（机械制造及其自动化专业论文）照明用蓝宝石衬底基片平整加工技术研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 蓝宝石是一种光透过率高、熔点高、耐磨性好、化学性质稳定的材料。蓝宝 石衬底基片在照明行业有着广泛的应用，而且在军事领域中也有着较为广阔的前 景，如红外窗口、传感器、激光设备等。照明行业是2 l 世纪的重要行业并引发 节能、环保、长寿命的照明革命，蓝宝石是目前照明行业最普遍采用的衬底材料。 照明用l e d 制造核心工艺是通过金属有机气相沉积( m o c v d ) 方法在衬底基 片上沉积g a n 薄膜，该工艺要求衬底基片表面超光滑并且无损伤层，因此衬底 基片的表面质量直接影响着l e d 产品的发光性能。目前蓝宝石衬底基片平整加 工存在着许多问题如粗糙度大、平整度差、，r 1 1 v 值大等问题，而且l e d 产品对 表面质量的要求逐年提高，因此提高衬底基片的加工质量已经成为l e d 行业的 - 重要研究课题。 本文研究了蓝宝石衬底基片平整加工工艺，根据双面研磨的轨迹提出更好 的行星齿轮机构的传动比，有利于提高表面1 1 v 、平整度参数；磨削采用有限 元分析并进行实验验证，能够有效去除表面波纹。具体研究内容如下： ( 1 ) 研究蓝宝石衬底基片平整加工方法与主要参数检测原理与方法，研究 塑性域加工的实现条件。 ( 2 ) 建立衬底基片双面研磨的数学模型与u g 模型，研究衬底基片上点轨 迹、速度情况，确定最佳轨迹情况下内齿轮和游星轮的传动比；进行双面研磨工 艺优化实验并验证模拟效果。结果表明：1 ) 用u g 软件对轨迹研究：在内齿轮 和游星轮传动比为1 时衬底基片上点的轨迹为圆形，速度大小恒定，可以实现均 匀去除，有利于表面质量的提高。2 ) 双面研磨实验优化后的工艺参数：研磨压 力o 15 m p a 、研磨盘转速为8 r m i n 、研磨液采用2 4 0 # 碳化硼，磨料的质量分数为 9 ( 流量3 0 m i m i n ) 。3 ) 采用优化的工艺参数对比内齿轮和游星轮传动比为1 和0 8 两种情况研磨工件的表面质量，传动比为1 和0 8 时获得衬底基片的r 值分别为3 微米与5 微米，说明传动比为l 可以改善加工质量。 ( 3 ) 采用a n s y s 软件分析磨削、研磨过程衬底基片的变形量，通过在衬 底基片与工作台之间增加弹性橡胶挚磨削以提高) j o t 表面质量，并进行理论与实 验验证。结果说明：1 ) 通过a n s y s 软件分析磨削和研磨过程衬底基片中变形 照明用蓝宝石衬底基片平整加工技术研究 量，研磨和磨削过程衬底变形量分别为2 2 2 微米和1 0 6 微米。2 ) 提出在衬底基 片与工作台之间增加弹性橡胶挚的方法磨削，进行有限元分析这种情况下的变形 量( 2 2 8 微米) 与研磨的变形量相当。3 ) 在相同加工条件下普通磨削后表面波 纹不能有效去除，而通过在衬底基片与工作台之间增加弹性橡胶垫磨削可以有效 去除表面波纹，达到与双面研磨相当的表面质量，能够实现高效、低成本、自动 化磨削。 关键词：蓝宝石衬底基片，双面研磨，传动比，1 磨削，a n s y s 模型，变形 量，弹性橡胶挚 江苏大学硕士学位论文 a bs t r a c t s a p p h i r ei sak i n do fm a t e r i a lw i t hg o o dl i g h tt r a n s m i t t a n c e ，h i g hm e l t i n gp o i n t a n ds t e a d yc h e m i c a lp r o p e r t i e s s a p p h i r es u b s t r a t e sa r en o to n l yw i d e l yu s e di n i l l u m i n a t i o ni n d u s t r yb u ta l s oh a v eab r o a dp r o s p e c ti nm i l i t a r yf i e l ds u c ha si n f r a r e d w i n d o w ，s e n s o r , l a s e re q u i p m e n t sa n ds oo n i l l u m i n a t i o ni n d u s t r yi so n eo ft h em o s t i m p o r i a n ti n d u s t r i e si nt h e21t hc e n t u r ya n dl e a d st h ei l l u m i n a t i o nr e v o l u t i o no f e n e r g yc o n s e r v a t i o n ，e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n a n d l o n g s e r v i c et i m e s a p p h i r e s u b s t r a t e sa r et h em o s tf r e q u e