CN101716745B - 一种超声辅助化学机械抛光蓝宝石衬底材料的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于蓝宝石衬底材料的抛光技术领域的一种超声辅助化学机械抛光蓝宝石衬底材料的装置及方法。超声电源通过导线、碳刷和铜滑环接入超声换能器的正负接线柱上，超声换能器将电信号转化为机械振动信号，超声振动通过变幅杆传递给抛光头及安装在其上的蓝宝石衬底。本发明与传统的化学机械抛光工艺相比，由于采用了超声振动与化学机械复合作用的结构，降低蓝宝石衬底的抛光成本和时间，提高蓝宝石衬底的表面形貌精度，满足其作为衬底材料的性能要求，提高了抛光效率和质量，抛光效率提高了1倍以上，抛光后蓝宝石表面粗糙度小于埃级。本发明的超声辅助化学机械抛光工艺操作简单，方便实用。

Description

一种超声辅助化学机械抛光蓝宝石衬底材料的装置及方法

技术领域

本发明属于蓝宝石衬底材料的抛光技术领域，特别涉及一种超声辅助化学机械抛光蓝宝石衬底材料的装置及方法。

背景技术

蓝宝石是一种集优良的光学性能、物理性能和化学性能于一体的多功能氧化物晶体。单晶蓝宝石硬度仅次于金刚石，具有很好的热特性、耐磨性、电器特性和介电特性，因此广泛应用于光电子、通讯、国防等领域，其中很重要的应用就是作为GaN基发光二极管(LED)的衬底材料。LED是当今世界最有发展前途的节能技术和产业，作为LED外延片和芯片产品最重要基础材料的蓝宝石材料，则是国际高端LED芯片产业上游技术产品。随着科学技术的不断发展，上述应用领域对蓝宝石衬底的加工精度和表面质量要求越来越高，而蓝宝石晶体作为典型的难加工材料，目前还没有非常成熟的高效低损伤加工工艺。

化学机械抛光(CMP)是目前唯一能够实现全局平坦化的抛光技术，然而由于其工艺的复杂性，人们对于CMP机理仍缺乏深入的认识，许多方面还需要进行深入地研究。用CMP技术对蓝宝石衬底进行抛光时，存在材料去除率低，表面质量不够好的问题。超声振动加工技术已经被证明是加工硬脆性材料的高效技术。为了提高蓝宝石衬底的抛光效率和质量，在传统CMP技术中加入超声振动来辅助其抛光。

发明内容

本发明的目的是提供一种超声辅助化学机械抛光蓝宝石衬底材料的装置及方法。

一种超声辅助化学机械抛光蓝宝石衬底材料的装置，其特征在于，超声电源控制箱1通过导线与安装在碳刷支架4上的碳刷5相连，碳刷5通过导电铜滑环7将超声电源正负极接到超声换能器6的正负极，超声换能器6与变幅杆13通过螺纹相连接，抛光头14固定在变幅杆13的下端；变幅杆13通过滚动轴承9穿过支撑板11，滚动轴承9外圈通过螺钉固定在支撑板11上，内圈固定在变幅杆13上，直线电机A10通过皮带8和滚动轴承9带动变幅杆13和抛光头14旋转，滚动轴承9、直线电机A10和碳刷支架4均安装在支撑板11上；支撑板11与滑杆12相连接，滑杆12设置在定位导向杆3上，定位导向杆3通过固定支脚2安装在花岗岩底座25上，气缸21通过输气软管与气道连接，通过气压表20调节气缸21里的空气压力大小，气缸21带动滑杆12在定位导向杆3内上下移动，从而带动支撑板11及其上固定部件上下移动，用以调整抛光头14的位置；抛光头14下设置抛光盘17，抛光盘17上设有抛光垫16，抛光盘17设置在箱体23上，箱体23内安装的直线电机B22通过控制系统带动抛光盘17和抛光垫16旋转，箱体23通过调平螺栓24静置在花岗岩底座25上；蓝宝石衬底材料15安装在抛光头14上，抛光液18由蠕动泵19输送到抛光垫16与蓝宝石衬底材料15之间。

