管等，这是由于此类宝石晶片含有氮化镓。
通过运用全方位的表层加工技术，可以确保蓝宝石晶片符合超光滑的纳米级加工度，进而显著优化了蓝宝石晶片具备的综合性能。
关键词：蓝宝石晶片；纳米级；超光滑；表面加工技术针对蓝宝石晶片具体在加工时，通常来讲都会用到机械抛光、塑性磨削或者其他加工措施。
对于光电子的特殊领域而言，加工蓝宝石晶片的要点在于制作出超光滑并且具备纳米级特性的蓝宝石材质，针对上述的加工流程需要用到刚性较高的磨床。
除此以外，表面加工还需配备专门性的蓝宝石抛光液，在此前提下杜绝蓝宝石遭受的表层损伤并且保障了整个加工流程的稳定性。
因此可见，表面加工技术包含多层次的加工技术要素，对于其中涉及到的各项加工技术都要着眼于综合加以运用。
一、对于蓝宝石晶片进行表面加工的基本技术原理从基本特征来讲，蓝宝石具备特有的化学属性与光学属性，其本身构成了氧化物晶体中的典型。
近些年以来，针对光通讯领域更多运用了蓝宝石的特殊晶体，同时还能用来制造衬底片或者发光的二极管。
除此以外，蓝宝石还可用作激光介质，或者用于制成偏振片、无源器件、超导的高温薄膜或者其他物质。
在现阶段的国防领域中，对于新型的红外军用潜艇、军用卫星导弹或者其他军用装置都可选择蓝宝石晶片作为其中必要的强激光与高功率材质。
因此可见，针对光通讯领域以及光电子领域运用的蓝宝石晶片都要经过妥善加工，进而显著优化了蓝宝石能够达到的质量。
在目前的现状下，加工蓝宝石的基本指标在于保证其符合特定的表层光滑度，同时还需彻底杜绝表层损伤。
对于蓝宝石晶片来讲，超光滑表面具备1纳米以内的粗糙度，而无损伤的晶体表面指的是保持完整的表面晶格并且避免加工变质。
蓝宝石衬底精密研磨加工实验研究
蓝宝石衬底精密研磨加工实验研究一、蓝宝石衬底的特点蓝宝石是刚玉的一种变种，其化学成分为氧化铝（Al2O3），具有极高的硬度和热稳定性。
由于其特殊的物理性质，蓝宝石在工业领域中被广泛用于制造光学窗口、液面开关、激光器件等高精度器件以及手表机芯、手机摄像头镜片等精密产品。
蓝宝石衬底是将蓝宝石单晶片加工成薄片并镀上金属膜，广泛应用于电子、通信、光学和医疗等领域。
蓝宝石衬底具有以下特点：1. 高硬度：蓝宝石的硬度为9，仅次于金刚石，具有出色的耐磨性和抗划伤能力。
2. 优异的透明度：蓝宝石具有良好的光学透明性，能够透射大部分可见光谱和红外光谱。
3. 超低热膨胀系数：蓝宝石的热膨胀系数极低，能够在高温环境下保持稳定。
4. 抗腐蚀性强：蓝宝石具有很强的化学稳定性，不易受到酸碱腐蚀。
1. 实验目的蓝宝石衬底精密研磨加工是指对蓝宝石衬底进行高精度的表面加工，以满足其在光学、电子等领域的要求。
本实验旨在探究蓝宝石衬底在精密研磨加工过程中的表面质量和加工参数的影响规律，寻找最佳的加工工艺和条件。
2. 实验设计选择合适的蓝宝石衬底样品，并确定加工前的表面粗糙度和平整度。
然后，设计不同的研磨工艺和加工参数，包括研磨材料、研磨速度、研磨压力等，进行一系列的实验研究。
在实验过程中，需利用光学显微镜、原子力显微镜等工具对样品进行表面形貌和结构的观察，以及进行光学和物理性能测试，评估加工后的表面质量和性能。
3. 实验步骤（1）取样与准备：选取适当尺寸和形状的蓝宝石衬底样品，进行清洗和表面处理，排除杂质和缺陷。
（2）选择研磨材料和工艺参数：根据实验设计确定研磨材料、研磨液和研磨头的类型，以及研磨速度、研磨压力等加工参数。
（3）精密研磨加工：将蓝宝石衬底样品放置于研磨设备上，进行精密研磨加工，按照设计好的工艺参数和步骤进行操作。
（4）样品测试与评估：对研磨后的样品进行表面形貌观察和光学、物理性能测试，比较不同工艺条件下的加工效果，评估其表面质量和适用性。
蓝宝石衬底基片表面平整加工工艺研究