n t l yu s e ds u b s t r a t em a t e r i a li nt h ei l l u m i n a t i o ni n d u s t r y t h ec o r ep r o c e s so fl e dm a n u f a c t u r i n gi sm o c v d ( m e t a lo r g a n i cc h e m i c a lv a p o r d e p o s i t i o n ) p r o c e s sw h i c hd e p o s i tg a nf i l mo ns a p p h i r es u b s t r a t e s ，t h em o c v d p r o c e s sr e q u i r e ss a p p h i r es u b s t r a t e ss u r f a c et ob es u p p e rs m o o t hw i t h o u td a m a g e d l a y e r , s ot h es u r f a c eq u a l i t yo fs a p p h i r es u b s t r a t e sh a v ed i r e c ti n f l u e n c eo n t h e l u m i n e s c e n tp r o p e r t i e so fl e d t h e r ee x i s t ss o m ep r o b l e m si np r e c i s i o nm a c h i n i n go f s a p p h i r es u c ha sl a r g es u r f a c er o u g h n e s s ，b a df l a t n e s s ，l a r g et r v ( t o t a lt h i c k n e s s v a r i a t i o n ) a n ds oo n t h er e q u i r e m e n t so fs u r f a c eq u a l i t yo ns u b s t r a t e sa r eb e c o m i n g s t r i c t e rg r a d u a l l y , s ot h ei m p r o v e m e n to fs u b s t r a t es u r f a c eq u a l i t yh a sb e c o m et h e m a i nc o n t e n to fr e s e a r c h t h i sp a p e rm a i n l yr e s e a r c ho np l a n a r i z a t i o np r o c e s s b e t t e rt r a n s m i s s i o nr a t i oo f p l a n e t a r yg e a rw a sp r o p o s e db a s e do nl a p p i n gt r a c k sw h i c hc a ni m p r o v et h et t v a n d f l a t n e s so fs a p p h i r es u b s t r a t ed u r i n gl a p p i n g g r i n d i n gc a nr e a l i z el o wc o s t ，h i g h e f f i c i e n c ya n da u t o m a t i cm a c h i n i n gb yt h eu s eo ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n dd o i n g e x p e r i m e n tv e r i f i c a t i o n t h es p ：c i f i cr e s e a r c h e sa r e a sf o l l o w 1 d o i n gr e s e a r c hw o r ko np l a n a r i z a t i o nm a c h i n i n gm e t h o da n dm e a s u r i n g p r i n c i p l eo ft h em a i ns u r f a c ep a r a m e t e r s ，a n ds t u d yt h ec o n d i t i o no fr e a l i z i n gd u c t i l e r e g i m em a c h i n i n go fs a p p h i r es u b s t r a t e s 2 m a t h e m a t i c a lm o d e la n du gm o d e lo fs a p p h i r es u b s t r a t e si se s t a b l i s h e di n d o u b l es