CN101982303A - 开槽型冰冻固结磨料抛光垫及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种开槽型冰冻固结磨料抛光垫，其特征是在抛光垫与被加工工件相对的一面的中心设有一个盲孔(1)，在盲孔(1)的周转设有凹槽(2)，所述的盲孔(1)的直径d=e-r，式中e为抛光垫的偏心距，r为抛光工件半径，偏心距的取值一般为20mm～105mm，盲孔(1)的深度取值为10mm～20mm，凹槽(2)的深度约为盲孔(1)的深度的50-70%；所述的凹槽(2)的槽宽在5mm到10mm之间。本发明在传统的冰冻固结磨料抛光垫上制造出不同形状、不同类型的槽。主要通过开槽模具的作用，形成各种槽型。该抛光垫可用于抛光加工各种薄形工件，尤其适于加工热敏性材料、软材料、晶体材料等。具有制造简单、加工成本低、加工效率高、工艺控制能力强、绿色环保等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种冰冻固结磨料抛光垫，尤其是一种抛光效率高，均匀性好的抛光垫，具体地说是一咱开槽型冰冻固结磨料抛光垫及其制备方法。
背景技术
众所周知，传统的CMP（化学机械抛光法）系统是由一个旋转的工件夹持装置、承载抛光垫的工作台和抛光液（浆料）供给系统三大部分组成。抛光时，旋转的工件以一定的压力压在随工作台一起旋转的抛光垫上，而由亚微米或纳米磨料和化学液组成的抛光液在工件与抛光垫之间流动，并在工件表面产生化学反应，工件表面形成的化学反应物由磨粒的机械摩擦作用去除。由于选用比工件软或者与工件硬度相当的游离磨料，在化学成膜和机械成膜的交替过程中，通过化学和机械的共同作用从工件表面去除极薄的一层材料，实现超精密表面加工。尽管这种传统的CMP技术在超精密表面加工中得到广泛应用，但在实际应用中也显现出一定的缺点：（1）传统的CMP是基于三体（游离磨料、抛光垫和硅片）磨损机理，工艺参数多、加工过程不稳定，不易实现自动控制，生产效率低。（2）由于抛光垫是具有一定弹性的有机织物，抛光时对材料去除的选择性不高，导致产生过度抛光（Over polishing）、碟形凹陷(Dishing)、氮化物腐蚀（Nitride erosion）等缺陷。（3）抛光后一部分游离磨料会镶嵌在薄膜层表面，不易清洗。而且浆料成分复杂，抛光表面残留浆料的清除是CMP后清洗的难题。(4) 由于在抛光垫和工件之间磨粒分布不均匀，工件各部分的材料去除率不一致，影响表面平坦度。特别是对大尺寸工件，这种影响更突出。（5）抛光过程中，抛光垫产生塑性变形而逐渐变得光滑，或抛光垫表面微孔表面发生堵塞使其容纳浆料和排除废屑的能力降低，导致材料去除率随时间下降。需要不断地修整和润湿抛光垫以恢复其表面粗糙度和多孔性。此外抛光垫的不均匀磨损，使得抛光过程不稳定，很难进行参数优化。（6）CMP浆料、抛光垫、修整盘等耗材的成本占CMP总成本的70％左右，而抛光浆料的成本就占耗材的60％～80％。（7）抛光浆料管理和废料浆处理也相当麻烦。
综上所述，随着对CMP平坦化的效率、成本、均匀性、可靠性、工艺控制能力等的要求越来越高。目前在利用抛光垫进行精加工时，急需一种适应性强，制造方便，磨削热小，采用固结磨料的抛光垫代替传统CMP中的游离磨料和抛光垫供使用。
发明内容
本发明的目的是针对现有的冰冻固结磨料抛光垫在抛光过程中去除速率低、抛光应力分布不均匀、抛光效果不尽人意的问题，提供一种开槽型冰冻固结磨料抛光垫及其制备方法，以适应目前既要保证工件抛光质量又能提高经济效益的要求。
本发明的技术方案之一是：
一种开槽型冰冻固结磨料抛光垫，其特征是在抛光垫与被加工工件相对的一面的中心设有一个盲孔1，在盲孔1的周转设有凹槽2，所述的盲孔（1）的直径d=e-r，式中e为抛光垫的偏心距，r为抛光工件半径，偏心距的取值一般为20 mm～105 mm；盲孔（1）的深度取值为10 mm～20 mm，，凹槽2的深度约为盲孔1的深度的50-70%；所述的凹槽2的槽宽在5 mm 到10 mm之间。
