藍(lán)寶石在化學(xué)機械拋光過程中的材料去除機理

藍(lán)寶石材料經(jīng)過長晶、掏棒、切割、研磨、拋光等加工工藝后達(dá)到所需的表面效果，拋光是藍(lán)寶石加工的最后一道工序，決定著拋光后的表面效果。目前化學(xué)機械拋光Chemical Mechanical Polishing (CMP)是主要的拋光方式之一。 

藍(lán)寶石在化學(xué)機械拋光過程中所用的拋光墊表面非常粗糙，拋光墊粗糙度的數(shù)量級遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于拋光液顆粒的粒徑，致使一部分拋光液顆粒隨著拋光液的流動而無法參加拋光。

當(dāng)藍(lán)寶石基片與拋光墊表面接觸時，只有拋光墊表面凸出部分才能與藍(lán)寶石基片接觸，而較凹的部分無法與藍(lán)寶石基片接觸，所以實際接觸面并不像我們看到的接觸面那樣大。附著在拋光墊表面的凸峰上且拋光液粒徑大于平均值的顆粒才能參加拋光，稱之為有效磨粒。假設(shè)，磨粒在拋光墊與藍(lán)寶石基片接觸區(qū)域的分布與在拋光液中的分布相同，且為均勻分布。拋光墊表面粗糙峰高度的分布服從正態(tài)分布，那么實際接觸面積與有效顆粒數(shù)均與拋光壓力、轉(zhuǎn)速成正比，所以藍(lán)寶石去除速率與壓力、轉(zhuǎn)速成正比。

藍(lán)寶石拋光液的PH值呈堿性，一般為10~13，在此堿性環(huán)境中會發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng):

Al₂O₃+2OH^-=2AlO₂^-+H₂O

Al(OH) ₃+OH^-=AlO₂^-+2H₂O

CMP過程主要是拋光液化學(xué)腐蝕à拋光液磨粒磨削去除à去除物被拋光液帶走，這三步在拋光過程中是同時發(fā)生的，缺一不可。即拋光液與藍(lán)寶石基片發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成一層反應(yīng)層，拋光液中的磨粒與反應(yīng)層發(fā)生磨削去除作用，同時新的拋光液流入，舊的拋光液以及磨削廢屑被帶走。由此可見化學(xué)腐蝕對藍(lán)寶石材料的去除率影響很大，只有被腐蝕的藍(lán)寶石表面才能被去除，磨粒在未腐蝕的表面很難產(chǎn)生去除作用。

在化學(xué)腐蝕點處的濃度越高，腐蝕速率越快。在拋光過程中拋光液持續(xù)流動，我們假設(shè)在腐蝕點處的濃度可以保持初始時的濃度，腐蝕率以最快的速度發(fā)生，則拋光液不同的PH值對應(yīng)一個腐蝕率，由此可見，去除速率與PH值有關(guān)，PH越高，速率越快。

當(dāng)腐蝕率>機械去除率時，藍(lán)寶石表面材料被拋光液腐蝕，質(zhì)地變軟，較易去除;但當(dāng)腐蝕率<機械去除率時，部分磨粒會在未被腐蝕或不完全腐蝕的藍(lán)寶石表面上磨擦，其去除量將明顯降低。當(dāng)腐蝕率=機械去除率時，以這一點對應(yīng)的去除參數(shù)進(jìn)行加工可以得到良好的藍(lán)寶石表面效果。