晶体材料亚表面的损伤检测

蓝宝石衬底基片工艺质量检测指标及方法的研究进展

制造技术／ＳＥ艺装备现代制造工程（ＭｏｄｅｍＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）２０１３年第３期

蓝宝石衬底基片工艺质量检测指标及方法的研究进展＋

徐晓明１一，周海２，卓志国１’２，臧跃２’３

（１常州大学，常州２１３０１６；２盐城工学院，盐城２２４０５１；３江苏大学，镇江２１２０１３）

摘要：根据蓝宝石衬底基片国家标准和国际质量保证体系标准，结合目前蓝宝石衬底基片生产和科研的实际情况，阐述

了目前蓝宝石衬底基片生长、掏棒切片、研磨抛光和清洗加工过程中的质量检测指标、检测方法，以及检测设备。指出了蓝宝石衬底基片检测技术的研究对衬底基片生产的重要性。总结了蓝宝石衬底基片检测技术的现状，半导体材料ＧａＮ衬底用蓝宝石单晶的纯度要达到９９．９９９％以上，位错密度在１０２／ｃｍ２范围内，晶片切片厚度偏差不超过２０ｐ，ｍ，表面粗糙度要达到Ｒａ０．３ｎｍ水平。指出了现有检测技术的不足和今后的发展趋势，对蓝宝石衬底检测技术的进一步发展具有引导性的作用。关键词：蓝宝石；衬底；检测指标；检测方法；检测设备中图分类号：３３－１１６文献标志码：Ｂ文章编号：１６７１—３１３３（２０１３）０３—００８７—０５

Ｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｏｆｄｅｔｅｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒｓａｐｐｈｉｒｅｓｕｂｓｔｒａｔｅ

ＸｕＸｉａｏｍｉｎ９１”，ＺｈｏｕＨａｉ２，ＺｈｕｏＺｈｉｇｕ０１”，ＺａｎｇＹｕｅ２＇３

（１ＣｈａｎｇｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ２１３０１６，Ｊｉａｎｇｓｕ，Ｃｈｉｎａ；２ＹａｎｃｈｅｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，

Ｙａｎｃｈｅｎｇ２２４０５１，Ｊｉａｎｇｓｕ，Ｃｈｉｎａ；３ＪｉａｎｇｓｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ２１２０１３，Ｊｉａｎｇｓｕ，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＡｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌａｎｄＣｈｉｎｅｓｅｓｔａｎｄａｒｄｓｏｆｓａｐｐｈｉｒｅｓｕｂｓｔｒａｔｅ，ｔｈｅａｃｔｕａｌｓｉｔｕａｔｉｏｎｏｆｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎａｎｄｒｅｓｅａｒｃｈｆｏｒｓａｐｐｈｉｒｅｓｕｂｓｔｒａｔｅ，ｉｔｅｌａｂｏｒａｔｅｓｔｈｅｑｕａｌｉｔｙｄｅｔｅｃｔｉｏｎｉｎｄｅｘ、ｄｅｔｅｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓａｎｄｄｅｔｅｃｔｉｏｎｅｑｕｉｐｍｅｎｔｉｎｇｒｏｗｉｎｇ、ｄｉｇｇｉｎｇｓｔｉｃｋａｎｄｓｌｉｃｉｎｇ、ｇｒｉｎｄｉｎｇａｎｄｐｏｌｉｓｈｉｎｇ、ｃｌｅａｎｉｎｇｆｏｒｓａｐｐｈｉｒｅｓｕｂｓｔｒａｔｅ．Ｔｈｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｑｕａｌｉｔｙｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎｆｏｒｓａｐｐｈｉｒｅｓｕｂ－

