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的材料去除机理研究

对蓝宝石双面研磨加工进行了实验研究,借助SEM观察被加工工件表面,发现双面研磨加工的工件表面存有磨粒的二体、三体延性和磨损加工痕迹;建立了材料的理论去除模型并进行了计算,且与实验加工值进行了对比。结果表明,蓝宝石双面研磨中同时存在延性去除和脆性去除,该模型可以定性地描述双面研磨加工材料的去除率。     

LED蓝宝石衬底抛光表面原子台阶形貌及其周期性研究

LED蓝宝石衬底的表面质量会极大影响到后续外延质量,进而影响到LED器件性能。蓝宝石研磨片经Al2O3磨粒粗抛液、SiO2磨粒精抛液下进行化学机械抛光(CMP),最终表面经原子力显微镜(AFM)所测表面粗糙度达到0.101nm,获得亚纳米级粗糙度超光滑表面,并呈现出原子台阶形貌。同时,通过使用Zygo表面形貌仪、AFM观察蓝宝石从研磨片经Al2O3粗抛液、SiO2精抛液抛光后的表面变化,阐述蓝宝石表面原子台阶形貌的形成原因,提出蓝宝石原子级超光滑表面形成的CMP去除机理。通过控制蓝宝石抛光中的工艺条件,获得a-a型、a-b型两种不同周期规律性的台阶形貌表面,并探讨不同周期规律性台阶形貌的形成机理。     

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。     

蓝宝石衬底基片工艺质量检测指标及方法的研究进展

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20μm,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.     

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。     

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.     

LED用蓝宝石衬底抛光后湿法清洗研究

LED被认为是下一代主要照明工具,其以高质量的衬底基片外延GaN层,目前主要用化学机械抛光后的蓝宝石晶片作为衬底,但抛光后的衬底表面布满杂质,这些杂质会导致外延层缺陷,降低发光率甚至使器件失效。探讨了在蓝宝石衬底清洗过程中,HF、表面活性剂、氧化剂的作用。得出HF溶液对衬底表面的SiO2颗粒有很好的清除效果,不会造成蓝宝石衬底表面质量恶化,表面活性剂可以形成覆盖层降低衬底表面能,同时防止被去除杂质的再次附着,强氧化剂可以腐蚀衬底表面去除附着力较强的颗粒。在试验中通过不同清洗顺序发现表面活性剂形成的覆盖层也会对杂质产生保护作用。在使用表面活性剂后再使用HF溶液清洗,衬底表面颗粒数从18降为10,但表面存在腐蚀坑样的污染,在以表面活性剂、浓硫酸、HF溶液的清洗顺序清洗后发现表面颗粒数从20降至8,没有腐蚀坑样的污染存在,因此采用表面活性剂、浓硫酸、HF溶液的清洗顺序可以得到好的效果。     

金刚石砂轮表面形貌测量系统

为了实现对金刚石砂轮表面形貌的非接触精密测量,开发了基于干涉原理的金刚石砂轮表面形貌专用测量系统,研究了该系统的测量原理和关键技术。根据垂直扫描白光干涉显微测量原理以及被测对象的特征,提出了适用于砂轮测量的方法,研究了系统的自动扫描范围、垂直方向的扫描方法、单次测量三维表面的恢复算法和磨粒的识别算法。结合自行设计的夹具搭建了砂轮测量系统,并对多次测量拼接算法进行了实验分析。实验结果表明:基于区域重合大小(重合度为30%~50%)的拼接算法获得的拼接前后重合区域的相关系数均大于0.8,拼接后重合区域的高度差均小于0.4μm。得到的结果显示所搭建的系统可以恢复砂轮的形貌,其测量范围和精度满足砂轮磨粒评定和分析的要求。     

非金属材料表面粗糙度非接触测量试验研究

基于白光技术研究聚酰亚胺、F3和F46等3种非金属材料表面粗糙度的测量方法。分别利用基于白光共焦技术设计的粗糙度轮廓仪和基于白光干涉技术设计的三维形貌测量仪对三种不同材料的试件进行测量试验,重点关注上述3种非金属材料的吸光程度对测量精度的影响,并以触针式接触测量法的测量结果为参考,对测量结果进行不确定度评定。试验数据的分析结果表明,白光共焦法的测量不确定度为9.2%,白光干涉法的测量不确定度为9.8%,这2种基于白光技术的测量方法都是可行的。     

加工表面形貌测量理论、方法及评价

随着精密、超精密及纳米级加工技术的发展,对工件表面的微观几何结构及表面形貌特性的检测提出了越来越高的要求,传统的二维表面测量,评定方法发展较为成熟,但已经不能满足现代计量技术的需要。三维的测量,评定方法则是目前国内外研究的重点。本文就表面测量方法、理论及评价指标等进行了论述。     

FMEA在蓝宝石衬底生产周期改善中的应用研究

为了缩短某光电制造企业蓝宝石衬底生产周期,采用失效模式与影响分析（FMEA）方法,对蓝宝石衬底生产周期进行改善。首先,对蓝宝石衬底生产周期组成及工艺流程进行分析;其次,结合故障树寻找影响其生产周期的风险事件,再根据风险顺序数确定影响生产周期的关键风险事件,并制定改善对策;最后,将改善策略应用于蓝宝石衬底实际生产中,通过对比改善前后光电制造企业蓝宝石衬底生产周期状况,验证了FMEA方法在缩短蓝宝石衬底生产周期中的可行性和有效性。     