所述超声换能器6由压电陶瓷片和绝缘片构成。

所述直线电机A10带动旋转的变幅杆13和抛光头14与直线电机B22带动旋转的抛光垫16和抛光盘17同转速同方向转动。

所述抛光压力由支撑板11及其上固定部件自重减去或加上空气压力得到。

所述抛光头14为台阶式弯曲振动圆盘，将超声换能器6沿竖直方向的振动转化为超声弯曲振动，即含有竖直方向和水平方向的振动分量。

所述抛光头14绕着竖直轴旋转，同时具有竖直方向和水平方向的超声振动。

一种超声辅助化学机械抛光蓝宝石衬底材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将蓝宝石衬底材料15安装在抛光头14上；

(2)启动直线电机A10和直线电机B22，控制抛光头14与抛光垫16及抛光盘17同转速同方向转动；

(3)启动蠕动泵19，将抛光液18输送到抛光垫16上；

(4)打开气道开关，空气由输气软管进入气缸21，通过气压表20调节气缸21里的空气压力大小，使支撑板11沿着定位导向杆3竖直向下移动至蓝宝石衬底材料15与抛光垫16接触；

(5)支撑板11及其上固定部件自重减去或加上空气压力即为抛光压力；

(6)启动超声电源控制箱1，超声电源通过导线、碳刷5和导电铜滑环7接入超声换能器6的正负接线柱上，超声换能器6将电信号转化为机械振动信号，超声振动通过变幅杆13传递给抛光头14及安装在其上的蓝宝石衬底材料15，由此，在超声能量和抛光液18、抛光垫16的化学机械共同作用下，实现对蓝宝石衬底材料15的超声辅助化学机械抛光；

(7)完成工作后关闭所有开关。

本发明的有益效果为：本发明与传统的化学机械抛光工艺相比，由于采用了超声振动与化学机械复合作用的结构，降低蓝宝石衬底的抛光成本和时间，提高蓝宝石衬底的表面形貌精度，满足其作为衬底材料的性能要求，提高了抛光效率和质量，抛光效率提高了1倍以上，抛光后蓝宝石表面粗糙度小于埃级。本发明的超声辅助化学机械抛光工艺操作简单，方便实用。

附图说明

图1是本发明超声辅助化学机械抛光装置结构示意图；

图2是抛光头(台阶式弯曲振动圆盘)结构示意图；

图3是抛光头(台阶式弯曲振动圆盘)超声振动示意图；

图中标号：1-超声电源控制箱；2-固定支脚；3-定位导向杆；4-碳刷支架；5-碳刷；6-超声换能器；7-铜滑环；8-皮带；9-滚动轴承；10-直线电机A；11-支撑板；12-滑杆；13-变幅杆；14-抛光头；15-蓝宝石衬底材料；16-抛光垫；17-抛光盘；18-抛光液；19-蠕动泵；20-气压表；21-气缸；22-直线电机B；23-箱体；24-调平螺栓；25-花岗岩底座。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

