藍寶石成分為Al2O3，莫氏硬度為9，僅次于超硬材料的硬度，由于其優越的透光性能和耐磨性能，大多被用于 LED 發光組件的基體、光學視窗、高檔手表的表殼以及手機攝像頭等。藍寶石具有硬脆的特點，且價格昂貴，在加工過程中通常要求精度高、加工效率快、低的材料損失以及潔凈的工作環境。金剛石是自然界中硬度最高、耐磨性最強的材料，因此金剛石工具是加工藍寶石材料的最佳選擇。

圖1 藍寶石晶片

藍寶石加工流程

襯底藍寶石晶片

從藍寶石晶錠到最后的襯底藍寶石片，主要包括以下步驟：長晶→ 掏棒→ 頭尾截斷→滾磨→晶棒定向→切片→倒角磨邊→粗精研磨→CMP拋光。每一個步驟均需要配備不同的金剛石工具來完成，主要工具有鉆頭、砂輪、線鋸等。

長晶：利用長晶爐生長尺寸大且高品質的單晶藍寶石晶體；

掏棒：使用藍寶石鉆頭（高精度套料鉆頭）從藍寶石晶體中掏出藍寶石晶棒；

滾磨：使用金剛石砂輪（樹脂結合劑或金屬結合劑）進行晶棒的結晶方向平研、外徑研磨，得到精確的外圓尺寸精度；

定向：在切片機上準確定位藍寶石晶棒的位置，便于精準切片加工；

切片：使用金剛石線鋸將藍寶石晶棒切成薄薄的晶片；

倒角磨邊：采用金屬結合劑金剛石砂輪將晶片邊緣修整成圓弧狀，改善薄片邊緣的機械強度；

研磨：去除切片時造成的晶片切割損傷層及改善晶片的平面度。分粗研磨和精研磨，涉及的磨料磨具產品主要有金剛石磨盤、金剛石研磨液、金剛石背面減薄砂輪等；

拋光：改善晶片粗糙度，使其表面達到外延片磊晶級精度，多使用CMP拋光液。

封裝制程

磊晶及封裝制程主要包括以下步驟：襯底片→襯底片→蒸鍍刻蝕→熱處理→背面減薄→研磨拋光→劃片測試→固晶→打線封裝→切割→測試。主要涉及的磨料磨具產品為金剛石超薄劃片刀、金剛石背面減薄砂輪、研磨液、拋光液等。

部分磨料磨具產品介紹

高精密金剛石砂輪

金剛石砂輪在藍寶石、硅片等硬脆材料加工過程中的應用最為廣泛，從晶棒的處理到晶片的粗加工進而到精加工等步驟，均要用到不同種類的金剛石砂輪。圖2為4種代表砂輪，分別是晶棒滾圓砂輪(圖2a)、平面研磨砂輪(圖2b)、減薄砂輪(圖2c)以及拋光砂輪(圖2d)等，金剛石粒度從100#到8000#均有涉及，胎體材料包括金屬結合劑、樹脂結合劑和陶瓷結合劑。

圖2 金剛石砂輪

如前所述，藍寶石加工過程也用到大量金剛石砂輪。比如，外徑研磨、結晶向平研，主要使用樹脂結合劑金剛石砂輪，粗磨粒度在100#左右，精磨200#左右，樹脂基有一定彈性，起到拋光作用，加工的工件質量好；倒角磨邊砂輪為金屬結合劑金剛石砂輪，常見尺寸規格：1FF1V/9 202*20*30*2.5，金屬基具有較高的韌性和強度，槽型精度高，使用壽命長，主要磨削設備為東京精密、臺灣大途等；窗口片粗研磨使用陶瓷金剛石磨盤（圖4-左）加工，較之鑄鐵盤加工方式，具有加工效率高、精度高、研磨質量好、使用壽命長等優點。另外，背面減薄砂輪（圖2-c）、金剛石研磨液（圖4-右）等產品也大量使用，具有很大的市場價值。由于砂輪類型較多，本文就不再展開論述。

