在國內，α-氧化鋁應用于研磨拋光領域始于上世紀八十年代末，隨著中國的改革開放，當時的亞洲四小龍把勞動密集型的制造業逐步轉移到中國，也給中國帶來了α-氧化鋁拋光研磨材料，中國才有了α-氧化鋁研磨拋光的概念。

（拋光示意圖）

α-氧化鋁屬六方緊密堆積晶體，晶格能較大，熔點高、硬度大，機械強度高，其制品耐酸、堿性好，基于其優良的物理、化學性能，使得其在拋光領域有著廣泛的用途。 而在拋光領域又細分了多個具體應用：汽車漆面拋光、藍寶石拋光、玻璃鏡片拋光、晶圓拋光等。 那么上述四種具體應用對于α-氧化鋁作為磨料時的粒徑大小的要求有什么不同呢？

汽車漆面拋光

汽車漆面經拋光后，為避免磨料對漆面的二次劃損，因而要求α氧化鋁磨料的棱角不能太尖銳，一般為球形或柱形，且要盡可能地均勻、避免團聚。

如圖就是符合要求的α氧化鋁的SEM形貌。

漆面損傷程度的不同就要進行不通的拋光工序，可分為初拋，中拋和精拋。

一般來說，α氧化鋁粉的粒徑越大，切屑度越好，光面度越差。 反之粒徑越小，切削度越差，光面度越好。 因此對于α氧化鋁的粒徑來說，汽車漆面的初拋要在60μm -----45μm范圍內；中拋要在5.9μm----5μm范圍內，精拋要在1-2μm范圍內。

藍寶石拋光

藍寶石，即單晶氧化鋁，隨著光電技術的飛速發展，光電產品對藍寶石襯底材料需求量的日益增加，同時隨著 LED 元件的不斷拓展，藍寶石已經成為最重要的襯底材料之一，具有極大的國內外市場需求。藍寶石作為襯底時需要很好的平整度，因而對藍寶石表面拋光成為當下研究熱點。

在藍寶石拋光過程中，藍寶石表面的Al 和拋光漿料中的羥基反應形成一種莫氏硬度為 3 的勃姆石水化層。 當磨料粒徑較小時，可能無法完全穿透水化層，即拋光磨料不能有效參與機械拋光，導致拋光材料去除速率低。 隨氧化鋁粒徑增大至 360 nm 時，材料去除速率逐漸增加，表面粗糙度降至最低。 氧化鋁顆粒粒徑增大，參與到拋光的有效磨料數增加，材料去除率增加，機械拋光與化學拋光達到動態平衡，即拋光后，藍寶石晶片損傷全部被移除，表面平整，表面質量相對較高，使得材料表面粗糙度小。當磨料粒徑增加至560 nm 時，材料去除速率達到峰值，但材料表面粗糙度也明顯增大，拋光效果不理想。 因為，拋光磨料粒徑較大時，機械拋光作用增強，致使材料去除率增大。 磨料的粒徑不同，研磨所去除的深度不同，粒徑越大，深度越大，對晶片造成的損傷就越嚴重。 當粒徑增加至 1.5 μm后，拋光液的穩定性變差，在拋光過程中出現輕微分層，導致磨料的分散性差，使得拋光效果較差。

圖1（左） 圖2（右）

圖1及圖2為不同粒徑對材料去除速率以及表面粗糙度的影響?？梢灾捆裂趸X粒徑為360nm拋光的綜合效果最好。

圖3 拋光前后藍寶石表面形貌 AFM 圖像

圖3表示粒徑為360nm的球形氧化鋁對藍寶石晶片拋光前后的表面形貌 AFM 圖。可以看出，拋光前的藍寶石晶片表面凸凹不平且粗糙峰較多；拋光后劃痕狀況得到良好改善，去除了藍寶石晶片表面較多的粗糙峰，表面也變得光滑、平坦，表面微觀起伏較小。

晶圓拋光

對于硅晶圓拋光，最好將α氧化鋁粉制為平板狀，這樣研磨時顆粒就能貼合工件表面，產生滑動的研磨效果，避免了顆粒尖角對工件表面的劃傷，且研磨壓力均勻分布在顆粒表面，顆粒不易破碎，從而提高了研磨效率和表面光潔度，可以減少磨削時間，大幅提高研磨效率，減少磨片機的損耗，節省人工和磨削成本，將成品率提升在90%以上。

當被拋光對象是碳化硅晶圓（莫氏硬度9.2）時，因為α氧化鋁莫氏硬度僅為8.8，所以需將金剛石（莫氏硬度10）微粉與α氧化鋁微粉混合制得磨料。 但由于金剛石磨料的形貌不規則且硬度高，在機械拋光后，碳化硅晶片表面粗糙度在10nm-20nm的范圍內，而且在顯微鏡下觀察可見若干條深淺不一的劃痕，這說明表面損傷層較深，會導致后續的化學機械拋光很難完全去除機械拋光(MP)產生的損傷層。 所以需要將α氧化鋁微粉的粒徑制為0.5μm -5μm范圍內，比表面積制為為100-250㎡/g。 這樣可以起降低碳化硅晶片表面粗糙度，減小亞表面損傷層深度的作用，能夠在拋光過程中改善金剛石微粉作為磨料帶來的劃痕和損傷層的問題，獲得基本無劃痕、損傷層小、粗糙度低的碳化硅晶片表面，為后續進行化學機械拋光提供條件。如果制得的α氧化鋁微粉粒徑比上述范圍大則容易產生劃痕和裂片，反之比上述范圍小則起不到消除金剛石微粉損傷的效果。

玻璃鏡片拋光

對于玻璃鏡片拋光的拋光粉通常由氧化鈰、氧化鋁、氧化硅、氧化鐵、氧化鋯、氧化鉻等組份組成。 由于氧化鈰與硅酸鹽玻璃的化學活性較高，硬度也相當，因此在玻璃鏡片拋光中廣泛使用氧化鈰作為磨料。 有的氧化鈰拋光粉中加入α氧化鋁這種較硬的材料，表現出來的磨削率和耐磨性都會提高。 因為硅酸鹽玻璃莫氏硬度一般為6 - 6.5，且在該情況中α氧化鋁作為磨料的比例較少，所以對α氧化鋁的晶體的顯微結構不做特別要求，正常來說粒徑不宜過大，棱角不太尖銳都能滿足要求。

值得一提的是，在氧化鈰表面摻鋁可以顯著提高其拋光光學玻璃的拋蝕量。 將水合碳酸鈰與硝酸鋁和氨水共同進行機械球磨,使新形成的無定型氫氧化鋁包覆在細小的碳酸鈰顆粒表面,經脫水干燥和煅燒,這樣可制備出表面摻雜有氧化鋁的氧化鈰。 經實驗結果表明:球磨中間產物仍然以水合碳酸鈰為主,氫氧化鋁的形成阻礙了碳酸鈰的無定型化和向氫氧化鈰的轉化過程。 在氧化鋁摻雜量不超過10%的條件下,煅燒產物均具有立方螢石型結構。 所有摻雜鋁的氧化鈰粉體對ZF7和K9光學玻璃的拋光速率均比純氧化鈰的有很大提高,證明鋁的摻雜能夠大大提高氧化鈰的拋光性能。 其最佳摻雜量為0.6%,煅燒條件為在1000℃下煅燒2 h。 此時的MRR值為純氧化鈰的兩倍以上。

參考文獻

不同粒徑球形氧化鋁的制備及其對藍寶石的拋光性能研究.張 曼

（合肥工業大學化學與化工學院，安徽 合肥 230009）

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