i d el a p p i n ga n dt h et r a c k sa n dv e l o c i t yo fp o i n t so ns a p p h i r es u b s t r a t e si s s t u d i e d t h eb e s tt r a n s m i s s i o nr a t i ob e t w e e ni n n e rg e a ra n dp l a n e t a r yg e a rw h i c hh a s t h eb e s tt r a c ki so b t a i n e d l a t e re x p e r i m e n t sa r ed o n et oo p t i m i z el a p p i n gp a r a m e t e r s a n dv e r i r yt h ec o n c l u s i o no fs i m u l a t i o n t h er e s u l ts h o w s ，1 ) w h e nt h et r a n s m i s s i o n r a t i oo fi n n e rg e a ra n dp l a n e t a r yg e a ri s1t h et r a c k so np l a n e t a r yg e a ra r ec i r c l e sa n d t h e i rv e l o c i t i e sa r ec o n s t a n ti nu gs i m u l a t i o no fd o u b l es i d el a p p i n g t h i sc a l ln o t 照明用蓝宝石衬底基片平整加工技术研究 o n l yb eh e l p f u lt or e a l i z eu n i f o r mm a t e r i a lr e m o v a lb u ta l s oi m p r o v e st h es u r f a c e q u a l i t yo fs a p p h i r e 2 ) t h eo p t i m i z e dl a p p i n gp a r a m e t e r sa r ea sf o l l o w s ：l a p p i n g p r e s s u r e i so 15m p a ，t h es p e e do fl a p p i n gp l a t ei s 8 r m i n , l a p p i n gs l u r r y i s c o n s t i t u t e db yo i la n db o r o nc a r b i d ea n dt h em a s sf r a c t i o ni s9 w h i l et h ef l o wi s 3 0 m l m i n 3 ) s t u d yt h es u r f a c eq u a l i t yo fs a p p h i r es u b s t r a t e sm a c h i n e db yd o u b l es i d e l a p p i n gm a c h i n ew i t ht h et r a n s m i s s i o nr a t i oo f1 a n d0 8 ，t h e1 f r o fs a p p h i r ei s r e s p e c t i v e l y3 m i c r oa n d5m i c r ow h e n t h et r a n s m i s s i o nr a t i oi s1a n d0 8 t h i ss h o w s s u r f a c eq u a l i t yc a nb ei m p r o v e dw h e nt r a n s m i s s i o nr a t i oi so n e 3 t h ed e f o r m a t i o no fs a p p h i r es u b s t r a t e sd u r i n gg r i n d i n ga n dl a p p i n gi s a n a l y s e db yt h eu s eo fa n s y ss o f t w a r e b ya d d i n ga ne l a s t i cr o b b e rp a db e t w e e n s a p p h i r e s u b s t r a t ea n dw o r k a b l ei ng r i n d i n gt h es u r f a c eq u a l i t yi si m p r o v e d a c a d e m i ca n de x p e r i m e n t a ls t u d yi sc a r r i e do u tt ov e i l f yt h er e s u l t t h er e s u l ts h o w s ： 1 ) t h