CN103639887A - 面向晶体基片表面加工的柔性气动抛光盘 - Google Patents

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Abstract

本发明为提供一种基于柔性气动抛光盘的晶体基片超精密加工工具，其特征在于：能够实现抛光盘柔性可调、对晶体基片大面积全局仿形以及对基片成品后翘曲变形的抑制三大功能，其主要结构包括抛光装置和气压传动装置两部分。所述抛光装置，主要由盘体支撑部件和抛光盘体构成，所述盘体支撑部件，其作用是对抛光盘体进行机械支撑，并通过计算机控制系统控制盘体的多自由度运动；所述气压传动装置，主要为抛光盘的弹性基体内提供可实时在线调控的气场，其特征在于，主要由气泵、电机和控制模块组成。所述抛光装置和所述气压传动装置通过传递导管连接。

Description

面向晶体基片表面加工的柔性气动抛光盘
技术领域
本发明涉及一种超精密加工领域的抛光装置，尤其涉及单晶硅片等功能晶体基片的超精密光整加工，能够实现降低表面残余应力，提高晶体基片成片率，减少环境污染的晶体基片超精密加工。
背景技术
以单晶硅片和蓝宝石等晶体所制成的功能晶体基片作为集成电路的主要衬底材料，其表面加工工艺代表了超精密加工中最先进的制造技术。为了降低集成电路芯片的生产成本和提高生产效率，目前晶体基片的加工制备技术向着尺寸越来越大，厚度越来越薄两个趋势快速发展。但是，随着晶体基片加工要求的提高，其加工难度也随之增加。主要由于晶体基片本身具有硬脆特性，加上加工过程中残余应力的存在，很容易出现基片翘曲变形或者破裂。尤其是在对大尺寸晶体基片进行减薄加工时，由于其加工过程需要更长的时间，基片表面残余应力分布更广，并且厚度越薄，越容易出现基片变形等现象，极端情况下甚至发生基片崩裂，使得大尺寸晶体基片加工效率、加工质量的进一步提高受到了极大的制约。
目前，国内外对于晶体基片表面超精密加工的主要手段，均采用硬式砂轮研磨抛光方法，并且抛光后还需要增加腐蚀去除的步骤，来得到超光滑低损伤的基片表面。但是为了适应晶体基片厚度减薄和大尺寸面积的发展要求，硬式砂轮研磨抛光则无法满足当前的加工要求，其主要原因在于：(1)面向大尺寸晶体基片加工时，磨削力的变化范围更广，出现基片凹凸等极端现象的几率更大，难以得到理想的加工质量；(2)针对大尺寸晶体基片加工时，由于加工时间的增加，其表面的残余应力也会累积，加上基片的厚度越来越薄，造成大尺寸基片加工后会翘曲，甚至崩裂；(3)腐蚀去除时，所使用的腐蚀液需要与基片产生相应的化学反应，从而实现材料去除，所以会产生大量的化学废液，造成严重的环境污染。
发明内容
为了克服现有硬式砂轮研磨抛光方法在对晶体基片进行表面加工时的诸多不利影响，并实现高效，低损，清洁的晶体基片超精密加工，本发明提供一种基于柔性气动抛光盘的晶体基片超精密加工工具，以达到提高基片加工效率，降低基片表面残余应力，提高基片成片率，并且绿色环保的加工目的。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
面向晶体基片的柔性气动抛光盘，能够实现抛光盘柔性可调、对晶体基片大面积全局仿形以及对基片成品后翘曲变形的抑制三大功能，其主要结构包括抛光装置和气压传动装置两部分。
所述抛光装置，其特征在于，主要由盘体支撑部件和抛光盘体构成，所述盘体支撑部件，其作用是对抛光盘体进行机械支撑，并通过计算机控制系统控制盘体的多自由度运动。
所述抛光盘体，其特征在于，主要由弹性基体层，粘结层和磨料层三部分构成，所述弹性基体层是由能够发生弹性形变的基体介质构成空心体，所述基体介质可由高聚物橡胶作为其基本构成材料，所述弹性基体层采用短纤维增强技术来提高其本身的硬度，所述短纤维增强技术中，短纤维拟选用超细尼龙纤维，通过乳胶共沉预处理使其在橡胶基质中分散，之后利用橡胶硫化技术使弹性基体成型，所述弹性基体层作为抛光盘的基本载体，通过粘结层将磨料层复合固结在其表面，来实现对晶体基片的超精密加工。
所述粘结层，其作用在于将磨料层与弹性基体层结合在一起，其特征在于，采用高分子粘结剂实现其结合作用，所述高分子粘结剂，可采用芳烷基酚醛树脂结合剂，在保证耐磨性、耐热性的基础上，也满足抛光盘对机械柔性的要求。
