CN102501162A - 一种半导体非球面加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种半导体非球面加工方法，其包括以下步骤：1）对待加工的非球面进行分析；2）根据MRP，结合工作函数，确定出数控小磨头的工作参数，所述MRP为化学试剂在待加工非球面的半导体材料上的去除率；3）将半导体材料铣磨好最接近球面，然后固定在非球面数控加工中心上，将工作参数输入到非球面数控加工中心，对半导体材料进行抛光；4）一个周期抛光结束后，对半导体非球面进行检测，将检测数据反馈给非球面数控加工中心，重复步骤2、3、4直到半导体非球面的面形精度达标。本发明公实现了对半导体非球面的面形高精度高光洁度的抛光。

Description

一种半导体非球面加工方法
 
技术领域
本发明属于光学非球面数控加工领域，具体涉及一种半导体非球面加工方法。
背景技术
半导体材料作为光学元件有其独特的光学特性：1)热稳定好，在高温下不易变形。局部温度变化不会对整个面形造成影响，并且使用寿命长。2)在红外波段，抛光好的半导体光学元件具有高反射率，特别适用于高能激光系统，高反射率可以减少能量损失。
半导体材料在红外光学系统的应用越来越多，多采用非球面面型。特别是硅、锗材料，大量地应用到红外光学系统。激光红外光学系统要求光学元件的反射率较高，并且需要有非常高的光洁度，即要求半导体光学元件表面高精度和低粗糙度。
现阶段的半导体材料的加工方法及其难度。
1)半导体具有特殊材料特性。
半导体材料与周围介质(特别是与电解质溶液)相互作用而使材料自行分解，这就是半导体材料的腐蚀，腐蚀的结果不是产生新相就是发生溶解。一方面，利用半导体材料的这一特性可以在半导体表面刻蚀出点、斑、线条、孔、槽以及各种图案等；另一方面，如果要求半导体表面光洁度很好，此特性又成为制约半导体表面光洁度的一缺点。
2)现阶段半导体材料光学元件的加工方法。
对于半导体材料的加工，现阶段主要的方法有：传统的抛光方法和金刚石车床的方法。传统的加工方法适合于半导体平面和球面的加工，但加工非球面有相当大的难度；金刚石车床适合加工平面、球面和非球面半导体脆性材料，但由于非球面是金刚石车刀直接对表面进行车削，所以在半导体的表面会留下一圈一圏的车刀痕迹，如果用到激光红外系统，会造成能量的损失，有时还会出现衍射现象。
3)半导体材料非球面的加工难度
A、从材料特性讲：半导体是脆性材料，抛光时，表面容易被抛光液腐蚀。
B、从现有加工方式讲：用金刚石车床加工半导体非球面，受加工口径的限制，做不大，表面粗糙度不好，并且面形精度受限。
C、从非球面加工方式讲：非球面加工方式与球面和平面的加工方式有很大的区别，非球面加工经常进行局部抛修，因为抛光液对半导体表面的腐蚀，会出现局部光洁度不好的现象。仅凭加工人员的经验很难对抛光时间、抛光盘压力、抛光液的PH值等进行综合考虑。
化学机械抛光的主要特点：
1）化学机械抛光的过程：半导体表面与抛光液发生化学反应，生成易于去除的氧化表面;再通过抛光垫与芯片之间磨粒的机械作用，将氧化表面去除;最后，去除的产物被流动的抛光液带走，露出新的新鲜表面，继续循环去除。
2）化学机械抛光可实现半导体表面具有纳米量级表面精度和亚纳米级表面粗糙度。
3）化学机械抛光是一个典型的材料机械化学磨损过程，其机理涉及到摩擦学、力学、材料学、表面物理和化学等许多学科的知识。影响化学机械抛光质量的因素诸多，目前国内外还没有完全可以表达化学机械抛光的数学模型。
4）只使用化学机械抛光方式无法抛光非球面元件。非球面加工方式与球面和平面的加工方式有很大的区别，非球面加工中会经常使用修带、局部抛修的加工方式，因为抛光液对半导体表面的腐蚀，会出现局部光洁度不好的现象。
发明内容
为克服现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种半导体非球面加工方法，实现对半导体非球面的面形高精度高光洁度的抛光。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种半导体非球面加工方法，其包括以下步骤：
步骤1）对待加工的非球面进行分析，包括非球面的外形尺寸大小测量、最接近球面的计算及偏离量的计算，以得到非球面镜加工难度以及确定加工方案细节；
步骤2）根据MRP，结合工作函数，确定出数控小磨头的工作参数，所述MRP为化学试剂在待加工非球面的半导体材料上的去除率；
步骤3）将半导体材料铣磨好最接近球面，然后固定在非球面数控加工中心上，将工作参数输入到非球面数控加工中心，对半导体材料进行抛光；
步骤4）一个周期抛光结束后，对半导体非球面进行检测，将检测数据反馈给非球面数控加工中心，重复步骤2、3、4直到半导体非球面的面形精度达标。
进一步的，所述工作函数的表达式如下：
Figure 976177DEST_PATH_IMAGE002
，式中
Figure 955635DEST_PATH_IMAGE004
为数控小磨头与半导体接触区域中某点
Figure 797689DEST_PATH_IMAGE006
单位时间内的材料去除量及工作参数；
Figure 255215DEST_PATH_IMAGE008
为数控小磨头与工件间的相对压力；
Figure 131904DEST_PATH_IMAGE010
为数控小磨头与半导体的相对运动速度；为与加工过程的比例常数。
进一步的，所述MRP的表达式如下：
Figure 414210DEST_PATH_IMAGE014
，式中，
Figure 737744DEST_PATH_IMAGE016
是化学试剂中磨料和半导体材料的接触面积，
Figure 468939DEST_PATH_IMAGE018
为磨料的直径，
Figure 586937DEST_PATH_IMAGE020
为磨料的体积浓度，
Figure 403583DEST_PATH_IMAGE022
