藍寶石(Sapphire)是一種氧化鋁(Al₂O₃)的單晶，因在機械性能、熱學性質、光學以及化學性質等方面都具有優越特性，所以是一種應用廣泛的人工合成單晶材料。尤其是在LED領域，因藍寶石具有很高的硬度（莫氏硬度9.3）、優良的耐磨性和透光性等特性，被譽為是最佳LED襯底材料，需求量大增。而且隨著技術的發展，藍寶石也出現在了更多高端領域，如GaN的外延片、SOS微電子電路、其它材料的外延片以及光學元件等等。

但是藍寶石在使用前，需先經過開方、切割、研磨、拋光和清洗等工序，其中研磨可在一定程度上降低表面粗糙度，提高工件的表面精度等，研磨工序又可分為粗磨和精磨，目前精磨過程主要是以碳化硼微粉（基本粒為3.5~5 um）為研磨料。那么問題來了，為什么要選擇碳化硼呢？

一、關于碳化硼

碳化硼是非氧化物陶瓷中的非常重要的一個品種。它在1858年科學家研究金屬硼化的合成時被首次發現，在1883年時首次被人工合成，并將其寫作B₃C，之后在1934年時化學計量式被正式修定為B₄C。

碳化硼顆粒

碳化硼是一種具有金屬光澤的黑色晶體，最大的特色就是硬度極高（莫氏硬度9.36），位于最硬材料的行列內，僅次于金剛石和立方氮化硼，因此擁有了“黑鉆石”之稱。除此之外它還具有低密度（理論密度僅為2.52g/cm³）、高熔點（2450℃）、優良的耐磨性及良好的熱中子吸收性能等優良特性，因此被廣泛用作機械研磨材料、工程陶瓷材料、軍工裝甲材料、核反應堆的屏蔽材料和高級耐火材料等。目前，碳化硼微粉的需求量隨藍寶石晶片用量的加大而逐漸增加。

二、碳化硼磨料的優勢

目前，可用于藍寶石研磨的磨料有人造金剛石、碳化硼、碳化硅、二氧化硅等。其中人造金剛石硬度過大（莫氏硬度10）在研磨藍寶石晶片時會對表面產生劃傷，影響晶片的透光度，并且價格昂貴；碳化硅切割完通常粗糙度RA較高，平整度較差；而二氧化硅硬度不夠（莫氏硬度7）、磨削力差在研磨工程中費時、費工。因此，采用莫氏硬度9.3的碳化硼磨料進行藍寶石晶體研磨有利于獲得較小的亞表面損傷，在藍寶石晶片的雙面研磨和藍寶石基LED外延片背減薄拋光方面有著卓越的表現。

藍寶石襯底Micro-LED外延片

通常地，業內在對藍寶石窗口片雙面拋光時，一般使用粒度為320目、360目；對藍寶石襯底片單面拋光時，一般使用粒度為180目、230目、240目。它們與去離子水形成研磨漿料，并輸入至研磨機內進行研磨。值得一提的是，由于碳化硼在600℃以上時，外表會氧化成B₂O₃薄膜，使其發生一定的軟化，因此在磨料應用中并不適用于溫度過高的干磨，只適用于拋光液研磨。

三、碳化硼磨料的質量要點

國內外有多種制備碳化硼粉末的方法，其中采用碳熱還原法是最重要的工業制備途徑。該方法是在碳管爐或電弧爐中的保護氣氛下進行高溫還原反應（吸熱反應），會產生大量的CO氣體。此外，由于B₂O₃的熔點和沸點較低，在加熱過程中會大量揮發損耗，故生產中常需使硼酸過量30%左右，最終使B/C化學計量比為4.0。

碳熱還原法獲得B₄C粉末的粒徑較為粗大，呈團塊狀，還需經過破碎、過篩和造粒等工藝獲得較細的易于燒結的粉末。該方法簡單易行且原材料價格低廉、成本較低，是工業生產中普遍采用的制備方法。但也由于該具有設備簡單、成本低和產量高等優點，但也存在難以控溫和反應時間長等不足，致使合成碳化硼的品質參差不齊，不同溫區下的碳化硼的品質相差甚遠。

根據李欣等人的研究，從藍寶石的研磨效果觀測可用于藍寶石晶片研磨用的高品質碳化硼微粉的質量標準為：B₄C%≥97%；B:C（化學比）=4.0；無明顯的片狀或透明狀顆粒；要有較好的致密性，無明顯的疏松多孔；維氏硬度值≥4 800 kg/mm²。

資料來源：

龍亮,劉炳剛,羅昊,等. 碳化硼的研究進展[J]. 材料導報,2019,33(z1):184-190.

李欣,邢鵬飛,高帥波,等. 藍寶石晶片研磨用碳化硼微粉的表征[C]. //2016(首屆)全國鐵合金熱點難點技術交流會暨鐵合金技術新書發布會論文集. 2016:130-135.

李欣,都興紅,李盼,等. W5碳化硼微粉的分級與表征研究[C]. //第25屆全國鐵合金學術研討會 論文集. 2017:225-230.

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