CN106041706A - 蓝宝石晶片腐蚀抛光复合加工机床 - Google Patents

蓝宝石晶片腐蚀抛光复合加工机床 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种蓝宝石晶片腐蚀抛光复合加工机床，包括机台、立式旋转臂、主轴系统、电机、载物盘和负压机构；该机台顶面设有周向间隔布置的装卸位、粗抛位、腐蚀位和精抛位；该立式旋转臂上部固设有悬臂，该主轴系统能相对悬臂上下活动，该电机和载物盘都装接在主轴系统上且电机传动连接载物盘以能带动载物盘转动；该载物盘上设有吸孔，该负压机构接通吸孔；该立式旋转臂设于该周向的轴线处且能绕该轴线转动，通过立式旋转臂转动能将载物盘分别移至装卸位、粗抛位、腐蚀位和精抛位进行相应的加工。它具有如下优点：可对蓝宝石晶片进行上料、腐蚀、抛光和下料复合加工，能够快速获得超光滑无损伤的晶片表面，大大提高了蓝宝石晶片加工效率。

Description

蓝宝石晶片腐蚀抛光复合加工机床
技术领域
本发明涉及一种半导体材料加工领域，尤其涉及一种蓝宝石晶片腐蚀-抛光复合加工机床。
背景技术
蓝宝石因具有耐高温、耐磨损、导热性好、电绝缘性优良、化学性能稳定、高硬度和高强度以及很宽的透光频带等优良特性，而被广泛应用于高速集成电路、激光芯片通信、LED、高速导弹整流罩、手机屏幕、光学元件、医用蓝宝石刀片、高温高强度结构元件等军用及民用各领域。在这些应用中，都需要对蓝宝石零件表面进行精密甚至超精密加工，尤其是蓝宝石作为LED衬底和窗口材料，工件表面更是要求达到超光滑无损伤。然而，蓝宝石是一种典型的硬脆性材料，其硬度仅次于金刚石，莫氏硬度达到9，对其加工非常困难，加工中容易引起加工损伤，且加工效率非常低，尤其是抛光加工，往往需要很长时间。蓝宝石的酸腐蚀是利用蓝宝石与浓酸发生化学反应将其材料去除，在蓝宝石腐蚀过程中，蓝宝石工件表面如果有一些微裂纹损伤，则腐蚀速度更快；没有损伤裂纹区域则损伤腐蚀速度较慢，利用腐蚀差异特性可快速将蓝宝石加工损伤层去除。
研磨作为蓝宝石衬底加工的一道中间工序，经过研磨后的蓝宝石衬底表面存在较大的损伤层，且表面较为粗糙，表面粗糙度Ra约为0.8-1.0μm。而作为LED衬底，研磨后的晶片还需经过较长时间的抛光加工，才能使其表面达到超光滑、无损伤的要求。对蓝宝石进行强酸腐蚀可快速将表面损伤层去除，但对表面粗糙度难以改善。因此，还是需要对晶片表面进行抛光来降低表面粗糙度，提高表面光洁度。如中国专利数据库公开的CN1833816A、CN102166790A和CN102233541A。如果采用较细粒度磨料进行精密抛光，抛光效率很低，但如果采用较粗粒度磨料进行粗抛光，则又会产生一定的损伤层。
发明内容
本发明提供了蓝宝石晶片腐蚀抛光复合加工机床，其克服了背景技术中蓝宝石晶片腐蚀抛光加工所存在的不足。
本发明解决其技术问题的所采用的技术方案是：
蓝宝石晶片腐蚀抛光复合加工机床，包括机台(1)、立式旋转臂(6)、主轴系统(9)、第一电机(8)、载物盘(10)和负压机构；
该机台(1)顶面设有周向间隔布置的装卸位(2)、粗抛位(3)、腐蚀位(4)和精抛位(5)，该粗抛位(3)和精抛位(5)上都设有抛光部件，该腐蚀位(4)设有内装有腐蚀液的腐蚀槽(13)；
该立式旋转臂(6)上部固设有悬臂(7)，该主轴系统(9)能相对悬臂(7)上下活动，该第一电机(8)和载物盘(10)都装接在主轴系统(9)上且第一电机(8)传动连接载物盘(10)以能带动载物盘(10)转动；该载物盘(10)上设有吸孔，该负压机构接通吸孔；