所述的凹槽沿槽方向截面同水平面的夹角在60°到120°之间。
所述的凹槽（2）呈方格形、放射线形、同心圆形、正螺旋线形或反螺旋线形布置在抛光垫与被加工工件相对的一面上。
本发明的技术方案之二是：
一种开槽型冰冻固结磨料抛光垫的制备方法，其特征是包括以下步骤：
（1）首先，将占抛光垫总重量10%～70%的分散均匀、悬浮性好的纳米或微米级磨料、占抛光垫总重量的5%～9%的添加剂及余量的最终结成冰的液体配制成抛光液；
（2）其次，将抛光液倒入抛光垫制备模具中；
（3）将与最终成形的抛光垫上的凹槽及盲孔相配的开槽模具放入抛光垫制备模具中；
（4）将放置有开槽模具的抛光垫制备模具放入冷冻设备中，在－1℃至－70℃的条件下进行冷冻，使模具中的糊状物完全凝固成固体
（5）将开槽模具从冰冻固体中取出；
（6）将抛光垫制备模具与冰冻固结磨料分离即得所需的带有开槽的冰冻固结磨料抛光垫。
所述的开槽模具可采用导热性良好的铝材或者不易对冰产生粘接力的非金属材料（如聚四氟乙烯等），并且模具与冰接触的表面平整光滑，易于去模。
所述的开槽模具为金属模具，在金属模具中预埋有电阻丝，冻制完成后通电一定时间，开槽模具发热将其外侧的冰少量融化后即可将其迅速从已冻结的冰冻固结磨料中拔出实现开槽模具的脱模。
所述的开槽模具为上端开口，下端封闭的金属模具，该金属模具中形成有一个与最终成形的盲孔1及凹槽2相配的孔槽结构，它倒置于抛光垫制备模具中的抛光液中，冰冻固结结束后，用少量热水倒于开槽模具的朝上的金属底上，待冰层略微融化后，即可将开槽模具拔除。
本发明的有益效果：
1、加工过程中产生的磨削热很小，有利于防止被磨削零部件热应力的产生。
2、可实现自润滑磨削，加工过程中可不添加润滑剂，有利于环境保护，适应当前绿色制造的发展方向。
3、为超薄晶体材料的制造提供了行之有效的加工工具。
4、为软性材料和非金属材料零件的高精度表面加工提供了全新的加工工具，必将引起材料加工方式的变革，有利于开拓这类材料的新的用途。
5、能在高速下工作，转速可以打到几百转，有利于提高加工效率，克服了传统的CMP转速过高磨料外溢的缺点。
6、由于采用固结磨料抛光垫，没有游离磨粒，因此可认为是基于两体磨损机理。
7、具有优越的平坦化能力，可以很快去除突出部分的氧化膜，而在低洼处的氧化膜不受机械作用影响，对凹凸表面材料的选择性去除能力强，表面形貌高度与平整化薄膜厚度之比可达到200：1。
8、在芯片多层布线中使直接高密度等离子体(HDP)浅沟槽隔离（STI）抛光成为可能，不再需要反应离子刻蚀（RIE）过程。
9、可达到很小的晶片内非均匀性（WIW-UN）和芯片内非均匀性（WID-NU）。
10、具有抛光自停功能（Self-stopping）。由于对过抛很不敏感，只产生最小的碟形凹陷和腐蚀，相当于抛光行为自动停止。
11、磨料利用率高，有效地减少杂质微粒对抛光表面的污染，加工表面容易清洗，废液处理简单，可有效降低成本。
12、工艺变量少，加工过程稳定，具有可重复性，容易实现自动化控制。
13、根据添加剂的不同，其发明还可用于制造非CMP磨削用磨具，可用于水晶、玻璃等行业的最终抛光。
14、粘结强度完全能满足使用要求。当液体结成冰后其硬度和强度相当大，既确保磨粒与冰结合的强度，冰本身也可参与一定的切削。
15、可以有效地解决抛光过程的容屑问题，大大提高冰冻固结磨料的抛光效率。
16、可以得到更优化的抛光应力分布，得到更优的平面度，得到良好的抛光表面。
17.本发明经过大量的实验证明，只有所选择的参数满足本发明的取值范围时才能取得最佳的磨削效果。
附图说明
图1本发明的开槽型冰冻固结磨料抛光垫示意图。
