１ 引 言
藍寶石單晶因其優越的物理、光學性能，被廣泛應用於發光二極管（ＬＥＤ）襯底材料和固態激光發光介質，並逐步成為下一代手機面板的首選，目前已在ｉＰｈｏｎｅ手機上試產。藍寶石的普遍應用對它的超光滑無損傷表面加工提出了更高要求，但藍寶石單晶因硬度高、化學性能穩定，屬於典型的難加工材料。
目前，對於單晶藍寶石的加工需採用切片、倒角、研磨、拋光等多道工序完成，其中研磨加工是工件獲得良好平面度、保證拋光質量和效率的關鍵工序，也是專家學者研究的熱點。單晶藍寶石的研磨一般利 用 逐 級 減 小 研 磨 液 中 Ｂ４Ｃ 磨 料的粒徑，控制研磨的進給量，來獲得較好的表面粗糙度。由於研磨過程中，硬度較大的磨料在工件和研磨盤之間滾軋，容易造成較大的表面損傷層，增加了拋光時間；另外研磨液中磨料利用率低、耗費大、還汙染環境。目前，固結磨料由於可依靠凸起的磨粒實現材料的微量切除而成為了高效低損傷 加 工 的 有 效 手 段。Ｌｉａｎｇ等採 用超 聲 輔助的金剛石樹脂砂輪對單晶藍寶石進行磨削，獲得了０．４～０．６μｍ的 表 面 粗 糙 度。Ｋｉｍ 等使用固結的金剛石研磨墊並在研磨液中加入氧化鋁磨料雙面研磨藍寶石工件，利用氧化鋁磨粒對研磨墊的修整 實 現 了１μｍ／ｍｉｎ的材料去除速率。固結磨料加工中，研磨拋光液的化學作用也不容忽視。Ｔｉａｎ等利用固結磨料拋光硅襯底，比較了不同拋光液對材料去除率和表面質量的影響，發現拋光液組份和ｐＨ 值的改變對拋光效果具有較大影響，從而推斷拋光液與工件表面具有一定的化學作用。居 志 蘭 等研究了固結磨料拋光水晶中，拋光液中的化學物質可以軟化水晶玻璃表面表層，從而有利於材料去除速率的提高。但由於藍寶石的高化學穩定性，藍寶石晶片研磨過程中的研磨液的化學作用尚未見報道。
本文采用自制的金剛石固結磨料研磨墊對藍寶石晶片進行研磨實驗，通過改變研磨液的成份，探究研磨 液 在 固 結 磨 料 研 磨 藍 寶 石 晶 體 中 的 作用，並藉助光電子能譜儀 ＸＰＳ分析研磨液對藍寶石表面的化學作用，探索固結磨料研磨藍寶石晶體的材料去除機理，為加工工藝的優化提供了理論指導。
２ 實驗部分
２．１ 固結磨料研磨墊製備
固結磨料研磨墊利用高聚合物的樹脂材料作黏接劑，把一定粒徑的金剛石磨料通過加熱引發固化劑，加熱固化而成。通過改變磨料粒徑的大小可以調節研磨墊的應用。在磨料中加入了適量的細銅粉，可以提高研磨墊硬度，改善工件面型精度。固結磨料研磨墊製備流程如圖１所示，研磨墊可分為磨料層和基體層，磨料層表面有凸起結構，凸起之間留有溝槽，便於研磨液的流動和研磨碎屑的排出。基體層不含磨料，具有一定的彈性，方便研磨墊與研磨盤的黏接，有利於研磨過程中研磨墊剛度的調節。
圖１ 固結磨料研磨墊製備流程圖
２．２ 實驗設計
