CN106312796A - 平坦化加工装置和单面及双面平坦化加工系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平坦化加工装置、单面及双面平坦化加工系统，平坦化加工装置包括：多个用于形成多点自旋转阵列磁极的永磁铁，永磁铁同向或异向端面平齐排布，永磁铁通过磁极安装端盖设置于磁极安装盘内，永磁铁对应设于转轴的第一端，磁极安装盘上设有抛光盘，转轴的第二端连接用于驱动永磁铁同步转动的磁极同步转动电机及传动系统；设于抛光盘上的阵列正电极和阵列负电极，阵列正电极、阵列负电极与磁极安装盘三者相互绝缘设置，阵列正电极与阵列负电极连接低频高压方波交变电源；设于抛光盘中的混合有磨料的电磁流变液，电磁流变液在动态磁场与低频高压方波交变电场的耦合作用下形成抛光垫。此装置提高了工件表面的平坦化加工的质量与效率。

Description

平坦化加工装置和单面及双面平坦化加工系统

技术领域

本发明涉及超精密加工设备技术领域，特别涉及一种平坦化加工装置，应用于半导体基片。此外，本发明还涉及一种包括上述平坦化加工装置的单面平坦化加工系统以及包括上述平坦化加工装置的双面平坦化加工系统，应用于半导体基片。

背景技术

随着微电子和光电子技术的快速发展，单晶SiC、蓝宝石、玻璃基板等新一代半导体基片朝着大尺寸、超薄化方向发展，对半导体基片的加工要求也越来越高，不但要求晶片达到亚纳米级表面粗糙度，而且还要求晶片具有很高的表面/亚表面完整性(微划痕、微裂纹、位错等缺陷和损伤)、平行度、平面度等，因而需要不断研究开发新的高效超精密平坦化加工技术，才能获得趋向完美的加工表面，满足当今信息技术产业高速发展的要求。

一种典型的半导体基片表面的平坦化加工技术为经典磁流变抛光(Magnetorheological Finishing，MRF)，该方法利用磁流变液流变的特性形成抛光垫及产生的流体动压力对加工表面进行逐点扫描加工，但是加工效率比较低。采用集群磁流变平坦化加工方法中，用于形成磁流变效应抛光垫的小尺寸磁性体通常采用永磁铁，在加工过程中，只能通过调整工件与抛光盘之间的间隙(简称加工间隙)来实现对抛光盘刚度的调节，同时，静态磁场形成的集群磁流变效应抛光垫缺乏自我修整和磨料更新自锐的机制，磁流变液在磁场作用下的黏弹性使得静磁场形成的抛光垫对工件表面加工后受力畸变，难以保持加工后工件的性能稳定，制约了该工艺的进一步应用和发展。

因此，如何提高半导体基片工件表面的平坦化加工的质量与效率，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种平坦化加工装置，提高工件表面的平坦化加工的质量与效率。本发明的另一目的是提供一种包括上述平坦化加工装置的单面平坦化加工系统，实现工件表面平坦化加工的高质量和高效率。本发明的另一目的是提供一种包括上述平坦化加工装置的双面平坦化加工系统，实现工件表面平坦化加工的高质量和高效率。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种平坦化加工装置，应用于半导体基片，包括：

多个用于形成多点自旋转阵列磁极的永磁铁，所述永磁铁同向或异向端面平齐排布，所述永磁铁通过磁极安装端盖设置于磁极安装盘内，所述永磁铁对应设置于转轴的第一端，所述磁极安装盘上靠近所述第一端的一侧设有抛光盘，所述转轴的第二端连接用于驱动所述永磁铁同步转动以形成动态磁场的磁极同步转动电机及传动系统；

设于所述抛光盘上的阵列正电极和阵列负电极，所述阵列正电极、所述阵列负电极与所述抛光盘三者相互绝缘设置，所述阵列正电极与所述阵列负电极连接用于形成低频高压方波交变电场的低频高压方波交变电源；

