CN103707178A - 加工表面高平坦化方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

在物体加工表面的高平坦化方法中，在研磨工具的接触表面上设计制作具有形状大小为1～100μm、深度为1～5μm以及所占接触表面的密度为20～50%的微米凹痕图形，并在研磨工具和加工物体接触表面间添加颗粒大小为0.1～6μm的研磨剂，使两接触表面间形成摩擦接触运动的粒子研磨，在各种材料加工表面中获得全局的高平坦化的超精密平整加工表面。

Description

加工表面高平坦化方法及其装置
技术领域
本发明是属于磨削加工方法的范畴，尤其是超精密平整加工金属及非金属表面以及软、硬材质表面的高平坦化方法和装置。
背景技术
目前，很多半导体生产企业为了实现纳米级的半导体，广泛研究和应用多种超精密平整加工的平坦化技术。在物体加工表面的精密平整加工方法中，精密粒子加工方法虽然在加工陶瓷等硬材质（含碳量 > 0.4%）表面时具有较好的平整效果，但在加工铜、金等软材质（含碳量 < 0.3%）表面时几乎不可能实现全局的平坦化。随着半导体工业飞速发展，电子器件尺寸缩小以及化学机械研磨工程中使用的材料的微细化，对软材质表面的超精密平整加工的高平坦化方法越来越受重视。而且，在模具加工领域以及光学等领域中，对软、硬材质表面的超精密平整加工的平坦化方法也受广泛关注。
发明内容
为了获得金属及非金属等加工表面的全局的平坦化以及半导体表面的纳米级的平整度，本发明提供物体加工表面的超精密平整加工的高平坦化方法和装置。该方法和装置对金属及非金属的加工表面以及软、硬材质的加工表面，在超精密平整加工中都能完整地获得全局的平坦化的超精密平整平面。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：①在物体加工表面的高平坦化方法中，在研磨工具的接触表面上设计制作具有形状大小为1～100 ㎛、深度为1～5 ㎛以及所占接触表面积的密度为20～50 %的微米凹痕图形；并在研磨工具和加工物体接触表面间添加颗粒大小为0.1～6㎛的研磨剂，使两接触表面间形成摩擦接触运动的粒子研磨，在各种材料加工表面的平整加工中获得全局的高平坦化的表面。②图3所示，在物体加工表面的高平坦化加工装置中，在箱体（5）内电动机（4）的电动机轴（3）上固定了在接触表面（6）上具有1～100 ㎛形状大小、1～5 ㎛深度以及20～50 %密度的微米凹痕图形（2）的研磨工具（1），在固定立柱（11）上安装了在水平状态下可上下移动的移动臂（10）。在移动臂（10）的端部上安装了夹紧被加工物体（7）的固定架（8），在固定架（8）的上方安装了加载器（9）。利用加载器（9）对被加工物体（7）施加载荷，使被加工物体（7）表面和旋转的具有微米凹痕图形（2）的研磨工具（1）接触表面（6），在一定的接触压力和微细颗粒研磨剂介质中形成摩擦接触运动，达到粒子研磨机理为目的的。
本发明的实施方法和装置的有益效果是，可以在金属及非金属加工表面以及软、硬材质加工表面进行超精密平整加工，可获得物体加工表面的全局的高平坦化。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明的方法和装置进一步说明。
图1是研磨工具及接触表面上的微米凹痕图形形状和排列图。
图2是利用照相平板印刷术制作微米凹痕图形步骤图。
图3是高平坦化的超精密平整加工装置简图。
图中1.研磨工具，2.微米凹痕图形，3.电动机轴，4.电动机，5.箱体，6.接触表面，7.加工物体，8.固定架，9.加载器，10.移动臂，11.固定立柱。
本发明实施例中，为了对金属及非金属的加工表面以及软、硬材质的加工表面进行全局的高平坦化，先设计制作出如图1所示的具有微米凹痕图形（2）的研磨工具（1），然后通过被加工物体（7）表面和旋转的具有微米凹痕图形（2）的研磨工具（1）的接触表面（6），在一定的接触压力和颗粒大小为0.1～6㎛的微细研磨剂介质中形成的摩擦接触运动下的粒子研磨，将获得全局的高平坦化的超精密平整加工表面。
具体实施方式
在图1所示实施例中，在研磨工具（1）的接触表面（6）上设计制作出有规则的微米凹痕图形（2）。微米凹痕图形（2）的形状尺寸s为1～100 ㎛、深度d为1～5 ㎛和微米凹痕图形（2）所占的密度为表面积的20～50 %。两相邻微米凹痕图形（2）之间的平均宽度p为以微米凹痕图形（2）尺寸s = 100 ㎛为基准时所取的值 p = 150～200 ㎛为最适当，两相邻微米凹痕图形（2）之间最佳的最小宽度p为微米凹痕图形（2）形状尺寸s的1.5倍。微米凹痕图形（2）形状可为圆形、四角形和三角形等多种形状，可制作成规则排列，也可制作成喷雾器喷射方式的无规则状态。图1所示的微米凹痕图形（2）的成形条件为通过本发明的实验所获得的结果。在研磨工具（1）的接触表面（6）的微米凹痕图形（2）密度中，如果密度大于本发明中所规定的20～50 %，或者形状尺寸s过大，或者两相邻宽度p过窄，则很容易在被加工物体（7）的表面上形成划痕。但相反则需要更长的加工时间以及更难于加工，而且还发生由长时间加工而引起的更多的表面划痕。
在图2所示的本发明实施例中，利用照相平板印刷术经过100多阶段制作完成了如图1所示的研磨工具（1）接触表面上的（6）有规则的微米凹痕图形（2）。图2的100阶段所示，首先设计为符合上述微米凹痕图形（2）成形条件的微米图形后，在玻璃板表面上印制成具有微米图形的玻璃面罩。在研磨工具（1）接触表面（6）上涂覆成很薄的光致抗蚀剂(Photo Resist)（图2的102阶段）后，利用曝光器光线照射印有微米图形的玻璃面罩，使涂覆成光致抗蚀剂薄膜的研磨工具（2）接触表面（6）上的微米图形被曝光并进行显像处理，制作出接触表面（6）上具有和玻璃面罩图形相同的微米凹痕图形（2）的研磨工具（1）（图2的104阶段）。然后，在图2的106阶段实施例中，利用化学物质的电化蚀刻方法获得了接触表面（6）上的微米凹痕图形（2），其凹痕深度d（1～5 ㎛）由电化蚀刻的蚀刻时间来控制和调整的。最后，去掉在研磨工具（1）接触表面（6）上残留下的光致抗蚀剂薄膜（图2的108阶段）后，获得接触表面（6）上具有如图1所示的微米凹痕图形（2）的研磨工具（1）（图2的109阶段）。
在本发明实施例中，图2的110阶段所示，利用接触表面（6）上具有如图1所示的微米凹痕图形（2）的研磨工具（1），通过在一定的接触压力以及颗粒大小为0.1～6㎛的微细研磨剂介质中的摩擦接触运动下的粒子研磨，获得高平坦化的超精密平整加工表面。在本研究实施例中，研磨剂采用了颗粒大小为0.1～6㎛的金刚石研磨膏。但实验结果可知，研磨剂颗粒大小为3㎛时，对加工表面的划痕以及难于加工具有最大限度的改善效果。
在图3所示的实施例中，利用在箱体上（3）固定的电动机（4），带动圆盘形状的研磨工具（1）使研磨工具（1）以电动机轴（3）线为中心做回转运动。在箱体（5）的上方固定了垂直的固定立柱（11），在垂直的固定立柱（11）上安装了保持水平状态下可上下移动的移动臂（10），在移动臂（10）的端部上安装了夹紧加工物体（7）的固定架（8）。在固定架（8）上方再安装加载器（9），利用加载器（9）对被加工物体（7）施加载荷。
在本发明实施例中，利用固定架（8）固定被加工物体（7），使加工表面和研磨工具（1）的接触表面（6）形成良好的相互接触。在两接触表面之间添加金刚石研磨膏后，利用加载器（9）对被加工物体（7）上施加载荷，使被加工物体（7）的表面和旋转的具有微米凹痕图形（2）的研磨工具（1）的接触表面（6）在载荷为1～6kg的接触压力和金刚石研磨膏介质中形成摩擦接触运动的粒子研磨。在本发明实施例中，通过实验结果可知，在上述条件下的摩擦接触运动的粒子研磨在电动机（4）的转速为20～100rpm（转速/分）速度条件下，分别对直径为Ø = 5 mm的金属及非金属的加工表面进行了超精密平整加工，成功获得了加工精度为1～20nm的全局的高平坦化的超精密平整平面。
可知，通过本发明的高平坦化方法和装置的直接使用或者应用等可以解决在半导体晶片以及半导体相关微小器件的超精密平整加工中的高平坦化技术难题。也可以通过直接使用、变更或变形等应用，很好地解决在模具加工领域以及光学等领域中的超精密加工表面的全局的高平坦化问题。

