CN105313234B - 一种双面抛光蓝宝石晶片的加工方法 - Google Patents
一种双面抛光蓝宝石晶片的加工方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种双面抛光蓝宝石晶片的加工方法，主要工艺过程包括：多线切割、晶片退火、晶片化学湿法腐蚀、晶片外周倒角、晶片化学机械抛光。采用本发明方法加工蓝宝石晶片，简化了作业步骤，使操作更加简单，可以有效缩短加工周期；在保证晶片厚度和表面质量的前提下，可降低切片过程为后续加工预留的加工余量，提高晶体的利用率，从而降低蓝宝石晶片的生产制造成本。
Description
（一）技术领域
本发明涉及一种蓝宝石晶片的加工方法，具体涉及一种用于窗口材料的双面抛光蓝宝石晶片的加工方法。
（二）背景技术
蓝宝石单晶由于具有硬度高、耐磨性好、脆性大、化学性质稳定等特点，对它的精密、超精密加工非常困难。为了得到超光滑表面，目前常用的蓝宝石晶片表面加工过程主要采用机械研磨结合化学机械抛光的方法。
蓝宝石晶片机械研磨的目的是去除晶片在多线切割过程中产生的表面/亚表面损伤层，修正晶片的几何厚度，改善晶片表面的平整度、粗糙度和翘曲度。为了提高晶片机械研磨的效率和减少机械研磨后晶片表面损伤层的厚度，一般采用粗、细研磨相结合的方法。
传统的机械研磨方法存在加工效率低、亚表面损伤大、容易碎边等现象，严重影响晶片后续的加工及使用。所以亟需找到一种可获得高效率、优质表面的加工工艺路线解决以上问题。
湿法腐蚀利用化学腐蚀液浸泡晶体达到去除晶体表面物质的目的，工艺过程较为简单易行、成本较低。目前湿法腐蚀主要用来观察晶体内位错腐蚀坑的形貌和计算位错密度，这主要是利用了存在缺陷损伤处的晶体组织在化学腐蚀过程中反应速率较晶体结构完整处快的特点。湿法腐蚀可通过改变腐蚀时间、腐蚀温度等工艺参数来达到预期的腐蚀效果，并且腐蚀温度越高，达到相同的腐蚀效果所需腐蚀时间越短。此外腐蚀速度受反应速度和扩散速度共同影响。反应速率相对较快的地方，反应持续一段时间后，受扩散作用的影响，这些地方的腐蚀去除速度会逐渐下降，最后低于前期腐蚀去除速度较慢的地方。因此经化学湿法腐蚀可得到表面平整度相对较好的材料。
（三）发明内容
本发明的目的在于提供一种优化蓝宝石双抛片的加工工艺，缩短加工时间，降低加工成本，提高产品成品率的双面抛光蓝宝石晶片的加工方法。
本发明的目的采用如下技术方案实现：它包括如下步骤：
(1) 多线切割：将蓝宝石待加工工件(晶棒或者方块料)粘贴到固定工装上，通过工作台的下降实现工件的进给。通过一根高速运动的钢线带动附着在钢线上的金刚石颗粒对工件进行切割。
(2) 晶片退火：将蓝宝石切割片通过夹具放置在高温退火炉内，按阶梯式升温模式逐步将炉内温度升至最高温，即首先匀速升温5h使炉内温度达到1000～1100℃，并保温恒定1~3h；然后再匀速升温5h使炉内温度达到1600～1650℃，并保温恒定2~5h。降温工艺为，以不高于120℃/h的降温速度使炉内温度从1600～1650℃匀速降至室温。
(3) 晶片化学湿法腐蚀：将蓝宝石退火片和装有片状KOH固体颗粒的坩埚同时加热至290～310℃，保温使KOH熔化至澄清。将蓝宝石晶片置于KOH熔体中，保温30～50min后立马取出晶片并自然冷却至室温。冷却后用清水冲洗晶片两表面5~10min，在超声振动环境下先后用体积百分比为0.5%的稀盐酸清洗晶片10~20min和去离子水清洗5~15min。
(4) 晶片外周倒角：将蓝宝石腐蚀片置于CNC机台的夹具上，选取粒径为30～50μm金刚石树脂砂轮，转速为1000 m/min，倒角量为0.08～0.2mm。
(5) 晶片化学机械抛光：将倒角后的蓝宝石晶片按顺序摆放入抛光游星轮，以粒度为20~40nm和80~120nm的二氧化硅溶胶按1:1混合制成抛光液，抛光转速、抛光压力和抛光温度分别控制在40~60rpm、350~550g/cm2和40~50℃。
本发明的有益效果在于：
(1) 化学湿法腐蚀的速度和程度可控。可通过改变腐蚀温度和腐蚀时间达到控制腐蚀去除晶片厚度的目的。
(2) 化学湿法腐蚀去除晶片表面/亚表面损伤层的速度快。同时化学湿法腐蚀后晶片表面平整度较好，表面损伤层较薄，可降低后续化学机械抛光的加工量，提高加工效率高。
