藍(lán)寶石(Sapphire)是一種氧化鋁(Al₂O₃)的單晶，因在機(jī)械性能、熱學(xué)性質(zhì)、光學(xué)以及化學(xué)性質(zhì)等方面都具有優(yōu)越特性，所以是一種應(yīng)用廣泛的人工合成單晶材料。尤其是在LED領(lǐng)域，因藍(lán)寶石具有很高的硬度（莫氏硬度9.3）、優(yōu)良的耐磨性和透光性等特性，被譽(yù)為是最佳LED襯底材料，需求量大增。而且隨著技術(shù)的發(fā)展，藍(lán)寶石也出現(xiàn)在了更多高端領(lǐng)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(xué)元件等等。

但是藍(lán)寶石在使用前，需先經(jīng)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(guān)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(xué)家研究金屬硼化的合成時被首次發(fā)現(xiàn)，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(xué)計(jì)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(nèi)，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(diǎn)（2450℃）、優(yōu)良的耐磨性及良好的熱中子吸收性能等優(yōu)良特性，因此被廣泛用作機(jī)械研磨材料、工程陶瓷材料、軍工裝甲材料、核反應(yīng)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(lán)寶石晶片用量的加大而逐漸增加。

二、碳化硼磨料的優(yōu)勢

目前，可用于藍(lán)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(lán)寶石晶片時會對表面產(chǎn)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(fèi)時、費(fèi)工。因此，采用莫氏硬度9.3的碳化硼磨料進(jìn)行藍(lán)寶石晶體研磨有利于獲得較小的亞表面損傷，在藍(lán)寶石晶片的雙面研磨和藍(lán)寶石基LED外延片背減薄拋光方面有著卓越的表現(xiàn)。

藍(lán)寶石襯底Micro-LED外延片

通常地，業(yè)內(nèi)在對藍(lán)寶石窗口片雙面拋光時，一般使用粒度為320目、360目；對藍(lán)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(jī)內(nèi)進(jìn)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(fā)生一定的軟化，因此在磨料應(yīng)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(zhì)量要點(diǎn)

國內(nèi)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(yè)制備途徑。該方法是在碳管爐或電弧爐中的保護(hù)氣氛下進(jìn)行高溫還原反應(yīng)（吸熱反應(yīng)），會產(chǎn)生大量的CO氣體。此外，由于B₂O₃的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)較低，在加熱過程中會大量揮發(fā)損耗，故生產(chǎn)中常需使硼酸過量30%左右，最終使B/C化學(xué)計(jì)量比為4.0。

碳熱還原法獲得B₄C粉末的粒徑較為粗大，呈團(tuán)塊狀，還需經(jīng)過破碎、過篩和造粒等工藝獲得較細(xì)的易于燒結(jié)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(yè)生產(chǎn)中普遍采用的制備方法。但也由于該具有設(shè)備簡單、成本低和產(chǎn)量高等優(yōu)點(diǎn)，但也存在難以控溫和反應(yīng)時間長等不足，致使合成碳化硼的品質(zhì)參差不齊，不同溫區(qū)下的碳化硼的品質(zhì)相差甚遠(yuǎn)。

根據(jù)李欣等人的研究，從藍(lán)寶石的研磨效果觀測可用于藍(lán)寶石晶片研磨用的高品質(zhì)碳化硼微粉的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為：B₄C%≥97%；B:C（化學(xué)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(jìn)展[J]. 材料導(dǎo)報(bào),2019,33(z1):184-190.

李欣,邢鵬飛,高帥波,等. 藍(lán)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(diǎn)難點(diǎn)技術(shù)交流會暨鐵合金技術(shù)新書發(fā)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(xué)術(shù)研討會 論文集. 2017:225-230.

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