藍寶石切割工藝研究

陳煜，丁彭剛，付純鶴

（中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176）

藍寶石切割工藝研究

陳煜，丁彭剛，付純鶴

（中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176）

介紹了藍寶石晶體特性及主要應用，總結出了藍寶石切割的技術要求。并在自主研發設備的基礎上，進行了工藝切割試驗，取得了良好的切割效果。

藍寶石特性；多線切割；圓弧進給

藍寶石晶體是一種具有集優良光學性能、物理性能和化學性能于一體的獨特結晶體。作為最硬的氧化物晶體，藍寶石由于其光學和物理特性被運用于各種要求嚴苛的領域。藍寶石可以在高溫下保持其高強度、優良的熱屬性和透過率。它有著很好的熱透性，極好的電氣特性和介電特性，并且防化學腐蝕。隨著科學技術的迅猛發展，藍寶石晶體已經成為現代工業，尤其是微電子及光電子產業極為重要的基礎材料。由于藍寶石屬于硬脆材料，其莫氏硬度達到8.5，僅次于金剛石，碳化硅等，具備內部晶格結構同向性，分子間的結合力大，因此造成其切割困難。傳統的內外圓切割方式無法實現對其有效的切割。隨著金剛線切割技術的出現，高速的金剛線切割設備的研制和應用逐漸擴大，本文結合自主研發的擺動式高速多線切割機，對藍寶石的切割工藝進行了摸索研究。

1　多線切割工藝

本次切割工藝試驗采用自主研發的高速多線切割機進行切割，如圖1所示，通過伺服電機控制的放線輪拉出的金剛石線繞過幾個導向輪后經過張力控制器，在切割室內連續纏繞在軸滾上，形成一個在水平面上的平線網。金剛石線繞過線網后再通過導向輪和張力臂回到收線輪上，再通過高速往返的金剛石線達到切割的效果。但是由于藍寶石屬于超硬材料，如果單純依靠金剛石線的往復磨削，容易產生很大的線弓，切割線與被切料接觸面積很大，不僅使切割能力大大下降，而且容易夾線、斷線。如圖2所示，我們把兩個主軸固定在可以擺動的圓盤上，通過圓盤的擺動來帶動主軸乃至整個切割線網擺動，而被切割材料則處在線網上方，并按照垂直于線網平面的方向向下進給，從而實現對材料的切割。由于線網的擺動，切割線與被切材料之間的切割接觸區域變小，同樣的張力下，對接觸點的接觸力更大，因此其切割力也就越大，實現快速切割。同時，由于線網的擺動，切割線會反復通過已切割完畢的切割面，進一步提高切割表面的質量。

圖1　藍寶石走線示意圖

圖2　藍寶石切割擺動機構示意圖

2　藍寶石材料切割

切割材料選用155 mm×80 mm×40 mm的藍寶石，切割片厚為500 μm，為了增加切割能力和效率，本次實驗選用直徑為0.25 mm的金剛石線，金剛石線的直徑偏差為±0.005 mm，并考慮到金剛石線在槽中高速運轉時，會產生輕微跳動，綜合所有因素，軸滾槽距為0.765 mm。藍寶石屬于超硬材料，線速度太低，會造成線切不動現象，實驗中切割線速度設為900 m/min。為了實現點切割，增大壓強，實驗充分應用了自主研發的擺動式線切機的線擺超強優勢，主軸會一直擺動，擺動角度可達到正負7°，擺動頻率可達到每分鐘往復20次，大大增加了線和藍寶石接觸時切割壓強和切割能力。藍寶石在生長時是有晶向的，必須順著晶向切割，才能最大限度減小翹曲和表面粗糙度。在粘接之前，必須通過晶向檢測晶向的方向。切割的進給速度，實驗人員通過查閱資料和聯系廠家，初步認定了入刀速度和出刀速度較低，為0.2 mm/min，在切到料中間時，速度設為0.25 mm/min，經過計算，切割時間為12 h為了增加切削效果，在冷卻水中，添加了切割潤滑液，減少切割阻力，如3、圖4所示，為藍寶石切割過程圖片。

圖3　切割過程示意圖

圖4　切割過程示意圖

圖5　晶片測量點分布圖

圖5為切割下來的藍寶石晶片。當藍寶石片切割成功后，須將表面擦拭干凈，接下來用無紡紗布蘸酒精擦拭，確保其表面沒有切割留下來的細渣。在徹底擦拭干凈之后，用目視初步觀察晶片表面紋路是否比較均勻，用手指感觸表面紋理的凹凸程度，可以大概得出片子的切割質量。更為專業便捷的操作是，拿起兩片相鄰的片子，背對背貼合在一起，迎著光的方向，看是否有光透過。如果貼合程度不是很高，有光透過，說明片子有翹曲或者表面質量稍差。

在本次實驗中，我們采用專用的測量儀進行測量。如圖5所示，我們順著切割上下方向，在片子兩段，各均勻取4個點，在片子中心取1個點，共9組測量數據。

3　切割片測量

在本次切割中，共切成13片，其測量數據見表1。從表1中可以看出最兩端的晶片，由于上道工序或者長晶不好，片子質量本身尺寸會不均勻，所以不計入以后的數據整合中。

在表1的數據中，我們取中間11片的測量值計入數據庫，中間幾片表面質量和翹曲明顯較好，片厚差＞10 μm，且TTV*和BOW*值明顯要好。靠近兩端的片厚差在15 μm以內，且TTV和BOW值稍差，說明切割線兩端的張力有變化，且線在軸滾槽中，有輕微顫動現象。

去除頭尾片，統計片數共11片。全部晶片的表面參數指標百分比分布情況如表2所示。通過專用數據分析軟件生成三維效果圖，如圖6所示。

表2　指標百分比分布

圖6　指標圖形化示意圖

4　結論

通過自主研制的藍寶石金剛石線多線切割設備，使用該設備針對藍寶石材料的切片試驗，取得了良好的效果。在進行多次切割并不斷完善切割工藝的基礎上，目前已實現藍寶石晶片的高質量可靠切割，其切割的晶片表面指標為：TTV*＜15 μm、BOW*＜15 μm、Warp*＜20 μm，達到了業內對藍寶石晶片的技術指標要求。

*TTV：切片總厚度偏差、BOW：切片彎曲度、Warp：切片翹曲度。

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［4］KrayD，Baumann S，Mayer Ketal.Wafering research Franhofer ISE［R］.15th workshop on crystalline siliconsolar cells and modules:mate2rials and processes，2004，211-214.

Cutting Technical Research of Sapphire

CHEN Yu，DING Penggang，FU Chunhe

（The 45thResearch Institute of CETC，Beijing 100176，China）

In this article，based on the analysis about sapphire，we do some research on cuttingoftechnical of sapphire.Using the Mult_Wire Dicing Saw Machine designed by ourselves，we do experiences about sapphire cutting.

Sapphire；Mult_Wire Dicing Saw Machine；Circle Cutting

TN305

B

1004-4507（2016）10-0038-04

2016-08-22