ed i f f e r e n c eo fd e f o r m a t i o ni ng r i n d i n ga n dl a p p i n go fs a p p h i r es u b s t r a t ei s a n a l y s e db yt h eu s eo fa n s y s s o f t w a r e t h ed e f o r m a t i o no fs a p p h i r es u b s t r a t ei n l a p p i n ga n dg r i n d i n gi s2 2 2m i c r o na n d10 6m i c r o nr e s p e c t i v e l y 2 ) t h ed e f o r m a t i o n ( 2 2 8m i c r o n ) i se q u a lt ol a p p i n gb yf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sb ya d d i n ga ne l a s t i cp a d b e t w e e ns a p p h i r es u b s t r a t ea n dw o r k t a b l ei ng r i n d i n ga n d 3 ) o r d i n a r yg r i n d i n gc a n t e f f e c t i v e l yr e m o v es u r f a c ew a v i n e s sw h i l ea d d i n ga ne l a s t i cr o b b e rp a db e t w e e n s a p p h i r es u b s t r a t ea n dw o r k t a b l ei ng r i n d i n gc a l lr e m o v es u r f a c e w a v i n e s se f f e c t i v e l y u n d e rt h es a m eg r i n d i n gc o n d i t i o na n dr e a c h e st h eq u a l i t yo fd o u b l es i d el a p p i n gb y d o i n ge x p e r i m e n t t h i sc a nr e a l i z eh i g he f f i c i e n t ，l o wc o s ta n da u t o m o t i v em a c h i n i n g k e yw o r d s ：s a p p h i r es u b s t r a t e ，d o u b l es i d el a p p i n g , t r a n s m i s s i o nr a t i o ，t 1 v ， g r i n d i n g , a n s y sm o d e l ，d e f o r m a t i o n ，e l a s t i cr o b b e rp a d i v 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第一章绪论 光电子产业是2 1 世纪的最重要产业之一。随着人们节约能源意识和环境保 护意识的提高，一种更为节约环保的照明方式逐渐被人们所认可并引发一场新的 产业革命照明革命【l 】，这就是l e d ( l i g h te m i t t i n gd i o d e ) 照明产业，由于 l e d 产品具有高寿命( 1 0 万小时，是普通白炽灯寿命的5 0 倍) 、耗电少( 功率 0 1 瓦左右，比传统灯具节能8 0 ) 、发热量低、抗震稳定性好( 发光二极管封装 在环氧树脂晕面，坚固耐用) 、高亮度( 亮度可达2 坎) 、节能环保等优点，因此 会逐渐取代传统的白炽灯和荧光灯照明，并广泛应用在汽车照明、室内装饰照明、 l e d 路灯、大功率l e d 显示器、手机及电脑的背光灯等照明场合。 1 1 1l e d 产品的发展及前景 i l e d 产品出现于2 0 世纪6 0 年代，由锗材料以及g a a s p 材料制成，只能发 红光，而且发光效率很低，发光效率小于1 l m w ( 流明瓦) ，而且价格非常高， 主要用作信号灯指示。8 0 年代和9 0 年代分别出现了a i g a a s 基和a i i n g a p 基l e d ， 发光效率也达到1 0 1 m w ，9 0 年代以后得以发展迅速，所以价格降低也很快，而 且能发出各种颜色的光。具有高亮度、高发光效率的特点，发光效率能够达到 7 0 1 m w 。目前的l e d 发光效率可以达到1 0 0l m w ，例如美国a g i l i e n t 实验室成 功研发出发光效率为1 0 0 m l w 的有色l e d 和发光效率为4 0 - 5 0 1 m w 的白光l e d 2 1 。 全球照明效率提高1 ，每年可以节约能源费用为2 0 亿美元l3 1 ，所以。