蓝宝石衬底基片表面平整加工工艺研究徐晓明;周海;黄传锦;王晨宇【摘要】重点探讨了蓝宝石衬底基片表面平整加工工艺方案,并开展了表面平整加工工艺的实验研究.采用形状测量激光显微系统、接触式测厚仪等,对平整加工工艺各阶段的表面形貌、表面粗糙度Ra、翘曲度、平整度及加工去除量等进行测量和对比分析.结果表明:随着本实验平整加工工艺方案的进行,蓝宝石衬底基片的表面质量不断提高,最终获得了超光滑无损伤镜面表面,化学机械抛光后的衬底表面粗糙度Ra达0.3nm,翘曲度为3.8 μm,平整度为1.5μm,符合蓝宝石衬底基片超精密加工的表面质量要求.%This paper focused on the planarization process of sapphire substrate surface,and carried out the experimental research about the planarization process. The surface morphology, surface roughness Ra, warpage, flatness and processing removal of each stage were measured and compared by using the shape measurement laser microscopy system and the contact thickness gauge. The results showthat sapphire substrate surface quality continues to increase by the planarization process, The super smooth mirror surface without damage be got at last,after chemical mechanical polishing,the surface roughness Ra was 0.3nm,the warpage was 3.8μm,and the flatness was 1.5μm,which conformed to the sapphire substrate processed by,the flattening process.All of these meet the surface quality requirements for ultra-precision machining.【期刊名称】《机械设计与制造》【年(卷),期】2018(000)006【总页数】4页(P236-238,242)【关键词】蓝宝石;衬底基片;平整加工;工艺方案;实验研究;表面质量【作者】徐晓明;周海;黄传锦;王晨宇【作者单位】盐城工学院机械工程学院,江苏盐城224051;盐城工学院机械工程学院,江苏盐城224051;盐城工学院机械工程学院,江苏盐城224051;江苏吉星新材料有限公司,江苏镇江212200【正文语种】中文【中图分类】TH16;TG74;TQ1641 引言蓝宝石是三氧化二铝（Al2O3）的单晶形态，六方晶系，晶格常数为a=b=0.4758nm，c=1.2991nm，俗称“刚玉”，又称白宝石[1]。
蓝宝石晶片纳米级超光滑表面加工技术研究
Zho u Ha i Yao S hao fe ng ( 1. D epa rtm en t of M echan ica l Eng ineering, Yancheng Institu te of Technology, Yancheng 224003, J iangsu, Ch ina)
(如 Ti: A l2 O3 , C r: A l2 O3 ) [ 6 ] ;在超导领域 ,蓝宝石晶体 除可制作 Y系 、La系等高温超导薄膜外 ,还可生长新 型实用 M gB2高温超导薄膜 [ 7 ] ;在国防领域 ,蓝宝石晶 体是红外军用装置 、导弹 、潜艇 、卫星空间技术 、高能探 测和高功率强激光的重要窗口材料 [ 8 ] 。
