中国粉体网讯 蓝宝石单晶有着极高硬度和结构强度、耐磨损、材料比重低等优势，同时可在接近2000°Ｃ的超高温条件下工作，因而被广泛地应用于耐温高压器件、特种窗口、光学系统、耐磨损器件、红外制导、导弹整流罩等军民用、军事、智能设备、科研高科技领域。
蓝宝石的应用领域
其中，蓝宝石应用最广泛的是用作LED衬底材料。LED作为具有高效率、长寿命和驱动电路简单等特点的新一代光源，应用范围涉及景观、装饰、照明光源等众多领域。
蓝宝石衬底的加工流程
在蓝宝石元器件的制备过程中，首先需要对蓝宝石晶棒进行切割加工，使其成为蓝宝石晶片，随后进行研磨及抛光，蓝宝石的表面平整度决定了其性能。然而，蓝宝石晶体硬度高、脆性大、化学性质稳定，表面加工较为困难。因此，如何提高蓝宝石的加工性能成为蓝宝石产业升级的难点。
01.蓝宝石切割技术
晶棒切割是蓝宝石加工的第一道工序，切割加工质量直接影响晶片性能、产量及后续加工成本，因此，蓝宝石的切割加工是该产业的重中之重，其主要切割工艺有以下几类。
（1）金刚石锯片切割
由于蓝宝石的高硬度，导致传统的砂浆切割及树脂刀具金刚石砂轮的切割对其无能为力，而金刚石锯片切割作为一种传统的切割方法，具有切割精度高、锯片有良好的导热性和热稳定性、使用寿命长等特点，成为蓝宝石发展初期切割方式的一种必然选择。然而随着技术的进步，该切割方式存在的锯缝宽、切割表面损伤多、粗糙度大、切割应力大、切割结束时出现切片崩边甚至飞边等系列问题逐步凸显，已不适合蓝宝石的精密切割。
（2）金刚石线锯切割
金刚石线锯切割技术，即固结磨料多线切割技术。金刚石线锯是在基体上固结金刚石磨料的一种切割工具，因其切缝小于0.5mm的特点可以加工普通硬脆材料，适用于蓝宝石、水晶、太阳能级多晶硅等硬脆材料的切割。
镍电镀金刚石线锯示意图
与广泛使用的传统砂浆切割技术相比，金刚石切割技术具有切割速率高、切片质量好、材料损耗低、锯屑易于回收等优点。
（3）电火花线切割
电火花线切割是利用导电工件和电极丝之间的脉冲火花放电产生的瞬时高温，使被切割工件局部点蚀，从而完成加工的一种方法，理论上切割蓝宝石的厚度可以很薄，国内外对该技术进行了广泛研究，但结果显示电火花切割会造成切片表面质量较差、烧伤层厚度大等缺陷，导致该方法不再适合加工高精度蓝宝石材料。
02.蓝宝石研磨技术
研磨是针对蓝宝石切割过程中带来的表面损伤和尺寸误差，利用附着或镶嵌在磨盘上的磨料与工件对磨，消除切割缺陷、提高工件表面质量的过程。
（1）游离磨料研磨
游离磨料研磨是将金刚石/SiC磨料混合到研磨液中，随后研磨液通过喷雾等方式持续输送到研磨盘上，磨粒随着研磨盘的转动带入研磨盘与蓝宝石对磨面之间，从而达到研磨效果。该方法加工蓝宝石的研磨初期一般是用铸铁材质的研磨片和较大粒径的SiC磨料，随后用较软的铜研磨盘和小粒径的金刚石磨料，研磨效果受多方面因素影响。
蓝宝石整流罩
（2）固结磨料研磨
