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CN104999365A - 蓝宝石晶片研磨抛光方法 - Google Patents

蓝宝石晶片研磨抛光方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及蓝宝石晶片的研磨抛光技术领域，特别是一种蓝宝石晶片研磨抛光方法；蓝宝石晶片的抛光采用四道工段完成，依次包括粗磨工段、中磨工段、精磨工段和抛光工段，其中粗磨工段、中磨工段和精磨工段分别采用粒度为26～43um、3～9um和0.2～3um的高硬度微粉做为磨料，配合去离子水、分散剂和悬浮剂调制为碳化硼水性溶胶作为研磨液；在上一道研磨中，使用小粒径研磨砂对蓝宝石进行研磨处理，使蓝宝石晶面获得相较优越的加工表面，即相对较低的Ra值和TTV，因此使蓝宝石在本道处理工艺中达到预定目标Ra和TTV所需时间减小；利用本发明提供的方法，蓝宝石抛光工艺时间可控制在120～180min，批量制备晶片合格率大于90％，表面粗糙度低至0.5nm。

Description

蓝宝石晶片研磨抛光方法
技术领域
本发明涉及蓝宝石晶片的研磨抛光技术领域，特别是一种蓝宝石晶片研磨抛光方法。
背景技术
蓝宝石是一种具有良好透光性和导热性的单晶材料，同时由于其具有优异的耐温性(熔点高达2200℃)和超高的硬度(莫氏硬度高达9.0，仅次于硬度为10的金刚石)，蓝宝石单晶常用于军工中导弹的制导窗口，精密仪表盘面，高档手表表面等。最近蓝宝石单晶开始用作高端手机的屏面，引起广大商家和消费者的热烈关注，但由于蓝宝石单晶平面的抛光加工效率非常低，成本居高不下，蓝宝石手机屏的消费市场并没有打开。低抛光效率是制约蓝宝石屏面发展的根本原因。开发一种高效的蓝宝石抛光技术具有极高的经济价值。
蓝宝石晶片抛光分为A向抛光和C向抛光。从蓝宝石的晶面属性来看，A向晶面的硬度高于C向晶面的硬度。而手机屏面属于A向蓝宝石晶面，其抛光难度最高。蓝宝石A向抛光一般分为研磨、铜抛和精抛三个阶段。第一道研磨工段的作用在于，降低蓝宝石原料片切削过程产生的表面阶梯性划痕深度，更主要的是使批量蓝宝石原料片的厚度尽量达到一致。同一盘蓝宝石晶片的来料厚度差有些高达10～20um，研磨后晶片厚度差可降至1～3um。第二道铜抛工段目的是使蓝宝石晶片的总厚度差(TTV)和表面粗糙度(Ra)进一步降低。铜抛工段后的蓝宝石晶面开始出现透光性。第三道精抛工段使晶面的表面粗糙度降至1nm以下，使蓝宝石表面平整，此时蓝宝石平片透明。研磨、铜抛、抛光三道工段，关键目的在于逐渐降低晶片的TTV和Ra值。前一道工艺制造出的晶面表面质量优劣会极大地影响后续加工的难易。
常用的蓝宝石抛光方案如下，第一道研磨工段，研磨工段使用240#的碳化硼研磨砂(粒径范围在56～64um)，配合去离子水形成微粉溶胶体系，输入至研磨机内对晶面进行研磨，处理后蓝宝石的粗糙度Ra值约为0.9um；第二道铜抛工段，使用规格为W7的碳化硼微粉(粒径范围在5.0～6.0um)制作成水砂浆做为铜抛液；第三道化抛工段，采用二氧化硅化抛液对蓝宝石晶面做精抛处理。由于每一道工艺处理完后蓝宝石的表面粗糙度较高，往往在下一道工艺中需要极长的处理时间才能将蓝宝石的Ra和TTV降低至下一预定值。比如用W7碳化硼微粉处理后的晶片表面Ra值约为70nm，在化抛工艺中需要用4小时左右才能完成蓝宝石抛光，将Ra值下降至0.5nm。
发明内容
本发明为了解决目前蓝宝时抛光效率极低的问题而提供的一种蓝宝石晶片研磨抛光方法。
为达到上述功能，本发明提供的技术方案是：
一种蓝宝石晶片研磨抛光方法，包括以下工序：
(1)粗磨:采用粒度为26～43um的高硬度微粉做为磨料，按照固含量为15～30％的比例与去离子水、分散剂、悬浮剂配制成粗磨液，输入至研磨机进行研磨；研磨机的研磨盘采用铸铁盘，对蓝宝石晶片进行上下对磨；
(2)中磨:采用粒度为3～9um的高硬度微粉做为磨料，按照固含量为15～30％的比例与水、分散剂、悬浮剂配制成中磨液，输入至研磨机进行研磨；研磨机的研磨盘采用树脂复合铜盘或单质铜盘，对蓝宝石晶片进行上下对磨；
(3)精磨：采用粒度为0.2～3um的高硬度微粉做为磨料，按照固含量为15～30％的比例与水、分散剂、悬浮剂配制成精磨液，输入至研磨机进行研磨；研磨机的研磨盘采用树脂复合铜盘或单质铜盘，对蓝宝石晶片进行上下对磨；
(4)抛光：采用粒度为50～500nm的二氧化硅气凝胶做为磨料，按照固含量为15～30％的比例与水配制成抛光液，输入至抛光机进行抛光；抛光机的抛光盘为复合纤维抛光垫，对蓝宝石晶片进行上下抛光。
优选地，所述粗磨液、中磨液和精磨液中含有0.3～1质量％的分散剂。
优选地，所述粗磨液、中磨液和精磨液中含有0.1～0.5质量％的悬浮剂。
