蓝宝石衬底双面研磨表面裂纹深度检测

双面研磨作为蓝宝石衬底制备的一道重要工序,研磨表面裂纹深度将严重影响后续抛光的材料去除量,因此对研磨衬底表面裂纹特征研究及深度测量具有重要意义。本文采用截面显微观测法、聚焦离子束侧面观测法、差动蚀刻速率法、磁流变抛光法和逐层抛光法等方法观测双面研磨蓝宝石衬底表面裂纹特征和测量裂纹深度。采用截面显微观测法和聚焦离子束侧面观测法观测研磨后蓝宝石衬底亚表面裂纹形态主要有斜线状、横线状、钩状和树杈状。采用差动蚀刻速率法测得蓝宝石衬底研磨表面裂纹密集层厚度为9～10μm,而采用磁流变抛光法测得研磨衬底局部亚表面裂纹深度为25～30μm,采用逐层抛光法测得研磨衬底整体亚表面裂纹深度约为30～35μm。此外,根据不同方法所检测的裂纹特征和裂纹深度,构建了蓝宝石衬底双面研磨表面裂纹模型,为后续抛光工艺的制定与优化提供依据。     

蓝宝石衬底双面研磨亚表面损伤双片式角度抛光法检测

针对传统角度抛光法检测的不足,提出将双片式角度抛光法用于蓝宝石衬底双面研磨亚表面损伤层深度的检测。双片式角度抛光法采用双晶片重合黏结的实验晶片组测量抛光斜面腐蚀裂纹,避免了传统角度抛光法因抛光斜面和原晶片平面分界边缘难以辨别而造成的测量误差;使用数显测长仪对实验晶片组抛光斜面加工轮廓进行测量,测量结果代入相应计算公式得出准确的斜面倾角,消除角度取值不准确带来的方法误差,提高了测量精度。经检测得到,单晶面抛光斜面平均裂纹宽度约为175μm、平均斜面倾角为4.91°,双面研磨单晶面亚表面损伤层深度约为15μm,双晶面亚表面损伤层深度约为30μm。双面研磨工艺参数:研磨液采用320#碳化硼磨粒煤油溶液,研磨初始压力为30g/cm2,研磨终止压力为110g/cm2,研磨盘转速为13r/min。     

碳化硼研磨后蓝宝石晶体的亚表面损伤

介绍了蓝宝石材料的亚表面损伤形成机制。考虑碳化硼磨料可产生较小亚表面损伤的优点,本文基于游离磨料研磨方式,研究了不同粒度碳化硼磨料研磨后蓝宝石晶体的亚表面损伤。利用KOH化学腐蚀处理技术,对研磨后的样品进行了刻蚀;通过特定的腐蚀坑图像间接反映了蓝宝石晶体的亚表面损伤形貌特征,获得了W20、W10和W5碳化硼磨料产生的亚表面损伤深度,得到了在不同刻蚀时间下蓝宝石亚表面损伤形貌、表面粗糙度和刻蚀速率。研究结果显示:游离碳化硼磨料研磨造成的蓝宝石晶体的亚表面损伤密度相当显著,但损伤深度并不大,其随磨料粒度的增大而增大,W20、W10和W5粒度的磨料研磨后产生的亚表面损伤深度分别为7.4,4.1和2.9μm,约为磨料粒度的1/2。得到的结果表明采用碳化硼磨料研磨有利于获得低亚表面损伤的蓝宝石晶片,而采用由大到小的磨料逐次研磨可以快速获得低亚表面损伤的蓝宝石晶片。     

双面研磨蓝宝石衬底面形及表面粗糙度变化过程的实验研究

双面研磨作为蓝宝石衬底加工中的一道重要工序,主要目的是去除晶片表面的线切痕,使晶片表面粗糙度均匀,同时提高晶片的面形精度,使其满足一定要求。通过开展双面研磨实验,研究蓝宝石晶片的面形精度(翘曲度Warp、弯曲度Bow及总厚度偏差TTV)和表面粗糙度Ra随材料去除厚度的变化规律。在双面研磨初始阶段,翘曲度迅速减小,弯曲度减小趋势较缓,总厚度偏差和表面粗糙度值则迅速增大;随着研磨的进行,翘曲度、总厚度偏差和表面粗糙度随材料去除厚度的增大变化不大,而弯曲度Bow则随材料去除厚度的增大而逐渐减小,达到一定程度后则趋于稳定。研究结果对优化蓝宝石晶片双面研磨加工工艺、提高蓝宝石晶片双面研磨加工精度和加工效率具有重要意义。     

蓝宝石衬底双面研磨亚表面损伤分布研究

在前人对硬脆性材料亚表面损伤预测理论研究的基础上,建立了蓝宝石衬底双面研磨亚表面损伤层深度与表面划痕深度之间的理论模型(DNR)。通过对双面研磨后的衬底晶片进行KOH轻度化学腐蚀并结合VK-X100/X200形状测量激光显微系统,得到了晶片表面划痕随深度的分布情况,进而得出了晶片亚表面损伤层随深度的分布情况。研究表明：亚表面损伤层随深度变化的分布规律为随着深度的增大呈递减趋势,集中分布在距离外层碎裂及划痕破坏层下方0～12.9μm深度范围内,所占比例达96.7%左右。研究结果有利于优化双面研磨工艺参数来控制亚表面损伤层的深度。     

