蓝宝石晶片加工技术现状与发展趋势

(重庆工业职业技术学院 机械工程与自动化学院，重庆 401120)

0 引 言

由于具有独特的晶格结构、优异的机械性能和良好的热性能，蓝宝石晶体成为导体照明、大型集成电路和超导纳米结构薄膜最理想的衬底材料。世界各国，尤其是我国重视工业技术半导体照明的推广和应用，使得蓝宝石成为国家重点支持和鼓励生产的能源和光电材料。

蓝宝石材料具有稳定的化学、机械和物理性能，能承受恶劣的空间环境，并在高速运行中保持较高的强度，使其成为国防军工制造光电窗、跨波窗、整流罩、陀螺仪等组件的材料[1]。此外，其他民用领域，例如在心脏的镜头里，手机的屏幕，照明器和眼镜、高档手表、投影仪棱镜、智能手机屏幕等领域，蓝宝石材料也得到广泛的使用[2]。

传统单晶半导体材料的晶圆的加工工艺相似，主要依次有:切割→粗磨→精炼研磨→粗抛光(机械抛光)→精抛光(化学机械抛光)→检测等多次工序[3]。蓝宝石从高纯氧化铝粉结晶生长到最终加工成符合要求的晶片，其制备流程需要经历：长晶、定向、掏棒、滚磨、品检、定向、切割、研磨、倒角、清洗退火、抛光、清洗检测、包装[4]。由于蓝宝石晶体硬度过大，其莫氏硬度达到8.5，所以蓝宝石晶片加工和工艺必须采用高硬度的材料和特殊的工艺，对加工设备的要求也比较严格。本文按照蓝宝石晶体的切割、研磨、抛光三个过程的研究进行介绍。

1 切割

切割晶棒是蓝宝石基板的第一道加工工序,也在蓝宝石晶片制造中起着至关重要的作用，其目的是将处理过的蓝宝石基板切割到所需的厚度范围。切割后晶片厚度和表面质量在很大程度上决定了整批蓝宝石基底的最终产量和加工工艺的成本[4]。

目前，切割高硬度晶片的方法主要有金刚石锯片切割、电火花切割、游离磨粒线锯切割、固结磨粒线锯切割以及超声辅助金刚石线锯振动切割等。金刚石锯片切割是晶片材料切割加工的传统方法，但由于它在加工高硬度材料时会发生锯缝宽、锯片刚性差、锯切噪声大、切割表面粗糙度大和表面损伤严重的缺陷，且不能进行曲线切割，所以并不适合进行高硬度晶片的精密切割。电火花切割是在导电工件和工具电极之间脉冲性火花放电时，通过电腐蚀切割材料的一种切割方法。由于电火花切割也会造成锯缝宽、锯切表面粗糙度差和锯切表面烧伤层厚度大等缺点，也不适合高精密超薄大尺寸晶片的切割[5]。所以，多线线锯切割技术成为蓝宝石晶体切割中应用最广泛的技术。下面，具体介绍切割蓝宝石晶体多线线锯切割的三种常用方法。

1.1 游离磨粒线锯切割

游离磨粒线锯切割是把不锈钢丝通过滑轮和张力控制单元在引线主辊表面旋绕成间隔均匀的有序导线网。电机对引线主辊施加扭矩，使其旋转从而引起钢丝的轴向运动。需要切割的晶体棒料则垂直于导线网、即引线主辊轴线做垂直进给运动。并在导线与晶体棒条的间隙中加入含有研磨颗粒的砂浆。由于磨料颗粒的作用，钢丝网可以被切割成所需厚度的薄片[6-7]。游离磨粒线锯切割法在加工脆硬的蓝宝石时存在几个技术难题：切削速度慢、由于金属丝磨损导致晶片厚度不均，另外就是砂浆的回收处理难[8]。

1.2 固结磨粒线锯切割

为了避免游离磨粒线锯切割的缺点，不采用添加磨粒砂浆的固结磨粒多线切割技术应运而生。固结磨粒多线切割法的结构与游离磨粒多线切割法类似，区别在于磨粒通过电镀、钎焊、树脂硬化、烧结等方法被固结在不锈钢钢丝表面，直接通过钢丝在晶棒表面进行切割，所以该法具有切缝小，表面加工质量高、污染小的优点[9-14]。ChibA． Y 等研究认为，采用复合电镀方法固结金刚石磨粒制成的锯丝具备较高的耐磨性与耐热性，是最适合切割蓝宝石等高硬脆材料的切割工具[15]。