l e d 照 明的普及对于节约能源以及环境保护的意义重大。l e d 产业是当今发展最快的 产业之一，有着广阔的应用前景。美国咨询公司s t r a t e g i e su n l i m i t e d 预计l e d 产业市场在2 0 1 2 年将达到11 0 亿美元；2 0 0 7 年l e d 市场达到4 6 亿美元，增 长了9 5 ；2 0 0 8 年实现了1 2 的增长。市场调查公司i s u p p l i 最新的研究报告说 明在2 0 0 6 2 0 1 2 年间l e d 产业的复合增长率将达到1 4 6 。2 0 1 2 年l e d 主要 应用在指示灯与显示器( 液晶显示器以及电视机的背光源) ，所占比例可以达到 4 4 。随着技术的不断发展，l e d 产品质量不断提高，在亮度、发光效率方面不 断提升，因此在照明以及大功率显示器等场合有着越来越广泛的应用。 照明用蓝宝石衬底基片平整k _ y - 技术研究 l e d 产业前景十分广阔，是2 l 世纪的尖端科技。欧盟提出绿色照明革命计 划和彩虹计划，这两个计划被多国所认可并极大的推动了白光l e d 照明技术的 发展与普及，并为能源的节约和环境的保护做出较大贡献。美国丌展半导体通用 照明技术( s s l l e d ) 发展规划以及下一代照明计划( n g l i ) ，普及固体l e d 照明技术，能够减少2 5 8 亿吨碳污染物的排放及1 3 3 座发电站的建设，节约政 府开支1 1 5 0 亿美元【4 1 。同本正在开展“照亮同本”工程，投资5 0 亿日元以l e d 灯具替换掉公共场所5 0 的传统灯具，每年可以节省6 0 亿升石油，等同于5 座 1 3 5 x 1 0 6 千瓦的核电站年发电量，不仅节省了石油成本而且降低了核辐射的安全 隐患【5 l o 1 1 2l e d 产品的结构 太阳光是真一意义上的白光，由多种颜色( 红橙黄绿蓝靛紫等) 复合而成， 而照明用灯具发光一般是假的白光，由于人的眼睛对光敏感性的原因，当蓝光照 射黄色荧光粉而产生的光，眼睛就会认为是白光。还有一种方法就是红蓝绿三种 光的复合产生白光，当然其成本要比蓝光和黄光复合要高很多。所以在照明行业 中，蓝光l e d 产品应用最为广泛，而氮化镓基蓝光l e d t 6 】是最主要的蓝光l e d ， 这种l e d 需要通过金属有机化合物气相沉积( m e t a lo r g a n i cc h e m i c a lv a p o r d e p o s i t i o n ，m o c v d 7 1 ) 的方法在衬底基片上生长氮化镓薄膜，氮化镓基l e d 的结构如图l 所示，其中最下层是蓝宝石衬底基片，向上是氮化镓中问层也是发 光层，第三层是反光层，通电后对发光层施加电压产生原子跃迁而发光，产生的 部分光直接穿过衬底基片，另一部分光经过第三层反射而形成反射光穿过蓝宝石 衬底基片，两部分光叠加最终形成l e d 的发光。 g a n 誊宝石le d 2 图i 1蓝宝石l e d ( 蓝光l e d ) 结构 f i g u r e1 1 s t r u c t u r eo f s a p p h i r el e d ( b l u el i g h tl e d ) 江苏大学硕士学位论文 1 1 3l e d 产品制造流程 l e d 产品的大致工艺流程如图1 2 所示，可以分为上游、下游工艺流程，上 游是衬底材料的制备流程，而下游工艺( 图中的后半制程) 则是l e d 产品的芯 片工艺流程。在整个工艺流程中，上游的衬底制备工艺为芯片工艺提供所需的衬 底基片，衬底基片质量的高低直接影响着l e d 产品的发光性能，差的衬底将会 使得l e d 产品的质量低劣严重时无法制造出发光二极管i 引。l e d 产品的广泛应 用决定了衬底材料大量使用的必然。虽然目前的衬底加工技术能满足当代芯片工 艺的要求但由于电子产品更新很快，l e d 产品也不例外，现有加工技术很快将 不能满足下一代产品的质量要求，因此很有必要对现有的衬底基片加工技术进行 研发。 图i 2l e d 产品制作工艺流程 f i g u r e1 2 m a n u f a c t u r i n gf l o wo fl e dp r o d u c t s 本文所研究的内容是l e d 制作上游工艺流程中蓝宝石衬底基片的平整加工 技术，主要的工艺有磨削、研磨、抛光。 1 2 照明常用衬底基片介绍 目前照i p 】最常用衬底基片主要有蓝宝石衬底基片【9 1 、碳化硅衬底基片【1 0 】。为 了保证氮化镓薄膜与衬底材料两者之间有良好的晶格匹配和热应力条件下匹配， 最理想的村底材料是氮化镓。但是制备g a n 单晶体非常困难，到目f i i 为止还没 有有效的办法生长氮化镓单晶。硅材料由于硬度较低，在加工过程会产生变形， 直接影响到j 翘曲度等表面质量参数，而且存在较大的品格失配和热失配、对光 的吸收严重导致发光效率低、工作温度低，难以实现商业化；蓝宝石由于其与 照明用蓝宝石衬底基片平整加工技术研究 g a n 晶格能相匹配且单晶蓝宝石基片在可见光范围内其透光性较好，加工技术 也比较成熟，因此是一种较好的衬底材料。