所述磨料层，经由粘结层的软固结作用，将其结合弹性基体层表面，其特征在于，磨料层中所选用的磨料采用能与基片发生化学反应的硬性磨料，硬度必须低于基片硬度，以免对基片本体造成划伤。
所述气压传动装置，主要为抛光盘的弹性基体内提供可实时在线调控的气场，其特征在于，主要由气泵、电机和控制模块组成，所述气泵主要为抛光盘内部提供稳定可靠的气场，所述电机主要为气泵提供功率支持，所述控制模块主要通过传感器对抛光工作表面进行应力检测，同时将被测信息反馈至控制芯片，对电机输出功率进行实时调整，从而达到对抛光盘内气压场的在线调控，使得抛光盘能够实现对晶体基片的柔性接触和全局仿形。控制模块和电机之间通过排线相连，抛光盘体和气压传动装置之间由传递导管相连，所述传递导管，其主要作用是连接气泵与柔性气动抛光盘体，并将调控后的压缩气体抛光盘体内。
进一步，所述抛光盘体具备磨料自砺和进给量微动调节两个特点，所述磨料自砺，指抛光盘表面的磨料在经过一段时间的加工工作后，磨料表面变钝，随着加工进程的进行，磨料产生脱落或者破碎，重新露出能够产生加工效果的磨料刃口；所述进给量微动调节，指抛光盘通过弹性基体本身的弹性形变特性以及气压调节作用，能够实现加工过程中进给量的微动调节，从而避免因为进给量不当而对晶体基片造成损坏。
本发明可与功能晶体基片表面超精密加工系统相连接，实现高效、低损、清洁的基片表面加工。
本发明的技术构思为：本发明主要针对功能晶体基片在研磨抛光过程中，由于残余应力分布不均而引起翘曲，甚至崩裂的现象而提出。残余应力的产生主要因为：由于晶体基片的硬脆特性，硬式磨削砂轮在进行抛光加工时，砂轮与基片的相对位置在不断变化，磨削力也随之变化，法向磨削力会使基片发生弹性形变，直接导致基片产生微凹或者微凸的现象，也就是基片翘曲；尤其是在面向大尺寸硅片加工时，工作台的尺寸也相应需要增大，加工时间也更长，磨削力的变化范围更广，出现翘曲现象的几率更大，极端情况时，会发生基片崩裂。
同时，由于抛光后晶体基片还需要进行腐蚀去除，在该过程中所使用的腐蚀液需要与基片产生相应的化学反应，从而实现材料去除，但是同时也会产生大量的化学废液，造成严重的环境污染。
因此，本发明提出基于柔性气动抛光盘的新型超精密加工工具，按晶体基片的尺寸以及实际的抛光需求，在满足技术指标的前提下设计和制作弹性基体层，一般可按照晶体基片典型尺寸(φ250mm、φ350mm和φ4000mm)进行盘体设计，基体选用高聚物橡胶制成空心盘体，为了保证抛光盘体的硬度和机械柔性，对抛光盘体进行短纤维增强，将短纤维与高聚物橡胶混合，短纤维选用超细尼龙纤维，通过乳胶共沉预处理使其在橡胶基质中分散，之后利用橡胶硫化技术抛光盘基体成型；粘结剂采用芳烷基酚醛树脂结合剂；磨料层中磨料采用能与基片发生化学反应的硬性磨料，硬度必须低于基片硬度，以免对基片本体造成划伤。以单晶硅晶体基片为研究对象：磨料可选用粒度为#3000的Fe2O3，CeO2或MgO磨料，在一定条件下，三种磨料可以与硅片之间发生如下反应：
1)Fe2O3与硅的化学反应：
Si+O2→SiO2
SiO2+Fe2O3→O2↑+FeSiO3
2)CeO2与硅的化学反应：
Figure BSA0000097068510000041
Si+O2→(SiO)2++2e-→SiO2
SiO)2++2(CeO2)-→Ce2O3·SiO2
3)MgO与硅的化学反应：
Figure BSA0000097068510000042
当晶体基片在加工初期，由于切削应力的作用会出现基片微凹或者微凸的现象，如果此时对法向切削力不加以控制，或者对进给量不能做出适当调控，会使基片发生翘曲，甚至崩裂。柔性气动抛光盘则能够检测当前晶体基片的微小变化，并且通过压缩空气调控系统中控制模块对气泵输出功率进行调节，改变抛光盘表面的凹凸性能，使盘体能够实现对基片的柔性接触和全局仿形，避免残余应力的产生，降低基片的翘曲几率，提高基片的成片率。同时，在磨削抛光过程中，利用能够与晶体基片发生化学反应的磨料进行材料去除，能够有效提高抛光效率，并且避免后续腐蚀去除步骤而产生的化学废液造成的环境污染。
本发明的有益效果在于：
(1)采用高聚物橡胶作为抛光盘基体，利用其自身柔性和盘体内部气场调控，实现与功能晶体基片的柔性接触，有效降低晶体基片表面残余应力，减少基片翘曲、崩裂的几率；