超薄钛酸锶电瓷基片研磨加工工艺优化

无压烧结钛酸锶(SrTiO3)电瓷基片表面不平整、均匀性差且翘曲度大,无法有效使用;采用研磨加工容易破碎、加工效果差。利用柔性加载双面研磨的加工工艺,优化分析了磨料种类、磨料粒度、磨料浓度、研磨压力和转速对钛酸锶电瓷基片研磨加工的影响,使钛酸锶电瓷基片表面达到了粗糙度为Ra0.268μm、去除率为4.6μm/min、厚度为0.19mm,以及厚度误差小于0.01mm的加工效果。     

蓝宝石衬底研磨加工中研磨盘材质的影响

采用W14、W3.5的B4C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 μm、中心线平均表面粗糙度Ra<0.82 μm.精密研磨试验结果表明,采用合成铜盘和W3.5B4C磨粒有效地改善了蓝宝石衬底表面的均匀性,获得了Ra<20 nm、面型峰谷值误差小于1.6 μm的均匀表面,为蓝宝石的超精密研磨奠定了良好的基础.     

光学材料研磨亚表面损伤快速检测及其影响规律研究

基于印压断裂力学理论,针对光学材料研磨加工过程建立了亚表面损伤深度与表面粗糙度间关系的理论模型,以实现亚表面损伤深度的快速、准确和非破坏性检测。使用磁流变抛光斑点技术测量了K9玻璃在不同研磨条件下的亚表面损伤深度,对上述理论模型进行实验验证。最后,分析了研磨加工参数对亚表面损伤深度的影响规律,提出了以提高光学零件加工效率为目的的研磨加工策略。研究表明：光学材料研磨后亚表面损伤深度与表面粗糙度成单调递增的非线性关系,该幂函数的幂为4/3。磨粒粒度对亚表面损伤深度的影响最显著,研磨盘硬度的影响次之,而研磨压力和研磨盘公转速度的影响基本可以忽略。     

游离磨料和固结磨料研磨后亚表面裂纹层深度研究

不同研磨方式加工K9玻璃产生不同的亚表面裂纹层深度,亚表面裂纹层深度的测量对确定材料下一步的加工去除量和提高加工效率具有重要意义。利用磁流变抛光斑点法测量游离磨料和固结磨料两种方式研磨后的亚表面裂纹层深度,每种研磨方式选用粒径分别为W40和W14的两种磨料。结果表明:磨粒粒径为W40和W14的游离磨料研磨后K9玻璃的亚表面裂纹层深度分别为20.1μm和3.646μm,而对应固结磨料研磨后的深度分别为3.37μm和0.837μm。固结磨料研磨在加工过程中能有效减小K9玻璃的亚表面裂纹层深度,提高加工效率和工件表面质量,改善器件的性能。     

基于双面研磨轨迹优化的LED用SiC衬底加工

本文研究了基于双面研磨轨迹优化的LED用SiC衬底加工方法。为了实现对碳化硅衬底的高效低损伤研磨加工,对碳化硅衬底的行星机构双面研磨轨迹进行了优化。通过选择适当的加工参数,使工件处于摆线中间的环带部分,将有助于对工件进行均匀研磨并提高材料去除率。实验表明:采用320号碳化硼磨料双面研磨碳化硅衬底90min后,可以获得Ra为0.579μm;材料去除率达到1.53μm/min。     

单晶蓝宝石的延性研磨加工

为实现单晶蓝宝石的延性研磨加工,采用纳米压痕和划痕法测试并分析了单晶蓝宝石(0001)面的微纳力学特性,建立了单颗圆锥状磨粒的压入模型并计算了延性研磨加工的受力临界条件,分析了金刚石磨粒嵌入合成锡研磨盘表面的效果.对单晶蓝宝石进行了延性研磨加工试验,采用NT9800白光干涉仪、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)等方法分析了单晶蓝宝石的延性研磨表面特征.试验结果表明:采用纳米压痕和划痕法可以为单晶蓝宝石的延性研磨加工提供工艺参数,单晶蓝宝石的延性堆积的极限深度为100 nm,金刚石磨粒的嵌入及在适当载荷下可以实现蓝宝石的延性研磨加工,实验条件下的最佳载荷为21 kPa,延性研磨后单晶蓝宝石表面划痕深度的分布情况较好,分散性小,研磨后的表面发生了位错滑移变形.     