但是蓝宝石的导热性不是很好，会造 成少量的散热问题，使得其不能应用于大功率场合；而碳化硅具有更好的导热性 和晶格匹配度，化学性质更加稳定，但是由于其高硬度的物理性质，给加工带来 一定的困难，晶体的生长技术也不够成熟，使得其成本相对于蓝宝石高很多，在 照明衬底基片中只占1 0 左右。因此照明行业中普遍采用蓝宝石作为l e d 的衬 底材料。 1 2 1 蓝宝石衬底基片 蓝宝石( a - a t 2 0 3 ) 是一种六方晶格结构形态的氧化铝，晶格常数a = 4 7 5 8 埃米，c = 1 2 9 9 2 埃米，晶体主要的晶面有c 面( 0 0 0 1 ) 、a 面( 11 2 0 ) 、m 面( 1 0 1 0 ) 、 r 面( 1 1 0 2 、0 1 1 2 、1 0 1 2 ) 、1 1 面( 2 1 1 3 ) 等，其中应用最广的是c 面，蓝宝石晶 体的主要晶面如图1 3 所示。 w 4i 叫 表1 1蓝宝石晶体的物理性能 t a b l e l i p h y s i c a lp r o p e r t i e so fs a p p h i r ec r y s t a l 江苏大学硕士学位论文 蓝宝石对于多种光线的透过率高，尤其是红外线，因此常用做激光器、红外 窗口材料，在照明领域广泛的用作衬底材料，是制造蓝光、紫光、白光l e d 的 重要衬底材料；耐磨性好，硬度高( 莫氏硬度9 ) ，仅次于金刚石( 莫氏硬度1 0 ) ， 也是一种磨粒材料，一般称为刚玉；熔点很高( 2 0 3 0 ) ，因此高温下具有很好 的稳定性。蓝宝石晶体的特点决定了它在军用、民用设备以及科学研究中的广泛 应用前景，也因此成为种相对保密的技术。 由于蓝宝石衬底基片的化学成分是氧化铝，因此其化学性质具有两性，在一 定的温度条件下既能与酸反应又能和碱反应。 与酸的反应： 彳厶0 3 + 吼o ；2 a i o ( o h ) ( 1 1 ) 彳之q + 6 h + ；= 兰2 爿，3 + + 3 日2 0 ( 1 2 ) a i o ( o h ) + 3 h + ；彳，3 + + 2 域o ( 1 3 ) 与碱的主要反应有： 彳f 2 d 3 + 3 h 2 0 = 2 a t ( o h ) 3 ( 1 4 ) a i ( o h ) 3 + o h 一；曼2 彳，g + 2 2 0 ( 1 5 ) 彳f 2 q + 2 s i o , + 2 h 2 0 a 1 2 避d 7 2 h 2 0 ( 1 6 ) 蓝宝石的化学性质相对碳化硅来说要活泼很多，这就使得蓝宝石衬底基片的 化学机械抛光( c m p ，c h e m i c a lm e c h a n i c a lp o l i s h i n g ) 成为可能。蓝宝石晶体用 作衬底材料也存在着一定的缺点，但很多缺点已经成功解决，如与氮化镓存在较 大品格失配通过生长中问过渡层解决，机械加工性能差通过激光划片解决，但是 唯一没有解决的问题是蓝宝石导热性差，使得其难以应用在大功率l e d 场合。 1 2 2 碳化硅衬底基片 碳化碓晶体结构仃六方品格或者菱形结构的a s i c 和立方体的p - s i c ( 立方碳 化硅) ，其结晶形式有3 c 、4 h 、6 h 、1 5 r ，c 代表立方形结构，h 代表六方形结 构，r 代表菱形结构，其品格常数在3 4 埃米之间。其杨氏弹性模量在 2 7 0 g p a 3 1 0 g p a 之间，熔点3 l o o 。 碳化砒具有密度小、硬度高( 莫氏硬度9 2 ) 、化学性质稳定、热传导率高 ( 4 9 0 w ( m k ) ) 、热膨胀系数低( 3 8 x1 0 6 k 。1 ) 、禁带宽度大，击穿场强高、抗 照明用蓝宝石衬底基片平整加工技术研究 辐射性能好、机械性能好等优点【1 2 j4 1 ，广泛应用于高温高辐射的场合，尤其是航 空航天设备以及核能领域的微电子设备【l5 1 。在照明领域，碳化硅和氮化镓是继 第一代、第二代半导体材料硅、砷化镓之后的第三代半导体材料，碳化硅具有比 蓝宝石更好的导热性，这使得它能在高温环境( 6 5 0 ) 中仍然可以正常工作， 这是硅材料所不能相比的( 硅衬底工作上限温度1 5 0 ) ，而且碳化硅和氮化镓 的晶格失配程度( 3 ) 要比蓝宝石和氮化镓的晶格失配程度( 1 6 1 ) 低。目前 适用于l e d 衬底的碳化硅是6 h 型结构的，因为6 h 型碳化硅和氮化镓的晶格匹 配度非常接近，正在研发的衬底基片也有4 h 结构的，并努力实现其高品质化。 虽然碳化硅的应用前景十分诱人，但是也存在着一定的不足：首先价格昂贵， 是蓝宝石材料的三倍以上；其次，机械加工性能差，由于碳化硅化学性质稳定， 常温下几乎不和任何物质发生化学反应，而且硬度高，这给加工带来了较大的困 难，在抛光工艺中难以实现化学机械抛光，所以碳化硅衬底的加工质量难以达到 蓝宝石衬底基片的加工质量；第三，碳化硅吸收波长小于3 8 0 n m 的紫外光，因 此不适合用来制造波长小于3 8 0 n m 的紫光l e d 。 具体选择使用哪种衬底应该根据工作环境的要求以及散热性、衬底材料制备 的难以程度和价格、衬底材料与外延膜的结构匹配以及热应力匹配等要求进行选 择，三种衬底材料性能的比较如表1 2 所示。 