(3) 晶片在化学湿法腐蚀过程中不会产生新的表面损伤层，可显著降低整个加工过程中晶片表面的材料去除量，降低切片预留加工余量，提高材料的利用率；
(4) 晶片经化学湿法腐蚀后，表面只存在溶解性能好的KOH，不会发生传统研磨工艺中存在的磨料和研磨液对晶片表面的污染问题，因此加工后的晶片易于清洗干净，只需用清水冲洗和稀盐酸浸泡即可清洗干净。
（四）附图说明
图1为本发明双面抛光蓝宝石晶片的加工工艺流程图；
图2为蓝宝石晶片退火温度曲线图。
（五）具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例对本发明进行进一步详细说明。但并不构成对本发明的任何限制。
结合图1，本实施例提供了一种双面抛光蓝宝石方形晶片的加工方法。所述方法的工艺过程包括：
P1，金刚石多线切割：将截面为52×52mm的方形蓝宝石方块料粘贴在固定工装上，使用直径为0.22mm的金刚石线锯进行切片，其中表面金刚石颗粒的粒径为30～40nm，切割片的厚度为最终抛光片的厚度加上为后续腐蚀抛光预留出的0.08～0.1mm。
P2，晶片退火：将蓝宝石切割片放入高温退火炉内，匀速升温5h使炉内温度升至1000℃，保温2h；然后再以120℃/h的升温速度匀速升温5h，使炉内温度达到1600℃，保温3h；最后匀速降温16h，使炉内温度从1600℃降至室温。
P3，晶片化学湿法腐蚀：将高温晶片退火处理后的晶片和装有片状KOH固体颗粒的坩埚同时加热至310℃。当KOH熔体澄清后，将蓝宝石晶片放入其中，温度恒定在310℃并保温30min，取出晶片后自然冷却至室温。然后用清水持续冲洗晶片两表面5min，在超声振动环境下先后用体积百分比为0.5%的稀盐酸浸泡晶片15min和去离子水清洗10min。
P4，晶片外周倒角：将蓝宝石腐蚀片置于CNC机台的夹具上，选取粒径为40μm的金刚石树脂砂轮，砂轮的线速度为1000m/min，倒角量为0.1mm。
P5，晶片化学机械抛光：将蓝宝石倒角片按顺序摆放入抛光游星轮，抛光液采用粒度分别为40nm和110nm的两种二氧化硅水溶胶按1:1混合，抛光盘转速控制在45rpm，抛光压力为450g/cm2，抛光温度为45℃。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只限于这些说明。对于具有本发明所属领域基础知识的人员来讲，可以很容易对本发明进行变更和修改，这些变更和修改都应当视为属于本发明所提交的权利要求书确定的专利保护范围。
Claims (1)
1.一种双面抛光蓝宝石晶片的加工方法，其特征在于它包括以下步骤：(1)将蓝宝石试样利用金刚石多线切割成蓝宝石晶片；(2)将蓝宝石切割片进行高温晶片退火处理；(3) 高温晶片退火处理后的晶片利用化学湿法腐蚀去除晶片表面的损伤层；(4)腐蚀后的晶片进行外周倒角；(5)倒角后的晶片利用化学机械抛光加工成最终产品；其具体步骤为：P1，金刚石多线切割：将截面为52×52mm的方形蓝宝石方块料粘贴在固定工装上，使用直径为0.22mm的金刚石线锯进行切片，其中表面金刚石颗粒的粒径为30～40nm，切割片的厚度为最终抛光片的厚度加上为后续腐蚀抛光预留出的0.08～0.1mm；P2，晶片退火：将蓝宝石切割片放入高温退火炉内，匀速升温5h使炉内温度升至1000℃，保温2h；然后再以120℃/h的升温速度匀速升温5h，使炉内温度达到1600℃，保温3h；最后匀速降温16h，使炉内温度从1600℃降至室温；P3，晶片化学湿法腐蚀：将退火处理后的晶片和装有片状KOH固体颗粒的坩埚同时加热至310℃；当KOH熔体澄清后，将蓝宝石晶片放入其中，温度恒定在310℃并保温30min，取出晶片后自然冷却至室温；然后用清水持续冲洗晶片两表面5min，在超声振动环境下先后用体积百分比为0.5%的稀盐酸浸泡晶片15min和去离子水清洗10min；P4，晶片外周倒角：将蓝宝石腐蚀片置于CNC机台的夹具上，选取粒径为40μm的金刚石树脂砂轮，砂轮的线速度为1000m/min，倒角量为0.1mm；P5，晶片化学机械抛光：将蓝宝石倒角片按顺序摆放入抛光游星轮，抛光液采用粒度分别为40nm和110nm的两种二氧化硅水溶胶按1:1混合，抛光盘转速控制在45rpm，抛光压力为450g/cm2，抛光温度为45℃。
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