CN101342671A

CN101342671A - 水合抛光机

Info

Publication number: CN101342671A
Application number: CNA2008100634637A
Authority: CN
Inventors: 文东辉; 邓乾发; 陶黎; 洪滔
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2008-08-07
Filing date: 2008-08-07
Publication date: 2009-01-14
Anticipated expiration: 2028-08-07
Also published as: CN100593455C

Abstract

一种水合抛光机，包括机座、主轴电机、主轴、抛光盘、真空吸盘和吸盘电机，主轴电机与主轴传动连接，主轴安装在机座内，主轴的上端与抛光盘传动连接，真空吸盘位于抛光盘的上方，真空吸盘与吸盘电机传动连接，水合抛光机还包括蒸汽发生器、输汽管和基盘，蒸汽发生器的出口连接输汽管，主轴内部设有通孔，输汽管自下而上贯串通孔，主轴的上端与基盘的中心固接，基盘上部与抛光盘固接，在基盘和抛光盘之间设有过渡空腔，输气管穿过基盘与过渡空腔连通，过渡空腔的底部设有排水管，抛光盘开有通孔。本发明在加工蓝宝石晶体时既具有良好的加工质量，又具有高的加工精度、加工效率。

Description

水合抛光机

技术领域

本发明涉及抛光机领域，尤其是一种用于高亮度LED蓝宝石晶体抛光的抛光机。

背景技术

抛光加工是获得优质蓝宝石晶体表面的重要方法，制造高亮度LED的半导体材料体系提出的要求比传统LED更为严格。在异质结构中，蓝宝石晶圆因研磨、抛光等产生的微小内应力将改变AlN、AlGaN、GaN薄膜的晶格常数，导致薄膜应力的产生，当薄膜累积了过多的应力时，其表面会产生许多小凸起、裂纹与空隙；此外，衬底表面的划痕同样也能发映到外延层表面，良好表面粗糙度是低位错106-1010cm-3GaN薄膜生长的必要条件；蓝宝石晶圆表面晶格完整性直接影响镀膜厚度均匀性及透光性，这些因素与高亮度LED的发光效率与稳定性密切相关。目前国内高亮度LED所采用的蓝宝石衬底全部从日本、俄罗斯、美国等进口，国内尚未见有高亮度LED蓝宝石衬底的自主加工技术。国际社会对高亮度LED蓝宝石晶圆的加工技术严格保密和实施封锁，关键设备实行禁销，因此该方面的研究是我国实施半导体照明工程上游产业中亟待攻克的重要难题之一。

蓝宝石是一种相当难加工的材料，熔点高2040℃，硬度高9Mohs，目前主要的加工方法有机械抛光、化学抛光、化学机械抛光、激光冷抛光、机械化学抛光干式、湿式。

1、机械抛光采用金刚石、碳化硼、碳化硅等磨料，材料去除机理主要为磨粒磨损，虽然可以得到不错的表面粗糙度，但容易在工件表面产生微小划痕及造成次表面损伤。

2、化学抛光是以合适的介质如KOH、H₃PO₄、H₂SO₄、Cl₂/BCl₃、硼酸钠玻璃液(Na₂O-B₂O₃)等在高温下进行腐蚀来实现抛光的效果，化学抛光产生的破坏层深度较浅，但容易导致抛光雾斑，一般只用于生长前超光滑衬底的抛光来去除应力。

3、化学机械抛光一般采用Al₂O₃、金刚石微粉为磨料，强碱为抛光液，抛光过程中，强碱的化学液以化学反应使蓝宝石晶圆表面原子键结合强度变弱并且形成一层钝化层，再由磨料强制性机械力的方式将钝化层去除。图3为CMP过程中使用强碱pH10研磨液、1μm金刚石微粉所得到的加工表面，化学机械抛光最大的优点就是能使蓝宝石衬底实现全局平面化，但加工后的蓝宝石表面仍然存在细微的划痕。

4、激光冷抛光表面质量较高，不易产生裂纹，具有广泛的应用前景，但激光器设备较昂贵，抛光成本高，冷抛光机理的系统研究还很缺乏。

5、干式和湿式机械化学抛光Mechanical Chemical Polishing，MCP是目前蓝宝石晶圆抛光加工的主要手段。干、湿式机械化学抛光以软质粒子SiO₂为磨粒，利用固相化学反应作为材料去除方式，极大地改善化学机械抛光对蓝宝石晶圆表面引发的次表面损伤。虽然蓝宝石晶圆没有明显的磨粒划伤，但SiO₂磨料莫式硬度仍然高达7，导致抛光表面的转位缺陷十分明显，此外MCP所需要设备成本与技术要求非常高。随着纳米时代的来临，开发符合成本且可以达到亚纳米级绿色抛光技术乃时势所趋。