(2)通过对柔性气动抛光盘内部的气场调控，可以实现与晶体基片的大面积全局仿形接触，增加抛光加工接触面积，提高抛光加工效率；
(3)利用磨料层中能够与晶体基片发生化学反应的磨料进行磨削去除，省去了腐蚀去除的步骤，有效避免了化学废液的产生，实现了绿色清洁的功能晶体基片表面超精密加工。
附图说明
图1是本发明整体系统结构示意图。
图2是本发明柔性气动抛光盘结构示意图。
图3是本发明抛光盘全局仿形示意图。
图4是本发明气压控制示意图。
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、图2、图3，图4，一种面向晶体基片的柔性气动抛光盘，其特征在于，主要结构包括抛光装置1和气压传动装置2两部分。
所述抛光装置1，其特征在于，主要由盘体支撑部件11和抛光盘体12构成，所述盘体支撑部件11，其作用是对抛光盘体12进行机械支撑，并通过计算机控制系统控制盘体的多自由度运动。
所述抛光盘体12，其特征在于，主要由弹性基体层121，粘结层122和磨料层123三部分构成，所述弹性基体层121是由能够发生弹性形变的基体介质构成空心体，所述基体介质可由高聚物橡胶作为其基本构成材料，所述弹性基体层121采用短纤维增强技术来提高其本身的硬度，所述短纤维增强技术中，短纤维拟选用超细尼龙纤维，通过乳胶共沉预处理使其在橡胶基质中分散，之后利用橡胶硫化技术使弹性基体成型，所述弹性基体层121作为抛光盘12的基本载体，通过粘结层122将磨料层123复合固结在其表面，来实现对晶体基片的超精密加工。
所述粘结层122，其作用在于将磨料层123与弹性基体层121结合在一起，其特征在于，采用高分子粘结剂实现其结合作用，所述高分子粘结剂，可采用芳烷基酚醛树脂结合剂，在保证耐磨性、耐热性的基础上，也满足抛光盘对机械柔性的要求。
所述磨料层123，经由粘结层122的软固结作用，将其结合弹性基体层121表面，其特征在于，磨料层123中所选用的磨料采用能与基片发生化学反应的硬性磨料，硬度必须低于基片硬度，以免对基片本体造成划伤。
所述气压传动装置2，主要为抛光盘12的弹性基体121内提供可实时在线调控的气场25，其特征在于，主要由气泵24、电机23和控制模块21组成，所述气泵24主要为抛光盘12内部提供稳定可靠的气场25，所述电机23主要为气泵24提供功率支持，所述控制模块21主要通过传感器对抛光工作表面进行应力检测，同时将被测信息反馈至控制芯片，对电机23输出功率进行实时调整，从而达到对抛光盘12内气压场25的在线调控，使得抛光盘12能够实现对晶体基片的柔性接触和全局仿形。控制模块21和电机23之间通过排线22相连，抛光盘体12和气压传动装置2之间由传递导管3相连，所述传递导管3，其主要作用是连接气泵24与柔性气动抛光盘体121，并将调控后的压缩气体25充至抛光盘体121内。
进一步，所述抛光盘体121具备磨料自砺和进给量微动调节两个特点，所述磨料自砺，指抛光盘121表面的磨料123在经过一段时间的加工工作后，磨料123表面变钝，随着加工进程的进行，磨料123产生脱落或者破碎，重新露出能够产生加工效果的磨料刃口；所述进给量微动调节，指抛光盘121通过弹性基体本身的弹性形变特性以及气压调节作用，能够实现加工过程中进给量的微动调节，从而避免因为进给量不当而对晶体基片造成损坏。
本发明可与功能晶体基片表面超精密加工系统相连接，实现高效、低损、清洁的基片表面加工。
本发明的技术构思为：一种基于柔性气动抛光盘的新型超精密加工工具，按晶体基片的尺寸以及实际的抛光需求，在满足技术指标的前提下设计和制作弹性基体层121，一般可按照晶体基片典型尺寸(Φ250mm、Φ350mm和Φ4000mm)进行盘体设计，基体选用高聚物橡胶制成空心盘体121，为了保证抛光盘体121的硬度和机械柔性，对抛光盘体进行短纤维增强，将短纤维与高聚物橡胶混合，短纤维选用超细尼龙纤维，通过乳胶共沉预处理使其在橡胶基质中分散，之后利用橡胶硫化技术抛光盘基体成型；粘结层122中采用芳烷基酚醛树脂结合剂；磨料层123中磨料采用能与基片发生化学反应的硬性磨料，硬度必须低于基片硬度，以免对基片本体造成划伤。以单晶硅晶体基片为研究对象：磨料123可选用粒度为#3000的Fe2O3，CeO2或MgO磨料，在一定条件下，三种磨料可以与硅片之间发生如下反应：