一种超声辅助化学机械抛光蓝宝石衬底材料的装置，结构示意图如图1所示，超声电源控制箱1通过导线与安装在碳刷支架4上的碳刷5相连，碳刷5通过导电铜滑环7将超声电源正负极接到超声换能器6的正负极，超声换能器6由压电陶瓷片和绝缘片构成，超声换能器6与变幅杆13通过螺纹相连接，抛光头14固定在变幅杆13的下端；变幅杆13通过滚动轴承9穿过支撑板11，滚动轴承9外圈通过螺钉固定在支撑板11上，内圈固定在变幅杆13上，直线电机A10通过皮带8和滚动轴承9带动变幅杆13和抛光头14旋转，滚动轴承9、直线电机A10和碳刷支架4均安装在支撑板11上；支撑板11与滑杆12相连接，滑杆12设置在定位导向杆3上，定位导向杆3通过固定支脚2安装在花岗岩底座25上，气缸21通过输气软管与气道连接，通过气压表20调节气缸21里的空气压力大小，气缸21带动滑杆12在定位导向杆3内上下移动，从而带动支撑板11及其上固定部件上下移动，用以调整抛光头14的位置；抛光头14下设置抛光盘17，抛光盘17上设有抛光垫16，抛光盘17设置在箱体23上，箱体23内安装的直线电机B22通过控制系统带动抛光盘17和抛光垫16旋转，直线电机A10带动旋转的变幅杆13和抛光头14与直线电机B22带动旋转的抛光垫16和抛光盘17同转速同方向转动，箱体23通过调平螺栓24静置在花岗岩底座25上；蓝宝石衬底材料15安装在抛光头14上，抛光液18由蠕动泵19输送到抛光垫16与蓝宝石衬底材料15之间。

所述抛光头14为台阶式弯曲振动圆盘，将超声换能器6沿竖直方向的振动转化为超声弯曲振动，即含有竖直方向和水平方向的振动分量，抛光头结构示意图如图2所示，超声振动示意图如图3所示。所述抛光头14绕着竖直轴旋转，同时具有竖直方向和水平方向的超声振动。图3中λ/2指的是在抛光头中传播的超声波的1/2波长，此处所用的抛光头要求主要是形状。

所述抛光压力由支撑板11及其上固定部件自重减去或加上空气压力得到。

一种超声辅助化学机械抛光蓝宝石衬底材料的方法，包括如下步骤：

(1)将蓝宝石衬底材料15安装在抛光头14上；

(2)启动直线电机A10和直线电机B22，控制抛光头14与抛光垫16及抛光盘17同转速同方向转动；

(3)启动蠕动泵19，将抛光液18输送到抛光垫16上；

(4)打开气道开关，空气由输气软管进入气缸21，通过气压表20调节气缸21里的空气压力大小，使支撑板11沿着定位导向杆3竖直向下移动至蓝宝石衬底材料15与抛光垫16接触；

(5)支撑板11及其上固定部件自重减去或加上空气压力即为抛光压力；

(6)启动超声电源控制箱1，超声电源通过导线、碳刷5和导电铜滑环7接入超声换能器6的正负接线柱上，超声换能器6将电信号转化为机械振动信号，超声振动通过变幅杆13传递给抛光头14及安装在其上的蓝宝石衬底材料15，由此，在超声能量和抛光液18、抛光垫16的化学机械共同作用下，实现对蓝宝石衬底材料15的超声辅助化学机械抛光；

(7)完成工作后关闭所有开关。

该方法的主要工艺参数如下：

超声电源电压：AC220V±5％，50Hz±1％；

工作频率：20±1kHz；

超声波最大输出功率：2500W；

工作气压：0.0～0.2Mpa；

抛光盘及抛光垫转速：0～100r/min；

抛光头转速：0～200r/min。

在超声的作用下，蓝宝石衬底材料15的物性参数发生变化，如离子间的结合能下降等，同时抛光液18中的抛光颗粒撞击材料表面以及超声空化引起的超声空蚀等作用，提高了蓝宝石衬底材料15的抛光效率和抛光质量。

Claims (7)