表1 2 三种衬底材料性能的比较 t a b l ei 2 p r o p e r t yc o n t r a s to ft h r e es u b s t r a t e s 1 3 研究现状 1 3 1国外研究现状 国外最早使用二氧化硅溶胶对蓝宝石进行抛光的是在1 9 7 8 年u t s t h e f l 6 l 并推 导出二氧化硅溶胶和蓝宝石衬底表面发生化学反应所需的活化能量与反应速率， 获得了材料去除率和温度的关系。机械化学抛光也是1 9 7 8 年被安勇畅男1 刀提出， 6 江苏大学硕士学位论文 并在试验中利用不锈钢环对蓝宝石衬底进行抛光，将表面硬的蓝宝石材料通过化 学反应生成质软的生成物，然后由机械作用去除生成物，而且这种机械化学抛光 不再会产生亚表面损伤层。1 9 8 6 年p r o c h n o w 和e d w a r d s 1 8 】等人研究发现蓝宝石 的使用沥青抛光盘和二氧化硅溶胶抛光，可以获得粗糙度为0 2 r i m 0 3 r i m 的表面。 1 9 9 2 年日本宫下政和【拽2 0 l 采用金刚石砂轮，控制切削深度和进给量，以塑性域 磨削的方式对蓝宝石基板进行加工，获得了光学镜面，而且利用磨削方式降低了 加工成本的同时也提高了加工效率。l a m b r o p o u l o s 和s m i t h 2 l 】研究磨削过程的c ( 0 0 0 1 ) 面、a ( 1 1 2 0 ) 面、m ( 1 0 1 0 ) 面的各向异性并且建立了模型来解释磨 削过程引入的应力。x i a o b i nl e l 2 2 】等人发现研磨过程中材料去除率是不断变化的， 并且随研磨时间的增加，金刚石磨料逐渐破碎使得材料去除率不断减小。h o n g l i n z h u l 2 3 】等人研究抛光过程中蓝宝石衬底的各向异性，使用刚玉、金刚石磨粒对c 、 a 、m 面进行抛光，并研究刚玉高效高精度抛光蓝宝石的机理。日本的y n a m b a 等人1 2 4 】提出浮法抛光工艺，将锡抛光盘、衬底浸入道抛光液中，抛光盘、衬底 高速旋转使得二者之间的抛光液薄膜呈动压液体状态，抛光液中磨粒高速冲击表 面实现材料去除，可以获得表面粗糙度为0 1l n m 的表面。2 0 0 3 年王彦松【2 5 】对蓝 宝石衬底基片进行机械化学抛光，使用干、湿式二氧化硅对蓝宝石表面进行平整 加工，发现使用干式抛光效果较好。美国的h y o u n g j o o np a r k 2 6 等人研究采用在 磨削后的蓝宝石表面镀铝工艺，使用廉价的a g o g 工艺，通过氧化退火高温退 火等工艺替代化学机械抛光方法，取得了较理想的结果，其表面质量达到 0 3 8 6 n m 。国外一些新的研究方向包括固结磨粒化学机械抛光( f i x e da b r a s i v e c m p ，f a c m p ) 1 2 7 】、无磨料化学机械抛光( a b r a s i v ef r e ec m p ，a f - c m p ) 2 s 】、 摩擦化学抛光( t c p ) 2 9 】。 1 3 2 国内研究现状 国内很多专家。者对蓝宝石衬底的研磨、抛光工艺进行了较多的研究，大连 理工大学程国良、 三军等人【3 0 3 1 】通过使用自制的氧化镁、氧化铁的软磨盘进行 实验比较，得出在州同的实验条件下，使用氧化镁研磨盘加工后的蓝宝石基片表 面质量明显由于氧化铁，虽然切削速度不如金刚石，但是获得的表面质量 ( 1 3 8 7 n m ) 要比使i f 】盒刚石研磨盘获得的表面质量( 5 0 2 1 n m ) 要高。浙江工业 大学文东辉等人【3 2 _ 3 4 1 等人通过实验得出使用铸铁研磨盘磨削蓝宝石获得的表面 7 照明用蓝宝石衬底基片平整加工技术研究 均匀性和平面度均优于铜和合成锡的研磨盘，研究不同粒度的碳化硼磨粒对表面 质量的影响，使用w 3 5 碳化硼实现了塑性域加工，获得较高的表面质量。 中科院汪海波【3 5 】等人研究化学机械抛光过程中p h 值对抛光过程的影响，在 与抛光压力和相对转速相关的h e r s e y 系数为2 4 时，抛光速率和平整度达到最佳。 赵之雯【3 6 】采用粒径8 0 n m 的碱性二氧化硅溶胶并使用自制f a ol 型活性剂在 3 0 5 0 c 的温度下可以得到比较完美的抛光效果。河北工业大学的牛新环、刘玉 岭【3 7 - 3 9 】等人通过研究抛光蓝宝石衬底基片，使用碱性二氧化硅溶胶在合适的加工 工艺条件下获得材料去除速率大于1 0 z m h ，并获得表面粗糙度为o 1 n m 的表面。 盐城工学院周海【删使用高刚性磨床对蓝宝石衬底加工，首先用w 7 的金刚石砂轮 以f - = - i p m r 进给量实现塑形域磨削，然后使用粒径为7n l y l 、浓度为3 的二氧化 硅溶胶在p h = il 、压力p = 2 0 0 p a 的实验条件下获得表面粗糙度为0 2 n m 的表面。 李树荣【4 1 】通过自行配置抛光液发现，抛光液去除率可以达到2 6 n m m i n 左右；表 面粗糙度r a 小于1 0 n m 。魏听【4 2 4 3 】等人研究抛光挚作用对材料去除和表面质量 的影响，通过合理的表面开槽与在线修整，能够提高材料去除率，并对与修整相 关的因素：磨粒大小、修整压力、温度、密度等进行研究。 