一种蓝宝石晶片高效超精密加工方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及精密和超精密加工技术领域，尤其是一种蓝宝石晶片高效超精密加工。
【背景技术】
[0002]蓝宝石因其优良的性能，广泛应用于精密机械和光电信息领域中:具有透波、多光谱共用等光学特性，并能承受恶劣环境，使其在军事上成为舰载、机载和星载武器或设备的大尺寸窗口材料，在民用上正成为手机、平板电脑的新型面板材料；具有良好的电绝缘性、光透过率和匹配的晶格排列特性，使其成为LED中第三代半导体材料(GaN)外延生长的主要衬底材料。
[0003]蓝宝石单晶(α-Α1203)属于典型的硬、脆、难加工材料，硬度极高(莫氏硬度9)。目前，蓝宝石晶片加工技术及设备基本套用单晶硅片的加工工艺及设备，缺乏对其加工各阶段工艺的优化，使得整体加工效率低，成品率低。蓝宝石晶片大批量生产所采用的典型加工工艺流程:切片(多线切割)、平整(磨削、粗研磨、精研磨)，表面光整(粗抛光、精抛光)等工序。其中，蓝宝石晶片精研磨工序采用紫铜盘或锡盘作磨盘，以金刚石磨料为磨粒、和碱性研磨液的游离磨粒加工工艺。
[0004]传统加工方法中“切-磨-抛”成本占蓝宝石晶片生产总成本的30% -50%，尤其因研磨工艺所造成的蓝宝石晶片表面损伤层(表面残余应力、应变、划痕和位错等)过深，在抛光阶段往往需3?5小时或更长时间才能去除这些表面残留缺陷，并且还有20%左右的蓝宝石晶片抛光后需要返工，甚至偏薄而报废，极大地增加了加工成本，成为制约蓝宝石晶片大量应用的瓶颈。
[0005]蓝宝石晶片精研磨工序采用紫铜盘作为加工盘，紫铜盘弹性模量和表面硬度较高，虽然工件材料去除率高，但易在晶片表面和亚表面造成划痕、微裂纹、晶格位错等损伤。锡盘弹性模量和表面硬度比紫铜盘低，加工时，工件材料裂纹等表面缺陷和亚表面损伤较少，但去除率低。紫铜盘和锡盘为单一材质材料，其弹性模量、磨盘材料表面硬度不可调控，无法同时满足蓝宝石晶片高效率去除和低损伤加工要求。因此，如果能通过改变磨盘材料的机械和物理性能，达到蓝宝石晶片研磨加工的低表面损伤和高材料去除率的平衡，进而有效减少后续抛光工序所需加工时间，提高整体加工效率，降低生产成本。
[0006]因此，研发一种应用于蓝宝石晶片低表面损伤高效率的超精密加工方法尤为必要。
【发明内容】
[0007]为了克服现有的蓝宝石晶片加工方法的表面损伤较大、加工效率较低的不足，本发明提供一种能实现低表面损伤、高加工效率的蓝宝石晶片超精密加工方法。
[0008]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0009]一种蓝宝石晶片高效超精密加工方法，该方法采用基于弥散强化原理的铜基磨盘进行加工；所述的基于弥散强化原理的铜基磨盘包括以下组份:按质量百分比计，基体材料为纯紫铜粉，70?85% ;结合剂10?15%，弥散强化颗粒材料2?15% ;所述的弥散强化颗粒材料为可与的蓝宝石晶片材料发生固相反应的材料；
[0010]加工过程中，装夹在夹具中的工件置于所述的铜基磨盘上；磨液从注入口进入所述的铜基磨盘的加工区域；所述的工件上载荷、所述的铜基磨盘转速、磨液磨料浓度和磨液流量，可精确控制。
[0011]进一步，所述的结合剂为热固性树脂，所述热固性树脂包括以下一种或两种及两种以上组合:热固性树脂，包括:酚醛树脂、脲醛树脂、三聚氰胺一甲醛树脂、环氧树脂、不饱和树脂、聚氨酯或聚酰亚胺。
[0012]再进一步，所述的弥散强化颗粒材料为以下一种或两种及两种以上组合:氧化铈、
氧化硅、氧化铁、氧化镁、氧化铬、氧化铝或碳化硅。
[0013]更进一步，在制作所述的弥散强化磨盘时，首先将所述的弥散强化颗粒材料与所述的结合剂充分均匀混合；然后将所述的纯紫铜粉逐量分步骤加入到混合均匀的所述的弥散强化颗粒材料与所述的结合剂混料中，过程采用振动方式搅拌混合，实现纯紫铜粉、弥散强化颗粒、结合剂混合均匀；将混合好的弥散强化磨盘制作材料均匀平铺于磨盘模具型腔内，将所述的磨盘模具置于热烧结压机中，压制成型。
[0014]本发明的技术构思为:弥散强化是材料学近年研宄的一种复合材料新方法，在基体金属中加入稳定性高、呈弥散分布的第二相颗粒，以阻碍基体颗粒位错运动，达到强化基体目的。弥散颗粒加入量与基体体积分数比小，不影响基体金属固有的物理化学性质。采用纯紫铜粉、结合剂、弥散强化颗粒，以弥散强化原理制作的铜基磨盘为复合材料磨盘，其弹性模量、磨盘材料表面硬度可调控，加工性能介于纯铜盘和锡盘加工性能之间，达到蓝宝石晶片研磨加工的低表面损伤和高材料去除率的平衡，进而有效减少后续抛光工序所需加工时间，提高整体加工效率，降低生产成本。
[0015]同时，弥散强化原理的磨盘中使用的所述弥散强化颗粒(如氧化铈、氧化硅等)在加工过程中会与蓝宝石工件产生固相反应，实现工件材料高效去除。这是因为工件(蓝宝石晶片)表面存在面缺陷，工件表面的原子结合能呈一定分布。当弥散强化颗粒在蓝宝石晶片表面划过，因机械和热的作用，弥散强化颗粒和蓝宝石晶片表面的原子相互扩散，有些弥散强化颗粒原子挤入蓝宝石晶片材料表层，更降低了蓝宝石晶片材料表面的结合能；当下一个弥散强化颗粒划过蓝宝石晶片表面时，由于蓝宝石晶片表层原子结合能的降低，材料很容易被去除。因此，依靠弥散强化颗粒和蓝宝石晶片材料之间产生的化学机械作用实现材料的去除，促进蓝宝石晶片尚效超精密加工。
[0016]本发明的有益效果主要表现在:1.采用弥散强化原理的铜基磨盘为复合材料磨盘，解决原蓝宝石晶片精研阶段采用纯铜盘和锡盘，单一材料的磨盘，其机械和物理性能不可调，实现铜基磨盘弹性模量、磨盘材料表面硬度等性能可调控，使弥散强化原理的铜基磨盘加工性能介于纯铜盘和锡盘加工性能之间，达到蓝宝石晶片研磨加工的低表面损伤和高材料去除率的平衡；2.弥散强化原理的磨盘中使用的所述弥散强化颗粒(如氧化铈、氧化硅等)在加工过程中会与蓝宝石工件产生固相反应，实现工件材料有效去除，促进蓝宝石晶片高效超精密加工；3.弥散强化原理的铜基磨盘的材料成本低于传统的纯铜盘和锡盘，制作方便，降低了加工成本。
【附图说明】
[0017]图1是基体中弥散强化原理示意图，其中，⑴是非弥散强化磨盘的过程，(a)是开始状态，(b)是过程状态，(C)是最终状态；(2)是弥散强化磨盘的过程，(a)是开始状态，(b)是过程状态，(C)是最终状态。