KIC ———材料的断裂韧性 , M Pa m K———磨削液影响系数 2. 2 化学机械抛光 目前晶体材料的抛光方法主要有 :机械抛光 、化学 抛光 、离子束抛光 、激光束抛光等 。但是每种抛光方法 都有一定的缺点 ,机械抛光虽然能够实现全局平面化 , 但是难以实现粗糙度 RM S 小于 1nm 的纳米级抛光 ;化 学抛光虽然能够实现纳米级抛光 , 但是不能实现全局 平面化 ;而离子束抛光 、激光束抛光不仅不能实现全局 平面化 ,而且目前仍然处在实验阶段 。 根据蓝宝石晶片的物理和化学性质 , 结合上述机 械抛光和化学抛光的特点 , 本课题采用以化学抛光为 主的化学机械抛光 ( Chem ica l M echan ica l Polish ing, 简 称 CM P)技术 [14 ] ,它是机械磨削和化学腐蚀的组合技 术 ,它借助超微粒子的研磨作用以及浆料的化学腐蚀 作用 ,实现全局平面化超光滑纳米级无损伤精密抛光 。 CM P的基本方法是将晶片在研磨液中 , 相对于抛光垫 旋转 ,并施加一定的压力 ,借助机械摩擦及化学腐蚀作 用来完成抛光 。抛光装置如图 1所示 , 平台在电机的 带动下转动 , 晶片粘在载片盘上 , 载片盘通过电机驱 动 ,转动方向与平台相同 。
蓝宝石基片超精密抛光技术研究进展
蓝宝石基片超精密抛光技术研究进展罗求发;陆静;徐西鹏【摘要】介绍了作为LED衬底材料使用的蓝宝石基片抛光方法的进展.通过介绍各种抛光技术所依靠的机械能、化学能、复合能和特种能场等的不同能场形式分析了当前不同蓝宝石基片抛光技术,如浮法抛光、磁流变抛光、水合抛光、化学机械抛光和激光抛光等的工艺原理和技术特点,指出当前现有加工方法的优缺点和发展进程.目前蓝宝石衬底的抛光质量已达到表面粗糙度为0.1nm、平面度为0.5μm.随着机械表面界面科学和加工工艺的不断进步,数字化、全自动和环境友好型的抛光技术是未来蓝宝石衬底加工的发展方向.%The progress on ultra-precision polishing technology for sapphire substrate used as LED substrate material has been introduced.Technical principles and characteristics of different polishing technologies for sapphire substrate,such as floatpolishing,magneto-rheological polishing,hydration polishing,CMP and laser polishing,have been analyzed through introduction of different forms of energy fields such as mechanical energy,chemical energy,complex energy and special energy on which the various kinds of polishing technologies rely.And the merit and demerit of the current processing methods and development process have been pointed out.At present,the polishing quality of sapphire substrate has reached a surface roughness of 0.1nm and flatness of 0.5um.With the continuous improvement of mechanical surface interface science and the processing technology,the digitalized,automatic and environment friendly polishing technology will be the future development direction of sapphire substrate processing.【期刊名称】《超硬材料工程》【年(卷),期】2017(029)001【总页数】5页(P47-51)【关键词】蓝宝石基片;抛光工艺;化学机械抛光【作者】罗求发;陆静;徐西鹏【作者单位】华侨大学脆性材料加工技术教育部工程研究中心,福建厦门 361021;华侨大学制造工程研究院,福建厦门 361021;华侨大学脆性材料加工技术教育部工程研究中心,福建厦门 361021;华侨大学制造工程研究院,福建厦门 361021;华侨大学脆性材料加工技术教育部工程研究中心,福建厦门 361021;华侨大学制造工程研究院,福建厦门 361021【正文语种】中文【中图分类】TQ164蓝宝石以其高硬度、高熔点、透光性好、电绝缘性优良和化学性能稳定的特点而被广泛应用于机械、光学和信息等高技术领域[1-3]。