在特种方法加工蓝宝石方面国内的研究比较少，目前有广东工业大学的黄加 福【4 4 】的紫外激光抛光蓝宝石表面，但是只适用于精抛光，必须和传统粗抛光相 结合爿能取得更好的结果。 1 4 课题来源 本课题的来源有：江苏省自然科学基金项目，项目编号b k 2 0 0 8 1 9 7 ；江苏 省高校科研成果产业化推进项目，项目编号j h i o x 0 4 8 ；江苏省“青蓝工程”项目。 1 5 研究的主要内容 第一章：绪论 主要介绍l e d 产品的基础知识，包括l e d 产品的发展、应用、优点以及制 作的：1 ：艺流程，然后介绍主要的固体照明用蓝宝石、碳化硅晶体的物理化学性质 以及优缺点，介绍国内外蓝宝石衬底基片精密加工的研究现状，最后是课题的来 源及本文所研究的内容。 8 江苏大学硕士学位论文 第二章：蓝宝石衬底基片平整加工技术与检测 介绍蓝宝石衬底基片加工工艺流程，主要的加工工艺切片、磨削、研磨、抛 光、清洗技术，研究塑性域加工技术的实现条件以及蓝宝石衬底加工的脆塑性转 变的临界切削深度。研究衬底基片主要表面质量参数：t 1 v 、弯曲度、翘曲度、 平整度的定义与检测原理。 第三章：双面研磨轨迹模拟与实验研究 将双面研磨模型转化为数学模型，通过数学理论推导双面研磨的轨迹方程、 速度方程、加速度方程，并采用u g 建模仿真，得到在不同传动比情况下的轨迹、 速度，通过对比得到传动比为l 时轨迹均匀，衬底上各点速度相等，可以实现均 匀去除，有利于提高表面质量。通过双面研磨实验，研究双面研磨过程中研磨时 间、研磨盘转速、研磨压力、研磨液等变量对研磨材料去除率、研磨后表面质量 的影响，对这些参数进行优化，并利用优化的工艺参数验证模拟的结论：传动比 为l 的双面研磨能提高表面质量参数。 第四章：磨削和研磨的有限元分析与实验研究 采用a n s y s 有限元分析磨削和研磨过程中表面波纹去除量不同的原因，分 析在压力作用下研磨和磨削变形量的不同，并根据约束条件对有限元分析结果进 行修正，说明磨削不能有效去除表面波纹的原因：磨削采用在衬底基片和工作台 之间增加弹性橡胶垫，减小由压力造成的衬底基片的变形，建立有限元模型研究 增加弹性橡胶垫磨削的变形量，说明增加弹性橡胶垫磨削有限元模型的变形量小 于磨削变形量，最后进行磨削、研磨、增加弹性橡胶垫磨削的实验研究，验证在 衬底基片和工作台之间增加弹性橡胶挚磨削对去除表面波纹的有效性。 第五章：总结与展望 总结本文所研究的内容，并展望蓝盖石衬底基片加工的发展趋势与方向，分 析以后的科研方向。 1 6 本章小结 本章主要介绍l e d 照【! j j 的主要优辨及其广阔的应用前景，并说蓝宝石明衬 底基片在制造l e d 产品中的应用和l e d 产品的制造流程，然后对照明用的主要 衬底材料蓝宝石、碳化硅衬底的物理化学性质进行介绍，之后是国内外对蓝宝石 衬底基片加工技术的研究现状，最后介绍本文的课题来源和研究的主要内容。 9 照明用蓝宝石衬底基片平整加工技术研究 第二章衬底基片平整加工与检测 衬底材料最初是在晶体生长炉中生长出来的，由于刚生长好的晶体是不规则 的圆柱体或者梨型晶锭，需要确定晶体的各个轴的方向( 如确定蓝宝石晶体的c 轴) 在进行滚磨外圆，确定主参考面，到此晶锭转化成晶棒。晶棒经过切割成为 衬底基片，但是此时的衬底基片表面很粗糙，不能达到生长g a n 薄膜的质量要 求，因此需要经过平整加工手段( 磨削、研磨、抛光) 提高表面质量。根据工艺 提高效率和表面质量的需要，磨削、研磨、抛光都可以分为粗加工和精加工。由 于每次工艺使用的切削液不同，为了防止切削液对下一工序造成影响，清洗是必 不可少的工艺，图2 1 为了简单表示主要工艺，仅在最后表达最终清洗工艺，但 实际n t 中切磨抛之后都要进行清洗以去除上道工序带来的表面污染物。加工完 _ 成需要对衬底材料进行检测，以验证加工精度是否达到技术要求。蓝宝石衬底基 片的加工工艺流程如图2 1 所示。 晶体生长 _ 一接受品锭卜_ 一晶体定向卜_ - 叫c 面磨削 图2 1 蓝宝石衬底基片加工工艺流程 f i g u r e2 1m a c h i n i n gf l o wo fs a p p h i r es u b s t r a t g s 2 1切片技术 切片工艺的目的是将晶棒切成衬底片，为后续平整加工提供所需基片，切片 技术包括内圆切片和线切割两种方式。 2 1 1内圆切片技术 内圆切片的刀具是一个环形的钢片，内圆的周围涂覆有会刚石微粉，外圆固 定到转动轴上并随之高速转动，一次只能切下一片，如图2 2 所示。刀片与晶锭 之间可以实现微量进给，一直到切削完一片衬底基片。但是内圆切割是一种比较 l o 江苏大学硕士学位论文 落后的切片方法，只能进行单片切割，效率低下，应用范围局限于小批量生产， 而且加工过程中刀片厚度导致的材料损失不可避免，刀片受力易发生变形，导致 衬底基片的加工精度不高，刀具由于磨损快而需要及时更换，因此增加了衬底基 片的制造成本。 匕 品幢、 品悔 1 目2 2内圆切片原理图1 4 5 4 6 1 f i g u r e2 2 p r i n c i p a lo f i n n e rc i r c l