该立式旋转臂(6)设于该周向的轴线处且能绕该轴线转动，通过立式旋转臂(6)转动能将载物盘(10)分别移至装卸位(2)、粗抛位(3)、腐蚀位(4)和精抛位(5)，在装卸位(2)通过载物盘(10)和负压机构配合以装卸晶片，在粗抛位(3)通过晶片和抛光部件配合以粗抛晶片，在腐蚀位(4)通过晶片浸没在腐蚀液内以腐蚀晶片，在精抛位(5)通过晶片和抛光部件配合以精抛晶片。
一实施例之中：该机台(1)顶面为水平面，该装卸位(2)、粗抛位(3)、腐蚀位(4)和精抛位(5)的位置环形阵列布置，该载物盘(10)转动轴线平行立式旋转臂(6)转动轴线。
一实施例之中：该悬臂(7)末端设有导轨，该主轴系统(9)包括一能上下滑动连接在导轨的滑座和一转动连接在滑座内的主轴，该第一电机(8)装接在滑座，该第一电机(8)传动连接主轴上端部，该载物盘(10)固接在主轴下端部。
一实施例之中：还包括驱动单元，该驱动单元装接在悬臂(7)且传动连接滑座，该驱动单元为气缸机构。
一实施例之中：该装卸位(2)包括至少一个上料位和至少一个下料位，该上料位和下料位环形阵列布置；该每个上料位处凹设有一截面适配晶片的上料槽，该上料槽槽底设有第一升降台(11)，该晶片上下叠放且置放在第一升降台(11)之上；该每个下料位处凹设有一截面适配晶片的下料槽，该下料槽槽底设有第二升降台，该晶片上下叠放且置放在第二升降台之上。
一实施例之中：该装卸位(2)处还设有能转动且位于上料槽和下料槽之上的转盘(12)，该转盘(12)设有上下贯穿的通孔，通过转盘(12)转动使通孔对齐上料槽或/和下料槽。
一实施例之中：该粗抛位(3)处设置的抛光部件为第一抛光垫，该第一抛光垫中的磨粒为金刚石磨粒，磨粒粒径为10-40m；该精抛位(5)处设置的抛光部件为第二抛光垫，该第二抛光垫中的磨粒为氧化铝或碳化硅磨粒，磨粒粒径为100-200纳米。
一实施例之中：该腐蚀槽(13)呈上大下小的阶梯槽，该阶梯槽具有阶梯面；该腐蚀位(4)还设有升降杆(14)、晶片篮(15)、用于加热腐蚀槽(13)内腐蚀液的加热装置和密封罩(16)；该升降杆(14)能上下升降地装接在腐蚀槽(13)的阶梯面，该晶片篮(15)具有篮体和由篮体上周圈向外延伸的篮缘，该篮体开设有上下贯穿的细孔，该篮缘固接在升降杆(14)顶端；该密封罩(16)能水平移动地连接腐蚀槽(13)且在一个伸入腐蚀槽(13)内且封闭腐蚀槽(13)的封闭位置和一个离开腐蚀槽(13)的打开位置之间移动。
一实施例之中：该腐蚀槽(13)具有槽壁，通过阶梯面将腐蚀槽(13)的槽壁分为上槽壁和下槽壁，该腐蚀槽(13)内的腐蚀液液面低于阶梯面；通过升降杆上下升降能带动晶片篮(15)处于上升位置和下降位置，位于上升位置的晶片篮(15)脱离腐蚀液，位于下降位置的晶片篮(15)的下部浸没在腐蚀液内；该上槽壁设有内外贯穿的滑槽，该密封罩(16)水平移动地连接滑槽。
本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：
通过立式旋转臂转动能将载物盘分别移至装卸位、粗抛位、腐蚀位和精抛位，在装卸位通过载物盘和负压机构配合以装卸晶片，在粗抛位通过晶片和抛光部件配合以粗抛晶片，在腐蚀位通过晶片浸没在腐蚀液内以腐蚀晶片，在精抛位通过晶片和抛光部件配合以精抛晶片，可对蓝宝石晶片进行上料、腐蚀、抛光和下料复合加工，能够快速获得超光滑无损伤的晶片表面，大大提高了蓝宝石晶片加工效率，机床结构紧凑。主轴系统能上下运动，方便上料和下料，且能在抛光中提供压力。
腐蚀槽设有密封罩，可优化加工环境和保护操作人员安全。