图2本发明的开槽型冰冻固结磨料抛光垫沟槽正视图，图a为倾斜角60°，图b为倾斜角120°。
图3本发明的开槽型冰冻固结磨料抛光垫的各种槽型结构示意图，图3中（a）为方格形，（b）为放射线形，（c）为同心圆形，（d）为正螺纹线形，（e）为反螺纹线形。
图4 本发明的开槽模具的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
实施例一。
如图1、2、3、4所示。
一种超薄材料抛光用开槽型冰冻固结磨料抛光垫，由10kg纳米CeO2（或纳米SiO2）磨料、5kg添加剂及85kg的水（或含水乙醇）冻结而成。制备前先将三者混合使之形成分散均匀、悬浮性好的抛光液。然后将其倒入抛光垫制备模具中，并将图4所示的金属开槽模具置于抛光垫制备模具中的抛光液之上，然后连同抛光垫制备模具一起放入低温试验箱中冷冻50分钟，并在-30℃保温30分钟。然后用热水浇在开槽模具的底部使之稍稍加热后轻轻拔除，即形成如图1所示的盲孔直径为105厘米，深度为3厘米，放射线形凹槽深度为20毫米，宽度为5毫米的凹槽，抛光垫的形状如图1、2所示。使用时快速将抛光垫安装在带有冷却装置或液氮的动力头上即可开机使用，采用此抛光垫加工微晶玻璃可使表面粗糙度值达到Ra=1.02 nm, 比采用不开槽的冰冻固结磨料抛光的效率提高近30倍。
具体实施时，开槽模具的形状还可采用图3中的方格形、正螺旋线形、反螺纹线形或同心圆形中的任一种。
具体实施时，盲孔1的直径还可根据公式D=e-r进行选择，同样的，盲孔1的深度、凹槽2的深度及宽度也可根据本发明技术方案的所公开的范围进行自行选择。
具体实施时，凹槽2最好采用斜槽，即倾斜的角度α可在60°到120°之间选择（可含90度，也可不含90度），即凹槽沿槽方向截面同水平面的夹角可在60°到120°之间。其中图2（a）为60度，图2（b）为120度。
采用带有如图2(a)所示的方格形凹型的抛光垫加工蓝宝石，加工的去除效率比普通CMP效率提高了近10倍，且加工应力分布更为均匀，面形精度比普通冰冻固结磨料抛光更为优异。
本实施例的开槽模具如图4所示，使用薄壁铝材制成，形成一个环状密闭模具。使用时将其倒置于抛光液之上，一起放入高低温试验箱进行冷冻。取模时，仅需在模具上方倒入适量热水，模具一经松动即可去模。使用该模具，去模方便快捷，且受热均匀，不会造成冰层的裂纹，安全环保。
实施例二。
一种超薄材料抛光用开槽型冰冻固结磨料抛光垫，由50kg纳米CeO2（或纳米SiO2）磨料、8kg添加剂及42kg的水（或含水乙醇）冻结而成。其余与实施例一相同。
实施例三。
一种超薄材料抛光用开槽型冰冻固结磨料抛光垫，由70kg纳米CeO2（或纳米SiO2）磨料、9kg添加剂及21kg的水（或含水乙醇）冻结而成。其余与实施例一相同。
实施例四。
如图1-4所示。
一种超硬材料抛光用开槽型冰冻固结磨料抛光垫，由纳米金刚石磨料（或纳米Al2O3磨料、纳米SiC磨料、纳米Cr2O3磨料）25kg、添加剂6及水69（或含水乙醇）组成，使用前先将三者混合均匀使之形成磨料处于分散、悬浮状的胶状混合物，再将其压入抛光垫制备模具中。在同心圆形金属开槽模具中预埋电热丝后将开槽模具置于胶状混合物之上，然后连同模具一起放入低温试验箱中冷冻35分钟，并在零下70度下保温30分钟。将模具取出，在电热丝上通电5分钟后，立即将开槽模具取出，形成如图3(c)所示的槽型。然后快速将其安装在带有冷却装置或液氮的动力头上即可开机使用。采用此抛光垫加工CVD金刚石厚膜可使表面粗糙度值达到Ra=3.23 nm, 比传统的不开槽型冰冻固结磨料抛光效率提高10～20倍。
实施例五。
如图1-4所示。
