Сапфировая подложка (варианты)

Сапфировая подложка (варианты)

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область применения изобретения

Настоящее изобретение в целом имеет отношение к изготовлению сапфировых подложек и к способам чистовой обработки таких подложек.

Предпосылки к созданию изобретения

Полупроводниковые компоненты на базе однокристаллических нитридных материалов группы III и группы V периодической таблицы элементов являются идеальными для таких устройств, как светоизлучающие диоды (LED), лазерные диоды (LD), дисплеи, транзисторы и датчики. В частности, полупроводниковые компоненты на базе нитридных материалов группы III и группы V периодической таблицы элементов могут быть использованы для изготовления светоизлучающих устройств в УФ и голубой/зеленой областях спектра излучения. Например, нитрид галлия (GaN) и связанные с ним материалы, такие как AlGaN, InGaN и их комбинации, являются наиболее известными примерами нитридных полупроводниковых материалов, на которые имеется большой спрос.

Однако изготовление слитков и подложек из таких нитридных полупроводниковых материалов по ряду причин связано с большими трудностями. Поэтому приемлемой альтернативой было признано эпитаксиальное выращивание нитридных полупроводниковых материалов на инородных материалах подложки. Обычными инородными материалами подложки являются SiC (карбид кремния), Al₂O₃ (сапфир или корунд) и MgAl₂O₄ (шпинель).

Такие инородные материалы подложки имеют структуру кристаллической решетки, которая отличается от структуры кристаллической решетки нитридных полупроводниковых материалов, таких как GaN, так что при этом возникает рассогласование параметров кристаллических решеток. Кроме такого рассогласования и связанных с этим проблем, таких как возникновение механических напряжений и снижение чувствительности к обнаружению в слое покровных полупроводниковых материалов, в промышленности требуются имеющие большие площади поверхности подложки высокого качества, а в особенности сапфировые подложки. Однако до настоящего времени сохраняются проблемы, связанные с производством подложек высокого качества, имеющих большие размеры.

Сущность изобретения

В соответствии с одним из вариантов настоящего изобретения предлагается сапфировая подложка, имеющая в целом плоскую поверхность, которая имеет кристаллографическую ориентацию, выбранную из группы, в которую входят ориентации в a-плоскости, r-плоскости, m-плоскости и c-плоскости, и которая имеет nTTV ориентировочно не более 0.037 мкм/см², причем nTTV представляет собой изменение полной толщины, нормализованное относительно площади в целом плоской поверхности, при этом подложка имеет диаметр ориентировочно не меньше чем 9.0 см.

В соответствии с другим вариантом настоящего изобретения предлагается сапфировая подложка, имеющая в целом плоскую поверхность, которая имеет кристаллографическую ориентацию, выбранную из группы, в которую входят ориентации в a-плоскости, r-плоскости, m-плоскости и c-плоскости, и которая имеет TTV ориентировочно не более 3.00 мкм, причем TTV представляет собой изменение полной толщины в целом плоской поверхности. Указанная подложка имеет диаметр ориентировочно не меньше чем 6.5 см и толщину ориентировочно не более 525 мкм.

В соответствии с еще одним вариантом настоящего изобретения предлагается способ механической обработки сапфировой подложки, который предусматривает шлифование первой поверхности сапфировой подложки с использованием первого связанного абразива и шлифование первой поверхности сапфировой подложки с использованием второго связанного абразива. Второй связанный абразив имеет меньший средний размер зерна, чем первый связанный абразив, причем второй связанный абразив представляет собой абразив с самозаправкой.

В соответствии с еще одним вариантом настоящего изобретения предлагается способ изготовления партии сапфировых подложек, содержащей сапфировые подложки, который предусматривает шлифование первой поверхности каждой сапфировой подложки с использованием абразива, так что первая поверхность будет иметь ориентацию в c-плоскости, причем партия сапфировых подложек содержит по меньшей мере 20 сапфировых подложек. Каждая сапфировая подложка имеет первую поверхность, которая имеет (i) ориентацию в c-плоскости, (ii) угол (θ_m) дезориентации кристаллографической m-плоскости и (iii) угол (θ_a) дезориентации кристаллографической a-плоскости, причем по меньшей мере (a) стандартное отклонение σ_m угла θ_m дезориентации ориентировочно не превышает 0.0130 или (b) стандартное отклонение σ_a угла θ_a дезориентации ориентировочно не превышает 0.0325.