设于所述抛光盘上的混合有磨料的电磁流变液，所述电磁流变液在所述动态磁场与所述低频高压方波交变电场的耦合作用下形成抛光垫。

优选地，所述低频高压方波交变电源为电压为0.5～5kV且频率为0.1～5Hz的交变电源。

优选地，所述永磁铁上靠近所述抛光盘的端面与所述抛光盘的内表面距离为0.5至3mm，所述永磁铁为磁场强度为2000Gs至6000Gs的圆柱形永磁铁。

优选地，所述永磁铁偏心设于所述转轴上，且所述转轴与所述永磁铁之间的偏心距大于0且小于10mm。

优选地，所述抛光盘上的覆盖一层0.2mm至2mm厚的绝缘层，所述阵列正电极和所述阵列负电极设于所述绝缘层上，且所述阵列正电极与所述阵列负电极之间通过绝缘体分隔。

优选地，所述电磁流变液为通过在质量分数为50％至90％电流变液中加入质量分数为3％至20％的游离磨料和质量分数为5％至30％的改性铁粉形成。

优选地，所述电流变液中固体电流变粒子的质量百分比为10～30％，绝缘油质量百分比为50～80％，分散剂的质量百分比为2～10％，添加剂的质量百分比为2～10％，所述固体电流变粒子为粒径0.5～7μm的硅铝酸盐、复合金属氧化物、复合金属氢氧化物、高分子半导体粒子和复合型半导体粒子的一种或者多种混合而成，所述绝缘油为硅油、植物油、矿物油和煤油的一种或多种组合而成。

优选地，所述改性铁粉为粒径为0.5～70μm的羰基铁粉外电镀或者包裹金属氧化物、有机物或者半导体材料中的一者而成。

一种单面平坦化加工系统，应用于半导体基片，包括如上述任意一项所述的平坦化加工装置，还包括：

对应设于所述平坦化加工装置中的抛光盘的一侧的机床台架，所述机床台架上设有用于安装工件的工具头、连接于所述工具头的工具头主轴、与所述工具头主轴配合固定所述工件的工件保持架、工具头主轴电机及传动系统、用于驱动所述工具头主轴在所述抛光盘的外表面的法线方向运动的Z方向进给系统以及用于驱动所述工具头主轴在平行于所述抛光盘的外表面的方向运动的X方向进给系统；

设于所述平坦化加工装置中的远离所述抛光盘的一侧的回转工作台主轴、设于所述平坦化加工装置与所述回转工作台主轴之间的导电环、安装于所述回转工作台主轴的回转工作台主轴电机及传动机构、安装于所述回转工作台主轴与所述导电环之间的磁极同步转动电机及传动系统；

所述导电环包括正极导电环和负极导电环，所述正极导电环连接所述平坦化加工装置中的阵列正电极，所述负极导电环连接所述平坦化加工装置中的阵列负电极，所述正极导电环与所述负极导电环连接低频高压方波交变电源；

所述Z方向进给系统以方波或多次多项式曲线方式改变所述工件的加工表面与所述抛光盘的外表面的加工间隙，形成流变效应产生动态作用力。

一种双面平坦化加工系统，应用于半导体基片，包括如上述任意一项所述的平坦化加工装置，还包括：

机床台架、同步齿轮、同步电机、同步带、自适应夹紧机构和用于放置工件的自旋转保持架，四个所述同步齿轮均匀圆周分布在所述机床台架上，且四个所述同步齿轮通过所述同步带连接，其中一个所述同步齿轮连接所述同步电机，所述自旋转保持架与四个所述同步齿轮同时啮合，两个所述自适应夹紧机构对称安装于所述同步齿轮的轴向的两端面，且所述自适应夹紧机构能够与工件的加工面紧密接触；

分别对应设于一个所述自适应夹紧机构的两侧的两个所述平坦化加工装置，两个所述平坦化加工装置相对称设置，且分设于两个所述平坦化加工装置中正对的永磁铁的靠近端磁性相反，每个所述平坦化加工装置中的抛光盘靠近所述自旋转保持架，每个所述平坦化加工装置中远离所述抛光盘的一侧设有导电环，所述导电环设于所述平坦化加工装置与工具头主轴之间，所述工具头主轴连接用于驱动所述工具头主轴垂直于所述抛光盘的外表面运动的Z方向进给系统，所述工具头主轴连接工具头主轴电机及传动系统，且所述工具头主轴连接磁极同步转动电机及传动系统；

所述导电环包括正极导电环和负极导电环，所述正极导电环连接所述平坦化加工装置中的阵列正电极，所述负极导电环连接所述平坦化加工装置中的阵列负电极，所述正极导电环与所述负极导电环连接低频高压方波交变电源；