樣品為直徑５０．８ｍｍ，厚度０．５ｍｍ 的藍寶石晶體的（０００１）晶面，研磨加工實驗在智能型納米 級 拋 光 機 （Ｎａｎｏｐｏｌｉ－１００）上 進 行，實 驗 採 用Ｗ１４鍍鎳金 剛 石 制 作 的 固 結 磨 料 研 磨 墊。為 了保證研磨條件的一致性，研磨加工前先用 Ｗ７５的研磨墊粗磨１０ｍｉｎ，粗研加工參數如表１所示。
為了探索研磨液組份對固結磨料研磨藍寶石的影響，選用有利於研磨墊自修整性能提高的常見鹼性物質，並通過改變其含量，探索不同研磨液在相同研磨條件研磨藍寶石單晶的差異。研磨液具體組份如表２所示。
２．３ 表面粗糙度Ｒａ 和去除速率（ＭＲＲ）的測量
研磨加工完成後，使用江南 ＸＪＸ－２００型正置雙 目 金 相 顯 微 鏡 觀 察 工 件 表 面 形 貌。 採 用ＮａｎｏＭａｐ５００ＬＳ測量工件表面粗糙度Ｒａ，掃描長度為１５００μｍ，掃描速度為１００μｍ／ｓ，採樣頻率為６０ｐｔｓ／ｓ。 工 件 的 初 始 厚 度 由 上 海 力 易 得ＥＮＤＵＲＡ 數顯千分尺 Ｅ０５７１（分辨率０．０１ｍｍ）測得，工 件加工前後的質量由德國賽多利斯（ＳＡＲＴＯＲＩＵＳ）ＢＳ２２４Ｓ（２２０ｇ／０．１ ｍｇ）精 密 天平計量，材料去除速率為：
其中：Ｍ０ 和 Ｍ 分別為工件加工前後的質量，單位ｇ；ｈ為工件加 工 前 的 初 始 厚 度，單 位 ｍｍ；ｔ為 研磨時間，單位 ｍｉｎ。
２．４ ＸＰＳ分析
為了測試藍寶石工件研磨後的表面化學組份，採 用 美 國 Ｔｈｅｒｍｏ 公 司 ＸＰＳ（ＥＳＣＡＬＡＢ２５０Ｘｉ）分別對 Ａ，Ｃ，Ｅ，Ｇ４種不同的研磨液浸泡後的研磨工件和未經浸泡的幹態研磨工件進行能譜對比分析，測試工件表面的元素組份和結合能，推斷元素的價態和存在方式。測試設置條件：以ＡｌＫａ為 激 發 源 （ｈｖ＝１４８６．６ｅＶ）；發 射 功 率２００ Ｗ；真 空 度 優 於 １．０×１０－８ Ｐａ；以 汙 染 碳Ｃ１ｓ＝２８５．０ｅＶ 作為元素結合能的參考內標。
３ 結果與討論
３．１ 材料去除速率
藍寶石單晶在不同研磨液作用下的材料去除率如圖２所示。在其它工藝條件相同的情況下，僅含有去離子 水 的 研 磨 液 Ａ 對 應 的 材 料 去 除 速率最小，為１４９．８ｎｍ／ｍｉｎ，含有其 它 化 學 組 份 的研磨液材 料 去 除 速 率 明 顯 高 於 去 離 子 水 研 磨 液Ａ，去除速率 最 高 的 為 含 有 ２％ 乙 二 醇 的 研 磨 液Ｃ，為２２４．１ｎｍ／ｍｉｎ。而 含有 相 同 化 學 組 份，不同濃度的研磨液在研磨加工過程中的材料去除速率變化 不 大，如 Ｂ 和 Ｃ、Ｄ 和 Ｅ、Ｆ 和 Ｇ 之 間 的差別。
圖２ 不同研磨液作用下的材料去除速率