В соответствии с еще одним вариантом настоящего изобретения предлагается партия сапфировых подложек, которая содержит по меньшей мере 20 сапфировых подложек. Каждая сапфировая подложка имеет первую поверхность, которая имеет (i) ориентацию в c-плоскости, (ii) угол θ_m дезориентации кристаллографической m-плоскости и (iii) угол θ_a дезориентации кристаллографической a-плоскости, причем по меньшей мере (a) стандартное отклонение σ_m угла θ_m дезориентации ориентировочно не превышает 0.0130 или (b) стандартное отклонение σ_a угла θ_a дезориентации ориентировочно не превышает 0.0325.

Указанные ранее и другие характеристики и преимущества изобретения будут более ясны из последующего детального описания, приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых аналогичные детали имеют одинаковые позиционные обозначения.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показана схема последовательности операций способа формирования подложки в соответствии с одним из вариантов настоящего изобретения.

На фиг.2 показано устройство для шлифования в соответствии с одним из вариантов настоящего изобретения.

На фиг.3 показан график сравнения инструмента для шлифования в соответствии с одним из вариантов настоящего изобретения с традиционным инструментом для шлифования.

На фиг.4 показано устройство для полирования в соответствии с одним из вариантов настоящего изобретения.

На фиг.5 показан угол дезориентации с-плоскости для ориентированной в c-плоскости сапфировой подложки.

Подробное описание изобретения

В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предлагается способ, который включает в себя операции шлифования первой поверхности сапфировой подложки с использованием первого связанного абразива и шлифования первой поверхности сапфировой подложки с использованием второго связанного абразива. Способ дополнительно предусматривает использование более мелкозернистого второго связанного абразива, чем первый связанный абразив, так что второй связанный абразив имеет более мелкий средний размер зерна, чем первый связанный абразив, причем второй связанный абразив представляет собой абразив с самозаправкой.

Для пояснения укажем, что абразивы в целом могут быть подразделены на категории свободных абразивов и связанных абразивов. Свободные абразивы в целом образованы из абразивных зерен или частиц в порошковой форме, или содержат порошок в жидкой среде, который образует суспензию. Связанные абразивы в целом отличаются от свободных абразивов тем, что в связанных абразивах используют абразивные частицы, которые занимают фиксированное положение друг относительно друга. Связанные абразивы в целом могут быть подразделены на абразивы с матрицей связующего материала и абразивы с покрытием на подложке. В качестве примера абразива с покрытием можно привести абразивную (наждачную) бумагу. Абразивы с покрытием типично представляют собой плоские листы (из которых могут быть образованы ленты и абразивы другой геометрической формы), имеющие гибкую подложку, на которую нанесены абразивные частицы различного размера, образующие покрытие. В отличие от этого, абразивы с матрицей в целом не имеют такой подложки, а абразивные частицы связаны друг с другом и занимают определенное положение друг относительно друга за счет использования матрицы связующего материала, в объеме которой распределены абразивные частицы. Такие абразивные компоненты в целом имеют заданную объемную форму, и при изготовлении их нагревают до температуры (типично выше 750°C), при которой связующий материал матрицы размягчается, течет и смачивает абразивные частицы, после чего проводят охлаждение. Такие абразивные компоненты могут иметь различные объемные формы, например могут быть выполнены в виде кольца, конуса, цилиндра, усеченного конуса, различных многоугольников, и могут быть образованы в виде шлифовальных кругов, шлифовальных блоков, шлифовальных коронок и т.п. В описанных здесь специфических вариантах используют связанные абразивные компоненты с матрицей связующего материала.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг.1, на которой показана схема последовательности операций способа формирования подложки в соответствии с одним из вариантов настоящего изобретения. Способ начинают за счет формирования слитка однокристаллического сапфира в операции 101. Следует иметь в виду, что может быть образован слиток (или заготовка) сапфира, имеющий любую форму (или размер), подходящую для его использования в качестве подложки для полупроводниковых устройств, в особенности для LED/LD. Как правило, слиток имеет главным образом цилиндрическую форму. Формирование однокристаллического сапфира может быть осуществлено с использованием таких технологий, как способ Чохральского, выращивание кристалла за счет подачи ограниченной кромкой пленки (EFG), или способ Киропулоса, или других технологий, в зависимости от желательных размера и формы слитка и ориентации кристалла.