优选地，所述高硬度微粉为碳化硼、碳化硅或金刚石中的一种或几种。
优选地，所述悬浮剂为聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚丙烯酸钠、丙三醇或甘二醇。
优选地，所述分散剂为羧甲基纤维素钠、羟甲基纤维素钠、羟乙基纤维素钠、海藻酸钠或聚乙烯醇。
本发明的有益效果在于：通过采用粗磨、中磨、精磨和抛光4道工序对蓝宝石晶片进行研磨抛光，在上一道研磨中，使用粒径相对较小的研磨砂对蓝宝石进行研磨处理，使蓝宝石晶面获得相较优越的加工表面，即相对较低的Ra值和TTV，因此使蓝宝石在本道处理工艺中达到预定目标Ra和TTV所需时间减小；利用本发明提供的研磨抛光方法进行抛光，蓝宝石抛光工艺时间可控制在120～180min，批量制备晶片合格率大于90％，表面粗糙度低至0.5nm。
具体实施方式
一、研磨抛光方法
将研磨液传输至抛光台板上，使研磨盘与被研磨表面接触，被研磨表面和研磨盘相对运动。研磨液循环反复地对晶片进行研磨处理。以下为试验条件。
1、研磨条件：
研磨设备：18B研磨机；
蓝宝石晶片直径：Ф＝5cm；
研磨压力：90g/cm2；
机头转速：20rpm。
2、检测设备
粗糙度:粗糙度测试仪；
厚度：旋钮式千分尺。
实施例一：
本发明提供的蓝宝石抛光晶片抛光方法，具体包含四道工序，即粗磨、中磨、精磨和抛光。本实施例中，粗磨、中磨和精磨使用的高硬度微粉为碳化硼，碳化硼粒径分别优选为W40、W7和W1.5标准的微粉，在实际使用的过程中高硬度微粉也可以选用碳化硅或金刚石。在本实施例中，悬浮剂选用丙三醇，分散剂选用羟甲基纤维素钠。当然悬浮剂也可以根据需要选用聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚丙烯酸钠或甘二醇中的一种或几种；分散剂也可以选用羧甲基纤维素钠、羟甲基纤维素钠、羟乙基纤维素钠、海藻酸钠或聚乙烯醇中的一种或几种。研磨液按表1列表配方进行配置，分别命名为Z-W40、Z-W7和Z-W1.5。二氧化硅抛光液采用典型的商用抛光液。优选中微力合的专用化学抛光液。
表1.本发明提供的研磨液配方列表1
表2.本发明提供的蓝宝石抛光方案1
表3.常用的蓝宝石抛光方案1
采用本发明提供的研磨液配方，可使大粒径碳化硼颗粒在液相中悬浮，形成稳定的溶胶体系。该方案使溶胶体系具有特殊的润滑、清洗和导热性能。使研磨过程产生的磨屑被迅速带走，因此具有较高的切削速率。本实施例由于使用了粒径较小的研磨材料，使蓝宝石晶面在抛光后获得较低的Ra值和TTV，为达到下一道研磨或抛光工段的预定Ra值节省了较多处理时间，从整体设计工艺方案上节省处理时间，达到抛光效率倍增的效果。
表2为本发明的具体实施例之一。蓝宝石晶片从研磨到抛光，2小时左右完成。为了便于对比，表3列出了常用的蓝宝石抛光方案。该方案由3到工艺组成，分别为粗磨、中磨和抛光。从研磨到抛光，使用5.6小时。典型的研磨配方采用磨料与去离子水直接调配为水砂浆溶胶混合物。本发明方案与传统方案最明显的区别在于，抛光工艺前采用了磨料粒径不同。本发明在抛光工段前一道工艺中使用了型号为W1.5的碳化硼微粉，处理后晶片表面的粗糙度低至13nm，距离抛光的目标粗糙度0.5nm只相差12.5nm，完成该目标所需时间只需50分钟。而常用的方案中，抛光工段前一道工艺产生的粗糙度高达70nm，因此要在抛光工段中达到预定粗糙度目标值需要耗费大量的处理时间，长达4小时。蓝宝石加工工艺中，大部分加工时间都浪费在抛光工段中。
从上述数据看，获得较低的晶面Ra和TTV可以减少下一道加工工段的加工时间，从而提高效率。
实施例二：
本发明还提供另一具体实施例进行详细阐述说明。该方案具体包含四道工艺，即粗磨、中磨、精磨和抛光。本实施例中，粗磨、中磨和精磨使用的碳化硼微粉粒径分别优选为W40、W7和W3.5标准的微粉。研磨液按表4列表配方进行配置，分别命名为Z-W40、Z-W7和Z-W3.5。二氧化硅抛光液采用典型的商用抛光液。优选中微力合的专用化学抛光液。
表5列本发明的另一个实施例方案，从研磨到抛光，2.9小时完成。表6列出的常用的蓝宝石抛光方案，从研磨到抛光需要5个小时。表6的常用方案中，抛光工艺前一道工艺选用了价格高昂的精细金刚石研磨液(金刚石微粉粒度为W2.5，D50＝1.6～1.8um)，获得相对较低的Ra和TTV值，抛光时间得以减少。但在粗磨阶段使用了较粗的碳化硼研磨砂。延长了中磨工段的处理时间，使总处理时间延长。
表4.本发明提供的研磨液配方列表2
表5.本发明提供的蓝宝石抛光方案2
表6.常用的蓝宝石抛光方案2
以上所述实施例，只是本发明的较佳实例，并非来限制本发明的实施范围，故凡依本发明申请专利范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明专利申请范围内。