蓝宝石晶片纳米级超光滑表面加工技术研究
蓝宝石晶片纳米级超光滑表面加工技术研究蓝宝石晶片具有广泛的应用领域，包括光电子、生物医学、光学和电子等。
而如何获得高质量的蓝宝石晶片是一个关键问题，其中，蓝宝石晶片的表面光滑度是一个重要的指标。
本文将介绍一种纳米级超光滑表面加工技术，以提高蓝宝石晶片的光学和电子性能。
首先，我们将讨论蓝宝石晶片表面加工的传统方法。
传统的表面加工方法包括机械抛光和化学机械抛光。
机械抛光是最常见的方法，但其加工过程存在一些问题，如无法满足高精度要求、易引入表面缺陷和不均匀性等。
化学机械抛光可以解决机械抛光的一些问题，但仍存在一些局限性，如难以控制表面质量和无法实现纳米级光滑度。
近年来，一些新颖的表面加工技术在蓝宝石晶片的制备中得到了广泛关注，其中之一是离子束光刻（IBT）技术。
该技术利用高能离子束轰击蓝宝石晶片表面，通过离子碰撞和表面扩散等效应，消除表面缺陷并改善表面质量。
根据实验结果，使用离子束光刻技术可以实现纳米级光滑度，但其加工速度相对较慢，且在一些应用中存在较高的成本。
另一种有前景的加工技术是激光磨削技术。
该技术利用高能激光束照射蓝宝石晶片表面，通过激光与晶片表面的相互作用，使晶片表面材料发生熔融和蒸发，从而达到去除表面缺陷和提高表面光滑度的目的。
激光磨削技术具有加工速度高、适用于各种材料和无需后续抛光等优点。
然而，由于激光磨削技术中的热应力会导致蓝宝石晶片的热损伤，因此该技术在蓝宝石晶片的加工中仍面临一些挑战。
为了克服传统加工方法和新技术的局限性，我们提出了一种纳米级超光滑表面加工技术，结合离子束光刻和激光磨削技术的优点。
该技术的基本步骤如下：首先，利用离子束光刻技术对蓝宝石晶片表面进行初步处理，消除表面缺陷并提高表面质量。
接下来，利用激光磨削技术对初步处理后的蓝宝石晶片进行进一步加工，达到纳米级超光滑表面的目的。
在加工过程中，需要控制激光功率、照射时间和扫描速度等参数，以实现最佳的加工效果。
实验结果表明，该纳米级超光滑表面加工技术可以显著提高蓝宝石晶片的表面质量。
蓝宝石衬底精密研磨加工实验研究
蓝宝石衬底精密研磨加工实验研究蓝宝石衬底作为光电设备制造的重要材料之一，其表面精密度和平整度直接影响着光电设备的性能。
为了研究蓝宝石衬底的精密研磨加工技术，本实验选取了两种常见的研磨材料进行实验研究。
实验首先选取蓝宝石衬底样品，进行表面的粗磨处理。
粗磨处理是为了消除初始的表面缺陷和不平整度，为后续的精磨加工做好准备。
选择了氧化铁砂和氧化铝砂两种研磨材料进行对比实验。
实验采用切割机将砂砾均匀布置在样品表面，进行旋转切削。
实验中控制旋转速度、切削压力和切削时间等参数，使得两种研磨材料在同样的实验条件下进行对比。
实验结果表明，氧化铁砂和氧化铝砂对蓝宝石衬底的粗磨效果略有差别。
氧化铁砂对蓝宝石衬底的表面处理更加均匀，但容易引入更多的微观划痕。
而氧化铝砂则能够更好地消除表面缺陷，但对表面平整度的改善相对较少。
接下来，实验选取了氧化铝砂作为研磨材料，进行了精磨实验。
实验中采用了不同的研磨液和研磨参数。
研磨液的选择对精磨效果起到关键作用，实验中分别采用了水和乙醇作为研磨液进行对比研究。
实验结果表明，乙醇作为研磨液能够更好地消除表面缺陷，并且提高了表面的平整度。
在研究了不同的研磨液后，实验进一步对研磨参数进行优化。
研磨速度、切削压力和切削时间等参数的选择直接影响了精磨效果。
实验中通过对比不同参数下的研磨效果，最终确定了最佳的研磨参数。
本实验通过对蓝宝石衬底的研磨加工进行了实验研究。