Claims (5)

1.在物体加工表面的高平坦化方法中，在研磨工具（1）的接触表面（6）上设计制作具有形状大小为1～100 ㎛、深度为1～5 ㎛以及占接触表面积的密度为20～50 %的微米凹痕图形（2）；并在研磨工具（1）和加工物体接触表面间添加颗粒大小为0.1～6㎛的研磨剂，使两接触表面间形成摩擦接触运动的粒子研磨过程为特征的，在各种材料加工表面的超精密平整加工中获得全局的高平坦化方法。
2. 根据权利要求1所述的方法，以相邻两微米凹痕图形（2）之间的平均宽度p为100∼200㎛以及最小宽度为微米凹痕图形（2）形状大小s的1.5倍为特征的，对加工表面进行平坦化的方法。
3. 在物体加工表面的高平坦化加工装置中，在箱体（5）内电动机（4）的电动机轴（3）上固定了在接触表面（6）上具有1～100 ㎛的形状大小、1～5 ㎛的深度以及20～50 %密度的微米凹痕图形（2）的研磨工具（1），在固定立柱（11）上安装了在水平位置状态下可上下移动的移动臂（10），在移动臂（10）的端部，安装了夹紧被加工物体（7）的固定架（8），在固定架（8）的上方又安装了加载器（9），利用加载器（9）对被加工物体（7）施加载荷，使被加工物体（7）表面和旋转的具有微米凹痕图形（2）的研磨工具（1）接触表面（6），在一定的接触压力和微细颗粒研磨剂介质中形成摩擦接触运动的粒子研磨为特征的，对加工表面高平坦化的加工装置。
4. 在权利要求3中，维持使加载器（9）对加工物体（7）施加的载荷为1～10kg为特征的高平坦化加载装置。
5. 在权利要求3和权利要求4中，加工物体（7）为半导体晶片以及半导体相关微小器件为特征的高平坦化加工装置。
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