每个上料位处凹设有一截面适配晶片的上料槽，上料槽槽底设有第一升降台，晶片上下叠放且置放在第一升降台之上；每个下料位处凹设有一截面适配晶片的下料槽，下料槽槽底设有第二升降台，晶片上下叠放且置放在第二升降台之上，通过载物盘上升、下降、升降台上升、下降及负压机构吸附或松释实现上料或下料，能避免上料或下料过程中损坏晶片。
设有晶片篮，晶片篮能升降，方便将晶片置放在篮内，方便使晶片浸没在腐蚀液内。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明加工机床的立体示意图；
图2-1是本发明晶片装卸位的立体示意图；
图2-2是本发明晶片装卸位的结构示意图；
图3-1是本发明腐蚀位的立体示意图；
图3-2是本发明腐蚀位的晶片篮处于上升位置的结构示意图；
图3-3是本发明腐蚀位的晶片篮处于下降位置的结构示意图。
具体实施方式
请查阅图1，蓝宝石晶片A腐蚀抛光复合加工机床，包括机台1、立式旋转臂6、主轴系统9、第一电机8、载物盘10和负压机构。该载物盘10上设有吸孔，该负压机构接通吸孔，以通过负压使载物盘10吸附晶片，通过负压解除，释放晶片，最好，吸孔个数为多个且按规律排列。
该机台1顶面设有周向间隔布置的装卸位2、粗抛位3、腐蚀位4和精抛位5，最好，该机台1顶面为水平面，该装卸位2、粗抛位3、腐蚀位4和精抛位5的位置环形阵列布置。
该立式旋转臂6设于该周向(环形阵列)的轴线处且能绕该轴线转动，该轴线上下布置；该立式旋转臂6上部固设有悬臂7，该悬臂7末端设有导轨。该主轴系统9包括一滑座和一转动连接在滑座内的主轴。该滑座能上下滑动连接在导轨，以使滑座能上下活动，使主轴系统9能相对悬臂7上下活动，根据需要，还包括驱动单元，该驱动单元装接在悬臂7且传动连接滑座以带动滑座上下活动，该驱动单元为气缸机构。该第一电机8装接在滑座，该第一电机8传动连接主轴上端部，该载物盘10固接在主轴下端部，以通过第一电机带动主轴转动，带动载物盘10转动。该主轴平行立式旋转臂6转动轴线，该载物盘10转动轴线平行立式旋转臂6转动轴线。通过对立式旋转臂6的转动控制，可将载物盘10分别移至装卸位2、粗抛位3、腐蚀位4和精抛位5进行相应的操作和加工。
请查阅图1、图2-1和图2-2，该装卸位2包括至少一个上料位21和至少一个下料位22，如附图中的四个上料位和四个下料位，该上料位和下料位交错布置，八个环形阵列布置。该每个上料位处凹设有一截面适配晶片的上料槽，该上料槽槽底设有第一升降台11，该晶片上下叠放且置放在第一升降台11之上；该每个下料位处凹设有一截面适配晶片的下料槽，该下料槽槽底设有第二升降台，该晶片上下叠放且置放在第二升降台之上。该第一升降台、第二升降台如采用液压机构或电机配设丝杆螺母机构。该装卸位2处还设有能转动且位于上料槽和下料槽之上的转盘12，该转盘12设有上下贯穿的通孔，通过转盘12转动使通孔对齐上料槽或/和下料槽。
请查阅图1，该粗抛位3和精抛位5上都设有抛光部件。该粗抛位3处固设的抛光部件为第一抛光垫，该第一抛光垫中的磨粒为金刚石磨粒，磨粒粒径为10-40m；该精抛位5处固设的抛光部件为第二抛光垫，该第二抛光垫中的磨粒为氧化铝或碳化硅磨粒，磨粒粒径为100-200纳米。
请查阅图3-1、图3-2和图3-3，该腐蚀位4设有内装有腐蚀液的腐蚀槽13。该腐蚀槽13呈上大下小的阶梯槽，该阶梯槽具有阶梯面，通过阶梯面将腐蚀槽13的槽壁分为上槽壁和下槽壁，腐蚀液液面低于阶梯面；该腐蚀位4还设有升降杆14、晶片篮15、用于加热腐蚀槽13内腐蚀液的加热装置和密封罩16；该升降杆14能上下升降地装接在腐蚀槽13的阶梯面，且升降杆14个数为多个，多个周向均匀间隔布置；该晶片篮15具有篮体和由篮体上周圈向外延伸的篮缘，该篮体开设有上下贯穿的细孔，该篮缘固接在升降杆14顶端，以通过升降杆上下升降能带动晶片篮15处于上升位置和下降位置，位于上升位置的晶片篮15脱离腐蚀液，位于下降位置的晶片篮15的下部浸没在腐蚀液内；该上槽壁设有滑槽，该密封罩滑动连接滑槽，使该密封罩16能水平移动地连接腐蚀槽13的上槽壁，且在一个伸入腐蚀槽13内且封闭腐蚀槽13(密封罩16周壁密封上槽壁)的封闭位置和一个离开腐蚀槽13上槽壁的打开位置之间移动，通过密封罩能密封腐蚀槽13，避免腐蚀液的气体外泄或腐蚀液外溢，保证安全性能。