通过对不同研磨材料、研磨液和研磨参数的选择优化，实现了对蓝宝石衬底表面精密度和平整度的有效提升。
这对于光电设备制造具有重要的意义，也为蓝宝石衬底的精密加工提供了实验基础。
蓝宝石LED衬底工艺流程
热导
衬底作为芯片散热的主要 通道，将芯片产生的热量 传导至外部。
光学特性
衬底对芯片的光学性能有 影响，如光的吸收、反射 和折射等。
LED衬底材料的种类
蓝宝石
常用作LED衬底材料，具有较高的硬度、化学稳定 性和高热导率。
硅
具有高热导率、低成本和成熟的半导体制造工艺。
碳化硅
具有高热导率、高硬度、高化学稳定性和高抗腐 蚀性。
蓝宝石LED衬底工艺流程
• 引言 • LED衬底概述 • 蓝宝石LED衬底制备工艺流程 • 工艺流程中的关键技术 • 工艺流程中的问题与解决方案 • 结论
01
引言
主题简介
01
蓝宝石LED衬底是LED产业中的重 要组成部分，其工艺流程涉及多 个环节和关键技术。
02
蓝宝石LED衬底具有优异的光学 、热学和机械性能，广泛应用于 照明、显示、背光等领域。
晶体切割
将晶体切割成适当的大小 和形状，以满足后续加工 需求。
切割与研磨的关键技术
切片
抛光
使用刀片或激光将衬底切成适当的大 小。
通过抛光剂和抛光盘对衬底表面进行 抛光，以提高表面光洁度和平整度。
研磨
通过研磨剂和研磨盘对衬底表面进行 研磨，以去除切割痕迹和表面缺陷。
抛光处理的关键技术
选择性抛光
根据衬底表面的不同区域选择不 同的抛光参数，以实现局部抛光。
研究更精确的光刻技术
随着LED芯片尺寸的不断减小，需要更精确的光刻技术来制作更精细 的图案。
发展新型蓝宝石衬底材料
为了满足LED行业的发展需求，需要研究和发展新型蓝宝石衬底材料， 提高其性能和稳定性。
深入研究退火处理技术
退火处理对蓝宝石衬底的性能有很大影响，需要进一步深入研究退火 处理技术，优化退火工艺参数，提高蓝宝石衬底的性能。
基于固结磨料抛光垫的蓝宝石衬底的超精密加工方法
基于固结磨料抛光垫的蓝宝石衬底的超精密加工方法哎，说到蓝宝石衬底，可能大家的第一反应就是“哇，这东西是不是特别高大上？”。
其实呢，这东西确实不简单，它可是智能手机、LED、激光器等高端科技产品中的“硬核”材料。
要说它硬到什么程度，你拿锤子砸它，可能你手都得先受伤。
不过，蓝宝石虽然坚硬，但也有一个“软肋”——表面需要超级精细的加工，才行。
毕竟，像我们做手机屏幕或者其他精密设备时，表面光滑度必须得高到一定程度，才能让效果达到最佳。
所以，今天咱们聊聊“基于固结磨料抛光垫的蓝宝石衬底超精密加工方法”，这听起来挺高大上的名字，实际上，它就是把蓝宝石表面处理得像镜子一样平滑的秘密武器。
你得知道，蓝宝石衬底虽然硬得像个小坦克，但加工它的过程就像在雕刻一块极其珍贵的艺术品。
别看它表面坚硬，其实它的处理难度比想象的要大得多。
尤其是要让表面平滑到镜面效果，得花不少功夫。
有个聪明的办法就是用“固结磨料抛光垫”来解决这个问题。
你要知道，这种抛光垫可不是什么普通的垫子，它是通过将细小的磨料固结在垫子上来完成抛光工作，就像用砂纸打磨木头一样。
看起来简单，但它能帮助你将蓝宝石表面抛光得如同镜面一样，几乎没有任何瑕疵。
让蓝宝石变得细腻光滑，这就是抛光垫的魔力。
不过，说实话，要把蓝宝石抛光得完美无瑕，并不容易。
固结磨料的选择就很讲究。
你得挑一些硬度高、磨损率低的磨料，才能保证抛光效果持久。
不仅仅是磨料本身，抛光垫的材料和结构也得配合得恰到好处。
要不然，你不仅抛光不了，甚至可能把表面刮伤，简直得不偿失。
话说回来，选择好的磨料和抛光垫，简直就像挑选自己喜欢的皮肤护理产品一样，必须得找到最适合的，才能达到理想的效果。
抛光的过程中，压力、速度、时间这些都得控制得恰到好处。
如果操作不当，不仅抛光不均匀，甚至可能让蓝宝石表面出现裂纹，简直让人痛心疾首。
想象一下，你辛辛苦苦做了半天，结果最后抛光出来的蓝宝石居然是碎的，这种失落感肯定得让你郁闷好久。
蓝宝石晶片超光滑加工技术研究的开题报告
蓝宝石晶片超光滑加工技术研究的开题报告一、选题背景蓝宝石晶片是一种高纯度蓝宝石晶体制成的光学元件，具有优异的光学性能和储存特性，广泛应用于激光器、LED、光电传感器等领域。