所述Z方向进给系统以方波或多次多项式曲线方式同步改变所述工件的双面加工表面与所述抛光盘的外表面的加工间隙，以实现对所述工件法向压力自行平衡和保持所述工件加工时的位置。

本发明提供的包括上述平坦化加工装置的单面平坦化加工系统，和双面平坦化加工系统，能够优先选择去除加工表面凸点，提高了工件表面的平坦化加工的质量与效率。此种单面平坦化加工系统，以一定的低频速率改变加工表面与抛光盘面的加工间隙，形成流变效应产生动态作用力，由于动态作用力与加工间隙成反比关系，因此同样宏观加工间隙下，加工表面微观凸点的实际加工间隙更小，因而受到更大的作用力会被优先去除。此种双面平坦化加工系统，针对半导体基片厚度小且抗弯强度小，采用双面同步动态改变加工表面与抛光盘面的加工间隙，半导体基片所受到的法向压力自行平衡不会产生附加变形，消除了可能对半导体基片的损伤，同时保持半导体基片加工时的位置。

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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为单独永磁铁动态磁场磁力线分布示意图；

图2为单独低频高压动态磁场磁力线分布示意图；

图3为本发明中磁电耦合动态磁场磁力线分布示意图；

图4为本发明中磁电耦合电磁流变动态多维控制磨料高效超精密单面平坦化原理图；

图5为本发明中磁电耦合电磁流变动态多维控制磨料高效超精密双面平坦化原理图；

图6为本发明中磁电耦合电磁流变动态多维控制磨料高效超精密单面平坦化工作示意图；

图7为本发明中磁电耦合电磁流变动态多维控制磨料高效超精密双面平坦化工作示意图。

图1至图7中，1为磁极安装盘，2为永磁铁，3为转轴，5为磁极安装端盖，6为动态磁力线，7为阵列正电极，8为绝缘体，9为阵列负电极，10为动态电场线，11为电流变液，12为抛光垫，13为工具头，14为工件，15为工件保持架，16为低频高压方波交变电源，17为自适应夹紧机构，18为自旋转保持架，20为抛光盘，21为工作台，22为回转工作台主轴，23为回转工作台主轴电机及传动机构，24为机床台架，25为Z方向进给系统，26为工具头主轴，27为工具头主轴电机及传动系统，28为X方向进给系统，29为正极导电环，30为负极导电环，31为磁极同步转动电机及传动系统，32为同步齿轮，33为同步电机，34为同步带，35为绝缘层。

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。

本发明的核心是提供一种平坦化加工装置，提高工件表面的平坦化加工的质量与效率。本发明的另一核心是提供一种包括上述平坦化加工装置的单面平坦化加工系统，实现工件表面的平坦化加工的高质量与高效率。本发明的另一核心是提供一种包括上述平坦化加工装置的双面平坦化加工系统，实现工件表面的平坦化加工的高质量与高效率。

请参考图4和图5，图4为本发明中磁电耦合电磁流变动态多维控制磨料高效超精密单面平坦化原理图；图5为本发明中磁电耦合电磁流变动态多维控制磨料高效超精密双面平坦化原理图。

本发明所提供的应用于半导体基片的平坦化加工装置的一种具体实施例中，包括：

多个用于形成多点自旋转阵列磁极的永磁铁2，永磁铁2同向或异向端面平齐排布，永磁铁2通过磁极安装端盖5设置于磁极安装盘1内，永磁铁2对应设置于转轴3的第一端，磁极安装盘1上靠近第一端的一侧设有抛光盘20，转轴3的第二端连接用于驱动永磁铁2同步转动以形成动态磁场的磁极同步转动电机及传动系统31；

设于抛光盘20上的阵列正电极7和阵列负电极9，阵列正电极7、阵列负电极9与抛光盘20三者相互绝缘设置，阵列正电极7与阵列负电极9连接用于形成低频高压方波交变电场的低频高压方波交变电源16；