蓝宝石晶圆的机械抛光方法具有较高的加工精度和加工效率，但表面质量不能完全达到要求，化学抛光可以得到无加工变质层的平滑表面，却在加工精度和加工效率上存在一些问题。

传统抛光机分为单面抛光机和双面抛光机，它们在加工过程中都属于常温常压下的开放式(不用密封)加工，在加工过程中含有磨料的抛光液从抛光盘上方不断注入盘面，实际上就是工件、磨料和抛光盘三者之间的切削。由于抛光头的运动方式不同单面抛光机又可分为定偏心式、不定偏心式和摆动式；双面抛光机具有上抛光盘和下抛光盘两个盘面，分别对工件上下面进行抛光，工件由行星轮带动。前文所述几种对蓝宝石等难加工材料抛光的方法大多用这两种抛光机进行加工。

发明内容

为了克服已有的各种抛光机在加工蓝宝石晶体时不能兼顾加工质量和加工精度、加工效率的不足，本发明提供一种在加工蓝宝石晶体时既具有良好的加工质量，又具有高的加工精度、加工效率的水合抛光机。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种水合抛光机，包括机座、主轴电机、主轴、抛光盘、真空吸盘和吸盘电机，所述主轴电机与主轴传动连接，所述主轴安装在机座内，所述主轴的上端与抛光盘传动连接，所述真空吸盘位于所述抛光盘的上方，所述真空吸盘与吸盘电机传动连接，所述水合抛光机还包括蒸汽发生器、输汽管和基盘，所述蒸汽发生器的出口连接所述输汽管，所述主轴内部设有通孔，所述输汽管自下而上贯串所述通孔，所述主轴的上端与所述基盘的中心固接，所述基盘上部与抛光盘固接，在所述基盘和抛光盘之间设有过渡空腔，所述输气管穿过所述基盘与所述过渡空腔连通，所述过渡空腔的底部设有排水管，所述抛光盘开有通孔。

作为优选的一种方案：在所述基盘上安装用于对水蒸气进行加热的温控系统。

进一步，所述基盘的底部呈倾斜状，所述排水管安装在所述基盘的最低处。

更进一步，在所述通孔内设有保温石棉瓦，所述保温石棉瓦包覆在所述输汽管外。

所述蒸汽发生器包括水溶液储液罐、水蒸气发生装置和用于将水蒸气输出的泵，泵的输出端与所述输汽管连通。

所述主轴电机的输出轴设有第一带轮，所述第一皮带轮通过皮带与第二皮带轮传动连接，所述第二皮带轮安装在主轴的底端。

所述水合抛光机还包括机盖，所述机盖与机座固定密封连接。

本发明的技术构思为：综合利用机械抛光方法和化学抛光方法的优势，保持机械抛光的形状精度，求得化学抛光的无损伤加工面，基于这种思想，提供一种能够实现高亮度LED蓝宝石晶圆的混合汽体化学液辅助高温水蒸汽状态下具有微量加工特性的水合抛光机。

蒸汽发生器的输出端通过输汽管向抛光盘提供化学辅助高温水蒸汽，抛光盘体有很多通孔，使高温水蒸汽可以从通孔中溢出与工件接触，从而提高加工效果，温控系统对水蒸汽进行加热，以避免水蒸汽冷凝成水。

本发明的有益效果主要表现在：1、可以使蓝宝石得到不错的表面粗糙度，蓝宝石表面不会产生微小划痕或造成次表面损伤，可获得蓝宝石的全局平面化；2、机器设备成本低，加工条件简单，可以获得较高的加工精度和加工效率，具有广泛的应用前景；3、与其他抛光设备相比，本发明抛光机工作时不会产生很大的噪音，抛光过程无毒、无害，无粉尘产生，可以达到亚纳米级绿色无污染抛光，且抛光状态稳定，抛光面上不残留抛光纹路；4、化学液辅助高温水蒸汽通过蒸汽发生汽输出，实现水蒸汽的自动、均匀地供给；5、当电机通过皮带轮和皮带带动主轴和抛光盘转动时，输汽管可直接通过主轴的中心孔向抛光盘输送水蒸汽；6、基盘底部设为1∶100的坡度，且在边缘设有一排水阀，可以使冷凝的水蒸汽从盘的边缘排出；7、输汽管上有固定支架，固定支架可支撑输汽管并对其进行定位。

附图说明

图1是水合抛光机的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1，一种水合抛光机，包括机座3、主轴电机14、主轴12、抛光盘7、真空吸盘8和吸盘电机9，所述主轴电机14与主轴12传动连接，所述主轴12安装在机座3内，所述主轴12的上端与抛光盘7传动连接，所述真空吸盘8位于所述抛光盘7的上方，所述真空吸盘8与吸盘电机9传动连接，所述水合抛光机还包括蒸汽发生器1、输汽管2和基盘11，所述蒸汽发生器1的出口连接所述输汽管2，所述主轴12内部设有通孔，所述输汽管2自下而上贯串所述通孔，所述主轴12的上端与所述基盘11的中心固接，所述基盘11上部与抛光盘7固接，在所述基盘11和抛光盘7之间设有过渡空腔，所述输汽管2穿过所述基盘11与所述过渡空腔连通，所述过渡空腔的底部设有排水管5，所述抛光盘7开有通孔。

在所述基盘11上安装用于对水蒸气进行加热的温控系统。所述基盘11的底部呈倾斜状，所述排水管5安装在所述基盘的最低处。在所述通孔内设有保温石棉瓦4，所述保温石棉瓦4包覆在所述输汽管外。

