蓝宝石衬底双面研磨表面裂纹深度检测

彭福鑫; 胡中伟; 陈瑜; 谢斌晖; 周志豪

doi:10.37188/OPE.20233114.2060

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

蓝宝石衬底双面研磨表面裂纹深度检测

微纳技术与精密机械 | 更新时间：2023-08-26

- 蓝宝石衬底双面研磨表面裂纹深度检测
- Surface crack depth detection of sapphire substrate two-sided lapping
- 光学精密工程 2023年31卷第14期页码：2060-2070
- 作者机构：
  
  1.华侨大学制造工程研究院，福建厦门 361021
  2.福建晶安光电有限公司，福建泉州 362411
- 作者简介：
  
  [ "彭福鑫（1999-），男，福建龙岩人，硕士研究生，2021年于福建农林大学获得学士学位，主要从事高效精密加工的研究。E-mail：1271040376@qq.com" ]
  [ "胡中伟（1979-），男，湖北咸宁人，副教授、硕士研究生导师，2011年于湖南大学获得博士学位，主要从事高效精密加工的研究。E-mail：huzhongwei@hqu.edu.cn" ]
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金资助项目(52175404);福建省区域发展项目资助(2019H4014)
- DOI：10.37188/OPE.20233114.2060
  中图分类号： TH16
- 收稿日期：2022-12-09，
  
  修回日期：2023-01-25，
  
  纸质出版日期：2023-07-25
- 稿件说明：
移动端阅览
彭福鑫,胡中伟,陈瑜等.蓝宝石衬底双面研磨表面裂纹深度检测[J].光学精密工程,2023,31(14):2060-2070.

PENG Fuxin,HU Zhongwei,CHEN Yu,et al.Surface crack depth detection of sapphire substrate two-sided lapping[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(14):2060-2070.
彭福鑫,胡中伟,陈瑜等.蓝宝石衬底双面研磨表面裂纹深度检测[J].光学精密工程,2023,31(14):2060-2070. DOI： 10.37188/OPE.20233114.2060.

PENG Fuxin,HU Zhongwei,CHEN Yu,et al.Surface crack depth detection of sapphire substrate two-sided lapping[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(14):2060-2070. DOI： 10.37188/OPE.20233114.2060.

摘要

双面研磨作为蓝宝石衬底制备的一道重要工序，研磨表面裂纹深度将严重影响后续抛光的材料去除量，因此对研磨衬底表面裂纹特征研究及深度测量具有重要意义。本文采用截面显微观测法、聚焦离子束侧面观测法、差动蚀刻速率法、磁流变抛光法和逐层抛光法等方法观测双面研磨蓝宝石衬底表面裂纹特征和测量裂纹深度。采用截面显微观测法和聚焦离子束侧面观测法观测研磨后蓝宝石衬底亚表面裂纹形态主要有斜线状、横线状、钩状和树杈状。采用差动蚀刻速率法测得蓝宝石衬底研磨表面裂纹密集层厚度为9~10 μm，而采用磁流变抛光法测得研磨衬底局部亚表面裂纹深度为25~30 μm，采用逐层抛光法测得研磨衬底整体亚表面裂纹深度约为30~35 μm。此外，根据不同方法所检测的裂纹特征和裂纹深度，构建了蓝宝石衬底双面研磨表面裂纹模型，为后续抛光工艺的制定与优化提供依据。

Abstract

Two-sided lapping is an essential process in the fabrication of sapphire substrates， and it significantly affects the amount of material removed during subsequent polishing. Therefore， studying the characteristics and measuring the depths of surface cracks on lapped substrates are important processes. In this study， we investigate the surface crack characteristics and crack depths of two-sided lapped sapphire substrates using section apparent micrometry， focused ion beam side observations， a differential etching rate method， a magnetorheological polishing method， and a layer-by-layer polishing method. Consequently， we observe subsurface cracks on the sapphire substrate after grinding using the cross-sectional microscopic observation and focused ion beam side observation methods. These cracks mainly include oblique lines， horizontal lines， hooks， and dendritic patterns. The differential etching rate method reveals that the thickness of the crack dense layer on the grinding surface of the sapphire substrate measures 9-10 μm. Using the magnetorheological polishing method， we measure the depth of local subsurface cracks on the grinding substrate to be 25-30 μm. Furthermore， employing the layer-by-layer polishing method， we determine that the overall subsurface crack depth of the ground substrate is approximately 30-35 μm. Additionally， based on the crack characteristics and depths detected using different methods， we construct a surface crack model for the two-sided lapping of sapphire substrates. This model serves as a foundation for formulating and optimizing subsequent polishing processes.