设于抛光盘20上的混合有磨料的电磁流变液，电磁流变液在动态磁场与低频高压方波交变电场的耦合作用下形成抛光垫12。

也就是说，本实施例中的平坦化加工装置包括动态磁场形成组件与低频高压方波交变电场形成组件两者形成的工作台21，还包括电磁流变液。其中，动态磁场形成组件中，磁极安装盘1为平坦化加工装置的外壳，磁极安装盘1连接磁极安装端盖5和抛光盘20，磁极安装盘1中设置转轴3，转轴3应为多个，转轴3的第一端设置永磁铁2，永磁铁2安装于转轴3后，所有永磁铁2同向排列且端面平齐，或者异向排列且端面平齐，同时，永磁铁2可以安装在磁极安装端盖5上，以实现永磁铁2的固定，多个永磁铁2的作用下可以共同构建成大尺寸的磁流变抛光盘20。转轴3的第二端可以用于连接磁极同步转动电机及传动系统31，磁极同步转动电机及传动系统31可以驱动永磁铁2同步转动，从而形成动态磁场。优选地，永磁铁2即磁极的转速可以为0～300rpm，以保证磁流变效果。

其中，转轴3的第一端与第二端分别指转轴3在轴向上的两端。抛光盘20的外表面与抛光盘20的内表面为抛光盘20上的两个相对的面，大体与转轴3的轴向垂直，内表面位于磁极安装盘1内，抛光盘20的外表面设于外侧且为用于进行加工的面。

低频高压方波交变电场形成组件中，阵列正电极7、阵列负电极9与磁极安装盘1三者相互绝缘设置，阵列正电极7与阵列负电极9连接低频高压方波交变电源16，以形成低频高压方波交变电场，该电场中具有动态电场线10。

电磁流变液在动态磁场的作用下产生动态磁流变效应(如图1所示)，同时，在低频高压方波交变电场的作用下产生动态电流变效应(如图2所示)，两者的耦合作用(如图3所示)下形成的抛光垫12，通过抛光盘20的外表面与工件14的加工表面间隙的动态调整、电场电压与频率的调整、磁极转速调整和工件14与抛光垫12的相对运动来对工件14表面进行高效平坦化加工。

此种平坦化加工装置进行平坦化加工时，使混合了磨料的电磁流变液进入到抛光盘20表面，磁场的作用下能迅速形成对磨粒具有行为约束和聚集作用的粘弹性均匀抛光垫12；通过驱动小尺寸磁性体即永磁铁2同步转动，可以促使磁极端面的静态磁力线转变为交互的动态磁力线6，动态磁力线6促使电磁流变液形成的柔性抛光垫12以实时动态分布，从而可以调节柔性抛光垫12的刚度及磨粒的固着强度，并促使柔性抛光垫12性能的修复和磨料的更新自锐，电磁流变效应抛光垫12的粘弹性具有“容没”效应，可以使不同尺寸磨粒均匀作用于工件14的加工表面；同时，通过将具有微结构的交错电极即阵列正电极7和阵列负电极9镶嵌到抛光盘20的表面，在施加低频交流电的情况下，正负电极之间能形成有序交错的电场，抛光垫12中的磨粒在交变电场的作用下能进一步聚集分布持续调整姿态；电磁流变效应抛光垫12半固着约束磨料进行旋转，以便对半导体基片加工表面产生柔和抛光作用，从而可以消除抛光盘20与工件14表面之间的机械接触损伤，有利于减小亚表面损伤，提高超光滑表面的加工品质。

可见，此种平坦化加工装置将小尺寸端面磁场均化磁体即永磁铁2通过集群原理构建成大尺寸磁流变抛光盘，并巧妙应用低频高压方波交变电场与动态磁场结合的方式实现抛光盘20表面的电磁流变效应抛光垫12的刚度变化和磨料再分布，同时，可以实现对磨料产生动态约束和更新自锐作用，从而通过物理机械作用机理协同复合多维控制磨料运动姿态、分布密度、自锐更新，实现磨料向加工表面聚集、弹性支撑、张驰有序、松紧有度、柔性和缓、大幅提高磨料密度及其去除的有效性，能够持续不断稳定作用于加工表面，实现对加工表面材料的高效微量塑性去除的磁电耦合电磁流变动态多维控制磨料高效超精密平坦化加工。

上述实施例中，低频高压方波交变电源16具体可以为电压为0.5～5kV且频率为0.1～5Hz的交变电源，以保证电场的效果满足加工需要。当然，低频高压方波交变电源16的选用不限于此。

