CN105922125B - 一种磁流变流体动压复合抛光装置及其抛光方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磁流变流体动压复合抛光装置，包括抛光盘、第一转轴、抛光液、第二转轴、工件盘、磁性体和待抛光件，所述第二转轴向第一转轴方向水平滑动，所述磁性体设于所述抛光盘的下方，所述抛光盘固定安装于所述第一转轴上，所述工件盘固定安装于所述第二转轴上，待抛光件与所述抛光盘相接触；所述抛光盘的上表面沿圆周方向设有多个楔形结构，所述抛光液覆盖于所述抛光盘的上表面上。并且提供一种抛光方法，包括以下步骤：1)将抛光盘、待抛光件和工件盘进行安装；2)启动第一转轴和第二转轴进行抛光加工，并且不断向抛光盘的上表面加入抛光液，直至抛光完成；3)抛光完成。本发明具有抛光均匀、加工效率高和使用方便的有益效果。

Description

一种磁流变流体动压复合抛光装置及其抛光方法
技术领域
本发明涉及一种抛光装置及其抛光方法，尤其是指一种磁流变流体动压复合抛光装置及其抛光方法。
背景技术
随着信息电子化的社会发展，半导体材料作为高性能微电子元器件应用愈发广泛，如单晶硅、氧化铝、钛酸锶和单晶碳化硅等电子陶瓷材料的需求越来越大。一般半导体晶片制造要经过切片、研磨、抛光等工序，要达到良好的使用性能，其表面精度需要达到超光滑程度，面型精度也有较高要求，以LED外延蓝宝石衬底为例，一般要求总厚度偏差小于10μm、表面总平整度小于10μm、表面粗糙度小于0.05μm。因此半导体材料的制造越来越依赖研磨抛光技术来满足其生产要求。
现有国内外对半导体晶片的加工方法主要以下四种：1、沿用传统单晶Si、Ge等晶片加工中的传统机械研磨抛光加工方法；2、以机械去除和化学去除结合使用的CMP加工方法；3、以激光、超声和等粒子等特种加工方式进行加工；4、以基于磁流变液在磁场下的流变特性的磁流变加工。其中，作为磁流变加工方法的现有游离磨料研磨抛光加工方法在抛光加光的过程中，游离磨料微粒在研磨盘与工件之间的运动速度、轨迹、滞留时间无法进行有效和准确的控制，在抛光盘与工件及界面之间的游离态磨料只有较大尺寸的磨料产生加工作用，由于相对运动的作用相当部分较小尺寸的磨粒尚未与工件表面产生干涉作用即脱离研磨盘与工件界面，造成加工精度和加工效率低下。例如，专利200610132495.9提到的集群磁流变抛光方法能很好地对单晶碳化硅进行抛光，并获得纳米级的光滑表面，但由于采用外加磁场强弱来控制磁流变工作液的流变特性，难以控制抛光过程形成的柔性小磨头的分布均匀性，以致经磁流变抛光的半导体基片厚度偏差、表面平整度和表面质量难以控制。
发明内容
本发明的目的在于解决现有游离磨料研磨抛光加工方法存在的加工精度控制困难而造成加工准确性和效率低的问题，提供一种抛光均匀、加工效率高和使用方便的磁流变流体动压复合抛光装置及其抛光方法。
本发明的目的可采用以下技术方案来达到：
一种磁流变流体动压复合抛光装置，包括抛光盘、第一转轴、抛光液、第二转轴、工件盘和待抛光件，所述第一转轴和第二转轴相互平行，且所述第二转轴向第一转轴方向水平滑动，所述磁性体设于所述抛光盘的下方，所述抛光盘固定安装于所述第一转轴上，所述工件盘和待抛光件设于所述抛光盘的上方，所述工件盘固定安装于所述第二转轴上，所述待抛光件固定安装于所述工件盘的下底面，且待抛光件的下底面与所述抛光盘的上表面相接触；所述抛光盘的上表面沿圆周方向设有多个楔形结构，所述楔形结构包括销轴和楔块，所述销轴固定安装于所述抛光盘的上表面，所述楔块可摆动安装于所述销轴上，所述抛光液覆盖于所述抛光盘和楔块的上表面上。