單晶藍寶石工件在水中具有一定的水解作用，表面會生成相應的軟化層，有利於材料的去除。含有乙二醇、乙二胺和三乙醇 胺 的 研 磨液在研磨加工中對藍寶石的水解作用更強，從而獲得了高於研磨液為去離子水的材料去除率。乙二醇是增塑劑和表面活性劑的主要成分，在研磨加工過程中，增加了藍寶石工件表面的活性，使藍寶石工件表面的 Ａｌ元素更易於同溶液中的 ＯＨ－根離子結合，生成硬度較小的氫氧化合物，從而有利於提高材料去除率。當研磨液中含有三乙醇胺時，因三乙醇胺易與固結磨料研磨墊中表層的銅粉起絡合反應，增強了研磨墊的自修整性能，使更多顆粒的金剛石與工件接觸，一定程度上促進了研磨加工材料的去除。當研磨液中含有乙二胺的組份時，因乙二胺密度比水小，少量的乙二胺易於空氣中的 ＣＯ２ 生成不揮發的碳酸鹽，沉積於拋光液容器的底部，大部分的乙二胺溶於水生成水合乙二胺。乙二胺的加入增加了溶液中的 ＯＨ－ 根離子，有利於藍寶石工件表面氫氧化鋁的生成，但氫氧化鋁在有機弱鹼中的穩定性也一定程度上減小了藍寶石工件表層化學反應的速度。從圖２可以看出，在藍寶石研磨加工過程中，含有不同組份的研磨液在加工過程中對材料去除率的提升強弱依次是：乙二醇＞三乙醇胺＞乙二胺＞去離子水。同時，含有相同組份不同濃度的研磨液材料去除率差別不明顯，這是由於鹼性物質的增加，有利於藍寶石表面軟化層的生成，提高了加工效率；同時也加大了溶液對研磨墊表面銅粉的腐蝕，使金剛石顆粒因把持力減小而脫落，影響金剛石的出露高度，導致去除率下降，兩方面綜合作用的結果致使材料去除率變化不大。
３．２ 工件表面質量
圖３所示為經不同研磨液加工後藍寶石工件表面粗 糙 度 數 值，Ｒａ 為５０．７～７６．２ｎｍ，其 中經去離子水研磨後的工件表面粗糙度值最大，其次為含有三乙醇胺的研磨液和含有乙二胺的研磨液研磨的工件，含有乙二醇的研磨液研磨的工件表面粗糙度數值最小。相同化學組份不同濃度的研磨液研磨後的工件表面粗糙度數值變化不明顯，其差距在幾個納米之間，說明同一種研磨液對藍石表面的化學反應對濃度的敏感性較微弱。而不同化學組份的研磨液對藍寶石工件的化學反應差別 相 對 較 大，含 有 ２％ 乙二醇的研磨液 Ｃ、０．２％乙二胺的研 磨 液 Ｅ、２％三 乙 醇 胺 的 研 磨 液Ｆ與僅含有去離子水的研 磨 液 Ａ，研 磨 後 工 件 表面粗 糙 度 Ｒａ 的 數 值 分 別 相 差 ２５．５，１５．２ 和７．５ｎｍ，可見含有乙二醇的研磨液更能改善固結磨料研磨藍寶石襯底的表面粗糙度，其次為三乙醇胺和乙二胺。
圖３ 不同研磨液作用下的表面粗糙度Ｒａ
不同研磨液研磨後藍寶石工件的表面形貌如圖４所示。由於藍寶石工件粗研後，面型精度較好，工件表面峰谷（ＰＶ）值低於２μｍ，而藍寶石經過３０ｍｉｎ的精研後，材料去除量可達５μｍ 左右，可以排除 精 研 後 表 面 劃 痕 是 粗 研 階 段 所 留 的 可能。經去離 子 水 研 磨 後 的 工 件 表 面 有 較 深 的 劃痕，說明在研磨過程中去離子水和藍寶石工件之間的化學反應比較微弱，材料的去除主要依靠研磨墊上出露金剛石的切削。含有三乙醇胺的研磨液Ｆ和 Ｇ 研磨後的工件亦有較明顯的劃痕，可能是由於三乙醇胺增強了研磨墊的自修整性能，ＦＡＰ表面金剛石顆粒出露高度大，磨粒對錶面進行滑擦造成較深的劃痕。含有乙二醇的研磨液 Ｂ和 Ｃ劃痕相對較少，說明其在加工的過程中化學反應較強，其次是含有乙二胺的研磨液 Ｄ和 Ｅ。