一种超硬材料抛光用开槽型冰冻固结磨料抛光垫，由纳米金刚石磨料（或纳米Al2O3磨料、纳米SiC磨料、纳米Cr2O3磨料）40kg、添加剂6及水54（或含水乙醇）组成，使用前先将三者混合均匀使之形成磨料处于分散、悬浮状的胶状混合物，再将其压入抛光垫制备模具中。在同心圆形金属开槽模具中预埋电热丝后将开槽模具置于胶状混合物之上，然后连同模具一起放入低温试验箱中冷冻35分钟，并在零下70度下保温30分钟。将模具取出，在电热丝上通电5分钟后，立即将开槽模具取出，形成如图3(e)所示的槽型。
实施例六。
如图1-4所示。
一种超硬材料抛光用开槽型冰冻固结磨料抛光垫，由纳米金刚石磨料（或纳米Al2O3磨料、纳米SiC磨料、纳米Cr2O3磨料）60kg、添加剂9及水31或含水乙醇）组成，使用前先将三者混合均匀使之形成磨料处于分散、悬浮状的胶状混合物，再将其压入抛光垫制备模具中。在同心圆形开槽模具中预埋电热丝后将金属开槽模具置于胶状混合物之上，然后连同模具一起放入低温试验箱中冷冻35分钟，并在零下70度下保温30分钟。将模具取出，在电热丝上通电5分钟后，立即将开槽模具取出，形成如图3(d)所示的槽型。然后快速将其安装在带有冷却装置或液氮的动力头上即可开机使用。
实施例七。
本实施例与可由实施例一～实施例六中的任一例演变而成，所不同的是开槽模具所采用的材料为非金属材料，在非金属材料表面最好涂有易脱模的分型剂，以利于脱模，同时对于非金属开槽模具的表面应尽可能光滑，以利于脱出。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (7)
1.一种开槽型冰冻固结磨料抛光垫，其特征是在抛光垫与被加工工件相对的一面的中心设有一个盲孔（1），在盲孔（1）的周转设有凹槽（2），所述的盲孔（1）的直径d=e-r，式中e为抛光垫的偏心距，r为抛光工件半径，偏心距的取值一般为20 mm～105 mm；盲孔（1）的深度取值为10 mm～20 mm，凹槽（2）的深度约为盲孔（1）的深度的50-70%；所述的凹槽（2）的槽宽在5mm 到10mm之间。
2.如权利要求1所述的冰冻固结磨料抛光垫，其特征在于所述的凹槽沿槽方向截面同水平面的夹角在60°到120°之间。
3.如权利要求1所述的开槽型冰冻固结磨料抛光垫，其特征是所述的凹槽（2）呈方格形、放射线形、同心圆形、正螺旋线形或反螺旋线形布置在抛光垫与被加工工件相对的一面上。
4.一种开槽型冰冻固结磨料抛光垫的制备方法，其特征是包括以下步骤：
（1）首先，将占抛光垫总重量10%～70%的分散均匀、悬浮性好的纳米或微米级磨料、占抛光垫总重量的5%～9%的添加剂及余量的最终结成冰的液体配制成抛光液；
（2）其次，将抛光液倒入抛光垫制备模具中；
（3）将与最终成形的抛光垫上的凹槽及盲孔相配的开槽模具放入抛光垫制备模具中；
（4）将放置有开槽模具的抛光垫制备模具放入冷冻设备中，在－1℃至－70℃的条件下进行冷冻，使模具中的糊状物完全凝固成固体
（5）将开槽模具从冰冻固体中取出；
（6）将抛光垫制备模具与冰冻固结磨料分离即得所需的带有开槽的冰冻固结磨料抛光垫。
5.根据权利要求4所述的槽型冰冻固结磨料抛光垫的制备方法，特征是所述的开槽模具为导热性良好的铝材或者不易对冰产生粘接力的非金属材料。
6.根据权利要求4所述的槽型冰冻固结磨料抛光垫的制备方法，特征是所述的开槽模具为金属模具，在金属模具中预埋有电阻丝，冻制完成后通电一定时间，开槽模具发热将其外侧的冰少量融化后即可将其迅速从已冻结的冰冻固结磨料中拔出实现开槽模具的脱模。
7.根据权利要求4所述的槽型冰冻固结磨料抛光垫的制备方法，特征是所述的开槽模具为上端开口，下端封闭的金属模具，该金属模具中形成有一个与最终成形的盲孔（1）及凹槽（2）相配的孔槽结构，它倒置于抛光垫制备模具中的抛光液中，冰冻固结结束后，用少量热水倒于开槽模具的朝上的金属底上，待冰层略微融化后，即可将开槽模具拔除。
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