После формирования однокристаллического сапфира в операции 101 может быть осуществлено разрезание слитка или заготовки сапфира в операции 103, чтобы образовать пластины. В соответствии со специфическим вариантом указанное разрезание представляет собой резку проволочной пилой сапфирового слитка, имеющего главным образом цилиндрическую форму. За счет резки сапфирового слитка проволочной пилой получают множество необработанных сапфировых пластин. В целом, длительность процесса резки проволочной пилой может составлять несколько часов, например ориентировочно от 2.0 до 30 часов. Желательная толщина необработанных сапфировых пластин может составлять ориентировочно менее 10 мм, например ориентировочно менее 8.0 мм или ориентировочно менее 5.0 мм. В соответствии с одним из вариантов толщина сапфировых пластин после резки проволочной пилой в операции 103 составляет ориентировочно менее 3.0 мм, например ориентировочно менее 1.0 мм.

В соответствии с одним из вариантов резку проволочной пилой проводят с использованием связанного абразивного проволочного элемента или элементов, например, с использованием группы проволок, покрытых абразивными зернами. В одном из вариантов реализации используют суперабразив, такой как кубический нитрид бора (CBN) или алмаз, нанесенный на множество проволок, при этом сапфировый слиток вращают с высокой скоростью (например, со скоростью до 5000 об/мин) и прижимают к проволочной сетке, за счет чего производят полное разрезание слитка в одной операции. Одним из примеров такой технологии является технология резки пилой без использования намотки на катушку, такая как технология FAST (технология резки связанным абразивом), предложенная фирмой Crystal Systems Inc. of Salem, Mass. Другим примером являются системы резки пилой с перемоткой с одной катушки на другую.

В случае однокристаллического исходного материала, полученного за счет процесса EFG, типично в виде ленты или листа, процесс резки пилой не является необходимым, причем фасонные пластины могут быть получены непосредственно за счет операции шлифования.

Следует иметь в виду, что в описании настоящего изобретения термины "пластина" и "подложка" используют как синонимы для обозначения секционированного (разрезанного) сапфирового материала, который отформован или обработан так, что его можно использовать в качестве подложки для эпитаксиального выращивания на нем полупроводниковых слоев, например, чтобы образовать оптоэлектронный прибор. Часто называют необработанную сапфировую заготовку пластиной, а готовую сапфировую деталь подложкой, однако использованные в описании настоящего изобретения термины необязательно имеют такое различие.

В соответствии с вариантом, показанным на фиг.1, после формирования множества сапфировых пластин за счет разрезания в операции 103, может быть проведена обработка поверхностей необработанных сапфировых пластин. Типично, может быть проведено шлифование одной или обеих основных противоположных поверхностей необработанных сапфировых пластин, чтобы улучшить отделку поверхностей. В соответствии с одним из вариантов необработанные сапфировые пластины подвергают процессу шлифования крупнозернистым абразивом в операции 105. Процесс шлифования крупнозернистым абразивом может предусматривать шлифование обеих основных поверхностей необработанных сапфировых подложек. В целом, процесс шлифования крупнозернистым абразивом позволяет удалять (снимать) достаточное количество материала, чтобы устранять неровности основных поверхностей, вызванные процессом резки пилой, при достаточно высокой интенсивности (скорости) съема материала. Процесс шлифования крупнозернистым абразивом позволяет удалять ориентировочно не меньше чем 30 мкм материала с основной поверхности необработанной сапфировой подложки, например ориентировочно не меньше чем 40 мкм или ориентировочно не меньше чем 50 мкм материала с основной поверхности необработанной сапфировой пластины.

В целом, в процессе шлифования крупнозернистым абразивом может быть использован связанный крупнозернистый абразив, который содержит крупные зерна абразива в матрице связующего материала. Крупные зерна абразива могут содержать обычные абразивные материалы, такие как кристаллические материалы или керамические материалы, в том числе оксид алюминия, диоксид кремния, карбид кремния, смесь диоксида циркония с оксидом алюминия и т.п. Дополнительно к этому или вместо этого, крупные зерна абразива могут содержать зерна суперабразива, содержащие алмаз, кубический нитрид бора или их смеси. В специфических вариантах преимущественно используют зерна суперабразива. В вариантах с использованием зерен суперабразива в качестве материала наполнителя могут быть использованы указанные здесь выше керамические материалы.

