Источник: Журнал искусственных кристаллов

В настоящее время в индустрии полировки сапфира основным используется нанометровый диоксид кремния в качестве полировальной жидкости, при этом шероховатость поверхности после полировки (Ra, измеренная с помощью атомно-силового микроскопа) обычно составляет менее 0,3 нм. В процессе полировки реакция между диоксидом кремния и поверхностью сапфира происходит по следующей реакции, продуктом которой является дигидрат алюмосиликата：Al₂O₃ + 2SiO₂ + 2H₂O = Al₂Si₂O₇·2H₂O.

Хотя оксид алюминия (Al₂O₃) может использоваться как абразив для полировки сапфира, современное производство оксида алюминия обычно включает кальцинацию, измельчение и просеивание, что затрудняет получение однородного нанометрового размера частиц. Главной проблемой является высокая твердость оксида алюминия, которая вызывает сильные царапины на полированной поверхности; высокая вязкость затрудняет очистку поверхности и затрудняет достижение ровности. Несмотря на отдельные исследования применения оксида алюминия в качестве полировальной жидкости, данный метод остается экспериментальным, с основными проблемами:
(a) высокая требовательность к скорости вращения оборудования;
(b) относительно большая шероховатость поверхности сапфира;
(c) повышенное количество дефектов на поверхности;
(d) высокая стоимость.

В США Абхая К. Бакши и соавторы применяли карбид кремния (α- или β-фазы) с размерами частиц 100–400 нм для полировки сапфира. Для уменьшения царапин на поверхности сапфира они использовали силикатное покрытие для смягчения поверхности карбида кремния, поскольку такое покрытие пассивирует или уменьшает острые углы частиц карбида кремния. Ядро частицы по-прежнему состоит из твердого карбида кремния, сохраняя высокую скорость снятия материала. Они также использовали композитную полировальную жидкость из карбида кремния и диоксида кремния (30% SiC, 70% SiO₂) для обработки сапфира в R-направлении, что увеличивало скорость полировки на 30–50% по сравнению с чистым диоксидом кремния.

Добавление катализатора (Fe-Nx/C) в диоксид кремния повышает скорость полировки сапфира примерно на 15%; данный катализатор содержит оксид железа (Fe₂O₃, Fe₃O₄), пиридиновые и пиррольные формы азота. Использование ультразвука значительно увеличивает скорость удаления материала при полировке сапфира силикатным раствором (примерно в 3,8 раза) и снижает шероховатость. Ультразвук подается на полировальную головку одностороннего полировального станка. Возможные причины:
(1) увеличивается путь движения частиц SiO₂ по поверхности сапфира;
(2) повышается контактное давление между частицами SiO₂ и сапфиром;
(3) вибрация ультразвука и кавитация усиливают взаимодействие частиц SiO₂ с поверхностью сапфира.

Обычно направление кристалла сапфира – C-направление. Из-за высокой твердости и низкой химической активности сапфира скорость полировки сравнительно невысока, обычно не превышает 5–10 мкм/ч. В лаборатории Хэбэйского политехнического университета при использовании собственной полировальной жидкости с высоким значением pH (~12,5), высокой концентрацией абразива (50%) и температурой полировки до 45 °C скорость полировки достигала 11,3 мкм/ч. В Даляньском политехническом университете изучали влияние различных регуляторов pH (NaOH, KOH, Ca(OH)₂ и аммиака) на скорость полировки и обнаружили, что гидроксид калия значительно увеличивает скорость. В том же университете при добавлении 2% наночастиц оксида алюминия в SiO₂-полировальную жидкость скорость увеличивалась с 9 мкм/ч до 11,3 мкм/ч, при этом разбавление полировальной жидкости менялось с 1:1 до 1:2. Помимо оборудования, основным фактором, влияющим на скорость полировки, является состав полировальной жидкости.

Скорость полировки сапфира в направлениях A, M и R ниже, чем в C-направлении, что связано с различием кристаллографических направлений: C-направление — (0001) с цепочкой атомных связей O–Al–Al–O–Al–Al–O, а M и A направления — (10-10) и (11-20) с Al–O–Al–O связями. Поскольку связь Al–Al слабее, полировка C-направления более эффективна, так как разрушение происходит в Al–Al звеньях. Поэтому крайне важно разработать эффективные серии полировальных жидкостей для сапфира.

Полировальный процесс делится на одностороннюю и двустороннюю полировку. В отношении ровности (TTV) и деформации (WARP) сапфира двусторонняя полировка обычно обеспечивает лучшие результаты благодаря принципу обработки: во время двусторонней полировки пластина вращается вокруг своей оси и совершает орбитальное движение, что улучшает ровность. Кроме того, во время двусторонней полировки давление распределяется равномерно с обеих сторон, что снижает искривление.

С ростом требований к качеству конечного продукта все более важным становится качество поверхности. Помимо химической очистки, последний этап легкой полировки (buffing polish) перед окончанием процесса играет важную роль, хотя часто недооценивается. Легкая полировка характеризуется небольшим давлением, высокой скоростью вращения и коротким временем. Хорошо выполненная легкая полировка снижает шероховатость поверхности и уменьшает дефекты.