超光滑表面是蓝宝石晶片制备过程中的重要环节，不仅影响晶片光学性能和储存寿命，同时也是提高晶片制备工艺的关键因素。
目前，国内外对蓝宝石晶片超光滑表面加工技术的研究还比较单一，主要集中在单一的机械加工、化学机械抛光和离子束抛光等方面。
对于蓝宝石晶片加工过程中的精度、效率、表面质量等方面的研究尚需深入完善。
因此，本次论文拟探讨蓝宝石晶片超光滑加工技术的实现方式，探寻新的加工方法，寻找更好的加工方案，为晶片制备工艺提供优异的加工手段和工艺支持。
二、研究内容1. 综述目前国内外蓝宝石晶片超光滑表面加工技术的研究现状和进展；2. 探讨蓝宝石晶片超光滑表面加工的技术路线和加工工艺流程；3. 对比研究不同加工方法对晶片表面精度、效率、表面光滑度等方面的影响；4. 如何选择最优化的加工工艺参数，提高晶片光学性能和储存特性；5. 发展新型的超光滑加工方法，提高晶片加工效率和加工质量。
三、研究计划1. 前期调研（3周）：了解当前国内外蓝宝石晶片超光滑表面加工技术的研究现状和进展；2. 开展实验（8周）：设计和实施试验，研究不同加工方法的影响；3. 数据统计和分析（3周）：对实验数据进行统计和分析，比较不同加工方法的效果；4. 结论和总结（2周）：总结研究成果，提出可行的超光滑加工方法，为晶片制备提供技术支持。
四、研究意义本研究将为蓝宝石晶片制备提供超光滑加工技术的实现方式和加工工艺流程，为晶片制备提供新的加工手段和更好的工艺支持。
同时，通过对比研究不同加工方法对加工表面精度、效率、表面光滑度等方面的影响，以及如何选择最优化的加工工艺参数，进一步提高晶片的光学性能和储存特性。
此外，本研究还将探讨新型的超光滑加工方法，提高晶片加工效率和加工质量，为光电技术领域的发展提供技术支持。
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前言美国能源部预测至2030年电力能源的消耗每年将保持1.5%的增长[1]。
世界各国和Nichia 、Cree 等公司投入大量资金，极大地加速了LED 的进程，2003年LED 的发光效率仅在30lm/W ，2007年批量生产的LED 发光效率达到了80lm/W ，研究室的水平在130lm/W 左右，预计2012年批量生产的LED 发光效率可以达到160lm/W [2]。
高亮度LED 的发光效率为50~250lm/W ，而超高亮度LED 的发光效率大于250lm/W ，LED 技术的迅猛发展使人类看到了固态照明的曙光[3]。
2007年GaN 基的绿、蓝和白光LED 共消耗了500万2″的衬底，全球市场销售额达到70亿美金。
如图1所示，SiC 衬底的比例小于10%，蓝宝石（α-Al 2O 3）为LED 的重要衬底，其中2″衬底占2/3，3″衬底占1/3[3]。
超光滑表面在光学、尖端武器、电子产品的成功应用已磊见不鲜，薄膜生长的衬底如单晶硅（Si ）、碳化硅（SiC ）、蓝宝石（α-Al 2O 3）、CVD 金刚石等超光滑表面的完整性要求日益严格。
例如高亮度和超高亮度LED 的蓝宝石衬底要求晶格完整，无任何加工缺陷，实际上这种理想表面在工业化生产中难以实现。
我国高亮度和超高亮度LED 衬底大部分由美国、日本、俄罗斯等国家进口，其超光滑少无损伤加工技术蓝宝石衬底的超光滑表面加工进展*周兆忠1,2，袁巨龙2，文东辉2（1.浙江工业大学浙西分校衢州，324000；2.浙江工业大学超精密加工研究中心杭州，310014）[摘要]回顾了（0001）面蓝宝石衬底在LED 的重要作用及其磨粒加工方法的发展进程。
归纳了磨粒加工在蓝宝石衬底的超光滑制备过程中的应用现状，分别对磨削、机械抛光、干式机械化学抛光、湿式机械化学和化学机械抛光在蓝宝石衬底中的应用进行了总结和分析，对比了不同方法对蓝宝石衬底的加工损伤特性和优缺点。
