藍(lán)寶石切割機(jī)設(shè)計(jì)

藍(lán)寶石切割機(jī)設(shè)計(jì),藍(lán)寶石切割機(jī)設(shè)計(jì),藍(lán)寶石,切割機(jī),設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 文 獻(xiàn) 綜 述 藍(lán)寶石切割機(jī) 1 前言 藍(lán)寶石，是剛玉寶石中除紅色的紅寶石之外，其它顏色剛玉寶石的通稱，主要成分是氧化鋁（Al2O3）。工業(yè)用藍(lán)寶石是軍用車輛用作透明裝甲的材料，除鉆石以外，藍(lán)寶石的硬度強(qiáng)于其他任何天然材料。它比“大猩猩玻璃”硬三倍，耐劃傷性也高三倍左右。由于它出色的性能，被廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。隨著藍(lán)寶石的應(yīng)用越來越頻繁，對(duì)其切割方法與設(shè)計(jì)的要求也越來越高。以方法分類，切割藍(lán)寶石的寶石切割機(jī)大致分為兩種：一種是用電弧切割，另一種是用金剛石帶鋸切割。電弧切割成本較高，帶鋸切割成本低但是精度較低。 藍(lán)寶石切割機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是能快速獲得我們所需要的形狀的寶石工件。本文簡要的闡述了藍(lán)寶石切割機(jī)的發(fā)展歷史、研究現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢(shì)。 2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2.1國外研究現(xiàn)狀 80年代初期，國際商業(yè)機(jī)器公司(IBM)首先提出的化學(xué)機(jī)械拋光引入集成電路進(jìn)行平坦化的制程工作。主要是通過適當(dāng)?shù)闹瞥虆?shù)設(shè)計(jì)，利用一個(gè)拋光平臺(tái)，配合適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)溶液，將晶片表面高低起伏不一的輪廓加以磨平。安永暢男使用不銹鋼環(huán)拋光藍(lán)寶石，發(fā)現(xiàn)藍(lán)寶石界面與不銹鋼形成了結(jié)構(gòu)松軟的固相化學(xué)反應(yīng)層，藍(lán)寶石表面具有鏡面光澤，而且沒有發(fā)現(xiàn)亞表面損傷的現(xiàn)象，并提出了機(jī)械化學(xué)拋光的概念。Namba和Tsuwa等人在進(jìn)行藍(lán)寶石超拋光的實(shí)驗(yàn)中，利用二氧化硅水溶液搭配上錫盤當(dāng)研磨盤，首次觀察到藍(lán)寶石的殘余表面粗糙度為1nm，對(duì)于使用SiO2當(dāng)磨粒而言，因?yàn)槠溆捕缺人{(lán)寶石的要低，理論上并不具有去除藍(lán)寶石表面的能力，但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻說明SiO2拋光液具有去除藍(lán)寶石表面材料的能力，利用此套儀器設(shè)備對(duì)藍(lán)寶石進(jìn)行拋光可獲得比較好的表面粗糙度并認(rèn)為在超拋光中，拋光液中直徑7nm的膠羽狀SiO通過撞擊移除了藍(lán)寶石表面原子，并提出了一種新的拋光方法，浮法拋光法。Gutsehe和Moody等人在其研究成果上提出假設(shè)，他們認(rèn)為是由于單純的化學(xué)反應(yīng)SiO2才能移除藍(lán)寶石表面的原子，而來自拋光過程摩擦產(chǎn)生的熱是化學(xué)反應(yīng)能夠進(jìn)行的驅(qū)動(dòng)力，并提出化學(xué)反應(yīng)式為： 反應(yīng)后生成物為高嶺土，并可利用拋光液的流動(dòng)特性將高嶺土移除。 Prochnow和Edwards等人使用直接接觸法搭配上瀝青拋光盤對(duì)藍(lán)寶石進(jìn)行超拋光，拋光結(jié)果均方根粗糙度值可達(dá)到0.2~0.3nm。 B.Hader和o.weis依據(jù)Prochnow和Edwards等人證實(shí)的直接接觸的想法的基礎(chǔ)上，提出了“熱液磨耗”的理論模型。