Что касается крупнозернистого абразива, то дополнительно можно указать, что крупные зерна абразива могут иметь средний размер частиц ориентировочно не более 300 мкм, например ориентировочно не более 200 мкм или даже ориентировочно не более 100 мкм. В соответствии со специфическим вариантом средний размер частиц крупнозернистого абразива лежит в диапазоне ориентировочно от 2.0 мкм до 300 мкм, например в диапазоне ориентировочно от 10 мкм и 200 мкм, а более конкретно в диапазоне ориентировочно от 10 мкм и 100 мкм. Типичный крупнозернистый абразив имеет средний размер частиц в диапазоне ориентировочно от 25 мкм до 75 мкм.

Как уже было указано здесь выше, крупнозернистый абразив содержит матрицу связующего материала. В целом, матрица связующего материала может содержать металл или металлический сплав. Подходящими металлами являются железо, алюминий, титан, бронза, никель, серебро, цирконий, их сплавы и т.п. В соответствии с одним из вариантов крупнозернистый абразив содержит ориентировочно не более 90 об.% связующего материала, например, ориентировочно не более 85 об.% связующего материала. Типично, крупнозернистый абразив содержит ориентировочно не меньше чем 30 об.% связующего материала или даже ориентировочно не меньше чем 40 об.% связующего материала. В специфическом варианте крупнозернистый абразив содержит ориентировочно от 40 об.% и 90 об.% связующего материала. Примеры специфических абразивных кругов приведены в патентах США 6,102,789; 6,093,092 и 6,019,668, которые включены в данное описание в качестве ссылки.

В целом, процесс шлифования крупнозернистым абразивом предусматривает установку необработанной сапфировой пластины на держателе и вращение сапфировой пластины относительно поверхности крупнозернистого абразива. На фиг.2 схематично показано типичное устройство 200 для шлифования. Устройство 200 для шлифования содержит держатель 201, на котором установлена необработанная пластина 203, таким образом, что она по меньшей мере частично заглублена в держатель 201. За счет вращения держателя 201 необработанная пластина 203 приводится во вращение. Шлифовальный круг 205 (показанный в разрезе), который содержит абразивную кромку 207, приводится во вращение относительно необработанной пластины 203, за счет чего происходит шлифование поверхности необработанной пластины; пластина 203 и шлифовальный круг 205 могут вращаться в одном и том же направлении (например, по часовой стрелке или против часовой стрелки), причем шлифование происходит за счет смещения осей вращения. В дополнение к вращению шлифовального круга 205 к нему приложена направленная вниз сила 209.

Можно видеть, что круг 205 имеет главным образом круговой ободок 207 из крупнозернистого абразива вокруг периметра внутреннего круга. В соответствии с одним из вариантов, процесс шлифования крупнозернистым абразивом предусматривает вращение абразивного круга со скоростью ориентировочно больше чем 2000 оборотов в минуту (об/мин), например ориентировочно больше чем 3000 об/мин, а типично в диапазоне от 3000 до 6000 об/мин. Типично, используют охлаждающую жидкость, которая содержит воду и органические хладагенты.

В специфическом варианте используют крупнозернистый абразив с самозаправкой (с самозаправкой абразивной поверхности). В отличие от большинства обычных связанных абразивов абразив с самозаправкой в целом не требует заправки или дополнительного приведения к требуемым характеристикам во время использования, и особенно хорошо подходит для точного, воспроизводимого шлифования. Что касается характеристики самозаправки, то матрица связующего материала может иметь специфическую композицию, пористость и концентрацию относительно зерен, чтобы получать желательное разрушение матрицы связующего материала, когда абразивные зерна открывают кромки износа. В этом случае разрушение матрицы связующего материала происходит тогда, когда открываются кромки износа за счет повышения приложенной к матрице нагрузки. Разрушение матрицы желательным образом приводит к потере (отрыву) изношенных зерен и открывает свежие зерна и их свежие режущие кромки. В частности, матрица связующего материала крупнозернистого абразива с самозаправкой может иметь вязкость разрушения ориентировочно менее 6.0 МПа·м^1/2, например, ориентировочно менее 5.0 МПа·м^1/2, а в частности, вязкость разрушения может лежать в диапазоне ориентировочно от 1.0 МПа·м^1/2 до 3.0 МПа·м^1/2.