[关键词]蓝宝石衬底；超光滑表面；固态照明；发光二极体[中图分类号]TG74[文献标识码]A[文章编号]1003-5451（2009）03-0008-06Survey on the Progress of Ultra-smooth Sapphire Wafer SurfaceZHOU Zhao-zhong,YUAN Ju-long,WEN Dong-hui（1.West Branch of Zhejiang University of Technology,Quzhou 3240002.Precision Engineering Laboratory,Zhejiang University of Technology,Hangzhou 310014）[Abstract]This paper review the status,technology and progress of sapphire wafer for blue LED.The applications status of sapphire wafer in ultra -smooth process were presented.The applications on sapphire wafer by grinding,mechanical polishing,dry mechanochemical polishing,wet mechanochemical polishing and chemical mechanical polishing were parison on damage characteristics,strongpoints and defects of machining sapphire wafer by different methods were made.[Keywords]sapphire wafer;ultra-smooth surface;solid state lighting;light emitting diode航空精密制造技术AVIATION PRECISION MANUFACTURING TECHNOLOGY2009年6月第45卷第3期Jun ．2009Vol．45No．3《航空精密制造技术》2009年第45卷第3期成为我国LED领域亟待解决的难题。
图1Sapphire和SiC衬底在LED中的应用趋势[3]表1α-A12O3与GaN外延的位错密度比较[6]过渡层技术、LED衬底技术、Epi-GaN衬底技术、新型晶粒切割技术等在蓝宝石衬底上的成功应用，使得制约蓝宝石作为GaN衬底的不利因素基本得到解决，显示出极大的产业化发展前景[4]。
蓝宝石衬底在未来的高亮度和超高亮度LED中仍将占据主导地位，蓝宝石衬底的超光滑加工理论及其技术体系将成为超精密加工领域的重要课题。
以往对蓝宝石衬底的研究重点在工艺参数的优化、去除效率和表面粗糙度方面，对于影响薄膜生长的重要特性参数———亚表面损伤的厚度及其形态缺乏深入地研究。
本文回顾了（0001）面蓝宝石衬底在LED的重要作用及其磨粒加工方法的发展进程。
依据现有的研究成果，归纳了磨粒加工在蓝宝石衬底的超光滑制备过程中的应用现状，分别对磨削、机械抛光、干式机械化学抛光、湿式机械化学和化学机械抛光在蓝宝石衬底中的应用进行了总结和分析，对比了不同方法对蓝宝石衬底的加工损伤特性和优缺点。
1衬底超光滑表面的必要性众所周知，蓝宝石衬底与GaN薄膜的晶格常数失配率达到±16%（理论值±13.8%）、热膨胀系数相差±39%，造成GaN薄膜的位错密度大于108/cm2及其它结构缺陷，GaN外延层位错缺陷主要来源有两个方面：外延生长过程中生长温度、压力和生长速率等参数和衬底的表面完整性[5]。
蓝宝石衬底的表面完整性对外延层的位错密度影响体现在以下三个方面：其一，由于GaN在蓝宝石衬底的异质外延，两种材料在化学性能、结构及原子间距等的不同引起位错缺陷；其二，衬底表面形态如表面沾污、划痕、应变等引起外延表面平整度的局部偏差，进而形成外延堆垛层错和乳突；其三，衬底中位错在一定程度上向GaN层的延伸[6]。
因此蓝宝石单晶质量及及表面完整性会影响外延层质量，导致电子空穴的非辐射复合并降低其迁移率，从而影响器件的质量(发光效率、漏电极、寿命等)。