最近幾年，國際上一些知名的半導(dǎo)體及光電子技術(shù)公司紛紛投入了大量的資金去研究藍(lán)寶石拋光，并取得了一定的成果，如美國、日本、德國以及俄羅斯等公司己經(jīng)能產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)3英寸的單晶藍(lán)寶石，并且正在研發(fā)4英寸的技術(shù)。 2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀 隨著第三代半導(dǎo)體材料的GaN的推出，藍(lán)寶石作為LED最重要的襯底材料之一，國內(nèi)需求量處于日益增長。藍(lán)寶石切割技術(shù)作為襯底材料加工的重要工序之一，目前在國內(nèi)存在很多不足。如切割精度不足，生產(chǎn)效率低下，切割表面損傷較大等等[2] 相比與國外，我國的起步比較晚，20世紀(jì)80年代才正式開始對(duì)藍(lán)寶石進(jìn)行研究開發(fā)，北京市光電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室李冰、郭霞等人研究了利用碳化硼作為磨料對(duì)藍(lán)寶石基片外延片減薄加工過程中，比較了在不同的氮化硼磨料粒度對(duì)藍(lán)寶石去除速率和表面粗糙度的影響，以及去除速率和表面粗糙度與研磨盤轉(zhuǎn)速和研磨壓力的關(guān)系，通過比較實(shí)驗(yàn)最終表面粗糙度可達(dá)到Ra60.25nm。浙江工業(yè)大學(xué)袁巨龍等人，研究討論了藍(lán)寶石化學(xué)機(jī)械拋光過程中的必備條件，并提出了相應(yīng)的拋光機(jī)理。文章認(rèn)為藍(lán)寶石加工過程中， 即使藍(lán)寶石與磨料在高速接觸過的界面接觸點(diǎn)的時(shí)間非常短，也能發(fā)生固相化學(xué)反應(yīng)，生成10數(shù)量級(jí)厚度的化學(xué)反應(yīng)層，且反應(yīng)生成物與材料自身的結(jié)合力很低，在拋光過程中極易用磨粒的機(jī)械作用移除。河北工業(yè)大學(xué)王娟等人對(duì)藍(lán)寶石晶片化學(xué)機(jī)械拋光液進(jìn)行了研制并對(duì)藍(lán)寶石襯底片進(jìn)行了化學(xué)機(jī)械拋光加工，確定了適宜藍(lán)寶石化學(xué)機(jī)械拋光加工的條件：T=30℃，pH值在9和13之間，并得出采用大粒徑、高濃度的SiO2拋光液并且在拋光液中應(yīng)加入適量添加劑，可以獲得較高的材料去除率和較好的表面粗糙度。深圳奧普光電子有限公司發(fā)明了一種新的藍(lán)寶石加工方法，叫固相反應(yīng)濕式CMP加工方法。該加工方法選取比藍(lán)寶石硬度低的氧化物微粉作為磨料；在拋光中，氧化物磨料與藍(lán)寶石接觸，在接觸點(diǎn)發(fā)生固相化學(xué)反應(yīng)，生成結(jié)晶層；磨料通過機(jī)械接觸把結(jié)晶層去除。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明用該拋光加工方法獲得的藍(lán)寶石表面基本沒有任何損傷，獲得了比較理想的加工表面，提高了拋光加工效率，降低了生產(chǎn)成本。 從上面國內(nèi)外對(duì)藍(lán)寶石的幾種加工方法可以看出，對(duì)藍(lán)寶石晶體的加工條件都比較特殊，雖然加工后得到的晶體表面精度能夠達(dá)到使用的要求，但同時(shí)晶體表面也存在一定的缺陷，影響晶體的應(yīng)用，因此開展對(duì)藍(lán)寶石 CMP 加工的研究，探索藍(lán)寶石晶體的加工方法對(duì)其未來的應(yīng)用也很重要。 單晶藍(lán)寶石具有良好的物理、化學(xué)和光學(xué)特性，在微電子、工業(yè)、國防、科研以及 GaN 晶片 LED 襯底領(lǐng)域得到越來越廣泛的作用。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)于藍(lán)寶石晶片的加工精度以及表面質(zhì)量要求越來越高，因此藍(lán)寶石的高效低損加工工藝成為阻礙藍(lán)寶石工業(yè)發(fā)展的主要障礙。