进一步地，所述抛光盘的上方设有喷管，所述抛光液通过喷管流到所述抛光盘的上表面上。
进一步地，所述待抛光件为半导体晶片。
进一步地，所述抛光液由重量百分比15～40％且平均粒径为1～50μm的羰基铁粉、重量百分比为2～20％且平均粒径为1～50μm的磨料、重量百分比为1～10的甘油或油酸稳定剂和重量百分比1～10％的防锈剂组成。。
进一步地，所述磁性体的端面磁场强度不小于2000Gs，所述磁性体设为多个，且磁极相互交错排列设置。
进一步地，所述待抛光件粘贴到所述工件盘的下底面。
作为一种优选的，所述楔块与所述抛光盘之间的倾斜夹角为0～15度。
本发明还提供一种磁流变流体动压复合抛光方法，包括以下步骤：
1)将抛光盘固定在第一转轴上，并通过粘贴的方式将待抛光件固定到工件盘上，然后将工件盘安装到第二转轴上；
2)将待抛光件向下移动到距离楔块的上倾斜端0.4～1.4mm的位置，启动第一转轴和第二转轴旋转，同时，第二转轴带动待抛光件向第一转轴的径向方向往复移动，并且不断向抛光盘的上表面加入抛光液，直至抛光完成。
进一步地，所述步骤2)中，所述第一转轴的转速为每分钟60～180转，所述第二转轴的转速为每分钟1000至3000转，且第二转轴向第一转轴的方向水平移动速度为每分钟5～20米。
作为一种优选的方案，所述待抛光件为半导体晶片。
进一步地，所述抛光液由重量百分比15～40％且平均粒径为1～50μm的羰基铁粉、重量百分比为2～20％且平均粒径为1～50μm的磨料、重量百分比为1～10的甘油或油酸稳定剂和重量百分比1～10％的防锈剂组成。
进一步地，所述抛光盘的下方设有磁性体，所述磁性体的端面磁场强度不小于2000Gs，所述磁性体设为多个，且磁极相互交错排列设置。
实施本发明，具有如下有益效果：
1、本发明在抛光加工的过程中，工作液覆盖于抛光盘上表面的楔形结构上，在抛光过程中抛光盘与待抛光件在发生相对运动时，抛光液从待抛光件与楔块间隙较大地方流向间隙较小的地方而形成流体动压膜，在金刚石磨料和流体动压膜的双重作用下均匀快速去除待抛光工件表面材料，大大提高了抛光加工的均匀性和效率，实现快速抛光和提升抛光效果的目的。
2、本发明在抛光过程中抛光盘与待抛光件在发生相对运动时，楔块可绕各自销轴微量摆动，随载荷和抛光盘旋转方向而自动调节倾斜度，以适应抛光盘的速度和载荷的需要，使得抛光液能稳定地从待抛光件与楔块之间的间隙较大地方流向间隙较小的地方而形成流体动压膜，从而在金刚石磨料和流体动压膜的双重作用下均匀快速去除抛光工件表面材料，大大提高了抛光加工的均匀性和效率，实现快速抛光和提升抛光效果的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明磁流变流体动压复合抛光装置及其抛光方法的结构示意图；
图2是图1的抛光盘的结构示意图；
图3是本发明磁流变流体动压复合抛光装置及其抛光方法的工作状态结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