2磨粒加工的特征国内在批量生产蓝宝石衬底片的工艺过程中，破裂及塌边比例约占总数的6%。
研磨及抛光后，蓝宝石衬底片表面微划痕较多，20%左右的衬底片表面因未能完全去除加工损伤层，需要重新研磨抛光，致使部分衬底片因厚度偏薄而报废[7]，其加工成本要比Si、Ge和GaAs高的多。
磨削、研磨和抛光是蓝宝石衬底加工的重要手段，承担了90%以上的加工余量。
目前尚无法得知国内外厂商关于蓝宝石衬底的确切工艺，其大致工艺路线为：①280-240#BC4磨粒粗加工去除切片的不平整度；②采用8μm的金刚石液进行粗抛光；③采用1μm的金刚石抛光液进行精细抛光，去除余量约为30μm。
目前生产中蓝宝石衬底的主要缺陷表现为：位错密度高（104~105/cm2）、细小划痕、表面残余应力和应变[8]。
磨粒加工的模型如图2所示，材料去除依赖于磨粒与蓝宝石衬底表面材料的磨蚀作用，尽管可以采用更为细小的磨粒来实现光滑表面的加工，但难以避免在蓝宝石表面造成细小的划痕，而且经过长时间的磨蚀后会造成蓝宝石衬底表面的位错，因此研究磨粒加工对蓝宝石表面的损伤形态及损伤层深度具有重要意义。
图2磨粒加工的模型蓝宝石衬底位错密度/cm-2GaN位错密度/cm-2试样1 1.2×1049.6×108试样2 2.6×1048.4×108试样3 6.4×104 1.4×109蓝宝石衬底的超光滑表面加工进展*3磨削加工随着砂轮和精密控制技术的发展，使得磨削加工在蓝宝石衬底的精密磨削和背面减薄中得到了一些成功应用。
采用CNC精密磨床和180#金刚石砂轮磨削蓝宝石衬底可以实现4.5μm/min、R a0.6-1.4μm的加工效果。
图3为经过磨削后的蓝宝石衬底TEM测试结果，分析表明磨削加工在蓝宝石衬底表面造成6~7μm损伤层，而且伴有裂纹、孪晶和位错的缺陷，其中0~3μm的亚表层具有高密度的位错和裂纹，裂纹的深度可以达到13~14μm[9]，而另一研究结果表明损伤层总深度可以到到22~35μm[10]。
目前仅有部分厂家将磨削加工应用于蓝宝石背面的减薄工艺，将蓝宝石衬底厚度从430μm快速加工到130μm。
4游离磨粒研磨加工选择游离磨粒的粒径及工序的加工余量必须依赖于表面粗糙度、划痕大小和亚表面损伤层深度三个方面，国内外学者就磨粒粒径的粗糙度、划痕极限进行过探索研究，在表面及亚表面损伤方面缺乏类似研究结果。
此外不同厂商的磨粒特性也存在很大差异，导致研究结果的依赖性较大，因此难以对实验结果进行类比分析，尽管如此，开展该方面的研究仍然是十分必要的。
图4为W3.5BC4磨粒加工后的蓝宝石衬底表面，蓝宝石衬底经过精细研磨后表面粗糙度R a20nm、R t250nm，蓝宝石衬底表面划痕、裂纹交错，最大划痕宽度约1μm。
从图5的纳米压痕测试结果可以知道，精密研磨后蓝宝石衬底表面0.12μm以内为严重裂纹和位错区，这种位错和应变层一直延伸到2μm的亚表层深处[8]。
5机械抛光研磨后的蓝宝石衬底表面通常含有高位错密度，为此需要采用更细小的磨粒进行抛光来去除一定厚度的损伤层。
众所周知，抛光时间过长容易造成环状的位错层，因此往往采用去除能力强的金刚石微粉进行快速抛光。
图6为1μm金刚石抛光液得到的蓝宝石衬底表面粗糙度为R a1.2nm、R max15.4nm，表面划痕的最大宽度为200nm。
通过对蓝宝石衬底的截面SEM分析，如图7（a），可以观察到精细抛光后蓝宝石衬底表面存在半环位错结构，损伤层深度为250nm，此外还存在位错和应变集中区，TEM分析表明这一类型的损伤层在划痕下方的深度为100nm，如图7（b）所示[9]。
与c面垂直的a面上有明显的位错带，位错的产生使得c面与a面的晶向误差为2.9%，与抛光面平行的局部应变值为±0.1%，应变层厚度为300nm。
位错和应变的分布与蓝宝石衬底表面的各向异性密切相关，Namba认为抛光速率是磨粒引起的位错、应变、剪切应力的综合作用结果。
Gutsche认为沿c 面的抛光压力使得c面收缩，同时a面、m面的晶体受到拉伸造成了r面出现孪晶，理论上剪切应力达到12~15MPa就会产生孪晶缺陷。
众多研究结果表明，抛光压力是造成各种抛光缺陷（位错、孪晶、划痕、应变）的主要原因。