В целом, крупнозернистый абразив с самозаправкой частично замещает связующий материал с порами, и типично имеет взаимосвязанную пористость. Таким образом, действительное содержание связующего материала является пониженным относительно указанных выше значений. В соответствии со специфическим вариантом крупнозернистый абразив имеет пористость ориентировочно не меньше чем 20 об.%, например ориентировочно не меньше чем 30 об.%, с типичными диапазонами ориентировочно от 30 об.% до 80 об.%, например, ориентировочно от 50 об.% до 80 об.% или от 30 об.% до 70 об.%. В соответствии с одним из вариантов крупнозернистый абразив содержит ориентировочно от 50 об.% до 70 об.% пористости. Следует иметь в виду, что пористость может быть открытой или закрытой, и крупнозернистые абразивы, которые имеют более значительное процентное содержание пористости, в целом имеют открытую пористость с взаимосвязанными порами. Размер пор в целом может лежать в диапазоне ориентировочно от 25 мкм до 500 мкм, например составлять ориентировочно от 150 мкм до 500 мкм. Указанные выше и другие указанные здесь связанные с порами величины относятся к различным компонентам до обработки или шлифования.

В соответствии с одним из вариантов содержание зерен в крупнозернистом абразиве ограничивают для того, чтобы дополнительно улучшить характеристики самозаправки. Например, крупнозернистый абразив содержит ориентировочно не более 50 об.%, не более 40 об.%, не более 30 об.%, например ориентировочно не более 20 об.% или даже ориентировочно не более 10 об.% крупных зерен абразива. В одном специфическом варианте крупнозернистый абразив содержит ориентировочно не меньше чем 0.5 об.% и ориентировочно не более 25 об.% крупных зерен абразива, например имеет содержание крупных зерен абразива в диапазоне ориентировочно от 1.0 об.% до 15 об.% или, в частности, содержание крупных зерен абразива в диапазоне ориентировочно от 2.0 об.% до 10 об.%.

На фиг.3 показаны два графика сравнения нормальной силы, приложенной к шлифовальному кругу в функции времени шлифования, для абразивной поверхности с самозаправкой и традиционной абразивной поверхности. Можно видеть, что абразив с самозаправкой имеет главным образом постоянную пиковую нормальную силу в течение каждой из трех показанных операций 301, 302 и 303 (301-303) шлифования. Кроме того, пиковая нормальная сила ориентировочно имеет одну и ту же величину во всех операциях 301-303 шлифования. В отличие от этого, в случае традиционной абразивной поверхности необходимо увеличивать силу между индивидуальными операциями 304, 305, 306 и 307 (304-307) шлифования, чтобы эффективно шлифовать поверхность, а также необходимо увеличивать силу во время каждой индивидуальной операции 304-307 шлифования. Существует большая опасность того, что такое увеличение нормальной силы во время шлифования будет вызывать существенные поверхностные и подповерхностные дефекты (будет создавать высокую плотность вероятности дефектов) и невоспроизводимость шлифования, даже при частых операциях заправки.

В соответствии с одним из вариантов приложение пиковой нормальной силы во время шлифования с использованием крупнозернистого абразива с самозаправкой предусматривает приложение силы, нормальной к поверхности подложки, которая составляет ориентировочно не более 200 Н/мм ширины (при измерении вдоль площади контакта между подложкой и шлифовальным кругом) в течение времени операции шлифования. В соответствии с другим вариантом приложенная пиковая нормальная сила ориентировочно не превышает 150 Н/мм ширины, например составляет ориентировочно не более 100 Н/мм ширины, или даже ориентировочно не более 50 Н/мм ширины в течение времени операции шлифования.

После шлифования крупнозернистым абразивом пластины типично имеют среднюю шероховатость R_a поверхности ориентировочно менее 1 мкм. Типично, затем проводят шлифование мелкозернистым абразивом, не только для того, чтобы улучшить макроскопические характеристики подложки, в том числе плоскостность, изгиб, коробление, изменение полной толщины и шероховатость поверхности, но также и для того, чтобы устранить более мелкие дефекты, такие как подповерхностное повреждение кристалличности, в том числе чтобы уменьшить или устранить кристаллические дислокации.