上述各个实施例中，永磁铁2上靠近抛光盘20的端面与抛光盘20的内表面的距离可以为0.5至3mm，永磁铁2可以为磁场强度为2000Gs至6000Gs的圆柱形永磁铁，在保证磁场效果的同时，便于永磁铁2的安装。当然，永磁铁2的设置方式不限于此。

上述各个实施例中，永磁铁2可以偏心设置在转轴3上，且转轴3与永磁铁2之间的偏心距可以大于0且小于10mm，以保证转轴3能够带动永磁铁2进行转动。当然，永磁铁2也可以与转轴3同轴设置或者进行其他偏心距的偏心设置。

上述各个实施例中，抛光盘20上可以覆盖一层0.2mm至2mm的绝缘层35，阵列正电极7和阵列负电极9设于绝缘层35上，且阵列正电极7与阵列负电极9之间通过绝缘体8分隔，从而可靠实现抛光盘20、阵列正电极7与阵列负电极9之间的绝缘

上述各个实施例中，电磁流变液具体可以为通过在质量分数为50％至90％电流变液11中加入质量分数为3％至20％的游离磨料和质量分数为5％至30％的改性铁粉形成。此种电磁流变液可以在低频高压方波交变电场产生的动态电流变效应、多点自旋转阵列磁极的作用下产生的动态磁流变效应的耦合作用下形成磨料姿态、分布密度、加工行为和自锐更新动态复合多维控制的可变刚度柔性抛光垫12，通过抛光盘20外表面与加工表面间隙的动态调整、电场电压与频率的调整、磁极转速调整和工件14与柔性抛光垫12的相对运动对工件14表面进行高效平坦化加工。

具体地，电流变液11中固体电流变粒子的质量百分比为10～30％，绝缘油质量百分比为50～80％，分散剂的质量百分比为2～10％，添加剂的质量百分比为2～10％，固体电流变粒子为粒径0.5～7μm的硅铝酸盐、复合金属氧化物、复合金属氢氧化物、高分子半导体粒子和复合型半导体粒子的一种或者多种混合，绝缘油为硅油、植物油、矿物油和煤油的一种或多种组合。其中，质量百分比以电磁流变液的总质量为基数。此种电流变液11能够可靠地与磨料、改性铁粉配合形成抛光垫12。当然，电流变液11也可以选用现有的商品化巨电流变液。

上述各个实施例中，游离磨料可以为金刚石、碳化硅、氮化鹏、氮化硅、氧化锆、氧化铝等其中的一种或者多种形成的混合物，粒径为纳米级、亚微米级和微米级的一种或者多种混合。

上述各个实施例中，改性铁粉可以为粒径为0.5～70μm的羰基铁粉外电镀或者包裹金属氧化物、有机物或者半导体材料中的一者，以保证磁流变效果。

请参考图6，图6为本发明中磁电耦合电磁流变动态多维控制磨料高效超精密单面平坦化工作示意图。

除了上述平坦化加工装置，本发明还提供了一种包括上述实施例公开的平坦化加工装置的单面平坦化加工系统，应用于半导体基片，该单面平坦化工加工系统还包括：

对应设于平坦化加工装置中的抛光盘20的一侧的机床台架24，即沿着转轴3的轴向，机床台架24设置在工作台21靠近转轴3第一端的外侧，机床台架24上设有用于安装工件14的工具头13、连接于工具头13的工具头主轴26、与工具头主轴26配合固定工件14的工件保持架15、工具头主轴电机及传动系统27，工具头13上安装工件14的端面具体可以与抛光盘20的外表面平行；机床台架24上还设有用于驱动工具头主轴26在抛光盘20的外表面的法线方向运动的Z方向进给系统25以及用于驱动工具头主轴26在平行于抛光盘20的外表面的方向运动的X方向进给系统28，X方向进给系统28与Z方向进给系统25垂直交叉设置并固定于机床台架24；

设于平坦化加工装置中的远离抛光盘20的一侧的回转工作台主轴22、设于平坦化加工装置与回转工作台主轴22之间的导电环、安装于回转工作台主轴22的回转工作台主轴电机及传动机构23、安装于回转工作台主轴22与导电环之间的磁极同步转动电机及传动系统31；

