LED半导体基片研磨工具制备新方法及其加工机理研究

A new method to fabricate diamond pads for lapping single crystal SiC and sapphire substrates was proposed here with attempt to resolve the bottleneck problems in the production of chips for the LED industry. Key scientific and technological issues in fabricating and conditioning the lapping pads as well as lapping the SiC and sapphire substrates will be investigated. Ideal lapping conditions will be constructed and the material removal mechanisms will be studied and revealed in lapping the substrates under the ideal conditions. Optimum working status for the lapping pads will be investigated and its changing mechanism will be revealed. Based on the study of the behaviors and control of pad/substrate interfaces, quantitative models will be established to describe the lapping of two kinds of substrates with the new lapping pads, thereby providing useful fundamental reference for high efficiency and less damage lapping of single crystal SiC and sapphire substrates. The findings in the research will be of benefit to the development of technologies in the manufacture of LED chips and diamond tools in China.

针对LED芯片用半导体基片加工存在的瓶颈问题，申请项目提出了一种微细粒度金刚石研磨盘制备新方法，并以单晶SiC和蓝宝石基片材料为加工对象，深入研究新型研磨盘制备、修整、以及研磨加工过程中的相关科学与技术问题。构造并实施理想研磨条件，揭示两种半导体材料在该研磨条件下的表现行为与表面生成机制。研究新型研磨盘的最佳工作状态及其在加工过程中的演变规律。揭示研磨过程中研磨盘/工件界面行为与调控机制，建立定量描述新型研磨盘加工单晶SiC和蓝宝石基片材料的模型，为实现单晶SiC和蓝宝石基片高效低损失加工提供依据。项目的完成对推动我国LED芯片制造和金刚石工具制造技术进步具有明确的现实意义。

该项目按照原计划以单晶SiC和蓝宝石基片材料为加工对象研制了一种微细粒度金刚石新型研磨盘，并开展研磨试验，验证了该新型研磨盘加工单晶SiC和蓝宝石基片的效果，揭示其加工机理。. 课题组首先开展了新型研磨盘配方和结构的设计与制备研究，在设计、优化研磨盘配方的基础上，根据凝胶成形原理设计并制备了一套凝胶研磨球和研磨棒制备的专用装置，可实现对凝胶研磨体的快速制备，并提出了一套对凝胶研磨体性能的检测和评价方法。基于研磨运动原理及研磨工件表面均匀性，从理论上对研磨盘表面磨块的结构、尺寸和排布进行了设计与优化，根据设计结果制备出了一套可用于双面行星研磨的研磨盘。将该新型研磨盘安装在双面行星研磨机床上，开展了单晶SiC和蓝宝石基片的研磨试验。试验结果表明，与传统的半固结凝胶研磨盘相比，该新型研磨盘不仅可以获得较好的表面质量，也可获得较好的面型精度。又由于新型研磨盘采用“硬核软体”的蜂窝结构，使得局部凝胶研磨体的压力大增，有效提升了该新型研磨盘的研磨效率。为了探索磨粒与工件的相互作用过程及损伤形成机理，课题组分别采用分子动力学和有限元软件模拟单颗磨粒划擦单晶SiC过程，揭示了研磨过程中磨粒划擦去除材料的过程和划擦过程中损伤的形成机制。最后，为了进一步提高研磨基片的表面质量，课题组通过建立双面研磨过程中磨粒运动轨迹模型，分析影响磨粒轨迹均匀性因素极其影响规律，提出了研磨轨迹均匀性评价方法，并通过优化研磨工艺，获得较好的研磨表面质量。采用本项目所开发的新型研磨盘加工SiC和蓝宝石基片效果良好，与研磨前相比，面型精度有较大提高，研磨SiC基片表面粗糙度可达75nm，材料去除率可达125nm/min；研磨蓝宝石基片表面粗糙度可达200nm，材料去除率可达350nm/min。. 该项目开发了一种新型细粒度金刚石研磨盘用于SiC基片和蓝宝石基片的加工，并揭示其加工机理，为实现SiC基片和蓝宝石基片的高效低损伤加工提供了依据。