В некоторых случаях первая операция шлифования крупнозернистым абразивом может быть опущена или замещена притиркой, в которой используют свободный (несвязанный) абразив, типично в виде суспензии. В таком случае во второй операции шлифования используют описанный здесь выше связанный абразив с самозаправкой.

Возвратимся опять к варианту, показанному на фиг.1. После завершения в операции 105 шлифования крупнозернистым абразивом сапфировая пластина может быть подвергнута процессу шлифования мелкозернистым абразивом в операции 107. Процесс шлифования мелкозернистым абразивом в целом позволяет удалять материал, чтобы главным образом устранить дефекты, вызванные операцией 105 шлифования крупнозернистым абразивом. В соответствии с одним из вариантов шлифование мелкозернистым абразивом позволяет удалять (снимать) ориентировочно не меньше чем 5.0 мкм материала с основной поверхности сапфировой подложки, например ориентировочно не меньше чем 8.0 мкм или ориентировочно не менее 10 мкм материала с основной поверхности сапфировой подложки. В соответствии с другим вариантом производят удаление большей толщины материала, например ориентировочно не меньше чем 12 мкм или даже ориентировочно не меньше чем 15 мкм материала удаляют с поверхности сапфировой подложки. Типично, шлифование мелкозернистым абразивом в операции 107 проводят только на одной поверхности, в отличие от процесса шлифования крупнозернистым абразивом в операции 105, который предусматривает шлифование обеих основных поверхностей необработанной сапфировой пластины.

Мелкозернистый абразив представляет собой связанный мелкозернистый абразив, который содержит мелкие абразивные зерна в матрице связующего материала. Мелкие абразивные зерна могут представлять собой обычные абразивные зерна, которые содержат кристаллические материалы или керамические материалы, в том числе оксид алюминия, диоксид кремния, карбид кремния, смесь диоксида циркония с оксидом алюминия, или могут представлять собой зерна суперабразива, содержащие алмаз и кубический нитрид бора, или их смеси. В специфических вариантах преимущественно используют зерна суперабразива. В вариантах с использованием зерен суперабразива в качестве материала наполнителя могут быть использованы указанные здесь выше керамические материалы.

В соответствии с одним из вариантов мелкозернистый абразив содержит ориентировочно не более 50 об.%, не более 40 об.%, не более 30 об.%, например ориентировочно не более 20 об.% или даже ориентировочно не более 10 об.% мелких абразивных зерен. В соответствии со специфическим вариантом мелкозернистый абразив содержит ориентировочно не меньше чем 0.5 об.% и ориентировочно не более 25 об.% мелких абразивных зерен, например, может иметь содержание в диапазоне ориентировочно от 1.0 об.% до 15 об.% мелких абразивных зерен, или в диапазоне ориентировочно от 2.0 об.% до 10 об.% мелких абразивных зерен.

В том что касается мелкозернистого абразива, то дополнительно можно указать, что мелкие зерна абразива могут иметь средний размер частиц ориентировочно не более 100 мкм, например ориентировочно не более 75 мкм или даже ориентировочно не более 50 мкм. В соответствии со специфическим вариантом средний размер частиц мелких абразивных зерен лежит в диапазоне ориентировочно от 2.0 мкм до 50 мкм, например в диапазоне ориентировочно от 5 мкм до 35 мкм. В целом, разница средних размеров частиц между крупнозернистым и мелкозернистым связанными абразивами составляет по меньшей мере 10 мкм, а типично по меньшей мере 20 мкм.

Как и крупнозернистый абразив, мелкозернистый абразив содержит матрицу связующего материала, которая может содержать металл или металлический сплав. Подходящими металлами являются железо, алюминий, титан, бронза, никель, серебро, цирконий и их сплавы. В соответствии с одним из вариантов мелкозернистый абразив содержит ориентировочно не более 70 об.% связующего материала, например ориентировочно не более 60 об.% связующего материала или даже ориентировочно не более 50 об.% связующего материала. В соответствии с другим вариантом мелкозернистый абразив содержит ориентировочно не более 40 об.% связующего материала. Как правило, мелкозернистый абразив содержит количество связующего материала, составляющее ориентировочно не меньше чем 10 об.%, типично не меньше чем 15 об.%, или не меньше чем 20 об.%.