导电环包括正极导电环29和负极导电环30，正极导电环29连接平坦化加工装置中的阵列正电极7，负极导电环30连接平坦化加工装置中的阵列负电极9，正极导电环29与负极导电环30连接低频高压方波交变电源16；

Z方向进给系统25以方波或多次多项式曲线方式改变工件的加工表面与抛光盘20的外表面的加工间隙，形成流变效应产生动态作用力。

此种单面平坦化加工系统由平坦化加工装置和工件夹持及运动机构组成，在抛光盘面法向低频动态改变工件与抛光盘面的加工间隙产生动态作用力实现优先去除加工表面凸点快速平坦化提高加工效率，在平行抛光盘面方向运动提高加工表面平面度，可以用于工件14的单面加工。其中，在加工时，以一定的低频速率改变加工表面与抛光盘面的加工间隙，形成流变效应产生动态作用力，由于动态作用力与加工间隙成反比关系，因此同样宏观加工间隙下，加工表面微观凸点的实际加工间隙更小，因而受到更大的作用力会被优先去除。

此外，电磁流变液注入抛光盘20与工件14之间时可以在交变电场与动态磁场耦合作用下形成致密柔性抛光，加工表面质量好，表面一致性较高，加工效率高，成本低，而且无表面和亚表面损伤，同时，容易实施，非常适用于光电子/微电子半导体基片及光学元件的平面平坦化加工，所需的电磁流变液只需填充到一个极小的密闭工作区域中，大大节省了耗材的成本。

一种优选的加工操作中，工作时，永磁铁2的转速可以为0～300rpm，工具头13的转速可以为100～2000rpm，X方向摆幅为5～30mm，工件14的加工表面与抛光盘20的外表面之间的加工间隙19为从1.5～3mm范围按多次多项式减速度下降到0.5～1.2mm，然后快速提升到初始间隙，不断重复变间隙运动。

请参考图7，图7为本发明中磁电耦合电磁流变动态多维控制磨料高效超精密双面平坦化工作示意图。

除了上述平坦化加工装置以及单面平坦化加工系统，本发明还提供了一种包括上述实施例公开的平坦化加工装置的双面平坦化加工系统，应用于半导体基片，该双面平坦化工加工系统还包括：

机床台架24、同步齿轮32、同步电机33、同步带34、自适应夹紧机构17和用于放置工件14的自旋转保持架18，四个同步齿轮32均匀圆周分布在机床台架24上，且四个同步齿轮32通过同步带34连接，其中一个同步齿轮32连接同步电机33，自旋转保持架18与四个同步齿轮32同时啮合，两个自适应夹紧机构17对称安装于同步齿轮32的轴向的两端面，且自适应夹紧夹紧机构能够与工件14表面紧密接触；

分别对应设于一个自适应夹紧机构17两侧的两个平坦化加工装置，即两个平坦化加工装置可以对称设置在工件14的两侧，且分设于两个平坦化加工装置中正对的永磁铁2靠近端磁性相反，分别用于对工件14两个加工面的加工，每个平坦化加工装置中的抛光盘20靠近自旋转保持架18，每个平坦化加工装置中远离抛光盘20的一侧设有导电环，导电环设于平坦化加工装置与工具头主轴26之间，工具头主轴26连接用于驱动工具头主轴26垂直于抛光盘20的外表面运动的Z方向进给系统25，工具头主轴26连接工具头主轴电机及传动系统27，且工具头主轴26连接磁极同步转动电机及传动系统31。

导电环包括正极导电环29和负极导电环30，正极导电环29连接平坦化加工装置中的阵列正电极7，负极导电环30连接平坦化加工装置中的阵列负电极9，正极导电环29与负极导电环30连接低频高压方波交变电源16；

Z方向进给系统以方波或多次多项式曲线方式同步改变工件的双面加工表面与抛光盘的外表面的加工间隙，以实现对工件法向压力自行平衡和保持工件加工时的位置。

此种双面平坦化加工系统由对称配置的平坦化加工装置和工件夹持及运动机构组成，平坦化加工装置在半导体基片两侧同步法向运动和平行抛光盘面运动，既提高平坦化加工效率和质量也保证半导体基片不产生附加作用力保护基片，可以用于工件14的双面加工。在加工时，针对半导体基片厚度小且抗弯强度小，采用双面同步动态改变加工表面与抛光盘面的加工间隙，半导体基片所受到的法向压力自行平衡不会产生附加变形，消除了可能对半导体基片的损伤，同时保持半导体基片加工时的位置。