所述蒸汽发生器1包括水溶液储液罐、水蒸气发生装置和用于将水蒸气输出的泵，泵的输出端与所述输汽管连通。所述主轴电14机的输出轴设有第一带轮，所述第一皮带轮通过皮带5与第二皮带轮传动连接，所述第二皮带轮安装在主轴12的底端。所述水合抛光机还包括机盖10，所述机盖10与机座1固定密封连接。

本实施例中，图1中箭头方向为水蒸汽的流动方向。所述蒸汽发生器1包括用于储存水溶液储液罐和用于将储液罐内的水溶液加热为水蒸汽的蒸汽发生器，和用于将水蒸汽输出给抛光盘的泵，泵的输出端与输汽管2连通。所述的输汽管2通过三角支架固定在机座上，并通过主轴内部通孔向抛光盘输送蒸汽，输汽管外面包裹一层保温石棉瓦4用于给化学液辅助高温水蒸汽保温。所述的主轴电机15通过皮带轮和皮带带动主轴；中心孔贯穿主轴，中心孔内部装有输汽管与基盘连通，基盘为可更换。所述的基盘11底部略微倾斜，坡度为1∶100，基盘内部中空，内部设置温控系统6在加工过程对水蒸汽进行加热。所述的主轴12与基盘11铆接在一起，主轴内部开有通孔，输汽管贯穿主轴内部与基盘连通。所述的抛光盘7通过螺钉固定在基盘上，基盘和主轴固结在一起，抛光盘由主轴电机带动；抛光盘体开有很多通孔，在抛光过程中，使蒸汽能从通孔中溢出，与工件接触。所述的抛光头为真空吸盘8是用来固定工件的，通过抽真空的方式将工件吸附在吸盘上，并随着吸盘电机9的带动，可以调节工件的转速；吸盘电机轴与机盖连接处有密封圈。所述的机盖10通过机械连接与机座固定，连接处有密封圈将加工区与外部隔绝。

本实施例的具体工作过程为：蒸汽发生器1中的混合水溶液在发生器的作用下通过泵，经输汽管2流入到基盘11与抛光盘7间的腔体中，抛光盘7通体开有很多通孔，可使水蒸汽从腔体中溢出，到达加工区域并与工件接触；此时机盖10与机座3已密封，当通入的高温水蒸汽机盖3内部达到2个大气压时，开动主轴电机14和吸盘电机9，带动抛光盘7和真空吸盘8旋转，实现抛光加工。

本实施例中，抛光盘厚度为20mm，直径为300-380mm，为实现均匀抛光，抛光盘的转速可调20rpm-120rpm，抛光盘材质、硬度、耐热性和抛光盘体开孔数量以及通孔在盘面的布置方式都由加工决定；基盘可以用陶瓷材料做成，并且使可替换的。温控系统可用微波加热的方式实现。

蒸汽发生器中混合水溶液的成分、粘度、pH值和化学稳定性以及水蒸汽的压力和温度都是针对不同规格的蓝宝石晶体而定的。

本实施例可应用于蓝宝石晶体亚纳米级光滑无损伤表面的无磨粒抛光。

Claims

1、一种水合抛光机，包括机座、主轴电机、主轴、抛光盘、真空吸盘和吸盘电机，所述主轴电机与主轴传动连接，所述主轴安装在机座内，所述主轴的上端与抛光盘传动连接，所述真空吸盘位于所述抛光盘的上方，所述真空吸盘与吸盘电机传动连接，其特征在于：所述水合抛光机还包括蒸汽发生器、输汽管和基盘，所述蒸汽发生器的出口连接所述输汽管，所述主轴内部设有通孔，所述输汽管自下而上贯穿所述通孔，所述主轴的上端与所述基盘的中心固接，所述基盘上部与抛光盘固接，在所述基盘和抛光盘之间设有过渡空腔，所述输气管穿过所述基盘与所述过渡空腔连通，所述过渡空腔的底部设有排水管，所述抛光盘开有通孔。

2、如权利要求1所述的水合抛光机，其特征在于：在所述基盘上安装用于对水蒸气进行加热的温控系统。

3、如权利要求1或2所述的水合抛光机，其特征在于：所述基盘的底部呈倾斜状，所述排水管安装在所述基盘的最低处。

4、如权利要求3所述的水合抛光机，其特征在于：在所述通孔内设有保温石棉瓦，所述保温石棉瓦包覆在所述输汽管外。

5、如权利要求4所述的水合抛光机，其特征在于：所述蒸汽发生器包括水溶液储液罐、水蒸气发生装置和用于将水蒸气输出的泵，泵的输出端与所述输汽管连通。

6、如权利要求4所述的水合抛光机，其特征在于：所述主轴电机的输出轴设有第一带轮，所述第一皮带轮通过皮带与第二皮带轮传动连接，所述第二皮带轮安装在主轴的底端。

7、如权利要求4所述的水合抛光机，其特征在于：所述水合抛光机还包括机盖，所述机盖与机座固定密封连接。