CN100540220C - 基于摩擦发光的超精密加工装置及其图像监测方法 - Google Patents

Abstract

基于摩擦发光的超精密加工装置及其图像监测方法，涉及机械制造业的技术领域，尤其涉及基于摩擦发光化合物的超精密加工装置的技术领域。本发明的抛光片支持架动力系统的下端连接支持夹具，支持夹具的下端连接抛光片，抛光片的下端对应设置基片，抛光片与基片之间填充有摩擦发光磨料、磨料；检测光源发射的检测光通过二相色镜反射到光谱扫描平台上，并传输到设置在光谱扫描平台上端的扫描镜头上，上述检测光经过扫描镜头到达基片支持架。本发明实现了通过监测半固着磨料抛光的在线过程，我们可以优化磨料在抛光区的停留时间和磨料输送抛光区的方式，从而提高抛光效率的目的。

Description

基于摩擦发光的超精密加工装置及其图像监测方法

技术领域

本发明涉及机械制造业的技术领域，尤其涉及基于摩擦发光化合物的超精密加工装置的技术领域。

背景技术

超精密加工工艺在大面积硅片和光学玻璃的抛光加工中是主导方法。半固着磨料在超精密加工的应用和研究越来越得到重视。但是，随着硅片直径的加大，对于半固着磨料在抛光区的分布的研究要求越来越高，同时磨料在加工区的分布也成为影响加工的表面粗糙度的关键因素。本发明利摩擦发光磨料，研制超精密加工的材料的磨料在加工区分布的基本问题，并为新的抛光工具的研制提供手段。

大面积半导体硅片和光学材料在电子和光学高端检测的行业需求日益增加。随着目前12英寸硅片投入生产，对于更大面积的硅片的制造工艺的研究一直没有停止。在电子制造领域，研制面向大面积硅片微细加工的设备的驱动一直没有停止。例如研制大面积的STEP暴光设备、大直径硅锭的生长设备、大直径硅片的切、磨、抛等设备的研究一直都是先进制造的攻关对象。目前，国内许多高校和研究所在大面积硅片的磨削、抛光设备的研究进行了一定的研究：例如大连理工大学开发了硅片自旋转的磨抛设备、浙江工业大学袁巨龙教授提出利用半固着磨料进行抛光的原理等等。国外这方面的研究一直也很多，德国、日本相关的电子装备的制造厂家研制了多种大面积的抛光设备并产业化。由于这些设备属于高技术范畴，通常这些设备无法进口，必须进行自主创新开发。由于我国在这方面的研究起步晚，很多研究一直处于跟踪研究的阶段，因此国产的大面积磨抛设备面市的很少，同时相关原始创新的研究也很少。并且由于电子制造行业的技术门槛高和行业的内在习惯，国产设备在生产线上的可靠性也没有得到充分的验证，而无法直接在生产线上应用。目前，在大面积磨抛的领域，我们自主创新的产品工艺不多也制约了相关设备的研制。但是，大面积硅片磨抛等相关设备最近两年列入江苏省科技攻关计划，开发具有自主知识产权的设备对于提高自主创新水平具有十分重要的意义。

浙江工业大学精密加工实验室袁巨龙教授综述提出了半固着磨料在抛光中占有重要的位置。与前面的问题类似，半固着磨料在抛光区如何工作的问题研究特别少。目前，对于固着磨料，例如砂轮、砂带等进行磨削工具的表面形貌的研究比较普遍。对于半固着磨料许多研究都从整体效应进行考虑，各种提高半固着磨料的方法例如磁场、电泳等得到研究，但是对于加工区磨料如何分布、停留的时间等基础问题的研究很少。随着研究的深入，对于加工区的磨料分布的研究显得特别重要。袁巨龙教授提出利用荧光材料监测加工环境，但是由于荧光材料的引入可能对抛光区有影响和加工背景对荧光检测的影响，效果不十分明显。机械发光和摩擦发光是一种古老的现象，目前在晶体材料介电性能的研究中摩擦发光研究很多，同时高强度的摩擦发光材料的研究最近也有报道。Nathan C Eddingsaas和Kenneth S Suslick研究表明通过超声摩擦发光可以提高发光的效率。因此，我们提出利用摩擦发光材料与半固着磨料的混合物进入加工区，通过检测摩擦发光现象就可以监测半固着磨料抛光的在线过程。这对于解决半固着磨料抛光的基本问题提出了一种可行的办法。

发明内容

技术问题：本发明针对目前半固着磨料抛光过程中磨料在抛光区分布统计分析存在的问题，研制具有摩擦发光的磨料，并监测抛光区磨料的发光特性从而从统计角度研究半固着磨料抛光的机理。