1.3 超声辅助金刚石线锯振动切割

超声辅助金刚石线锯振动切割法是在固结磨粒多线切割法的线锯上，辅助施加一定频率和振幅的超声波的切割方法，目前处于实验阶段。超声波振动方向与线锯运动方向垂直的为纵向超声振动线锯切割，在线锯运动方向施加横向的超声波的为横向超声振动线锯切割，高频振荡使得线锯在去除材料时进行切割、摩擦和冲击[5]。实验表明，纵向施加纵向超声振动的切割比未施加超声振动的线锯切割可以有效提高材料去除率，切割表面的粗糙度也降低了，但在切割硬度较高的晶体材料时，由于振动明显，使得锯缝宽度加大；由于切割循环往返次数多，加快了线锯的磨损[16]。而横向超声振动线锯切割中，线锯和晶体之间是高频振荡的断续接触，使得线锯和晶体之间的摩擦系数大幅减小，这极大地提高了切割表面质量并延长了线锯的使用寿命[17]。

1.4 冷分离技术

冷分离技术cold split 是由德国Siltectra 有限公司开发出的一种新的无切缝晶片制造工艺，该种加工方法需要经过表面清洗预处理、激光调理、牺牲层、聚合物涂层、快速冷却剥离、剥离晶片、清除聚合物和牺牲层、获得晶片和回收剩余原料、抛光等步骤，最后可得到质量良好的薄加工晶片[3]。目前，该技术处于研究阶段，还未能投入工业生产。

2 研磨

研磨是蓝宝石基板的第二道加工工序，主要目的是去除蓝宝石基板表面在切割工序时产生的划痕，提高基材表面的精度。根据不同的分类方法，可以把研磨分为单面研磨与双面研磨、粗磨与精磨。

2.1 单面研磨与双面研磨

单面研磨即研磨时只能加工基底的一个表面，由于研磨时需要把衬底粘在钢盘上，磨削结束后，去除粘结固定的压力，基底发生变形，这就会造成上下两个表面发生翘曲变形，平面度变差。所以，单面研磨不适合大批量生产。双面研磨即利用上、下两个研磨盘，同时加工基底的两个面，这种加工方法在晶片两面施加的压力是相同的，所以晶体不容易发生翘曲变形，平面度也较好[3]。同时，双面研磨提高了研磨加工效率，也可简化加工工序、减少加工误差，是大批量研磨采用的最常用的方式[4]。

2.2 粗磨与精磨

根据研磨加工时磨粒的大小，可以把研磨分为粗磨与精磨。粗磨主要是为去除切割加工时的刀痕时采用的工序，精磨则主要是为了改变晶体表面粗糙度、提高表面加工质量而使用的。其中，精密磨削加工精度在0.1～1 μm，表面粗糙度可达到Ra0.02～0.1 μm。超精密加工精度可达到0.03～0.3 μm，表面粗糙度Ra 30～5 nm[18]。上一小节提到的双面研磨往往都是精密磨削，需要使用双面研磨机床进行加工。关于蓝宝石的精密磨削，国内外学者进行了相关研究。刘道标等[19]通过实验发现，磨粒粒径对蓝宝石基底表面损伤层深度影响最大。张保国等[20]发现使用细粒碳化硼和金刚石颗粒镶嵌的陶瓷研磨盘，可以有效降低蓝宝石基片表面损伤。Sokol J J 等[21]研究发现，二体摩擦在研磨蓝宝石材料时，其去除率、表面光洁度和亚表面损伤等方面要优于三体摩擦。Wang L 等[22]在双面研磨机床的基础上建立了数学模型，对蓝宝石基片与磨料颗粒的相对运动进行了仿真实验，研究发现较低的研磨盘转速会造成蓝宝石基片上、下表面材料均匀性较差。