圖４ 不同研磨液研磨後的工件表面形貌
研磨液在固結磨料研磨藍寶石單晶的過程中，一方面工件表面發生一定的化學作用，生成硬度相對較小的表面軟化層，有利於材料去除率的提高和表面質量的改善。另一方面研磨液對固結磨料研磨墊也有一定的腐蝕作用，促進研磨墊中金剛石磨粒的出露，加大對工件材料的切削。在整個研磨加工過程中，這兩方面的作用都不能忽視，從工件的表面質量分析，對於工件表面質量提高具有促進作用的研磨液化學組份分別是：乙二醇＞三乙醇胺＞乙二胺＞去離子水。
３．３ ＸＰＳ分析
為了比較不同研磨液對藍寶石工件的化學作用，使用含有去離子水、乙二醇、乙二胺和三乙醇胺４種不同化學組份的研磨液 Ａ，Ｃ，Ｅ，Ｇ 分別對相同條件研磨後的藍寶石單晶浸泡３０ｍｉｎ，和一片未經浸泡的 幹 態 藍 寶 石 工 件 進 行 ＸＰＳ能 譜分析。圖５所示 為 工 件 表 面 ＸＰＳ窄 掃 Ａｌ２ｐ圖 譜，和圖５（ｅ）幹態 Ａｌ２ｐ譜峰相比，經過研磨液浸 泡後的 Ａｌ２ｐ譜 峰均 發 生 了 峰 位 偏 移，說 明 研 磨 液浸泡後的藍寶石工件表面 Ａｌ元素存在於不同的化合態，可能是工件表面的 Ａｌ２Ｏ３ 與研磨液發生了相應的化學反應。
Ａｌ２ｐ譜 峰 在 ７３．３～７４．１ｅＶ 的 結 合 能 為Ａｌ２Ｏ３ 中 Ａｌ元 素的 結 合 能，７４．３～７５．０ｅＶ 為Ａｌ（ＯＨ）３中 Ａｌ元素的結合能，７３．９～７４．３ｅＶ 為ＡｌＯ（ＯＨ）中 Ａｌ元 素的 結 合 能。工 件 表 面Ａｌ２ｐ譜峰峰位的差異是由於 Ａｌ元素不同價態共存的結果。
圖５ 不同研磨液浸泡後工件表面 Ａｌ２ｐ圖譜
對 Ａｌ２ｐ譜峰分 峰 擬 合 處 理，根 據 譜 峰 面 積計算各不同價態對應峰位的相對含量如表 ３ 所示。可以看 出，經過研磨液浸泡後的工件 Ａｌ２ｐ均有雙峰位的出現，可以推斷工件表面均發生了一定程度的化學反應。溶液中 ＯＨ－ 根離子的增加，促使藍寶石表面鍵能較小的 Ａｌ—Ａｌ鍵斷裂，與 ＯＨ－ 根離子結合生成 Ａｌ（ＯＨ）３ 或 ＡｌＯ（ＯＨ）物質。溶液中的乙二醇對藍寶石工件表面化學作用的 促 進 較 為 明 顯，其次是乙二胺和三乙醇胺。藍寶石工件在研磨液的作用下，可能發生的化學反應方程式為
３．４ 研磨機理