技术方案：本发明为实现上述目的，采用如下的技术方案：

本发明的加工装置本装置包括抛光硬件系统和光谱检测系统两部分，所述抛光硬件系统包括抛光片支持架动力系统、抛光片、支持夹具、摩擦发光磨料、磨料、基片、基片支持架、基片支持架动力系统；抛光片支持架动力系统的下端连接支持夹具，支持夹具的下端连接抛光片，抛光片的下端对应设置基片，基片的下端连接基片支持架，基片支持架的下端连接基片支持架动力系统，上述抛光片与基片之间分别填充有摩擦发光磨料、磨料；上述光谱检测系统II包括检测光源、光谱扫描平台、扫描镜头、二相色镜、检测电荷耦合器件、计算机，检测光源发射的检测光通过二相色镜反射到光谱扫描平台上，并传输到设置在光谱扫描平台上端的扫描镜头上，上述检测光经过扫描镜头到达基片支持架，基片支持架反射后传输到设置在二相色镜下方的检测电荷耦合器件上，并传输到计算机上；上述抛光片支持架动力系统、检测光源、检测电荷耦合器件分别与计算机连接；上述抛光片支持架动力系统与基片支持架动力系统的转动方向相反但速度不同。

本发明的图像监测方法包括如下步骤：

步骤一：上述摩擦发光磨料或磨料是由氧化铝或者立方氮化硼或者金刚石与含有8羟基喹啉金属配合物的聚合物发光材料按照1∶1或1∶2或1∶3或1∶4的比例混合而成，利用聚合物磨具工艺制备而成；

步骤二：启动抛光片支持架动力系统，支持夹具在抛光片支持架动力系统的带动下使得抛光片转动；启动基片支持架动力系统，基片支持架在基片支持架动力系统的带动下使得基片转动；

步骤三：设置在抛光片与基片之间的摩擦发光磨料或普通磨料在抛光硬件系统I内抛光，同时产生一定的光谱；

步骤四：上述步骤三中产生的光谱图象由安装在扫描平台上的扫描镜头进行检测，扫描镜头的光线通过二相色镜入射到检测电荷耦合器件的靶面上，并传输到计算机上；

步骤五：计算机对检测电荷耦合器件的信号进行监测，得到抛光区的光谱图象，从而实时显示抛光区的工艺过程。

本发明的摩擦发光磨料采用自组装的方法将摩擦发光集合物包容磨料周围。首先将氧化铝或者立方氮化硼或者金刚石与含有8羟基喹啉金属配合物的聚合物发光材料进行混合，在一定的比例(1∶1或1∶2或1∶3或1∶4)下进行成型，在磨料的表面修饰光子晶体材料，将修饰磨料与微修饰磨料加入抛光区，在抛光区进行半固着磨料的抛光实验。接着在在线监测的设备上进行半固着磨料抛光监测实验。利用光谱扫描检测摩擦发光的光谱特性，通过光谱特性的统计分析研究磨料在抛光区的分布，研究半固着磨料抛光的机理。通过监测半固着磨料抛光的在线过程，我们可以优化磨料在抛光区的停留时间(工件和磨具的旋转速度)和磨料输送抛光区的方式(位置、压力)，从而提高大面积硅片的抛光效率。

有益效果：本发明采用上述技术方案，与现有技术相比具有如下优点：

本发明针对目前半固着磨料抛光过程中磨料在抛光区分布统计分析存在的问题，研制具有摩擦发光的磨料，并监测抛光区磨料的发光特性从而从统计角度研究半固着磨料抛光的机理。本发明从摩擦发光的基础研究半固着磨料在抛光区的分别与停留，提供一种新的抛光工艺。通过监测半固着磨料抛光的在线过程，可以优化磨料在抛光区的停留时间(工件和磨具的旋转速度)和磨料输送抛光区的方式(位置、压力)，从而提高大面积硅片的抛光效率。

附图说明

图1是本发明的结构原理图。

图中：抛光片支持架动力系统1；抛光片2；支持夹具3；摩擦发光磨料4；磨料5；基片6；基片支持架7；支持架动力系统8；检测光源9；光谱扫描平台10；扫描镜头11；二相色镜12；检测电荷耦合器件13；计算机14。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明，如图1所示，本发明的超精密加工装置包括：抛光硬件系统I和光谱检测系统II两部分，所述抛光硬件系统I包括抛光片支持架动力系统1、抛光片2、支持夹具3、摩擦发光磨料4、磨料5、基片6、基片支持架7、基片支持架动力系统8；抛光片支持架动力系统1的下端连接支持夹具3，支持夹具3的下端连接抛光片2，抛光片2的下端对应设置基片6，基片6的下端连接基片支持架7，基片支持架7的下端连接基片支持架动力系统8，上述抛光片2与基片6之间分别填充有摩擦发光磨料4、磨料5；上述光谱检测系统II包括检测光源9、光谱扫描平台10、扫描镜头11、二相色镜12、检测电荷耦合器件13、计算机14，检测光源9发射的检测光通过二相色镜12反射到光谱扫描平台10上，并传输到设置在光谱扫描平台10上端的扫描镜头11上，上述检测光经过扫描镜头11到达基片支持架7，基片支持架7反射后传输到设置在二相色镜12下方的检测电荷耦合器件13上，并传输到计算机14上；上述抛光片支持架动力系统1、检测光源9、检测电荷耦合器件13分别与计算机14连接；上述抛光片支持架动力系统1与基片支持架动力系统8的转动方向相反但速度不同。