该腐蚀槽13、升降杆14、晶片篮15、密封罩16均由耐强酸腐蚀且耐高温(350℃以上)材料制成，如石英玻璃。根据需要，还可设置温度控制系统，该加热装置和温度控制系统需能将腐蚀槽13中的腐蚀液加热至300℃以上，且温度控制精度要求达到±5℃；
请查阅图1，通过立式旋转臂6转动能将载物盘10分别移至装卸位2、粗抛位3、腐蚀位4和精抛位5，在装卸位2通过载物盘10和负压机构配合以装卸晶片，在粗抛位3通过晶片和抛光部件配合以粗抛晶片，在腐蚀位4通过晶片浸没在腐蚀液内以腐蚀晶片，在精抛位5通过晶片和抛光部件配合以精抛晶片。优选的，可根据晶片的加工要求及材料去除量的大小，通过程序控制载物盘10的运动，实现腐蚀、粗抛、精抛这三道工序加工顺序及加工次数的调整。
当载物盘10移至上料位时，转盘12的通孔对齐上料槽槽口，第一升降台11将晶片从转盘12上各通孔中顶出；控制主轴系统使载物盘10下降，通过负压机构吸附作用将晶片吸附装在载物盘10，再控制主轴系统上升复位，带动载物盘10上升复位；接着旋转臂6转动，使载物盘10移至其他加工位；卸载晶片时载物盘10移至下料位，载物盘10下降并撤去吸力，将晶片放到各通孔中，置放在下料槽的第二升降台之上。
当载物盘10移至粗抛位3、精抛位5时，通过第一电极8带动主轴转动，带动载物盘10旋转转动，带动晶片转动，在粗抛和精抛加工过程中为晶片提供一定转速的旋转运动；通过主轴系统上下运动带动载物盘10上下运动，同时在粗抛和精抛过程中通过上下运动的控制可对晶片施加一定的抛光压力。其中：粗抛以机械抛光方式去除材料，精抛则以CMP抛光(化学机械抛光)方式去除材料。
当载物盘10移至腐蚀位4时，该载物盘10移至腐蚀位4上方后密封罩16开启至打开位置，晶片篮15上升到上升位置，载物盘10下降并撤掉吸力，将晶片放入晶片篮15中，晶片篮15下降至下降位置，使晶片浸泡在腐蚀液中，密封罩16运动至关闭位置实现关闭；腐蚀一段时间后密封罩16开启，晶片篮15上升，载物盘10将晶片吸住，晶片篮15下降，密封罩16关闭，载物盘10转至下一工序。
本实施例之中，设置有四个工位，四个工位按装卸位2、粗抛位3、腐蚀位4和精抛位5顺序布置，加工时按下列工序加工：上料--腐蚀--粗抛--精抛—下料进行加工。根据需要，也可设置五个工位，五个工位的装卸位2、腐蚀位4、粗抛位3、腐蚀位4和精抛位5顺序布置，或，六个工位，六个工位的装卸位2、腐蚀位4、粗抛位3、腐蚀位4、精抛位5和装卸位2顺序布置。
以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (9)

1.蓝宝石晶片腐蚀抛光复合加工机床，包括机台(1)，其特征在于：还包括立式旋转臂(6)、主轴系统(9)、第一电机(8)、载物盘(10)和负压机构；
该机台(1)顶面设有周向间隔布置的装卸位(2)、粗抛位(3)、腐蚀位(4)和精抛位(5)，该粗抛位(3)和精抛位(5)上都设有抛光部件，该腐蚀位(4)设有内装有腐蚀液的腐蚀槽(13)；
该立式旋转臂(6)上部固设有悬臂(7)，该主轴系统(9)能相对悬臂(7)上下活动，该第一电机(8)和载物盘(10)都装接在主轴系统(9)上且第一电机(8)传动连接载物盘(10)以能带动载物盘(10)转动；该载物盘(10)上设有吸孔，该负压机构接通吸孔；