圖６所示為固結磨料與藍寶石工件接觸示意圖。研磨過程中，研磨墊表面經過修整後，部分金剛石磨料露出表面與藍寶石工件接觸。在載荷作用下，藍寶石工件和研磨墊做相對運動，研磨墊上出露的金剛石顆粒對藍寶石工件進行機械滑擦和耕犁，以切削去除藍寶石工件表面最先接觸的材料，實現二體磨削加工。在加工過程中，由於研磨墊基體對金剛石顆粒的把持力不等，會造成金剛石出露高度不同，當金剛石顆粒出露較低時，其切入藍寶石工件表面的深度也較小，可以實現二體的延性加工。而當金剛石顆粒出露高度增加到一定程度時，由於其較高的硬度使其切入藍寶石工件表面的深度增大，造成工件表面裂紋，實現了工件的二體脆性加工。在加工過程中，由於研磨壓力的作用，使工件對出露磨粒的切向力增加，當切向力增加到一定程度時，會造成小部分出露高度大的金剛石顆粒脫落，混入研磨液中，對工件表面造成滾軋，實現材料的三體脆性加工。故從純機械的角度出發，固結磨料對藍寶石工件的研拋應該是二體延性加工、二體脆性加工和三體脆性加工綜合作用的結果。
圖６ 固結磨料研磨藍寶石單晶示意圖
同時，在固結磨料對藍寶石工件的研磨過程中，研磨液一直處於工件與研拋墊之間。一方面，研磨加工過程中產生的切屑通過研磨液的流動排出，另一方面根據藍寶石自身的物理和化學特性分析，研磨液對工件的化學作用也不能被忽視。藍寶石工件在拋光過程中的水合層厚度為１ｎｍ 左右，但在鹼性溶液裡更易於 ＯＨ－ 根離子結合生成軟化層［１４］。當研磨液中僅為去離子水時，研磨液中的Ｈ＋ 和 ＯＨ－ 根離子基本平衡，藍寶石工件表面僅靠水合反應生成相應的 Ａｌ２Ｏ３·ｎＨ２Ｏ 水合層，當溶液中 ＯＨ－ 根離子增加時，Ａｌ２Ｏ３ 在鹼性溶液中更易於 ＯＨ－ 根離子結合生成硬度較小的水鋁石和偏鋁酸根離子，有利於隨後磨粒的機械去除。同時，研磨液中的化學組份亦會與研磨墊中的銅粉等物質絡合，增加研磨墊基體的磨損，適當減小基體對磨粒的把持力，提高了ＦＡＰ的自修正能力，有助於提材料的去除速率。因此，固結磨料研磨過程中，藍寶石工件材料的去除是機械和化學綜合作用的結果。
４ 結 論
本文開展了固結磨料研磨單晶藍寶石面板的實驗研究。在其它工藝參數相同的情況下得的研究結果表明：使用 Ｗ１４鍍鎳金剛石固結磨料研磨藍寶石單晶，研磨液僅為去離子水時，材料去除率ＭＲＲ為１４９．８ｎｍ／ｍｉｎ、表 面粗 糙 度 Ｒａ 為７６．２ｎｍ；而研磨液 中 加 入 ２％ 的 乙 二 醇 後，相 應 的 值分別為 ＭＲＲ 為２２４．１ｎｍ／ｍｉｎ，Ｒａ 為５０．７ｎｍ。說明研磨液對材料去除速率的提高和表面質量的改善具有促進作用。另外，含有２％乙二醇的研磨液浸泡後的工件表面 ＸＰＳ窄掃 Ａｌ２ｐ譜峰最弱，且發生峰位偏移的相對含量較高，說明在研 磨 過 程中，乙二醇更能夠增加藍寶石工件表面的活性，促進化學反應的發生，獲得較好的表面質量和較高的材料去除率。相同化學組份不同濃度的研磨液其研磨效果沒有明顯差別，故藍寶石單晶的固結磨料研磨 適 宜 的 研 磨 液 組 份 依 次 是：（１％乙 二 醇）＞（２％三乙醇 胺）＞（０．１％乙 二胺）＞（去 離 子 水）。本文的工作為加工工藝的優化提供了理論指導。
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