Claims (6)

1.一种蓝宝石晶片研磨抛光方法，其特征在于：包括以下工序：
(1)粗磨:采用粒度为26～43um的高硬度微粉做为磨料，按照固含量为15～30％的比例与去离子水、分散剂、悬浮剂配制成粗磨液，输入至研磨机进行研磨；
(2)中磨:采用粒度为3～9um的高硬度微粉做为磨料，按照固含量为15～30％的比例与水、分散剂、悬浮剂配制成中磨液，输入至研磨机进行研磨；
(3)精磨：采用粒度为0.2～3um的高硬度微粉做为磨料，按照固含量为15～30％的比例与水、分散剂、悬浮剂配制成精磨液，输入至研磨机进行研磨；
(4)抛光：采用粒度为50～500nm的二氧化硅气凝胶做为磨料，按照固含量为15～30％的比例与水配制成抛光液，输入至抛光机进行抛光。
2.如权利要求1所述的蓝宝石晶片研磨抛光方法，其特征在于：所述粗磨液、中磨液和精磨液中含有0.3～1质量％的分散剂。
3.如权利要求1所述的蓝宝石晶片研磨抛光方法，其特征在于：所述粗磨液、中磨液和精磨液中含有0.1～0.5质量％的悬浮剂。
4.如权利要求1至3任意一项所述的蓝宝石晶片研磨抛光方法，其特征在于：所述高硬度微粉为碳化硼、碳化硅或金刚石中的一种或几种。
5.如权利要求1至3任意一项所述的蓝宝石晶片研磨抛光方法，其特征在于：所述悬浮剂为聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚丙烯酸钠、丙三醇或甘二醇。
6.如权利要求1至3任意一项所述的蓝宝石晶片研磨抛光方法，其特征在于：所述分散剂为羧甲基纤维素钠、羟甲基纤维素钠、羟乙基纤维素钠、海藻酸钠或聚乙烯醇。
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