应用CVD金刚石涂层工具研磨单晶蓝宝石

通过热丝化学气相沉积(HFCVD)法制备了具有球状晶结构、棱锥形晶结构和棱柱形晶结构等3种不同表面特征的化学气相沉积(CVD)金刚石涂层工具,以提高其研磨效率。通过正交实验法研究了金刚石涂层晶粒形态、载荷、工作台转速、研磨时间等4个工艺参数对蓝宝石材料去除率和表面粗糙度的影响。结果表明:金刚石涂层的晶粒形态对材料去除率和表面粗糙度影响较大;球状晶结构金刚石涂层切向力较小,棱柱形晶结构金刚石涂层切向力较大;选择棱柱形晶CVD金刚石涂层工具研磨蓝宝石,在研磨加工参数为载荷0.15 MPa、转速100 r/min、研磨时间3 min时,其材料去除率为0.397μm/min,表面粗糙度为0.354μm。结果表明:提出的CVD金刚石涂层工具可用于进一步加工、研磨蓝宝石切片,去除其表面划痕,从而改善工件表面质量。     

磨粒粒径对蓝宝石研磨均匀性影响的试验研究

通过蓝宝石衬底的单面研磨试验研究,分析了W14和W3.5的B₄C磨粒研磨后蓝宝石表面的微观形貌和宏观形貌,W14的B₄C磨粒加工后蓝宝石表面微观裂纹密集且交错分布,体现了以滚轧和挤压为主的材料脆性去除作用,相同条件下,W3.5的B₄C磨粒加工的蓝宝石表面划痕均匀,表面无微观裂纹,实现了以切削为主的材料延性去除形式。测试分析结果表明：磨粒粒径的选择对蓝宝石的研磨表面状态具有重要影响,其选择准则除考虑要达到的粗糙度等级之外,还必须同时考虑与研磨盘的嵌入作用及其对加工表面状态的影响;W3.5的B₄C磨粒研磨加工后的蓝宝石表面宏观和微观均匀性良好,表面粗糙度、平面度等符合抛光前道工序的要求。     

蜂窝状结构半固结磨料研磨盘的制备及应用

针对传统半固结研磨盘由于盘面较软使得加工衬底面形精度难以保证的问题,提出一种蜂窝状结构的半固结磨料研磨盘的设计与制备方法。该研磨盘采用环氧树脂蜂窝结构作为支撑“骨架”,减小研磨盘的变形,以保证研磨衬底的面形精度,同时采用含有金刚石磨粒的凝胶体作为半固结研磨介质实现对衬底的研磨加工,获得了较好的衬底表面质量。基于该原理制备了一套新型研磨盘,并用于蓝宝石衬底的双面研磨加工。试验结果表明,研磨后衬底表面粗糙度较小,表面划痕和裂纹少,能够获得较好的表面质量;相应地,研磨后蓝宝石衬底的面形精度不仅没有变差,反而得到很大的改善,研磨后衬底的翘曲度、弯曲度和总厚度偏差均大幅减小。另外,研磨效率也相对较高,材料去除率可达0.3～0.4 μm/min。试验结果证明了该新型结构研磨盘不仅可以获得较好的表面质量和较高的研磨效率,同时还可提高衬底的面形精度,可用于面形精度要求较高的薄片衬底零件的精密研磨加工。     

硬脆性材料用柔性磨具研磨的加工表面粗糙度建模

通过分析磨粒与工件表面的作用过程,建立了硬脆性材料柔性磨具加工表面粗糙度的理论预测模型.以橡胶结合剂金刚石研磨盘为柔性磨具、蓝宝石衬底为工件,在不同弹性模量、磨粒浓度、磨粒粒度和研磨压力下开展研磨试验,将不同研磨条件下的表面粗糙度试验值与理论预测值进行比较,发现试验结果与理论模型预测结果的趋势一致,且预测误差为7.71...     

基于UG的蓝宝石衬底基片双面研磨轨迹研究

通过数学理论建模与UG建模,建立了蓝宝石衬底基片双面研磨的运动模型并获得了在三种传动比情况下行星齿轮上不同点的轨迹。通过分析研磨轨迹和研磨速度可知在传动比为1时行星齿轮各点的轨迹为均匀分布的圆形且速度相等,所有点的运动周期相等而且比其它情况下的周期短,有利于提高研磨效率和形状精度,结果成功地解决了由于行星齿轮内的衬底基片各点处速度不一样而导致的平面度差的问题和行星齿轮中心不能放置蓝宝石衬底基片的问题。     

固结磨料研磨K9玻璃表面粗糙度模型

表面粗糙度模型是研磨过程设计和工艺参数选择的重要依据,K9玻璃是应用最广泛的光学材料之一。建立研磨K9玻璃表面粗糙度模型有利于提高加工效率、节约生产成本。简化固结磨料研磨过程,基于研磨垫表面微结构,计算研磨过程中参与研磨的有效磨粒数和单颗磨粒切入工件深度,利用研磨过程中受力平衡,建立固结磨料研磨K9玻璃表面粗糙度模型。采用不同磨粒粒径和不同磨料浓度的固结磨料研磨垫以及不同压力研磨K9玻璃验证表面粗糙度模型。结果表明：固结磨料研磨K9玻璃的表面粗糙度与磨粒粒径、研磨压力1/3次方成正比,与研磨垫浓度2/9次方成反比。表面粗糙度理论值与试验值随研磨压力、磨粒粒径和研磨垫浓度的变化趋势吻合。利用该模型能够成功预测固结磨料研磨K9玻璃表面粗糙度,指导研磨过程设计及加工过程中研磨垫和工艺参数的选择,可靠性高。