Кроме того, мелкозернистый связанный абразив может иметь определенную степень пористости. В соответствии со специфическим вариантом мелкозернистый абразив имеет пористость ориентировочно не меньше чем 20 об.%, например ориентировочно не меньше чем 30 об.%, с типичным диапазоном ориентировочно от 30 об.% до 80 об.%, например, ориентировочно от 50 об.% до 80 об.% или от 30 об.% до 70 об.%. В соответствии с одним из вариантов, мелкозернистый абразив имеет пористость ориентировочно от 50 об.% до 70 об.%. Следует иметь в виду, что пористость может быть открытой или закрытой, причем мелкозернистые абразивы, которые имеют больший процент пористости, в целом имеют открытую пористость с взаимосвязанными порами. Размер пор обычно лежит в диапазоне ориентировочно от 25 мкм до 500 мкм, например ориентировочно от 150 мкм до 500 мкм.

Что касается процесса шлифования мелкозернистым абразивом в операции 107, то как уже было указано здесь выше, в этом процессе используют мелкозернистый абразив с самозаправкой. Аналогично крупнозернистому абразиву с самозаправкой, мелкозернистый абразив с самозаправкой содержит матрицу связующего материала, которая типично содержит металл, имеющую специфическую вязкость разрушения. В соответствии с одним из вариантов матрица связующего материала может иметь вязкость разрушения ориентировочно менее 6.0 МПа·м^1/2, например ориентировочно менее 5.0 МПа·м^1/2, в частности вязкость разрушения в диапазоне ориентировочно от 1.0 МПа·м^1/2 до 3.0 МПа·м^1/2. Специфические мелкозернистые абразивы с самозаправкой описаны в патентах США 6,755,729 и 6,685,755, которые полностью включены в данное описание в качестве ссылки.

В целом, в операции 107 шлифования мелкозернистым абразивом используют устройство, аналогичное тому, которое используют в операции 105 шлифования крупнозернистым абразивом. Таким образом, в целом, устанавливают необработанную сапфировую пластину на держателе и вращают сапфировую пластину относительно поверхности мелкозернистого абразива, а типично относительно поверхности абразивного круга, который главным образом имеет круговой абразивный ободок вокруг периметра внутреннего круга. В соответствии с одним из вариантов процесс шлифования мелкозернистым абразивом предусматривает вращение абразивного круга со скоростью ориентировочно больше чем 2000 оборотов в минуту (об/мин), например ориентировочно больше чем 3000 об/мин, а типично в диапазоне от 3000 до 6000 об/мин. Типично, используют охлаждающую жидкость, которая содержит воду и органические хладагенты.

Как уже было указано здесь выше, мелкозернистым абразивом может быть абразив с самозаправкой, который в целом имеет характеристики, аналогичные обсуждавшимся здесь выше характеристикам крупнозернистого абразива с самозаправкой. Однако, в соответствии с одним из вариантов, во время шлифования мелкозернистым абразивом прикладывают пиковую нормальную силу, которая составляет ориентировочно не более 100 Н/мм ширины в течение времени операции шлифования. В соответствии с другим вариантом пиковая нормальная сила ориентировочно не превышает 75 Н/мм ширины, например ориентировочно составляет не более 50 Н/мм ширины или даже ориентировочно не более 40 Н/мм ширины в течение времени операции шлифования.

Приведенное здесь выше описание крупнозернистого и мелкозернистого абразивов относится к компонентам из связанного абразива реальных шлифовальных кругов. Однако следует иметь в виду, что эти компоненты не образуют весь корпус круга, а только участок корпуса, который входит в контакт с обрабатываемой деталью (подложкой), причем компоненты из связанного абразива могут иметь форму сегментов.

После шлифования мелкозернистым абразивом необработанных сапфировых пластин пластины типично имеют среднюю шероховатость Ra поверхности ориентировочно менее 0.10 мкм, например ориентировочно менее 0.05 мкм.

После шлифования мелкозернистым абразивом сапфировых пластин в операции 107 пластины могут быть подвергнуты процессу снятия напряжений, описанному в патенте ЕР 0221454 В1. Этот процесс снятия напряжений может быть осуществлен при помощи травления или отжига. Отжиг может быть осуществлен при температуре свыше 1000°С в течение нескольких часов.

