蓝宝石是实际应用的半导体GaN/Al2O3发光二极管(LED)、大规模集成电路绝缘体上硅(SOI)和蓝宝石上的硅(SOS)及超导纳米结构薄膜等最理想的衬底材料。LED等半导体器件性能的优劣及其可靠性严重依赖于单晶衬底表面外延层的结晶质量和完整性，而外延层的质量主要取决于在外延垒晶之前衬底表面的加工质量，获得超光滑、超平坦、无表面/亚表面损伤的单晶蓝宝石衬底表面是高质量外延层生长的关键基础条件。

Peregrine半导体公司采用了蓝宝石上硅（SOS）技术来制造开关器件

蓝宝石基片

在工业加工中，蓝宝石表面从原料粗糙面到镜面光滑，需要经历三道加工工艺：粗磨、精磨和抛光。在粗磨工段中，蓝宝石原料片表面的划痕数量会减少，深度减小。同一批来料的蓝宝石厚度差有时会高达10~20 um。在粗磨工艺后，批量蓝宝石的厚度差会缩小至1~3 um。在第二道工艺（精磨）中，蓝宝石的总厚度偏差（TTV）和表面粗糙度（Ra）会进一步减小。蓝宝石表面开始出现透光现象。在第三道工艺（抛光）中，蓝宝石的表面粗糙度（Ra）会减小至0.5 nm，此时蓝宝石表面平滑，面板透亮。

在每一道加工工艺后，蓝宝石晶片的总厚度偏差和表面粗糙度会逐渐减小。作为表面加工的第一道工艺，粗磨工段尤其重要。晶片在此阶段最容易产生不可修复的深度划伤。蓝宝石的硬度大，一般的磨料对蓝宝石没有切削力。如果单从磨料硬度角度考虑，金刚石磨料看似最合适。然而，由于用金刚石磨料抛光的表面会被物理刮掉，因此会在表面留下划痕和其他应力。目前生产蓝宝石衬底片时产生裂痕和崩边现象的比例比较高，占总数的5％~8％，后的研磨和抛光工序中速率很低，并且加工后的蓝宝石片表面划痕较重，有20％左右的宝石片表面有粗深划痕，需返工，重新研磨抛光，这样就大大提高了蓝宝石衬底片加工的成本。因此，如何在提高蓝宝石表面光洁度和全局平坦化质量的同时并保证一定的蓝宝石的抛光速率，是蓝宝石加工处理中的一大难题。

与常规研磨蓝宝石（莫氏硬度9）晶体的金刚石磨料（莫氏硬度10）相比，碳化硼磨料具有硬度略低（莫氏硬度9.3）、价格便宜、磨削能力稍弱，且研磨后晶体表面划伤的概率较小的特点，因此，采用碳化硼磨料进行蓝宝石晶体研磨有利于获得较小的亚表面损伤。通常地，业内常使用240＃碳化硼研磨砂作为磨料，此类型研磨砂的粒径为56～64 um。它们与去离子水形成研磨浆料，并输入至研磨机内进行研磨。值得一提的是，由于碳化硼在600℃以上时，外表会氧化成B2O3薄膜，使其发生一定的软化，因此在磨料应用中并不适用于温度过高的干磨，只适用于抛光液研磨。

“黑色钻石”碳化硼磨料粉末

另外的，小编在查阅资料时，在一篇专利技术--“一种蓝宝石衬底化学机械抛光浆液”中看到这样的描述：发明人经广泛研究发现，采用基材粒子表面包覆工艺，在碳化硼表面包覆一层粒子构成复合研磨粒子，利用该复合研磨粒子制成的化学机械抛光浆液，不仅可以得到极好的蓝宝石表面光洁度和全局平坦化的质量，而且拥有一定的抛光速率，有望可以有效地提高蓝宝石的表面质量和加工效率。

复合研磨粒子基于B4C颗粒的高硬度以及表面复合小颗粒的独特的化学活性，在抛光过程中，复合粒子的表面小颗粒易于与蓝宝石表面进行交联，同时复合粒子的高硬度的B4C核能够间接地对衬底施加物理作用，使交联产物能及时地脱离衬底的表面，因此不仅能够保证蓝宝石在化学机械抛光时具有一定的抛光速率，还能有效地避免对衬底的划痕，提高蓝宝石抛后的表面质量。所述的复合研磨粒子是由基材粒子碳化硼表面包覆一层粒子所构成。其基材粒子为B4C，包覆的粒子选自SiO2、γ-Al2O3、α-Al2O3、CeO2或其混合物。

因此，碳化硼除了在蓝宝石粗磨中优势明显，其与其他研磨粒子的复合粒子在提升提高蓝宝石化学机械抛光表面质量和加工效率也非常值得探索应用。

编辑：粉体圈Alpha

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