线速度对金刚石线锯及硅片表面质量的影响

李宏达;秦军存;邢旭;明兆坤

【摘要】为了考察线速度对金刚石线锯切割过程的影响,研究了不同线速度条件下金刚石线锯的磨损情况以及硅片表面质量情况,通过SEM及粗糙度仪对切后线材、硅片等进行微观及量化分析.结果表明:线速度由1 300 m/min提高至1 800

m/min,金刚石线锯磨损量由3.5 μm逐渐降低到2.5 μm,降幅为28.6％;金刚石线锯切割硅材料为塑性及脆性模式混合去除,硅片表面的形貌呈现沟槽状、连续划痕并伴随大量凹坑;随着线速度的增加,硅片表面粗糙度逐渐减小,算数平均粗糙度Ra、最大高度Rz以及最大表面粗糙度Rt数值分别下降了33.7％、37.8％、45.6％,表面凹坑数量随着线速度的增大也逐渐减少.%The wear of wire and the surface

quality of silicon wafer under different wire speeds were studied.The micro

and quantitative analysis of the used wire and silicon wafer was

investigated by SEM and roughness instrument.The results showed that

the smaller the wear of diamond wire with the wire speed increasing from

3.5 μm to 2.5 μm;;diamond wire cutting silicon materials for plastic and

brittle mixed mode of removal of silicon surface profile showed a

continuous groove,accompanied by a large number of scratches and

激光量热法测量K9基片的表面吸收和体吸收

刘浩;潘峰;陈松林;王震;马平;欧阳升;卫耀伟

【摘要】表面抛光可能给K9基片带来额外的杂质和吸收,分离K9基片的表面吸收率与体吸收率有助于改进基片的加工质量和抛光工艺,对抗损伤能力研究具有重要意义.分析了激光量热法测量弱吸收的原理,采用符合ISO 11551要求的激光量热计测量K9基片的弱吸收.对相同工艺抛光的不同厚度K9基片进行了弱吸收表征,实验发现K9基片的弱吸收随着厚度增加近似线性增大.推导了表面吸收率和体吸收率的计算式,实验得出本样品的表面吸收率为1.21×10-5,体吸收率远大于表面吸收率,体吸收系数为1.72×10-3/cm.实验结果显示所用K9样品的吸收主要来自于材料本身,改善抛光工艺对降低其吸收率作用不大.

【期刊名称】《应用光学》

【年(卷),期】2014(035)002

【总页数】5页(P292-296)

【关键词】激光量热;弱吸收;表面吸收;体吸收;K9基片

【作者】刘浩;潘峰;陈松林;王震;马平;欧阳升;卫耀伟

【作者单位】成都精密光学工程研究中心,四川成都610041;成都精密光学工程研究中心,四川成都610041;成都精密光学工程研究中心,四川成都610041;成都精密光学工程研究中心,四川成都610041;成都精密光学工程研究中心,四川成都610041;成都精密光学工程研究中心,四川成都610041;成都精密光学工程研究中心,四川成都610041 【正文语种】中文

【中图分类】TN244

引言

光学吸收是衡量光学元件质量的重要指标。吸收的存在不仅会影响其光谱性能，更会造成元件的热沉积。特别在高功率激光作用下，光学吸收是导致激光损伤的关键因素之一[1-2]，是制约高功率激光器输出的重要因素，因而有必要对光学元件的吸收进行精确测量，从而达到减少吸收损耗和制备高质量的光学元件的目的。

K9基片是最常用的光学元件之一，具有从350 nm到近红外的较宽透光范围和优良的物理化学稳定性，在抛光制作中不易产生划痕，几乎不产生气泡，在光学系统中具有极广泛的应用。文献[3]对K9基片上的Al2O3薄膜进行了损伤测试，发现损伤形貌主要与高温脱落有关，文献[4-8]对K9基片的激光体损伤、亚表面损伤、后表面损伤作了广泛研究，文献[9]对K9基片在连续激光作用下的热分布进行了模拟，但对K9基片的弱吸收研究尚未见报道。

光学元件亚表面损伤深度的无损荧光检测方法

光学元件亚表面损伤检测是最近发展起来的一项检测技术，目前应用比较广泛。它主要用于无损检测光学元件的表面状态，以辨别其是否受到损伤或磨损。在传统的技术开发检测方法中，亚表面损伤检测一般采用物理探测技术，成本较高，同时存在很多安全隐患。

但是近年来，随着探测技术的不断进步，其中有一种特别有效的无损检测方法--荧光检测方法，在亚表面损伤检测中有着广泛的应用。荧光检测目前广泛用于检测工业标准结构件，如法兰、螺母及其他部件，可避免人为因素的影响，可以快速精准地检测光学元件表面的亚表面损伤深度。