关键词

Keywords

references

冯泽峰，王沛沛，杨旭，等 . LED光疗仪在皮肤中的穿透评估［J］. 光学精密工程， 2022 ， 30 （ 10 ）： 1139 - 1150 . doi: 10.37188/OPE.20223010.1139 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20223010.1139

FENG Z F ， WANG P P ， YANG X ， et al . Evaluation of light penetration of LED phototherapy apparatus in skin ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2022 ， 30 （ 10 ）： 1139 - 1150 . （in Chinese） . doi: 10.37188/OPE.20223010.1139 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20223010.1139

刘创业 . LED发光二极管的应用现状及未来发展前景展望［J］. 电子元器件与信息技术， 2022 ， 6 （ 1 ）： 116 - 117 .

LIU C Y . Application status and future development prospect of LED ［J］. Electronic Component and Information Technology ， 2022 ， 6 （ 1 ）： 116 - 117 . （in Chinese）

李海涛，张若尘，李玮 . LED光源在汽车前照灯中的应用［J］. 光源与照明， 2020 （ 8 ）： 15 - 16 .

LI H T ， ZHANG R C ， LI W . Application of LED light source in automobile headlamp ［J］. Lamps and Lighting ， 2020 （ 8 ）： 15 - 16 . （in Chinese）

金鹏，喻春雨，周奇峰，等 . LED在道路照明中的光效优势［J］. 光学精密工程， 2011 ， 19 （ 1 ）： 51 - 55 . doi: 10.3788/ope.20111901.0051 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20111901.0051

JIN P ， YU C Y ， ZHOU Q F ， et al . Superior application of LED to street lighting ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2011 ， 19 （ 1 ）： 51 - 55 . （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20111901.0051 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20111901.0051

KATYBA GM ， ZAYTSEV KI ， DOLGANOVA IN ， et al . Sapphire waveguides and fibers for terahertz applications ［J］. Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials ， 2021 ， 67 （ 3 ）： 100523 . doi: 10.1016/j.pcrysgrow.2021.100523 http://dx.doi.org/10.1016/j.pcrysgrow.2021.100523

HUANG H ， WANG S ， XU X . Effect of wire vibration on the materials loss in sapphire slicing with the fixed diamond wire ［J］. Materials Science in Semiconductor Processing ， 2017 ， 71 ： 93 - 101 . doi: 10.1016/j.mssp.2017.07.010 http://dx.doi.org/10.1016/j.mssp.2017.07.010

梁家玮 . 蓝宝石衬底生产周期改善方法研究［D］. 赣州：江西理工大学， 2020 .

LIANG J W . Study on Improving the Production Cycle of Sapphire Substrate ［D］. Ganzhou ： Jiangxi University of Science and Technology ， 2020 . （in Chinese）

张银霞，杨乐乐，郜伟，等 . 固结磨料研磨SiC晶片亚表面损伤截面显微检测技术［J］. 人工晶体学报， 2013 ， 42 （ 5 ）： 906 - 910 . doi: 10.3969/j.issn.1000-985X.2013.05.026 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1000-985X.2013.05.026

ZHANG Y X ， YANG L L ， GAO W ， et al . Cross-sectional microscopy detection technology for subsurface damage of fixed abrasive lapped SiC wafers ［J］. Journal of Synthetic Crystals ， 2013 ， 42 （ 5 ）： 906 - 910 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1000-985X.2013.05.026 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1000-985X.2013.05.026

陈森凯 . 单晶SiC基片超精密加工表面及亚表面损伤研究［D］. 广州：广东工业大学， 2014 .

CHEN S K . Study on Surface and Subsurface Damage of Single Crystal SiC Substrate in Ultra-precision Machining ［D］. Guangzhou ： Guangdong University of Technology ， 2014 . （in Chinese）

孙敬龙，秦飞，陈沛，等 . 工艺参数对磨削硅晶圆亚表面损伤裂纹的影响［J］. 北京工业大学学报， 2017 ， 43 （ 3 ）： 448 - 454 . doi: 10.11936/bjutxb2016030057 http://dx.doi.org/10.11936/bjutxb2016030057

SUN J L ， QIN F ， CHEN P ， et al . Effects of grinding parameters on the subsurface cracks of ground wafers ［J］. Journal of Beijing University of Technology ， 2017 ， 43 （ 3 ）： 448 - 454 . （in Chinese） . doi: 10.11936/bjutxb2016030057 http://dx.doi.org/10.11936/bjutxb2016030057

KUMAR A ， KAMINSKI S ， MELKOTE SN ， et al . Effect of wear of diamond wire on surface morphology， roughness and subsurface damage of silicon wafers ［J］. Wear ， 2016 ， 364/365 ： 163 - 168 . doi: 10.1016/j.wear.2016.07.009 http://dx.doi.org/10.1016/j.wear.2016.07.009

Wu HZ ， Roberts SG ， Möbus G ， et al . Subsurface damage analysis by TEM and 3D FIB crack mapping in alumina and alumina/5vol.%SiC nanocomposites ［J］. Acta Materialia ， 2003 ， 51 （ 1 ）： 149 - 163 . doi: 10.1016/s1359-6454(02)00387-7 http://dx.doi.org/10.1016/s1359-6454(02)00387-7

吴沿鹏 . 光学元件磨抛加工亚表面损伤分析与检测技术研究［D］. 厦门：厦门大学， 2014 .