为氧化原子/分子半径，
Figure 202912DEST_PATH_IMAGE024
为表面原子/分子的转化氧化百分数，0<
Figure 2011103493685100002DEST_PATH_IMAGE025
<1，表示机械作用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明实现了对半导体非球面的面形高精度高光洁度的抛光，具体来说：
(1)本发明结合数控技术和化学机械抛光的优点，可以实现对半导体材料和一些其它晶体材料的非球面面形进行抛光。
(2)本发明采用了数控技术，提高了半导体非球面的加工效率，结合化学机械抛光，提高了表面面形精度和表面光洁度。
(3)本发明采用数控化学机械复合抛光方法，可以加工大口径半导体非球面光学元件。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的半导体非球面加工方法的示意图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。
参见图1所示，一种半导体非球面加工方法，其，包括以下步骤：
步骤1）对待加工的非球面进行分析，包括非球面的外形尺寸大小测量、最接近球面的计算及偏离量的计算，以得到非球面镜加工难度以及确定加工方案细节；
步骤2）根据MRP，结合工作函数，确定出数控小磨头的工作参数，所述MRP为化学试剂在待加工非球面的半导体材料上的去除率；
步骤3）将半导体材料铣磨好最接近球面，然后固定在非球面数控加工中心上，将工作参数输入到非球面数控加工中心，对半导体材料进行抛光；
步骤4）一个周期抛光结束后，对半导体非球面进行检测，将检测数据反馈给非球面数控加工中心，重复步骤2、3、4直到半导体非球面的面形精度达标。
进一步的，所述工作函数的表达式如下：
Figure 975565DEST_PATH_IMAGE002
，式中
Figure 530043DEST_PATH_IMAGE004
为数控小磨头与半导体接触区域中某点
Figure 913880DEST_PATH_IMAGE006
单位时间内的材料去除量及工作参数；
Figure 251321DEST_PATH_IMAGE008
为数控小磨头与工件间的相对压力；
Figure 19426DEST_PATH_IMAGE010
为数控小磨头与半导体的相对运动速度；
Figure 354592DEST_PATH_IMAGE012
为与加工过程的比例常数。
进一步的，所述MRP的表达式如下：
Figure 208147DEST_PATH_IMAGE014
，式中，
Figure 349279DEST_PATH_IMAGE016
是化学试剂中磨料和半导体材料的接触面积，
Figure 909573DEST_PATH_IMAGE018
为磨料的直径，
Figure 743537DEST_PATH_IMAGE020
为磨料的体积浓度，
Figure 756492DEST_PATH_IMAGE022
为氧化原子/分子半径，
Figure 701314DEST_PATH_IMAGE024
为表面原子/分子的转化氧化百分数，0<
Figure 116115DEST_PATH_IMAGE025
<1，
Figure 183297DEST_PATH_IMAGE027
表示机械作用。
以上所述仅为本发明的优选实施案例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1. 一种半导体非球面加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1）对待加工的非球面进行分析，包括非球面的外形尺寸大小测量、最接近球面的计算及偏离量的计算，以得到非球面镜加工难度以及确定加工方案细节；
步骤2）根据MRP，结合工作函数，确定出数控小磨头的工作参数，所述MRP为化学试剂在待加工非球面的半导体材料上的去除率；
步骤3）将半导体材料铣磨好最接近球面，然后固定在非球面数控加工中心上，将工作参数输入到非球面数控加工中心，对半导体材料进行抛光；
步骤4）一个周期抛光结束后，对半导体非球面进行检测，将检测数据反馈给非球面数控加工中心，重复步骤2、3、4直到半导体非球面的面形精度达标。
2. 根据权利要求1所述的半导体非球面加工方法，其特征在于，所述工作函数的表达式如下：
Figure 17228DEST_PATH_IMAGE002
，式中为数控小磨头与半导体接触区域中某点
Figure 35048DEST_PATH_IMAGE006
单位时间内的材料去除量及工作参数；
Figure 273132DEST_PATH_IMAGE008
为数控小磨头与工件间的相对压力；
Figure 260679DEST_PATH_IMAGE010
为数控小磨头与半导体的相对运动速度；
Figure 671938DEST_PATH_IMAGE012
为与加工过程的比例常数。
3. 根据权利要求1或2所述的半导体非球面加工方法，其特征在于，所述MRP的表达式如下：
Figure 795752DEST_PATH_IMAGE014
，式中，
Figure 142419DEST_PATH_IMAGE016
是化学试剂中磨料和半导体材料的接触面积，
Figure 685439DEST_PATH_IMAGE018
为磨料的直径，为磨料的体积浓度，
Figure 81972DEST_PATH_IMAGE022
为氧化原子/分子半径，为表面原子/分子的转化氧化百分数，0<
Figure 2011103493685100001DEST_PATH_IMAGE025
<1，
Figure 2011103493685100001DEST_PATH_IMAGE027
表示机械作用。
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