荧光检测通常采用一种特殊的紫外线光谱技术，可以对损伤表面状况进行分析，其原理是根据放射出的紫外线灯的反射情况来分析损伤表面，以获取亚表面损伤深度，从而反映损伤表面的损伤状况。有了这项技术，可以准确判断光学元件是否受到损伤，以及损伤表面的深度。

荧光检测是一种基于紫外线谱技术、实用性极强、可以快速准确检测光学元件表面亚表面损伤深度的无损检测方法，在工业产品的检测应用方面有着重要意义，具有应用价值巨大，可以为企业带来更大的收益。

光学元件亚表层损伤检测和规律研究

第３１卷第１期　２０１１年Ｏ２月　西安工业大学学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｘｉ’ａｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｖｏ１．３１　Ｎｏ．１　Ｆｅｂ．２０１１　

文章编号：１６７３—９９６５（２０１１）０１—０２４—０５　

光学元件亚表层损伤检测和规律研究　

田爱玲，党娟娟，王春慧，王红军，刘丙才　

（西安工业大学光电工程学院，西安７１００３２）　

摘要：　为了分析光学元件的加工工艺与亚表层损伤的关系，验证亚表层损伤／表面粗糙度　

比例预测模型的正确性，探索一种能够快速检测亚表层损伤的方法．文中基于激光散射和共聚　

焦显微成像理论，分析了共聚焦显微系统测量亚表层损伤的可行性；对三种不同工艺加工的光　

学表面，利用ＯＰＴＥＬＩＣＳ　Ｓ１３０五波长共聚焦显微镜获得光学表面亚表层损伤的三维立体图　

和纵向数据图，在ＴａｌｙＳｕｒｆ　ＣＣＩ上测量了光学表面的粗糙度，分析了加工过程中磨粒直径变　

化规律对表面粗糙度和亚表层损伤深度的影响，验证了亚表层损伤深度和表面粗糙度之间呈　单调递增了的非线性关系．研究结果表明，共聚焦显微成像技术可以实现亚表层的非破坏性定　

量检测．　

关键词：　亚表层损伤；表面粗糙度；激光散射；共聚焦成像　中图号：ＴＮ２４４　文献标志码：Ａ　

光学元件在加工过程中形成的表面和亚表层　

损伤会在一定能量的激光辐照下，在局部产生高　

温，造成元件损伤，国内外研究表明，光学元件在其　制造过程中形成的元件表面污染和亚表面缺陷是　

导致紫外损伤的主要根源之一ｌｌ１　．　

如果想避免引起损伤，就需要对能导致损伤的　主要因素进行识别．光学元件的加工包括锯切、粗　

磨、精磨和抛光等加工工序．由于磨削力的作用，每　

道工序都将使表面产生裂纹，这些裂纹会深入到表　

面下一定深度，使光学零件产生亚表面损伤　］．因　

此，确定光学元件亚表面损伤层的深度及其分布，　对研究其损伤形成机理、优化光学加工参数有着极　

其重要的作用［５］．　

光学材料亚表面损伤表征方法研究

第３４卷第６期　

２０１３年１２月　通化师范学院学报（自然科学）　

ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＴＯＮＧＨＵＡ　ＮＯＲＭＡＬ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　Ｖｏ１．３４№６　

Ｄｅｃ．２０１３　

光学材料亚表面损伤表征方法研究　

崔舒，刘成有，汉语，徐井华，张　勇　

（通化师范学院物理学院，吉林通化１３４００２）　

摘要：亚表面损伤的精确表征有助于全面掌握光学元件研磨后的亚表面损伤特征，是确定后续抛光时间和加工程序、提　高研磨加工效率的切实依据．该文首先从目前比较常见的几种亚表面损伤测试技术出发，简要阐述各种测试技术的实验原理，　综合实验结果分析了各种方法对亚表面损伤表征的研究状况，并对截面法在Ｋ９光学玻璃亚表面损伤方面的应用进行了实验对　比研究，对比分析了研磨粒径与裂纹最大深度间的关系．　关键词：亚表面损伤；光学材料；表征方法　中图分类号：０４６９文献标志码：Ａ文章编号：１００８—７９７４（２０１３）ｏ６—００２１—０３　

