藍寶石切割機裝置設計（包含CAD圖紙源文件）,藍寶石,切割機,裝置,設計,包含,包括,包孕,蘊含,cad,圖紙,源文件 畢業(yè)設計（論文） 文 獻 綜 述 藍寶石切割機 1 前言 藍寶石，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)用藍寶石是軍用車輛用作透明裝甲的材料，除鉆石以外，藍寶石的硬度強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，被廣泛應用到各個領域。隨著藍寶石的應用越來越頻繁，對其切割方法與設計的要求也越來越高。以方法分類，切割藍寶石的寶石切割機大致分為兩種：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。 藍寶石切割機的優(yōu)點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寶石切割機的發(fā)展歷史、研究現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢。 2 國內外研究現(xiàn)狀 2.1國外研究現(xiàn)狀 80年代初期，國際商業(yè)機器公司(IBM)首先提出的化學機械拋光引入集成電路進行平坦化的制程工作。主要是通過適當?shù)闹瞥虆?shù)設計，利用一個拋光平臺，配合適當?shù)幕瘜W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)拋光藍寶石，發(fā)現(xiàn)藍寶石界面與不銹鋼形成了結構松軟的固相化學反應層，藍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，并提出了機械化學拋光的概念。Namba和Tsuwa等人在進行藍寶石超拋光的實驗中，利用二氧化硅水溶液搭配上錫盤當研磨盤，首次觀察到藍寶石的殘余表面粗糙度為1nm，對于使用SiO2當磨粒而言，因為其硬度比藍寶石的要低，理論上并不具有去除藍寶石表面的能力，但是實驗結果卻說明SiO2拋光液具有去除藍寶石表面材料的能力，利用此套儀器設備對藍寶石進行拋光可獲得比較好的表面粗糙度并認為在超拋光中，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，他們認為是由于單純的化學反應SiO2才能移除藍寶石表面的原子，而來自拋光過程摩擦產(chǎn)生的熱是化學反應能夠進行的驅動力，并提出化學反應式為： 反應后生成物為高嶺土，并可利用拋光液的流動特性將高嶺土移除。 Prochnow和Edwards等人使用直接接觸法搭配上瀝青拋光盤對藍寶石進行超拋光，拋光結果均方根粗糙度值可達到0.2~0.3nm。 B.Hader和o.weis依據(jù)Prochnow和Edwards等人證實的直接接觸的想法的基礎上，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體及光電子技術公司紛紛投入了大量的資金去研究藍寶石拋光，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英寸的單晶藍寶石，并且正在研發(fā)4英寸的技術。 2.2國內研究現(xiàn)狀 隨著第三代半導體材料的GaN的推出，藍寶石作為LED最重要的襯底材料之一，國內需求量處于日益增長。藍寶石切割技術作為襯底材料加工的重要工序之一，目前在國內存在很多不足。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80年代才正式開始對藍寶石進行研究開發(fā)，北京市光電子技術實驗室李冰、郭霞等人研究了利用碳化硼作為磨料對藍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藍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速和研磨壓力的關系，通過比較實驗最終表面粗糙度可達到Ra60.25nm。浙江工業(yè)大學袁巨龍等人，研究討論了藍寶石化學機械拋光過程中的必備條件，并提出了相應的拋光機理。文章認為藍寶石加工過程中， 即使藍寶石與磨料在高速接觸過的界面接觸點的時間非常短，也能發(fā)生固相化學反應，生成10數(shù)量級厚度的化學反應層，且反應生成物與材料自身的結合力很低，在拋光過程中極易用磨粒的機械作用移除。河北工業(yè)大學王娟等人對藍寶石晶片化學機械拋光液進行了研制并對藍寶石襯底片進行了化學機械拋光加工，確定了適宜藍寶石化學機械拋光加工的條件：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)明了一種新的藍寶石加工方法，叫固相反應濕式CMP加工方法。該加工方法選取比藍寶石硬度低的氧化物微粉作為磨料；在拋光中，氧化物磨料與藍寶石接觸，在接觸點發(fā)生固相化學反應，生成結晶層；磨料通過機械接觸把結晶層去除。通過實驗結果表明用該拋光加工方法獲得的藍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。 從上面國內外對藍寶石的幾種加工方法可以看出，對藍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到使用的要求，但同時晶體表面也存在一定的缺陷，影響晶體的應用，因此開展對藍寶石 CMP 加工的研究，探索藍寶石晶體的加工方法對其未來的應用也很重要。 單晶藍寶石具有良好的物理、化學和光學特性，在微電子、工業(yè)、國防、科研以及 GaN 晶片 LED 襯底領域得到越來越廣泛的作用。