固结磨料研磨是将磨料通过粘结剂固定形成类似砂纸一样的碾磨盘的方法。固结磨料研磨时，研磨盘材质对研磨效果有显著影响，国内外学者针对青铜、复合材料、陶瓷树脂材料等不同材质的研磨盘研究表明，硬度高、刚性大的研磨盘较弹性大的研磨盘能够更好地控制加工面的平整度，但加工面的质量和粗糙度控制不如后者。磨粒的粒径和浓度亦影响研磨质量，其中粒径大小与研磨效率呈正比，与加工面质量呈反比关系，单位面积磨粒浓度的增加会提高加工质量，但浓度过高时会影响磨粒的固定，容易产生磨粒的拔出、剥落，从而形成游离磨粒，影响加工质量，此外，研磨液的选择也会影响研磨效率。
固结研磨显著改善了游离研磨中磨料分布不均匀、转速不宜过高的问题，避免了游离磨料中磨料的滚扎和划擦，降低了工件亚表面损伤深度，使表面加工质量更高，已成为一种新型的蓝宝石加工技术。
（3）双面研磨
双面研磨是利用上下两个研磨盘对蓝宝石晶片同时进行表面研磨加工的工艺流程，避免了单面加工时晶片受约束而产生的应力，不易产生单面加工中出现的翘曲变形，拥有较好的平面度，同时简化了加工工序，提高了加工效率和加工质量。
03.蓝宝石抛光技术
目前蓝宝石的超精密加工技术主要有磁流变抛光、水合抛光、激光抛光和化学机械抛光。
（1）磁流变抛光
美国曼彻斯特大学于1997年首次采用磁流变抛光技术加工蓝宝石等超硬红外光学材料。
磁流变抛光是一种新型的技术，加工后蓝宝石晶片表面不存在亚表面损伤层，表面完整性较好。且磁流变抛光一种可控的柔性的抛光技术，其加工效率较高，且容易实现自动化加工。但是磁流变液的研制和抛光过程中柔性化控制等难题目前仍未得到很好地解决。
（2）水合抛光
水合抛光又称为无磨料抛光，是通过高温蒸气与蓝宝石晶片表面之间发生水合反应，生成硬度较低的氧化铝水合物，再通过抛光盘与工件之间的摩擦将其去除。水合抛光不用任何磨料和抛光液，属于环保型的加工方式，加工后晶片的面型精度较高。但水合抛光的加工效率较低，且目前水合抛光机理研究不够深入。
（3）激光抛光
激光抛光是一种非接触式加工方式，通过一个聚焦的激光束斑作用在工件表面，产生热作用和光化作用熔化或者蒸发工件材料，从而达到工件光洁的表面。激光抛光存在很多优点，例如加工效率高，可以加工复杂曲面，抛光精度高。激光抛光在蓝宝石加工中的应用越来越广泛，但是目前的激光抛光设备制造费用昂贵。
（4）化学机械抛光
化学机械抛光技术是将化学作用与机械作用有机结合起来，在二者作用的交替进行中完成单晶蓝宝石晶片表面的抛光，这种抛光方式可以有效避免单纯机械抛光造成的表面损伤和单纯化学抛光易造成的抛光速度慢、表面平整度和抛光一致性差等缺点。
蓝宝石CMP的原理及材料去除模型
小结
化学机械抛光技术可以兼顾加工表面全局及局部平整度，是一种真正意义上的原子分子级的极限加工技术，是目前最常用的加工蓝宝石的方法。
参考来源：
[1]康森等.蓝宝石切割研磨及抛光技术研究进展
[2]屈明慧等.蓝宝石化学机械抛光液的研究进展
[3]于海洋.单晶蓝宝石化学机械抛光的研究
[4]谢文祥.蓝宝石的化学机械抛光液研究
[5]王方.蓝宝石化学机械抛光液用硅溶胶制备工艺研究
[6]何宇雷.蓝宝石金刚线切割废料综合回收利用的研究
[7]王绍臣.蓝宝石精密磨削及化学机械抛光研究
[8]卢亚楠.抛光液组分对不同晶面蓝宝石材料CMP性能的影响研究
（中国粉体网/山川）
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