光学材料伴随着光学学科的飞速发展受到的关　

注与日俱增，而其在民用工业、航空航天方面的广泛　

应用也对光学材料自身的表面质量提出了更高的要　求．众所周知…，广泛用于光学材料的加工过程会　

无可避免的在光学材料表面引入降低其性能的亚表　面损伤和缺陷，如划痕、裂纹、残余应力和杂质等等，　

而这将最终影响光学系统的综合性能，因此，定量测　

量光学材料亚表面损伤的深度和分布对研究光学材　

料的损伤形成和优化加工，以及改善光学材料的表　

面质量具有重要意义．　

准确测量亚表面损伤深度是高效去除亚表面损　

伤层的基础．目前，亚表面损伤的测试方法主要包括　

破坏性检测方法和非破坏性检测两种．破坏性的检　

测方法　包括恒定化学蚀刻速率法、截面显微法、　

角度抛光法、磁流变抛光法等，非破坏性检测方法包　括白光干涉法、超声显微成像法、散射扫描层析法、　

ｘ射线检测法等．本文将以几种重要的亚表面损伤　

测试方法为例，对其原理和实验测试结果进行综合　

分析，并对截面显微法在Ｋ９光学玻璃亚表面损伤　

光学材料磨削的亚表面损伤预测

第２ｌ卷第３期　２０１３年３月　光学　０ｐｔｉｃｓ　ａｎｄ　Ｐ　精密工程　ｒｅｃｉｓｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｖｏ１．２１　ＮＯ．３　Ｍａｒ．２Ｏ１３　

文耄编号　１００４—９２４Ｘ（２０１３）０３—０６８０—０７　

光学材料磨削的亚表面损伤预测　

吕东喜¨，王洪祥　，黄燕华　

（１．哈尔滨工业大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨１５０００１；　

２．中国工程物理研究院激光聚变研究中心，四川Ｉ绵阳６２１９００）　

摘要：基于压痕断裂力学理论，建立了工件表面粗糙度与亚表层损伤深度的理论关系模型，用于预测磨削加工脆性光学　材料引起的亚表层损伤深度。利用磁流变角度抛光技术检测了不同磨削加工工艺条件下亚表层的损伤深度，验证了理　论模型的正确性。分析了加工工艺参数对工件表面粗糙度及亚表层损伤深度的影响规律，提出了提高材料去除率的磨　削加工工艺方案。分析结果表明：脆性材料工件的亚表层损伤深度与工件的表面粗糙度呈非线性单调递增关系。工件　亚表层损伤深度及工件表面粗糙度均随着切削深度和进给速度的增加而增加，随着主轴转速的增加而减小。对比实验　结果与理论模型预测结果表明，提出的模型可以准确、无损伤地的预测磨削加工引起的工件亚表层损伤深度。　关键词：脆性材料；磨削；压痕；磁流变抛光；表面粗糙度；亚表层损伤　中图分类号：ＴＮ３０５．２；ＴＱ１７１．６８　文献标识码：Ａ　ｄｏｉ：１０．３７８８／ＯＰＥ．２Ｏ１３２１０３．０６８０　

Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｇｒｉｎｄｉｎｇ　ｉｎｄｕｃｅｄ　ｓｕｂｓｕｒｆａｃｅ　ｄａｍａｇｅ　

ｏｆ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　

ＬＵ　Ｄｏｎｇ—ｘｉ¨，ＷＡＮＧ　Ｈｏｎｇ—ｘｉａｎｇ　，ＨＵＡＮＧ　Ｙａｎ—ｈｕａ　

（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，　

Ｈａｒｂｉｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ　１５０００１，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｃｅｎｔｅｒ　ｏｆ　Ｌａｓｅｒ　Ｆｕｓｉｏｎ，Ｃｈｉｎａ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｍｉａｎｙａｎｇ　６２１９００，Ｃｈｉｎａ）　

天然金刚石的水射流引导激光切割及检测分析

石广丰;朱可可;张云飞;史国权

【摘要】金刚石工具行业的快速发展,需要对大量的天然金刚原石颗粒进行精密切割和细分,从而方便通过后续的研磨抛光来实现高精度的金刚石工具制备.相对于传统的手工劈切和激光切割方法,采用水射流引导激光(Laser Micro Jet,简称LMJ)切割方法对天然金刚石原石进行了精密、高效切割分离,并采用光学显微镜和X射线衍射仪(XRD)等检测手段对切割后的金刚石表面(110)晶面进行了物相成分和残余应力的检测分析,通过和激光切割后的样品结果对比获得了LMJ切割天然金刚石的有益效果.这对于完善金刚石原石的LMJ切割工艺具有重要意义.