隨著科學技術的不斷發(fā)展，對于藍寶石晶片的加工精度以及表面質量要求越來越高，因此藍寶石的高效低損加工工藝成為阻礙藍寶石工業(yè)發(fā)展的主要障礙。[1] 3.發(fā)展趨勢 傳統(tǒng)上一般晶棒/ 錠切成片狀的方式是內圓切割，這種切割機的刀片刃口厚度在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體材料的出現(xiàn)，內圓切割加工受到其本身結構的限制使得切片切割過程逐漸困難，所以內圓鋸片切割的加工方式在第三代半導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90 年代發(fā)展起來的線切割技術的成熟應用，成功地滿足了大片徑、低損耗和相對較高表面質量的晶片切割需要。線切割晶圓技術剛開始是運用游離磨粒的方式，也就是利用線帶動游離磨粒（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工件進行磨切割。但是游離磨粒的缺點在于，因為磨粒和工件實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間；而另外一個缺點在于，如須加工更硬、更難以切割的工件（如藍寶石、碳化硅），則游離磨粒的方式將難以對工件的表面達到預期的切割。為了改善上面的缺點，切割碳化硅、藍寶石等硬度大的材料，固定金剛石磨料線切割技術應運而生，這種加工技術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動速度和一定的壓力對硅材料進行磨削加工, 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。金剛石單線切割機以其獨特的優(yōu)勢成為第三代半導體硬脆材料和大直徑材料切割中不可或缺的一部分。[7] 4. 進展情況 針對藍寶石表面情況先用夾具準確夾住藍寶石工件，然后利用金剛石帶鋸進行切割，利用PLC控制三相異步電機或液壓系統(tǒng)完成走刀路徑，完成后利用切削液沖洗工件表面并對切削液進行回收，進入沉淀池使切削液中的寶石粉末沉淀進行回收利用并使切削液能重復沖洗寶石工件表面。 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別較大較深的凹坑。 鋸切過程中鋸絲為往復式運轉, 當鋸絲要換向運轉時, 此時線速為零, 而工件依然在進給, 鋸絲彈性變形增大, 使此時的鋸切力變大, 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動時, 在加工表面會產(chǎn)生溝槽和劃痕; 再就是鋸絲隨機的振動, 會導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別出露高度低磨粒進行塑性域切削的結果。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展交叉的結果, 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, 對材料表面和亞表面質量的損害更為嚴重。 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，帶鋸沿進給方向從點A切人，當切到AC的中間位置點B時就有產(chǎn)生夾鋸的趨勢，此時從點A看，切口將逐漸變小，若想繼續(xù)切割可在外沿點A處塞進一個鐵楔(需用力敲打進去)，當切到點C處附近時，鐵楔所受夾緊力最大，取下相當困難，而鋸條往往在該位置被夾住，既無法前進，也難以后退，若遇到這種現(xiàn)象處理起來相當麻煩，既費時又費力，鋸條還可能斷裂。[13] 圖2帶鋸切割過程示意圖 參考文獻 [1] 吳??；藍寶石CMP加工機理與工藝技術的研究[D].浙江工業(yè)大學.浙江。2012 [2] 張彬；藍寶石精密切割裝置控制系統(tǒng)設計[D]. 黑龍江大學. 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].南昌大學學報(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控制的石材切割機的液壓系統(tǒng)[J].液壓與氣動.2012.4 [6] 李艷麗;趙東杰.關于金剛石環(huán)形帶鋸在硅晶圓棒切割中的技術要求及應用問題的探討[J].2012 [7] 呂文利;王理正;劉嘉賓.藍寶石多線切割設備及切割技術[J].國電子科技集團公司第四十八研究所.2013.7 [8] 呂智;鄭超.固結金剛石線鋸技術[J].桂林礦產(chǎn)地質研究院.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行程放大的鉸桿增力自鎖夾緊裝置[J].蘇州大學;機電工程學院2008.6 [10] 胡金成;陳霽恒;陳淳輝;孫從科.金屬切削液的環(huán)境行為分析與評價[J].軍蚌埠士官學校船體教研室.2008.12 [11] 郭瑞潔.熱能驅動夾具技術的研究與創(chuàng)新設計[D].蘇州大學.2010.5 [12] 湯睿.數(shù)控多線研磨切片系統(tǒng)控制機理研究及應用[D].湖南大學.2011.5 [13] 朱榮錢;朱永升;于艾華;王振利.脹緊機構在帶鋸切割中的應用[J].河北理工大學智能儀器廠.唐山.2009.8 [14] X.Z. 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