参照图1至图3，本实施例涉及一种磁流变流体动压复合抛光装置，包括抛光盘1、第一转轴2、抛光液3、第二转轴4、工件盘5、待抛光件6和磁性体7，所述第一转轴2和第二转轴4相互平行，且所述第二转轴4向第一转轴2方向水平滑动，所述磁性体7设于所述抛光盘1的下方，所述抛光盘1固定安装于所述第一转轴2上，所述工件盘5和待抛光件6设于所述抛光盘1的上方，所述工件盘5固定安装于所述第二转轴4上，所述待抛光件6固定安装于所述工件盘5的下底面，且待抛光件6的下底面与所述抛光盘1的上表面相接触；所述抛光盘1的上表面沿圆周方向设有多个楔形结构，所述楔形结构包括销轴81和楔块82，所述销轴81固定安装于所述抛光盘1的上表面，所述楔块82可摆动安装于所述销轴81上，所述抛光液3覆盖于所述抛光盘1和楔块82的上表面上。所述待抛光件6为半导体晶片，例如蓝宝石基片，所述抛光液3的制作方法：在油基或水基载液中加入重量百分比为2～20％且平均粒径为1～50μm的磨料、重量百分比为1～10的甘油或油酸等稳定剂、重量百分比1～10％的防锈剂和重量百分比15～40％且平均粒径为1～50μm的羰基铁粉；最优选的，所述抛光液3由去离子水、浓度为15％且平均粒径为3μm的金刚石磨料、浓度为30％且平均粒径为5μm的羰基铁粉、浓度为10％的甘油和浓度为2％的防锈剂组成。在抛光过程中抛光盘1与待抛光件6在发生相对运动时，楔块82可绕销轴81微量摆动，随抛光盘1旋转方向和载荷而自动调节倾斜度，以适应抛光盘1的速度和载荷的需要，使得抛光液3能稳定地从待抛光件6与楔块82之间的间隙较大地方流向间隙较小的地方而形成流体动压膜，从而在金刚石磨料和流体动压膜的双重作用下均匀快速去除待抛光工件6表面材料，大大提高了抛光加工的均匀性和效率，实现快速抛光和提升抛光效果的目的。
所述抛光液3中的羰基铁粉在磁性体的磁场力作用下被吸附到抛光盘1的上表面而形成磨头结构，在抛光过程中抛光盘1与待抛光件6在发生相对运动时，抛光液3从待抛光件6与楔块82之间间隙较大地方流向间隙较小的地方而形成流体动压膜，在磨头结构和流体动压膜的双重作用下均匀快速去除待抛光工件6表面材料，大大提高了抛光加工的均匀性和效率，实现快速抛光和提升抛光效果的目的。
所述的楔块82的倾斜高度不超过1.5mm，其倾角为0°至15°，所述平台11的宽度为1.5～3mm。该楔块82使得抛光液3能储存在楔块82的上表面和抛光盘1的上表面上，在抛光过程中抛光盘1与待抛光件6在发生相对运动时，抛光液3从待抛光件6与楔块82之间间隙较大地方流向间隙较小的地方而形成流体动压膜，提高抛光的均匀性和效率。
所述抛光盘1的上方设有喷管9，所述抛光液3通过喷管9流到所述抛光盘1的上表面上；所述抛光液3喷洒到抛光盘1上的速度为每分钟70～90毫升，保证了抛光液3的供应量，以保证抛光加工的质量。
所述待抛光件6粘贴到所述工件盘5的下底面，可快速实现待抛光件6的安装和拆卸，进一步提高加工的效率。
本发明还提供一种磁流变流体动压复合抛光方法，包括以下步骤：
1)将抛光盘1固定在第一转轴2上，并通过粘贴的方式将待抛光件6固定到工件盘5上，然后将工件盘5安装到第二转轴4上；
2)将待抛光件6向下移动到距离楔块82的上倾斜端0.4～1.4mm的位置，启动第一转轴2和第二转轴4旋转，所述第一转轴2的转速为每分钟60～180转，所述第二转轴4的转速为每分钟1000至3000转；同时，第二转轴4带动待抛光件6向第一转轴2的径向方向往复移动，第二转轴4向第一转轴2的方向水平移动速度为每分钟5～20米，并且不断向抛光盘1的上表面加入抛光液3，优选的，所述抛光液3由去离子水、浓度为15％且平均粒径为3μm的金刚石磨料、浓度为10％的甘油和浓度为2％的防锈剂组成；所述待抛光件6被加工的时间为30分钟，则完成对待抛光件6的抛光加工；
3)抛光完成后，停止向抛光盘1的上表面加入抛光液3，再依次停止第二转轴4的转动和水平滑动，以及第一转轴2的转动，最后向上升高待抛光件6并取出。