【期刊名称】《制造业自动化》

【年(卷),期】2017(039)006

【总页数】3页(P74-76)

【关键词】天然金刚石;LMJ;X射线;物相;残余应力

【作者】石广丰;朱可可;张云飞;史国权

【作者单位】长春理工大学机电工程学院,长春 103322;长春理工大学机电工程学院,长春 103322;长春理工大学机电工程学院,长春 103322;长春理工大学机电工程学院,长春 103322

【正文语种】中文

【中图分类】TG71 天然金刚石是目前地球上发现的自然存在物质中最坚硬的一种单晶体材料，它不仅可以制作成观赏宝石（钻石、珠宝等），而且还可以用于工业用途，如金刚石工具等。无论天然金刚石作何用途都要首先对其进行开料、粗磨、微细切割和精磨抛光。由于天然单晶金刚石具有极高硬度和强度、超高耐磨性、极好导热性等特点，对天然金刚石晶体的加工具有效率低、损耗大、分割质量不稳定以及加工成本高等各种加工难题，因此限制了天然金刚石原石材料的利用率[1]。

相对于人工劈割和锯切的天然金刚石传统开料方法来说，激光切割的方法普遍采用[2]。由于天然金刚石存在大自然中多为不规则形式，使用具有高亮度、方向性强、单色性好、相干性好、空间控制和时间控制性好等优越性能的激光切割，容易获得超短脉冲和小尺寸光斑，能够产生极高的能量密度和功率密度，足以加工世界上任何金属和非金属物质，特别适用于自动化加工,而且对加工对象的材质、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大[3,4]。但是激光切割天然金刚石表面会产生明显的裂纹和断层，并且使切割后的天然金刚石表面产生不同的烧蚀现象，因此寻求天然金刚石的新型切割方法来具有重要意义和价值。

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

碳化硅晶片减薄工艺试验研究

梁津;赵岁花;高岳

【摘要】研究了用减薄磨削的方式代替碳化硅晶片制片过程中的研磨工序,对线切割后的碳化硅晶片进行磨削试验;对比了减薄和研磨磨削的加工效率,分析了晶片表面粗糙度和晶片厚度变化量.

【期刊名称】《电子工业专用设备》

【年(卷),期】2018(047)001

【总页数】5页(P3-6,24)

【关键词】碳化硅;研磨;减薄;试验研究

【作者】梁津;赵岁花;高岳

【作者单位】中国电子科技集团公司第四十五研究所,北京 100176;中国电子科技集团公司第四十五研究所,北京 100176;中国电子科技集团公司第四十五研究所,北京 100176

【正文语种】中文

【中图分类】TN305

随着半导体行业的飞速发展，半导体材料也在更新换代。第一代半导体材料以硅为主导，技术成熟，广泛应用于集成电路行业；第二代半导体材料以砷化镓和磷化铟为主导，主要应用于信息、光纤通信以及半导体激光器等领域[1]；碳化硅材料作为第三代半导体代表性材料，具有高禁带宽度，较高的击穿场强，高热导率等诸多优点，可应用于照明、显示等多个领域。表1对3代半导体材料的物理特性进行了对比。

SiC晶锭经过切割、研磨、抛光和CMP抛光几个工序后加工成碳化硅晶片[1，2]。其中的研磨工序是用高硬度的磨料对线切割后的碳化硅圆片表面进行研磨，从而去除上一道工序在圆片表面留下的切痕和损伤层。为了提高研磨效率，研磨又分成粗研和精研两道工序。粗研使用粒径较大的磨粒进行研磨，主要是用于去除切片工序给碳化硅圆片表面造成的切痕以及损伤层[3]。精研是用粒径较小的磨粒进行研磨，主要去除粗研留下的损伤层，以及保证研磨后晶片的面型精度，为下一步的抛光做准备。

表1 3代半导体材料物理特性对比参数禁带宽度/eV介电常数击穿场强/（106V·cm-1）热传导率/[W·（m·℃）-1]Si 1.1 11.8 0.6 130 GaAs 1.4 12.8 0.7