1.一种超声辅助化学机械抛光蓝宝石衬底材料的装置，其特征在于，超声电源控制箱(1)通过导线与安装在碳刷支架(4)上的碳刷(5)相连，碳刷(5)通过导电铜滑环(7)将超声电源正负极接到超声换能器(6)的正负极，超声换能器(6)与变幅杆(13)通过螺纹相连接，抛光头(14)固定在变幅杆(13)的下端；变幅杆(13)通过滚动轴承(9)穿过支撑板(11)，滚动轴承(9)外圈通过螺钉固定在支撑板(11)上，内圈固定在变幅杆(13)上，直线电机A(10)通过皮带(8)和滚动轴承(9)带动变幅杆(13)和抛光头(14)旋转，滚动轴承(9)、直线电机A(10)和碳刷支架(4)均安装在支撑板(11)上；支撑板(11)与滑杆(12)相连接，滑杆(12)设置在定位导向杆(3)上，定位导向杆(3)通过固定支脚(2)安装在花岗岩底座(25)上，气缸(21)通过输气软管与气道连接，通过气压表(20)调节气缸(21)里的空气压力大小，气缸(21)带动滑杆(12)在定位导向杆(3)内上下移动，从而带动支撑板(11)及其上固定部件上下移动，用以调整抛光头(14)的位置；抛光头(14)下设置抛光盘(17)，抛光盘(17)上设有抛光垫(16)，抛光盘(17)设置在箱体(23)上，箱体(23)内安装的直线电机B(22)通过控制系统带动抛光盘(17)和抛光垫(16)旋转，箱体(23)通过调平螺栓(24)静置在花岗岩底座(25)上；蓝宝石衬底材料(15)安装在抛光头(14)上，抛光液(18)由蠕动泵(19)输送到抛光垫(16)与蓝宝石衬底材料(15)之间。

2.根据权利要求1所述的一种超声辅助化学机械抛光蓝宝石衬底材料的装置，其特征在于，所述超声换能器(6)由压电陶瓷片和绝缘片构成。

3.根据权利要求1所述的一种超声辅助化学机械抛光蓝宝石衬底材料的装置，其特征在于，所述直线电机A(10)带动旋转的变幅杆(13)和抛光头(14) 与直线电机B(22)带动旋转的抛光垫(16)和抛光盘(17)同转速同方向转动。

4.根据权利要求1所述的一种超声辅助化学机械抛光蓝宝石衬底材料的装置，其特征在于，抛光压力由支撑板(11)及其上固定部件自重减去或加上空气压力得到。

5.根据权利要求1所述的一种超声辅助化学机械抛光蓝宝石衬底材料的装置，其特征在于，所述抛光头(14)为台阶式弯曲振动圆盘，将超声换能器(6)沿竖直方向的振动转化为超声弯曲振动，即含有竖直方向和水平方向的振动分量。

6.根据权利要求1所述的一种超声辅助化学机械抛光蓝宝石衬底材料的装置，其特征在于，所述抛光头(14)绕着竖直轴旋转，同时具有竖直方向和水平方向的超声振动。

7.权利要求1所述的装置抛光蓝宝石衬底材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将蓝宝石衬底材料(15)安装在抛光头(14)上；

(2)启动直线电机A(10)和直线电机B(22)，控制抛光头(14)与抛光垫(16)及抛光盘(17)同转速同方向转动；

(3)启动蠕动泵(19)，将抛光液(18)输送到抛光垫(16)上；

(4)打开气道开关，空气由输气软管进入气缸(21)，通过气压表(20)调节气缸(21)里的空气压力大小，使支撑板(11)沿着定位导向杆(3)竖直向下移动至蓝宝石衬底材料(15)与抛光垫(16)接触；

(5)支撑板(11)及其上固定部件自重减去或加上空气压力即为抛光压力；

(6)启动超声电源控制箱(1)，超声电源通过导线、碳刷(5)和导电铜滑环(7)接入超声换能器(6)的正负接线柱上，超声换能器(6)将电信号转化为 机械振动信号，超声振动通过变幅杆(13)传递给抛光头(14)及安装在其上的蓝宝石衬底材料(15)，由此，在超声能量和抛光液(18)、抛光垫(16)的化学机械共同作用下，实现对蓝宝石衬底材料(15)的超声辅助化学机械抛光；

(7)完成工作后关闭所有开关。 

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