[1] 3.發(fā)展趨勢(shì) 傳統(tǒng)上一般晶棒/ 錠切成片狀的方式是內(nèi)圓切割，這種切割機(jī)的刀片刃口厚度在0.28～0.35 mm 之間，加工效率較低，材料損耗大，出片率低，晶片表面質(zhì)量較低,難以加工硬度大、脆性高以及耐磨性好的材料。并且隨著晶圓直徑的增大和第三代半導(dǎo)體材料的出現(xiàn)，內(nèi)圓切割加工受到其本身結(jié)構(gòu)的限制使得切片切割過程逐漸困難，所以內(nèi)圓鋸片切割的加工方式在第三代半導(dǎo)體材料和大直徑大批量晶片生產(chǎn)中逐漸被邊緣化。 20 世紀(jì)90 年代發(fā)展起來的線切割技術(shù)的成熟應(yīng)用，成功地滿足了大片徑、低損耗和相對(duì)較高表面質(zhì)量的晶片切割需要。線切割晶圓技術(shù)剛開始是運(yùn)用游離磨粒的方式，也就是利用線帶動(dòng)游離磨粒（如碳化硅等），傳統(tǒng)的金屬切割線如圖1所示，使在工件和線中間的磨粒對(duì)工件進(jìn)行磨切割。但是游離磨粒的缺點(diǎn)在于，因?yàn)槟チ：凸ぜ?shí)際接觸到的面積較小，造成材料移除率較小，所以需要較長的加工時(shí)間；而另外一個(gè)缺點(diǎn)在于，如須加工更硬、更難以切割的工件（如藍(lán)寶石、碳化硅），則游離磨粒的方式將難以對(duì)工件的表面達(dá)到預(yù)期的切割。為了改善上面的缺點(diǎn)，切割碳化硅、藍(lán)寶石等硬度大的材料，固定金剛石磨料線切割技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，這種加工技術(shù)通常是使用電鍍的方法將金剛石磨料固定在鋼絲表面（如圖2 所示）,加工過程中鋸絲上的金剛石直接獲得運(yùn)動(dòng)速度和一定的壓力對(duì)硅材料進(jìn)行磨削加工, 相比游離磨料多線鋸的" 三體加工",它屬于" 二體加工"，其加工效率是游離磨料多線鋸的數(shù)倍以上。金剛石單線切割機(jī)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)成為第三代半導(dǎo)體硬脆材料和大直徑材料切割中不可或缺的一部分。[7] 4. 進(jìn)展情況 針對(duì)藍(lán)寶石表面情況先用夾具準(zhǔn)確夾住藍(lán)寶石工件，然后利用金剛石帶鋸進(jìn)行切割，利用PLC控制三相異步電機(jī)或液壓系統(tǒng)完成走刀路徑，完成后利用切削液沖洗工件表面并對(duì)切削液進(jìn)行回收，進(jìn)入沉淀池使切削液中的寶石粉末沉淀進(jìn)行回收利用并使切削液能重復(fù)沖洗寶石工件表面。 5.存在問題 5.1鋸切單晶硅表面缺陷 圖2是采用幾種不同工藝參數(shù)組合鋸切的單晶硅表面形貌的SEM照片。由圖2可以看出, 電鍍金剛石線鋸鋸切單晶硅的表面缺陷, 主要有較長較深的溝槽、較淺的斷續(xù)劃痕、材料脆性去除留下的表面破碎及個(gè)別較大較深的凹坑。 鋸切過程中鋸絲為往復(fù)式運(yùn)轉(zhuǎn), 當(dāng)鋸絲要換向運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí), 此時(shí)線速為零, 而工件依然在進(jìn)給, 鋸絲彈性變形增大, 使此時(shí)的鋸切力變大, 因此鋸切表面容易產(chǎn)生較深溝槽 。鋸絲上磨粒凸出高度不均或黏附在鋸絲上的切屑隨鋸絲運(yùn)動(dòng)時(shí), 在加工表面會(huì)產(chǎn)生溝槽和劃痕; 再就是鋸絲隨機(jī)的振動(dòng), 會(huì)導(dǎo)致金剛石磨粒在料表面任意地產(chǎn)生斷續(xù)劃痕。一些較淺的劃痕也可能是個(gè)別出露高度低磨粒進(jìn)行塑性域切削的結(jié)果。工件表面殘留大量的破碎凹坑, 呈彈坑狀的表面形貌, 可說明材料主要是在脆性方式下去除, 切屑的形成是裂紋擴(kuò)展交叉的結(jié)果, 材料最終以微觀與宏觀破碎的塊狀去除。顯然, 破碎凹坑對(duì)鋸切表面亞表面的損傷程度要大于表面劃痕。 