Вновь обратимся к варианту, показанному на фиг.1. После операции 107 шлифования мелкозернистым абразивом шлифованные сапфировые пластины подвергают полированию в операции 111. Как правило, при полировании используют суспензию, которую вводят между поверхностью пластины и полировальником, причем пластину и полировальник приводят в движение друг относительно друга, чтобы осуществить операцию полирования. Полирование с использованием суспензии в целом подпадает под категорию химико-механического полирования (СМР), причем суспензия может содержать свободные абразивные частицы, взвешенные в жидкой среде, что облегчает удаление точного количества материала с пластины. В соответствии с одним из вариантов операция 111 полирования представляет собой операцию СМР с использованием суспензии, которая содержит абразив и дополнительный состав, функцией которого может быть ускорение или замедление удаления материала. Химическим компонентом может быть, например, фосфорный компонент. Абразивом преимущественно является механический компонент, а дополнительный состав содержит химически активный компонент.

Свободный абразив в целом является наноразмерным и имеет средний диаметр частиц меньше чем 1 мкм, а типично меньше чем 200 нм. Типично, средние размеры частиц лежат внутри немного более узкого диапазона, например составляют ориентировочно от 10 до 150 нм. Для уточнения технических терминов укажем, что предложенную здесь операцию полирования проводят при среднем размере частиц ориентировочно менее 1 мкм, при этом получают высокую чистоту поверхности при малой интенсивности съема (удаления) материала. Если же использовать средние размеры частиц свыше 1.0 мкм, например ориентировочно от 2.0 до 5.0 мкм, то тогда операцию обработки можно характеризовать как операцию притирки. Отметим, что особенно полезным свободным абразивом является оксид алюминия, например, в виде поликристаллического или монокристаллического гамма оксида алюминия.

Как уже было указано здесь выше, в суспензию могут быть введены фосфорные добавки. Типично, фосфорные добавки вводят при концентрации в диапазоне ориентировочно от 0.05 до 5.0 вес.%, например в диапазоне ориентировочно от 0.10 вес.% до 3.0 вес.%. В специфических вариантах используют концентрацию в немного более узком диапазоне, например ориентировочно от 0.10 вес.% до 2.0 вес.%. В соответствии с одним из вариантов фосфорное соединение содержит кислород, причем кислород связан с фосфорным элементом. Этот класс материалов известен как оксофосфорные материалы. В частности, оксофосфорное соединение содержит фосфор в валентном состоянии один, три или пять, причем в специфических вариантах эффективную обработку проводят с использованием оксофосфорного соединения, в котором фосфор находится в валентном состоянии пять.

В соответствии с другими вариантами фосфор кроме кислорода может быть связан с углеродом, при этом получают органические фосфорные соединения, известные как фосфонаты. В качестве примеров других фосфорных соединений можно привести фосфаты, пирофосфаты, гипофосфаты, субфосфаты, фосфиты, пирофосфиты, гипофосфиты и фосфониевые соединения. Специфическими разновидностями фосфорных соединений являются фосфат калия, гексаметафосфат натрия, гидрокси фосфорно уксусная кислота (Belcor 575) и аминотри - (метилен фосфоновая кислота) (Mayoquest 1320).

В целом суспензия, которая содержит абразивный компонент и добавочное фосфорное соединение, является водной, то есть приготовленной на базе воды. Фактически, суспензия в целом имеет базовый pH, например pH ориентировочно свыше 8.0 или ориентировочно свыше 8.5, причем pH может доходить до 12.

Рассмотрим теперь вкратце устройство для полирования шлифованных сапфировых пластин. На фиг.4 схематично показано устройство для полирования в соответствии с одним из вариантов настоящего изобретения. Устройство 401 содержит инструмент, которым в этом случае является полировальник 410, и плиту, которая поддерживает полировальник. Плита и полировальник 410 имеют главным образом одинаковый диаметр. Плита вращается вокруг центральной оси, в направлении вращения, показанном стрелкой. Трафарет 412 имеет множество круговых углублений, в которые введены подложки 414, причем подложки 414 зажаты между полировальником 410 и трафаретом 412. Трафарет 412, в котором установлены подложки 414, вращается относительно своей центральной оси, причем r_p представляет собой радиус от центра вращения полировальника до центра трафарета 412, при этом r_t представляе