此外，电磁流变液注入抛光盘20与工件14之间时可以在交变电场与动态磁场耦合作用下形成致密柔性抛光，加工表面质量好，表面一致性较高，加工效率高，成本低，而且无表面和亚表面损伤，同时，容易实施，非常适用于光电子/微电子半导体基片及光学元件的平面平坦化加工，所需的电磁流变液只需填充到一个极小的密闭工作区域中，大大节省了耗材的成本。

其中，在实际使用时，两个平坦化加工装置通常上下设置，以上下设置的方向关系进行说明，机床台架24与设于下侧的平坦化加工装置的外圈通常组要可靠密封，两个抛光盘20的外表面与工件14上对应的两个加工面的距离相等且为0.5～5mm，平坦化加工装置的转速为50～1000rpm，转动时两侧正对的永磁铁2靠近端磁性相反。电磁流变液在注入抛光盘20与工件14之间时在交变电场与动态磁场耦合作用下形成柔性抛光垫12，同步电机33可以驱动自旋转保持架18带动工件14以10～300rpm速度转动。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上对本发明所提供的平坦化加工装置、具有该平坦化加工装置的单面平坦化加工系统以及具有该平坦化加工装置的双面平坦化加工系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种平坦化加工装置，应用于半导体基片，其特征在于，包括：

多个用于形成多点自旋转阵列磁极的永磁铁(2)，所述永磁铁(2)同向或异向端面平齐排布，所述永磁铁(2)通过磁极安装端盖(5)设置于磁极安装盘(1)内，所述永磁铁(2)对应设置于转轴(3)的第一端，所述磁极安装盘(1)上靠近所述第一端的一侧设有抛光盘(20)，所述转轴(3)的第二端连接用于驱动所述永磁铁(2)同步转动以形成动态磁场的磁极同步转动电机及传动系统(31)；

设于所述抛光盘(20)上的阵列正电极(7)和阵列负电极(9)，所述阵列正电极(7)、所述阵列负电极(9)与所述抛光盘(20)三者相互绝缘设置，所述阵列正电极(7)与所述阵列负电极(9)连接用于形成低频高压方波交变电场的低频高压方波交变电源(16)；

设于所述抛光盘(20)上的混合有磨料的电磁流变液，所述电磁流变液在所述动态磁场与所述低频高压方波交变电场的耦合作用下形成抛光垫(12)。

2.根据权利要求1所述的平坦化加工装置，其特征在于，所述低频高压方波交变电源(16)为电压为0.5～5kV且频率为0.1～5Hz的交变电源。

3.根据权利要求2所述的平坦化加工装置，其特征在于，所述永磁铁(2)上靠近所述抛光盘(20)的端面与所述抛光盘(20)的内表面距离为0.5至3mm，所述永磁铁(2)为磁场强度为2000Gs至6000Gs的圆柱形永磁铁。

4.根据权利要求3所述的平坦化加工装置，其特征在于，所述永磁铁(2)偏心设于所述转轴(3)上，且所述转轴(3)与所述永磁铁(2)之间的偏心距大于0且小于10mm。

5.根据权利要求4所述的平坦化加工装置，其特征在于，所述抛光盘(20)上的覆盖一层0.2mm至2mm厚的绝缘层(35)，所述阵列正电极(7)和所述阵列负电极(9)设于所述绝缘层(35)上，且所述阵列正电极(7)与所述阵列负电极(9)之间通过绝缘体(8)分隔。

6.根据权利要求1至5任意一项所述的平坦化加工装置，其特征在于，所述电磁流变液为通过在质量分数为50％至90％电流变液(11)中加入质量分数为3％至20％的游离磨料和质量分数为5％至30％的改性铁粉形成。

7.根据权利要求6所述的平坦化加工装置，其特征在于，所述电流变液(11)中固体电流变粒子的质量百分比为10～30％，绝缘油质量百分比为50～80％，分散剂的质量百分比为2～10％，添加剂的质量百分比为2～10％，所述固体电流变粒子为粒径0.5～7μm的硅铝酸盐、复合金属氧化物、复合金属氢氧化物、高分子半导体粒子和复合型半导体粒子的一种或者多种混合而成，所述绝缘油为硅油、植物油、矿物油和煤油的一种或多种组合而成。

