论文部分内容阅读
蓝宝石（α-Al2O3）因其优异的物理化学特性,已成为LED芯片的主要衬底材料。蓝宝石衬底的表面质量与LED器件外延层品质息息相关,对LED器件性能具有决定性影响。因此,实现蓝宝石衬底高效、精密加工对提高LED芯片品质,推动LED产业发展具有重要意义。然而,蓝宝石因硬度高、脆性大并且化学性能稳定的特点使其成为典型的难加工材料。在蓝宝石衬底平坦化加工过程中,现有游离磨料研磨存在效率低、污染大、成本高的问题,而固结磨料研磨则存在磨粒磨损快、易产生划痕的问题,半固结磨料研磨虽结合前两者的优点,但由于研磨盘的柔性使得蓝宝石衬底的面形精度难以控制。本文针对现有蓝宝石衬底研磨工具所存在的问题,提出以树脂材料为主体结构支撑,以含金刚石磨粒的软质凝胶为研磨体的新型研磨工具的制备思路。围绕该思路,论文的主要工作及结论如下:（1）论文从运动学角度入手,通过分析偏心式单面研磨过程中的磨粒与工件的相对运动关系,建立磨粒运动轨迹模型,并提出磨粒轨迹均匀性的评价方法。并基于磨粒运动轨迹模型分析影响磨粒轨迹均匀性的主要因素及影响规律。磨块的图案、尺寸、排布方式以及磨块在磨盘表面面积占比等对磨粒轨迹均匀性有着较大的影响。因此,根据磨粒运动模型选择合理图案及参数设计研磨盘可获得更为均匀的研磨表面,有利于提高研磨质量。（2）针对新型研磨盘的结构,分别对单一结构单元和整个研磨盘进行受力分析,研究研磨压力和凝胶磨块占比对研磨盘变形、凝胶研磨体研磨应力和树脂支撑体应力的影响规律。与普通研磨盘一样,随着研磨压力增大,研磨盘变形增大。但在新型结构研磨盘中树脂支撑体承受了主要压力,随着凝胶研磨体面积的占比增大,树脂支撑体占比减小,在相同压力下磨盘的变形增大,凝胶研磨体的研磨压力也会增大。同时,在研磨过程中单个结构单元形成局部密闭容器,具有局部增压效果,有利于提高研磨效率。因此,对这种新型研磨盘结构的合理设计,不仅提升了研磨盘的支撑能力,还有利于提升半固结研磨的加工效率。（3）基于磨粒运动轨迹均匀性和研磨盘受力的理论分析,对研磨盘结构进行优化设计,并按照研磨机床规格制备了新型结构研磨盘。通过开展单面和双面研磨实验对新型结构研磨盘的加工效果进行评估。在单面研磨过程中,可获得较为均匀的研磨表面,表面粗糙度波动小,加工表面均匀,表面质量好。在双面研磨过程中,材料去除率较高,可达0.27-0.35μm/min,表面粗糙度较低,Ra可达200nm,表面质量较好,较好的表面质量,面形精度Bow、Warp和TTV均有很大改善,证明新型研磨盘具有较好的研磨效果。同时,对采用新型研磨盘加工蓝宝石衬底的过程进行分析,揭示其研磨机理。（4）通过分析研磨过程,建立了凝胶研磨体中金刚石磨粒和蓝宝石衬底的相互作用模型,揭示了研磨过程中磨粒的退让机制。利用有限元软件（SPH）仿真了不同形状的金刚石磨粒受力后在结合剂中的退让及对工件划入的深度。由于凝胶结合剂较高的弹性,使得金刚石磨粒在受力较大时,会产生明显的退让,使磨粒对工件表面的作用力较小。当作用力低于蓝宝石划擦的脆塑性临界点,可在蓝宝石衬底研磨过程中实现材料的塑性去除。通过理论分析和有限元模拟,进一步揭示了新型研磨盘研磨蓝宝石衬底的材料去除机理。论文工作及相关结论对实现蓝宝石衬底的高质高效研磨加工具有一定的实际指导意义。