本发明的图像监测方法，包括如下步骤：

步骤一：上述磨料5或摩擦发光磨料4是由氧化铝或者立方氮化硼或者金刚石与含有8羟基喹啉金属配合物的聚合物发光材料按照1∶1或1∶2或1∶3或1∶4的比例混合而成，利用聚合物磨具工艺制备而成；

步骤二：启动抛光片支持架动力系统1，支持夹具2在抛光片支持架动力系统1的带动下使得抛光片2转动；启动基片支持架动力系统8，基片支持架7在基片支持架动力系统8的带动下使得基片6转动；

步骤三：设置在抛光片2与基片6之间的磨料5或摩擦发光磨料4在抛光硬件系统I内抛光，同时产生一定的光谱；

步骤四：上述步骤三中产生的光谱图象由安装在扫描平台10上的扫描镜头11进行检测，扫描镜头11的光线通过二相色镜12入射到检测电荷耦合器件13的靶面上，并传输到计算机14上；

步骤五：计算机14对检测电荷耦合器件13的信号进行监测，得到抛光区的光谱图象，从而实时显示抛光区的工艺过程。

Claims (2)

1、一种基于摩擦发光的超精密加工装置，其特征在于：本装置包括抛光硬件系统(I)和光谱检测系统(II)两部分，所述抛光硬件系统(I)包括抛光片支持架动力系统(1)、抛光片(2)、支持夹具(3)、摩擦发光磨料(4)、磨料(5)、基片(6)、基片支持架(7)、基片支持架动力系统(8)；抛光片支持架动力系统(1)的下端连接支持夹具(3)，支持夹具(3)的下端连接抛光片(2)，抛光片(2)的下端对应设置基片(6)，基片(6)的下端连接基片支持架(7)，基片支持架(7)的下端连接基片支持架动力系统(8)，上述抛光片(2)与基片(6)之间分别填充有摩擦发光磨料(4)、磨料(5)；上述光谱检测系统(II)包括检测光源(9)、光谱扫描平台(10)、扫描镜头(11)、二相色镜(12)、检测电荷耦合器件(13)、计算机(14)，检测光源(9)发射的检测光通过二相色镜(12)反射到光谱扫描平台(10)上，并传输到设置在光谱扫描平台(10)上端的扫描镜头(11)上，上述检测光经过扫描镜头(11)到达基片支持架(7)，基片支持架(7)反射后传输到设置在二相色镜(12)下方的检测电荷耦合器件(13)上，并传输到计算机(14)上；上述抛光片支持架动力系统(1)、检测光源(9)、检测电荷耦合器件(13)分别与计算机(14)连接；上述抛光片支持架动力系统(1)与基片支持架动力系统(8)的转动方向相反但速度不同。

2、一种利用权利要求1所述的基于摩擦发光的超精密加工装置的图像监测方法，其特征在于：所述图像监测方法包括：

步骤一：上述摩擦发光磨料(4)或磨料(5)是由氧化铝或者立方氮化硼或者金刚石与含有8羟基喹啉金属配合物的聚合物发光材料按照1∶1或1∶2或1∶3或1∶4的比例混合而成，利用聚合物磨具工艺制备而成；

步骤二：启动抛光片支持架动力系统(1)，支持夹具(2)在抛光片支持架动力系统(1)的带动下使得抛光片(2)转动；启动基片支持架动力系统(8)，基片支持架(7)在基片支持架动力系统(8)的带动下使得基片(6)转动；

步骤三：设置在抛光片(2)与基片(6)之间的摩擦发光磨料(4)或普通磨料(5)在抛光硬件系统(I)内抛光，同时产生一定的光谱；

步骤四：上述步骤三中产生的光谱图象由安装在扫描平台(10)上的扫描镜头(11)进行检测，扫描镜头(11)的光线通过二相色镜(12)入射到检测电荷耦合器件(13)的靶面上，并传输到计算机(14)上；

步骤五：计算机(14)对检测电荷耦合器件(13)的信号进行监测，得到抛光区的光谱图象，从而实时显示抛光区的工艺过程。

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