1)Fe2O3与硅的化学反应：
Si+O2→SiO2
SiO2+Fe2O3→O2↑+FeSiO3
2)CeO2与硅的化学反应：
Figure BSA0000097068510000061
Si+O2→(SiO)2++2e-→SiO2
SiO)2++2(CeO2)-→Ce2O3·SiO2
3)MgO与硅的化学反应：
Figure BSA0000097068510000062
当晶体基片在加工初期，由于切削应力的作用会出现基片微凹或者微凸的现象(如图3所示)，如果此时对法向切削力不加以控制，或者对进给量不能做出适当调控，会使基片发生翘曲，甚至崩裂。柔性气动抛光盘1通过设置的传感器则能够检测当前晶体基片表面应力的微小变化，并且通过压缩空气调控系统2中控制模块21对气泵24输出功率进行调节，改变抛光盘表面的凹凸性能，使盘体121能够实现对基片的柔性接触和全局仿形，避免残余应力的产生，降低基片的翘曲几率，提高基片的成片率。同时，在磨削抛光过程中，利用能够与晶体基片发生化学反应的磨料进行材料去除，能够有效提高抛光效率，并且避免后续腐蚀去除步骤而产生的化学废液造成的环境污染。
本说明书实施例所述内容仅仅是对发明构思所实现形式的部分列举，本发明的保护范围不应当仅局限于实例所陈述的具体形式，本发明的保护范围及于本领域技术人员根据本发明的技术构思所能想到的等同技术手段。

Claims (4)

1.面向晶体基片的柔性气动抛光盘，其特征在于：所述面向晶体基片的柔性气动抛光盘包括抛光装置和气压传动装置两部分，所述抛光装置，其特征在于，主要由盘体支撑部件和抛光盘体构成，所述盘体支撑部件，其作用是对抛光盘体进行机械支撑，并通过计算机控制系统控制盘体的多自由度运动，所述抛光盘体是完成晶体基片抛光任务的主要工具；所述气压传动装置，主要为抛光盘内提供可实时调控的气压，所述气压传动装置，主要为抛光盘的弹性基体内提供可实时在线调控的气场，其特征在于，主要由气泵、电机和控制模块组成；所述抛光装置与所述气压传动装置通过传递导管连接。 
2.所述抛光盘体，其特征在于：所述抛光盘体主要由弹性基体层，粘结层和磨料层三部分构成，所述弹性基体层是由能够发生弹性形变的基体介质构成空心体，所述基体介质可由高聚物橡胶作为其基本构成材料，所述弹性基体层采用短纤维增强技术来提高其本身的硬度，所述短纤维增强技术中，短纤维拟选用超细尼龙纤维，通过乳胶共沉预处理使其在橡胶基质中分散，之后利用橡胶硫化技术使弹性基体成型，所述弹性基体层作为抛光盘的基本载体，通过粘结层将磨料层复合固结在其表面，来实现对晶体基片的超精密加工。 
所述粘结层，其特征在于：所述粘结层将磨料层与弹性基体层结合在一起，采用高分子粘结剂实现其结合作用，所述高分子粘结剂，可采用芳烷基酚醛树脂结合剂，在保证耐磨性、耐热性的基础上，也满足抛光盘对机械柔性的要求。 
所述磨料层，其特征在于：所述磨料层经由粘结层的软固结作用，将其结合弹性基体层表面，磨料层中所选用的磨料采用能与基片发生化学反应的硬性磨料，硬度必须低于基片硬度，以免对基片本体造成划伤。 
3.所述气泵，其特征在于：所述气泵主要为抛光盘内部提供稳定可靠的气场，所述电机主要为气泵提供功率支持，所述控制模块主要通过传感器对抛光工作表面进行应力检测，同时将被测信息反馈至控制芯片，对电机输出功率进行实时调整，从而达到对抛光盘内气压场的在线调控，使得抛光盘能够实现对晶体基片的柔性接触和全局仿形。控制模块和电机之间通过排线相连，抛光盘体和气压传动装置之间由传递导管相连，所述传递导管，其主要作用是连接气泵与柔性气动抛光盘体，并将调控后的压缩气体抛光盘体内。 
4.所述抛光盘体，其特征在于：所述抛光盘体具备磨料自砺和进给量微动调节两个特点，所述磨料自砺，指抛光盘表面的磨料在经过一段时间的加工工作后，磨料表面变钝，随着加工进程的进行，磨料产生脱落或者破碎，重新露出能够产生加工效果的磨料刃口；所述进给量微动调节，指抛光盘通过弹性基体本身的弹性形变特性以及气压调节作用，能够实现加工过程中进给量的微动调节，从而避免因为进给量不当而对晶体基片造成损坏。 
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