圖4 金剛石磨盤和研磨液

金剛石超薄劃片

超薄劃片(圖5)由金剛石和粘結劑組成一個圓環薄片狀，厚度在0.015～0.3mm 之間，可分為金屬結合劑刀片和樹脂結合劑刀片兩種。其中金屬結合劑電鍍刀片的厚度為0.015mm～0.1mm，金屬結合劑熱壓刀片和樹脂結合劑刀片的厚度為0.1mm～0.3mm。超薄劃片廣泛應用于電子工業對各種硬脆材料進行切割或開槽加工，如硅、鍺、磷化鎵、砷化鎵、磷砷化鎵、鐵氧體、鈮酸鋰、鉭酸鋰、壓電陶瓷、光學陶瓷、玻璃等；具有切割精度高、割縫窄、使用壽命長等特點；使用時需裝在專用設備上，可單刀使用也可多刀同時使用。

圖5 金剛石超薄劃片刀

據資料介紹，世界上超薄劃片的年銷售額達5億多美元。目前，該類產品的市場主要被日本、美國等世界領先的公司所壟斷。這些公司所生產的刀具性能穩定、規格種類齊全、具有很高的切割精度。我國電子工業正步入一個飛速發展期，對精密切割工具的需求也進入了高速增長期。但是由于國內該類產品發展起步較晚，其性能還存在諸多的缺陷，不能滿足國內市場快速發展的要求，因此每年都要從國外進口大量的各種類型的劃片。在國內，對薄型砂輪片進行研究和制造并打入市場的企業很少，因此對超薄劃片的研究與開發，具有廣闊的市場前景。

高精度套料鉆頭

套料鉆頭(圖6)加工對象為藍寶石等較為貴重的硬脆材料，主要用于表殼、光學玻璃、LED 襯底的加工，鉆頭的精度要求非常高。以 2 寸的套料鉆頭為例，日本的鉆頭售價可以達到 2500 元以上，國內鉆頭的售價也可達到 800 元以上，與同規格的工程鉆頭 (100 元左右）相比，這類產品具有極高的附加值．而且市場需求正在逐年增加，具有較為廣闊的應用前景。

圖6 套料鉆頭

套料鉆頭制造技術包括超薄環狀刀頭制造技術、高精度焊接技術以及鉆頭后續修磨技術；其中超薄環狀刀頭的質量對產品的最終使用性能起著決定性的作用，該項技術包括均勻混料、精細造粒、標準化熱壓燒結、脫模等一系列生產工藝和操作標準；高精度焊接技術是保證鉆頭同心度和焊接強度的關鍵步驟，包括焊接面處理、焊接同心調整、標準化焊接；鉆頭后續進行修磨，以進一步提高鉆頭的精度。

CMP修整器

隨著半導體工業的飛速發展，電子器件尺寸縮小，要求晶片表面平整度達到納米級。傳統的平坦化技術，僅僅能夠實現局部平坦化，但是當最小特征尺寸達到0.25 μm 以下時，必須進行全局平坦化。目前唯一可以實現全局平坦化的技術為機械化學拋光技術(CMP)，也就是用化學腐蝕和機械力對加工過程中的晶圓等襯底材料進行平滑處理。

CMP 的工作原理是將晶片固定在最下面，然后將拋光墊放置在研磨盤上，亞微米或納米磨粒和化學溶液組成的研磨液在晶片表面和拋光墊之間流動；拋光時，旋轉的拋光頭以一定的壓力壓在旋轉的拋光墊上，對晶片進行平坦化處理。拋光墊屬于消耗品，一般由多空性材料的聚亞胺脂材料制造，拋光墊表面必須定期用一個金剛石修整器來修整以提高壽命，這個修整器就是 CMP 修整器。CMP 修整器的作用是掃過墊表面來提高表面粗糙度并除去用過的漿料，修整器包含一個不銹鋼盤以及一個鍍鎳(CVD 金剛石層)的金剛石磨粒，金剛石磨粒的粒度為20μm 左右(圖7)。

圖7 CMP修整器

3M 公司占據了 CMP 修整器的主要市場。拋光墊修整器用于拋光墊的形貌修整，對修整器的研究集中在修整器尺寸、金剛石顆粒粒度、金剛石顆粒密度、排列方式、粘接方式等方面；其中金剛石顆粒的粘接方式是主要研究內容，要求在保證修整器壽命的同時，不產生金剛石顆粒的脫落，以免造成對晶片的劃傷。

3 結語

1）藍寶石行業使用的磨料磨具產品較多，值得磨料磨具行業同仁關注。

2）由于工件（藍寶石）附加值高，相應的金剛石工具性能要求高，使得金剛石工具的價格較高、利潤較高。當前，藍寶石行業大量使用進口砂輪，比如圣戈班、disco、則武、旭金剛、臺灣鉆石等，具有很大的國產化空間。

<完>

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