WU Y P . Research on Subsurface Damage Analysis and Detection Technology of Optical Components Grinding and Polishing ［D］. Xiamen ： Xiamen University ， 2014 . （in Chinese）

戴子华 . 固结磨料研磨K9玻璃亚表面损伤研究［D］. 南京：南京航空航天大学， 2015 .

DAI Z H . Study on Subsurface Damage of K 9 Glass Ground by Fixed Abrasive ［D］. Nanjing ： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics ， 2015 . （in Chinese）

RANDI J A ， LAMBROPOULOS J C ， JACOBS S D . Subsurface damage in some single crystalline optical materials ［J］. Applied Optics ， 2005 ， 44 （ 12 ）： 2241 - 2249 . doi: 10.1364/ao.44.002241 http://dx.doi.org/10.1364/ao.44.002241

石峰，戴一帆，彭小强，等 . 磁流变抛光消除磨削亚表面损伤层新工艺［J］. 光学精密工程， 2010 ， 18 （ 1 ）： 162 - 168 .

SHI F ， DAI Y F ， PENG X Q ， et al . Removal of subsurface damage in grinding by magnetorheological finishing ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2010 ， 18 （ 1 ）： 162 - 168 . （in Chinese）

李改灵 . 光学材料磨削加工亚表面损伤测量的理论与实验研究［D］. 长沙：国防科学技术大学， 2006 .

LI G L . Theoretical and Experimental Study on Subsurface Damage Measurement in Grinding of Optical Materials ［D］. Changsha ： National University of Defense Technology ， 2006 . （in Chinese）

李军，王健杰，郭太煜，等 . 侧面逐层抛光腐蚀法研究亚表面损伤［J］. 表面技术， 2019 ， 48 （ 8 ）： 309 - 315 .

LI J ， WANG J J ， GUO T Y ， et al . Subsurface damage studied by side layer-by-layer polishing and etching method ［J］. Surface Technology ， 2019 ， 48 （ 8 ）： 309 - 315 . （in Chinese）

AIDA H ， TAKEDA H ， DOI T . Analysis of mechanically induced subsurface damage and its removal by chemical mechanical polishing for gallium nitride substrate ［J］. Precision Engineering ， 2021 ， 67 ： 350 - 358 . doi: 10.1016/j.precisioneng.2020.10.007 http://dx.doi.org/10.1016/j.precisioneng.2020.10.007

DWIKUSUMA F ， SAULYS D ， KUECH T F . Study on chemical treatment and high temperature nitridation of sapphire for III-nitride heteroepitaxial growth ［J］. MRS Online Proceedings Library ， 2011 ， 743 （ 1 ）： L3 .4.1-L3. 4 . 6 .

肖强，王嘉琪，靳龙平 . 磁流变抛光表面粗糙度建模与仿真［J］. 工具技术， 2022 ， 56 （ 4 ）： 52 - 59 . doi: 10.3969/j.issn.1000-7008.2022.04.010 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1000-7008.2022.04.010

XIAO Q ， WANG J Q ， JIN L P . Modeling and simulation of surface roughness in magnetorheological finishing ［J］. Tool Engineering ， 2022 ， 56 （ 4 ）： 52 - 59 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1000-7008.2022.04.010 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1000-7008.2022.04.010

CAI C ， LIU Y ， HE X ， et al . Effect of chemical activity of bulk and pad materials on the redeposition layer during polishing of glass ［J］. Thin Solid Films ， 2021 ， 735 ： 138876 . doi: 10.1016/j.tsf.2021.138876 http://dx.doi.org/10.1016/j.tsf.2021.138876

LIN J ， JIANG F ， WEN Q ， et al . Deformation anisotropy of nano-scratching on C-plane of sapphire： a molecular dynamics study and experiment ［J］. Applied Surface Science ， 2021 ， 546 ： 149091 . doi: 10.1016/j.apsusc.2021.149091 http://dx.doi.org/10.1016/j.apsusc.2021.149091

TRABADELO V ， PATHAK S ， SAEIDI F ， et al . Nanoindentation deformation and cracking in sapphire ［J］. Ceramics International ， 2019 ， 45 （ 8 ）： 9835 - 9845 . doi: 10.1016/j.ceramint.2019.02.022 http://dx.doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.02.022

ARREGUI-MENA JD ， SEIBERT RL ， GERCZAK TJ . Characterization of PyC/SiC interfaces with FIB-SEM tomography ［J］. Journal of Nuclear Materials ， 2021 ， 545 ： 152736 . doi: 10.1016/j.jnucmat.2020.152736 http://dx.doi.org/10.1016/j.jnucmat.2020.152736

浏览量

325

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

蜂窝状结构半固结磨料研磨盘的制备及应用

蓝宝石衬底表面形貌检测和评价系统

乙醇浓度对亲水性固结磨料垫自修整特性的影响

应用CVD金刚石涂层工具研磨单晶蓝宝石

三乙醇胺在镁铝尖晶石固结磨料研磨中的作用