3 抛光

抛光是晶片表面加工的最后工序，其目的是为了去除晶片表面的微小凸起，进一步降低晶体表面粗糙度，使表面无表层应力，无变质。

3.1 机械抛光

机械抛光即使用机械摩擦的方法把晶体表面的微小起伏。为了得到高质量的抛光表面，需要调整磨料的种类、颗粒度、工艺参数。根据文献[3]可知，用1 μm 的磨料双面抛光，其晶片平整度和厚度误差可以控制在10 μm 以内，晶片表面的粗糙度在0.25 nm 左右。

3.2 化学机械抛光

化学机械抛光是由化学腐蚀和机械磨削交替作用来完成加工的一种技术，首先使用化学抛光液软化晶体表面，再利用磨粒与软质层之间的机械摩擦提高晶体表面质量[23]。具体则是由抛光机床上的抛光盘、抛光液、抛光垫及动力系统来实现的，因此影响最终加工质量和效率的因素较多。具体来说，提高碱值、增大压力、提高转速都能提高抛光速率，另一方面，磨料粒径越小，获得的表面粗糙度越低[24]。

3.3 磁流变抛光

磁流变抛光是一种利用磁体控制磁性磨料与抛光盘之间的磨削力，在芯片表面产生高磨削力的抛光方法。由于磁流变抛光的法向压力很低，压入工件深度较浅，却能获得高质量的晶体表面，同时亚表面损伤很少[25-26]。目前在磁流变抛光技术的实现上仍存在磁流变液的研制和抛光加工过程中的柔性化控制等难题。

3.4 水合抛光

水合抛光，是依靠高温水蒸气与晶体表面发生水合反应，生成硬度较低的氧化铝水合物，再用木质抛光盘与晶片的摩擦力对晶体表面进行抛光，由于加工过程中无磨粒，故也称为无磨粒抛光[27-28]。加工过程中，水蒸气通过开孔的抛光盘，与晶体表面发生反应，生成水铝石。水合抛光需要水与加工晶体之间进行水合反应，故目前该技术只应用于易溶解于水的蓝宝石、玻璃等晶片，加工范围较窄。

3.5 激光抛光

激光抛光技术是利用热作用和能量密度高的激光束照射工件表面，利用激光与材料表面的相互作用从而消除表面物质的加工方法。激光与材料间的作用方式有热作用和光化学作用，可把激光抛光分为热抛光和冷抛光。热抛光即利用激光的热效应,通过熔化、蒸发等过程去除材料。因此只要材料的热物理性能好,都可以用它来进行抛光,但由于温度梯度大而产生的热应力大,易产生裂纹,因此热抛光的效果不是很好。冷抛光是利用材料吸收光子后，利用光化表层材料的化学键被打断或者是晶格结构被破坏，从而实现材料的去除。冷抛光时热效应可以被忽略，因此热应力很小，不产生裂纹，也不影响周围材料且容易控制材料的去除量，特别适合于硬脆性材料的精密加工[29]。

如今，激光抛光技术越来越广泛地被用于蓝宝石材料的超精密抛光[30]。但是，激光抛光的设备制造费用昂贵、加工过程中的检测技术和精度控制技术要求比较高，使得其在工业应用中受到了限制。

3.6 复合抛光

抛光的加工步骤属于超精密加工，然而，单一的抛光技术在保证了表面粗糙度的条件下，往往材料去除率低、大大影响了抛光效率。两种及以上复合的抛光技术在产业化需求的基础上应运而生。复合抛光包括超声波磁流变、超声波水合、超声波振动辅助等，即在磁流变、水合抛光等技术中，附加超声振动系统，使得加工工具或工件以特定的频率和振幅进行超声频机械振动，带动微粒摩擦晶体表面，从而进行抛光[31-33]。

4 结束语

蓝宝石晶体具有强度高、耐高温、耐化学腐蚀、抗磨损等优良性能，在半导体照明、国防军工、航天航空和智能穿戴、电子产品等领域得到广泛的应用。而蓝宝石作为典型的硬脆难加工材料，实现高效低损伤超精密加工成为其应用发展的障碍。为此，针对现有加工技术中存在的难题，需要进一步研究切割、研磨、抛光过程中的机理理论，探索蓝宝石晶片加工的工艺方法和路线。同时，借鉴国外新的加工技术，采用更先进的超精密加工工艺和设备，从而制备出高质量的基底。