8.根据权利要求7所述的平坦化加工装置，其特征在于，所述改性铁粉为粒径为0.5～70μm的羰基铁粉外电镀或者包裹金属氧化物、有机物或者半导体材料中的一者而成。

9.一种单面平坦化加工系统，应用于半导体基片，其特征在于，包括权利要求1至8任意一项所述的平坦化加工装置，还包括：

对应设于所述平坦化加工装置中的抛光盘(20)的一侧的机床台架(24)，所述机床台架(24)上设有用于安装工件(14)的工具头(13)、连接于所述工具头(13)的工具头主轴(26)、与所述工具头主轴(26)配合固定所述工件(14)的工件保持架(15)、工具头主轴电机及传动系统(27)、用于驱动所述工具头主轴(26)在所述抛光盘(20)的外表面的法线方向运动的Z方向进给系统(25)以及用于驱动所述工具头主轴(26)在平行于所述抛光盘(20)的外表面的方向运动的X方向进给系统(28)；

设于所述平坦化加工装置中的远离所述抛光盘(20)的一侧的回转工作台主轴(22)、设于所述平坦化加工装置与所述回转工作台主轴(22)之间的导电环、安装于所述回转工作台主轴(22)的回转工作台主轴电机及传动机构(23)、安装于所述回转工作台主轴(22)与所述导电环之间的磁极同步转动电机及传动系统(31)；

所述导电环包括正极导电环(29)和负极导电环(30)，所述正极导电环(29)连接所述平坦化加工装置中的阵列正电极(7)，所述负极导电环(30)连接所述平坦化加工装置中的阵列负电极(9)，所述正极导电环(29)与所述负极导电环(30)连接低频高压方波交变电源(16)；

所述Z方向进给系统(25)以方波或多次多项式曲线方式改变所述工件(14)的加工表面与所述抛光盘(20)的外表面的加工间隙，形成流变效应产生动态作用力。

10.一种双面平坦化加工系统，应用于半导体基片，其特征在于，包括权利要求1至8任意一项所述的平坦化加工装置，还包括：

机床台架(24)、同步齿轮(32)、同步电机(33)、同步带(34)、自适应夹紧机构(17)和用于放置工件(14)的自旋转保持架(18)，四个所述同步齿轮(32)均匀圆周分布在所述机床台架(24)上，且四个所述同步齿轮(32)通过所述同步带(34)连接，其中一个所述同步齿轮(32)连接所述同步电机(33)，所述自旋转保持架(18)与四个所述同步齿轮(32)同时啮合，两个所述自适应夹紧机构(17)对称安装于所述同步齿轮(32)的轴向的两端面，且所述自适应夹紧机构(17)能够与工件(14)的加工面紧密接触；

分别对应设于一个所述自适应夹紧机构(17)的两侧的两个所述平坦化加工装置，两个所述平坦化加工装置相对称设置，且分设于两个所述平坦化加工装置中正对的永磁铁(2)的靠近端磁性相反，每个所述平坦化加工装置中的抛光盘(20)靠近所述自旋转保持架(18)，每个所述平坦化加工装置中远离所述抛光盘(20)的一侧设有导电环，所述导电环设于所述平坦化加工装置与工具头主轴(26)之间，所述工具头主轴(26)连接用于驱动所述工具头主轴(26)垂直于所述抛光盘(20)的外表面运动的Z方向进给系统(25)，所述工具头主轴(26)连接工具头主轴电机及传动系统(27)，且所述工具头主轴(26)连接磁极同步转动电机及传动系统(31)；

所述导电环包括正极导电环(29)和负极导电环(30)，所述正极导电环(29)连接所述平坦化加工装置中的阵列正电极(7)，所述负极导电环(30)连接所述平坦化加工装置中的阵列负电极(9)，所述正极导电环(29)与所述负极导电环(30)连接低频高压方波交变电源(16)；

所述Z方向进给系统(25)以方波或多次多项式曲线方式同步改变所述工件(14)的双面加工表面与所述抛光盘(20)的外表面的加工间隙，以实现对所述工件(14)法向压力自行平衡和保持所述工件(14)加工时的位置。