该立式旋转臂(6)设于该周向的轴线处且能绕该轴线转动，通过立式旋转臂(6)转动能将载物盘(10)分别移至装卸位(2)、粗抛位(3)、腐蚀位(4)和精抛位(5)，在装卸位(2)通过载物盘(10)和负压机构配合以装卸晶片，在粗抛位(3)通过晶片和抛光部件配合以粗抛晶片，在腐蚀位(4)通过晶片浸没在腐蚀液内以腐蚀晶片，在精抛位(5)通过晶片和抛光部件配合以精抛晶片。
2.根据权利要求1所述的蓝宝石晶片腐蚀抛光复合加工机床，其特征在于：该机台(1)顶面为水平面，该装卸位(2)、粗抛位(3)、腐蚀位(4)和精抛位(5)的位置环形阵列布置，该载物盘(10)转动轴线平行立式旋转臂(6)转动轴线。
3.根据权利要求1所述的蓝宝石晶片腐蚀抛光复合加工机床，其特征在于：该悬臂(7)末端设有导轨，该主轴系统(9)包括一能上下滑动连接在导轨的滑座和一转动连接在滑座内的主轴，该第一电机(8)装接在滑座，该第一电机(8)传动连接主轴上端部，该载物盘(10)固接在主轴下端部。
4.根据权利要求3所述的蓝宝石晶片腐蚀抛光复合加工机床，其特征在于：还包括驱动单元，该驱动单元装接在悬臂(7)且传动连接滑座，该驱动单元为气缸机构。
5.根据权利要求1所述的蓝宝石晶片腐蚀抛光复合加工机床，其特征在于：该装卸位(2)包括至少一个上料位和至少一个下料位，该上料位和下料位环形阵列布置；该每个上料位处凹设有一截面适配晶片的上料槽，该上料槽槽底设有第一升降台(11)，该晶片上下叠放且置放在第一升降台(11)之上；该每个下料位处凹设有一截面适配晶片的下料槽，该下料槽槽底设有第二升降台，该晶片上下叠放且置放在第二升降台之上。
6.根据权利要求5所述的蓝宝石晶片腐蚀抛光复合加工机床，其特征在于：该装卸位(2)处还设有能转动且位于上料槽和下料槽之上的转盘(12)，该转盘(12)设有上下贯穿的通孔，通过转盘(12)转动使通孔对齐上料槽或/和下料槽。
7.根据权利要求1所述的蓝宝石晶片腐蚀抛光复合加工机床，其特征在于：该粗抛位(3)处设置的抛光部件为第一抛光垫，该第一抛光垫中的磨粒为金刚石磨粒，磨粒粒径为10-40m；该精抛位(5)处设置的抛光部件为第二抛光垫，该第二抛光垫中的磨粒为氧化铝或碳化硅磨粒，磨粒粒径为100-200纳米。
8.根据权利要求1所述的蓝宝石晶片腐蚀抛光复合加工机床，其特征在于：该腐蚀槽(13)呈上大下小的阶梯槽，该阶梯槽具有阶梯面；该腐蚀位(4)还设有升降杆(14)、晶片篮(15)、用于加热腐蚀槽(13)内腐蚀液的加热装置和密封罩(16)；该升降杆(14)能上下升降地装接在腐蚀槽(13)的阶梯面，该晶片篮(15)具有篮体和由篮体上周圈向外延伸的篮缘，该篮体开设有上下贯穿的细孔，该篮缘固接在升降杆(14)顶端；该密封罩(16)能水平移动地连接腐蚀槽(13)且在一个伸入腐蚀槽(13)内且封闭腐蚀槽(13)的封闭位置和一个离开腐蚀槽(13)的打开位置之间移动。
9.根据权利要求8所述的蓝宝石晶片腐蚀抛光复合加工机床，其特征在于：该腐蚀槽(13)具有槽壁，通过阶梯面将腐蚀槽(13)的槽壁分为上槽壁和下槽壁，该腐蚀槽(13)内的腐蚀液液面低于阶梯面；通过升降杆上下升降能带动晶片篮(15)处于上升位置和下降位置，位于上升位置的晶片篮(15)脱离腐蚀液，位于下降位置的晶片篮(15)的下部浸没在腐蚀液内；该上槽壁设有内外贯穿的滑槽，该密封罩(16)水平移动地连接滑槽。
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