硅片切割表面上存在個(gè)別較大較深的凹坑, 見圖2b, 可能是由于在切割過程中, 脫落的金剛石磨粒被擠壓嵌入加工表面所造成, 對(duì)材料表面和亞表面質(zhì)量的損害更為嚴(yán)重。 圖2鋸切硅片表面缺陷特征 5.2夾鋸現(xiàn)象的出現(xiàn) 圖2中以01斷面加工為例，帶鋸沿進(jìn)給方向從點(diǎn)A切人，當(dāng)切到AC的中間位置點(diǎn)B時(shí)就有產(chǎn)生夾鋸的趨勢(shì)，此時(shí)從點(diǎn)A看，切口將逐漸變小，若想繼續(xù)切割可在外沿點(diǎn)A處塞進(jìn)一個(gè)鐵楔(需用力敲打進(jìn)去)，當(dāng)切到點(diǎn)C處附近時(shí)，鐵楔所受夾緊力最大，取下相當(dāng)困難，而鋸條往往在該位置被夾住，既無法前進(jìn)，也難以后退，若遇到這種現(xiàn)象處理起來相當(dāng)麻煩，既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，鋸條還可能斷裂。[13] 圖2帶鋸切割過程示意圖 參考文獻(xiàn) [1] 吳?。凰{(lán)寶石CMP加工機(jī)理與工藝技術(shù)的研究[D].浙江工業(yè)大學(xué).浙江。2012 [2] 張彬；藍(lán)寶石精密切割裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]. 黑龍江大學(xué). 黑龍江 2012 [3] 蔡二輝,湯斌兵,周浪.金剛石線鋸切割晶體硅模式研究[J].南昌大學(xué)學(xué)報(bào)(工科版).2011 [4] 黃波,高玉飛,葛培琪.金剛石線鋸切割單晶硅表面缺陷與鋸絲磨損分析[J]. 金剛石與磨料磨具工程. 2011(01) [5] 金成毅; 熊瑞平.一種基于PLC控制的石材切割機(jī)的液壓系統(tǒng)[J].液壓與氣動(dòng).2012.4 [6] 李艷麗;趙東杰.關(guān)于金剛石環(huán)形帶鋸在硅晶圓棒切割中的技術(shù)要求及應(yīng)用問題的探討[J].2012 [7] 呂文利;王理正;劉嘉賓.藍(lán)寶石多線切割設(shè)備及切割技術(shù)[J].國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所.2013.7 [8] 呂智;鄭超.固結(jié)金剛石線鋸技術(shù)[J].桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院.2012.6 [9] 鐘康民;竇云霞;李欣;王傳洋.基于熱致線膨脹與面積效應(yīng)行程放大的鉸桿增力自鎖夾緊裝置[J].蘇州大學(xué);機(jī)電工程學(xué)院2008.6 [10] 胡金成;陳霽恒;陳淳輝;孫從科.金屬切削液的環(huán)境行為分析與評(píng)價(jià)[J].軍蚌埠士官學(xué)校船體教研室.2008.12 [11] 郭瑞潔.熱能驅(qū)動(dòng)夾具技術(shù)的研究與創(chuàng)新設(shè)計(jì)[D].蘇州大學(xué).2010.5 [12] 湯睿.數(shù)控多線研磨切片系統(tǒng)控制機(jī)理研究及應(yīng)用[D].湖南大學(xué).2011.5 [13] 朱榮錢;朱永升;于艾華;王振利.脹緊機(jī)構(gòu)在帶鋸切割中的應(yīng)用[J].河北理工大學(xué)智能儀器廠.唐山.2009.8 [14] X.Z. Xie;Z.Y.Pan;X.Wei;F.M.Huang;W.Hu and M.H.Hong.Hybrid Micromachining of Transparent Sapphire Substrate by Pulsed Green Laser Irradiation .2011.3 [15] Makoto Inoue;Kenta Yasuda;Tadashi Ito;Tetsu Sasahara;Masaru Yokota;Atsushi Nakahira .Fabrication of Sintered Diamond/Metal Composites and Evaluation of Grinding Performance for Sapphire [J].2012.5