该抛光方法抛光过程中抛光盘1与待抛光件6在发生相对运动时，楔块82可绕各自销轴81微量摆动，随抛光盘1旋转方向和载荷而自动调节倾斜度，以适应抛光盘1的速度和载荷的需要，使得抛光液3能稳定地从待抛光件6与楔块82之间的间隙较大地方流向间隙较小的地方而形成流体动压膜，从而在金刚石磨料和流体动压膜的双重作用下均匀快速去除抛光工件表面材料，大大提高了抛光加工的均匀性和效率，实现快速抛光和提升抛光效果的目的。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种磁流变流体动压复合抛光装置，其特征在于：包括抛光盘、第一转轴、抛光液、第二转轴、工件盘、磁性体和待抛光件，所述第一转轴和第二转轴相互平行，且所述第二转轴向第一转轴方向水平滑动，所述磁性体设于所述抛光盘的下方，所述抛光盘固定安装于所述第一转轴上，所述工件盘和待抛光件设于所述抛光盘的上方，所述工件盘固定安装于所述第二转轴上，所述待抛光件固定安装于所述工件盘的下底面，且待抛光件的下底面与所述抛光盘的上表面相接触；所述抛光盘的上表面沿圆周方向设有多个楔形结构，所述楔形结构包括销轴和楔块，所述销轴固定安装于所述抛光盘的上表面，所述楔块可摆动安装于所述销轴上，所述抛光液覆盖于所述抛光盘和楔块的上表面上。
2.根据权利要求1所述的一种磁流变流体动压复合抛光装置，其特征在于：所述抛光盘的上方设有喷管，所述抛光液通过喷管流到所述抛光盘的上表面上。
3.根据权利要求1所述的一种磁流变流体动压复合抛光装置，其特征在于：所述待抛光件为半导体晶片。
4.根据权利要求1所述的一种磁流变流体动压复合抛光装置，其特征在于：所述抛光液由重量百分比15～40％且平均粒径为1～50μm的羰基铁粉、重量百分比为2～20％且平均粒径为1～50μm的磨料、重量百分比为1～10的甘油或油酸稳定剂和重量百分比1～10％的防锈剂组成。
5.根据权利要求1所述的一种磁流变流体动压复合抛光装置，其特征在于：所述磁性体的端面磁场强度不小于2000Gs，所述磁性体设为多个，且磁极相互交错排列设置。
6.根据权利要求1所述的一种磁流变流体动压复合抛光装置，其特征在于：所述楔块与所述抛光盘之间的倾斜夹角为0～15度。
7.一种磁流变流体动压复合抛光方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)将抛光盘固定在第一转轴上，并通过粘贴的方式将待抛光件固定到工件盘上，然后将工件盘安装到第二转轴上；
2)将待抛光件向下移动到距离楔块的上倾斜端0.4～1.4mm的位置，启动第一转轴和第二转轴旋转，同时，第二转轴带动待抛光件向第一转轴的径向方向往复移动，并且不断向抛光盘的上表面加入抛光液，直至抛光完成。
8.根据权利要求7所述的一种磁流变流体动压复合抛光方法，其特征在于：所述步骤2)中，所述第一转轴的转速为每分钟60～180转，所述第二转轴的转速为每分钟1000至3000转，且第二转轴向第一转轴的方向水平移动速度为每分钟5～20米。
9.根据权利要求7所述的一种磁流变流体动压复合抛光方法，其特征在于：所述待抛光件为半导体晶片，所述抛光液由重量百分比15～40％且平均粒径为1～50μm的羰基铁粉、重量百分比为2～20％且平均粒径为1～50μm的磨料、重量百分比为1～10的甘油或油酸稳定剂和重量百分比1～10％的防锈剂组成。
10.根据权利要求7所述的一种磁流变流体动压复合抛光方法，其特征在于：所述抛光盘的下方设有磁性体，所述磁性体的端面磁场强度不小于2000Gs，所述磁性体设为多个，且磁极相互交错排列设置。
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