蓝宝石衬底损伤层厚度和折射率的椭偏测量

为了定量测量蓝宝石衬底在化学机械抛光过程中产生的损伤层厚度d和折射率n,提出了一种光谱椭偏测量法。首先,测量蓝宝石衬底反射光谱（波长范围：250~1650 mm）偏振态的改变量（即振幅比和相位差）：然后,通过光学建模和测量数据反演,获得损伤层d和n。实验研究了Al,0。和SiO,两种磨料加工蓝宝石衬底损伤层d和n的变化趋势,前者d呈现波动趋势且最小值（约1.4mm）出现在40min左右,后者d持续下降,在20min接近1mm;二者损伤层n均小于蓝宝石晶体n。另外,实验和仿真分析结果表明相位差与厚度变化趋势一致,因无需建模反演,可作为快速表征损伤层 d变化趋势的参量。总之,所提方法作为光学无损测量模式,适用于加工过程监测。     

蓝宝石单晶精密磨削表面形貌的分形行为研究

如何合理有效地评价光学晶体微结构表面质量,是目前光学元件精密制造与应用领域面临的重要问题。基于分形理论,采用三维和二维盒计数方法对蓝宝石单晶磨削表面形貌进行了分析,结果表明磨削表面的三维分形维数Ds与表面粗糙度呈反比关系,而且三维分形维数越高表面纹理越精细,三维分形维数越低表面缺陷越多。磨削表面截面轮廓的二维分形维数DL分布规律可以反映材料去除方式的变化。当二维分形维数DL沿磨削方向呈强对称分布时,该磨削表面为延性域去除;若呈弱对称性或不规则分布,则该磨削表面为脆性域去除。研究证实了分形方法不仅可用于综合表征蓝宝石磨削表面形貌,还可用于揭示蓝宝石磨削表面的材料去除机理。     

复合型超精密表面形貌测量仪

研制了基于同一显微镜基体实现原子力探针扫描测量与非接触光学测量两种功能的复合型超精密表面形貌测量仪.分析了基于白光显微干涉原子力探针的测量方法、探针微悬臂变形量与白光干涉条纹移动量的关系以及探针微悬臂测量非线性误差的修正方法,和通过融合垂直扫描系统的位移量和悬臂梁变形量得到了原子力探针的工作方式.研制了三维精密位移系统...     

蓝宝石衬底纳米级超光滑表面加工工艺研究

通过对蓝宝石衬底片的化学机械抛光工艺的研究,系统地分析了蓝宝石抛光工艺过程的性能参数,并经过大量试验,总结出影响因素,提出优化方案.得到的结果是:采用粒径为 40 nm、低分散度的 SiO2溶胶磨料并配以适当参数进行抛光,能够有效地提高加工效率和被加工的蓝宝石表面性能.     

砂轮表面形貌定量评价及修整效果研究

基于砂轮表面磨粒出刃面积,提出砂轮表面磨粒出刃面积率Sr的概念,在此基础上提出磨粒出刃度βd和磨粒出刃面积分散度δs两个指标来评价砂轮表面形貌特征。用滚轮修整器对树脂结合剂金刚石砂轮进行修整实验,分析了不同修整方式、修整深度和修整速比对βd和δs的影响。采用修整后的砂轮进行磨削实验,分析了不同特征参数的砂轮对磨削力和工件表面粗糙度的影响。研究结果表明,采用较小的修整深度、较小的修整速比,多次进给修整砂轮时,磨粒出刃度高、磨粒出刃面积分散度小,修整效果好。当βd为69.35%、δs为1 000 μm2时,磨削力、表面粗糙度最小,表明砂轮磨削性能最好,证明修整质量最高。因此所提出的βd、δs两个指标能对修整后的砂轮表面形貌进行有效评价,且磨粒出刃面积的检测方法简单,检测效率较高。     

ICF靶丸表面形貌检测系统性能分析

基于原子力显微镜与精密的气浮轴系,建立了靶丸表面形貌检测系统。对该系统的各项性能指标进行了评定,研究结果表明,系统的随机噪声误差在10nm量级,轴系的回转精度误差功率谱振幅在10^-2量级,与微球轮廓功率谱幅度相差两个量级以上,系统的稳定性较好,波长为几百纳米以上的局部颗粒能够被精确分辨。     

基于轮廓法的金刚石线锯整周三维表面形貌测量和评价

针对毫米级尺度线径和微米级尺度磨粒的金刚石线锯整周三维表面形貌测量难以实现与定量评价问题,提出一种基于轮廓法的圆周扫描表面磨粒形貌测量与分析方法。通过显微测量系统沿周向扫描采集金刚石线锯对应的边缘轮廓图像序列,经图像处理后获得金刚石线锯整个圆周表面形貌的坐标点云,采用三次样条插值法对数据进行平滑处理,经圆柱坐标变换处理,可重构金刚石线锯三维表面形貌。在金刚石线锯常用评价参数基础上,提出基于扫描过程二维投影轮廓和三维重构形貌的综合评价参数。采用自行研制的测量系统,对两个规格的线锯（线径外径分别为0.250 mm、0.320 mm;磨粒粒径范围30~40 μm）进行测量和评价。试验结果表明：该方法无需多次拼接,就可完成金刚石线锯整周三维微观形貌测量,并能实现对线锯特征参数的全面评价,可为线锯本身制造及使用过程中的工艺优化提供更加客观的基础数据。     

锥形套表面缺陷微观形貌的白光相移干涉重构及显著性检测

针对锥形套在机械抛光后出现白点、凹坑等表面缺陷,采用特别目视方法,用电镜扫描能谱分析进行成分分析,用白光相移干涉术对表面微观形貌进行重构,并基于ITTI视觉显著性模型对重构图像进行显著性检测.最后提取出显著性目标的轮廓特征,从而反推分析产生缺陷的原因,指导加工,提高首次交检合格率.结果表明白光相移干涉术能高效重构微坑这...