CN106926112A - 一种蓝宝石衬底抛光的划痕控制系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种蓝宝石衬底抛光的划痕控制系统及控制方法，属于抛光技术领域。其解决了现有CMP存在的生成效率低和质量低等问题。本发明的自动调节控制装置分别与抛光机、冷水机、温度传感器、阻力测量计和PH传感器连接，抛光机的旋转轴下连接有抛头，阻力测量计设置在旋转轴与抛头连接处，抛头的下方为抛光机的抛光盘，抛光垫粘贴于抛光盘上，抛光垫的上方设有温度传感器和抛光液流液管，温度传感器用于检测抛光盘加工温度，抛光液流液管与抽液泵连接，PH传感器设置在抛光液灌内并检测抛光液的PH值；本发明设置好工艺条件后启动控制系统并自动进行蓝宝石衬底片抛光和划痕控制。本发明降低了成本，提高了蓝宝石衬底片抛光质量和效率。

Description

一种蓝宝石衬底抛光的划痕控制系统及控制方法
技术领域
本发明涉及一种蓝宝石衬底抛光的划痕控制系统及控制方法，属于抛光技术领域。
背景技术
进行蓝宝石衬底片抛光的工艺方法主要有机械抛光、化学抛光和化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing，简称CMP)等。机械抛光虽然能够实现全局平面化，但是难以实现表面粗糙度Ra小于1nm的纳米级抛光；化学抛光虽然能够实现纳米级抛光，但是不能实现全局平面化；化学机械抛光技术是机械磨削和化学腐蚀的组合技术，它借助超微粒子的研磨作用及浆料的化学腐蚀作用在被加工表面形成光洁平坦平面，是目前实现蓝宝石衬底片全局平坦化纳米级抛光最成熟的方法。
由于蓝宝石(Al2O3晶体)硬度太高，达到莫氏硬度9，仅次于金刚石，单纯的机械抛光几乎没法抛出光滑表面，因此需要化学机械抛光，即使用可与蓝宝石衬底之间发生缓慢的化学反应的碱性抛光液，在蓝宝石表面生成水化物偏铝酸盐，产生的偏铝酸盐是可以较容易的通过机械抛光去除的。但是在没有机械抛光作用的情况下偏铝酸盐会阻挡蓝宝石晶体表面与抛光液之间的直接接触，从而阻挡化学反应的继续进行。
目前在蓝宝石衬底片CMP主要有两种：一种是通过粗糙度较大的粗抛垫去除DMP产生的划痕，再通过粗糙度较小，而去除速率也很小的精抛垫去除粗抛产生的划痕。但这种方式的缺点是效率慢，成本高，随着行业的发展，对生产效率和成本的要求越来越严格，这种方式正逐渐被淘汰；另一种目前常用的方式是直接使用粗抛垫进行CMP，之后进行检验，将划痕较明显的产品进行返工，以降低表面质量要求的方式提高生产效率和加工成本，这种方法缺点是产品质量不稳定，返工率高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有蓝宝石衬底片CMP存在的上述缺陷，提出了一种蓝宝石衬底抛光的划痕控制系统及控制方法，设置有自动调节控制装置、抛光机、冷水机、温度传感器、阻力测量计和PH传感器，实现了自动控制蓝宝石衬底片的抛光和衬底片划痕的控制。
本发明是采用以下的技术方案实现的：包括自动调节控制装置、抛光机、冷水机、温度传感器、阻力测量计和PH传感器，自动调节控制装置分别与抛光机、冷水机、温度传感器、阻力测量计和PH传感器连接，抛光机的旋转轴下连接有抛头，阻力测量计设置在旋转轴与抛头连接处，阻力测量计通过测量抛光机的旋转轴与抛头的侧向作用力以测量蓝宝石衬底片与抛光垫之间的摩擦阻力，抛头的下方为抛光机的抛光盘，抛光垫粘贴于抛光盘上，抛光垫的上方设有温度传感器和抛光液流液管，温度传感器用于检测抛光盘加工温度，抛光液流液管的另一端设置在抛光液灌内且与设置在抛光液灌内的抽液泵连接，PH传感器设置在抛光液灌内并检测抛光液灌内抛光液的PH值。
进一步地，还包括碱液槽，碱液槽与设有电磁阀的碱液滴液管连接，电磁阀通过继电器与自动调节控制装置连接。
进一步地，所述碱液槽内设有质量分数为10％的KOH溶液。
进一步地，所述温度传感器采用红外线传感器。
进一步地，所述阻力测量计采用压力传感器。
进一步地，一种蓝宝石衬底抛光的划痕控制方法，包括下列步骤：
步骤一：将贴好蓝宝石衬底片的陶瓷盘安装于抛光机旋转轴上，并固定，将抛光垫粘贴于抛光盘上；
步骤二：设置工艺条件；
步骤三：启动控制系统并进行蓝宝石衬底片抛光；
设定好工艺条件并启动控制系统后，抽液泵抽取抛光液灌内的抛光液，并通过抛光液流液管不断在抛光垫上流出抛光液，蓝宝石衬底片贴在陶瓷盘上，通过抛光机上的抛头在陶瓷盘背面施加压力，抛光盘和抛头转动时会产生摩擦，从而对蓝宝石衬底片进行抛光；抛光过程中，当PH传感器检测到抛光液灌内抛光液的PH值低于PH设定值时，PH传感器将信号传递给自动调节控制装置，自动调节控制装置控制继电器进而打开电磁阀使碱液滴液管添加KOH溶液；当温度传感器检测抛光盘的温度高于或低于其温度设定值时，温度传感器将检测到的信号传递给自动调节控制装置，自动调节控制装置控制冷水机相应开启加热或制冷程序；当阻力测量计检测到摩擦阻力低于或高于其设定值时，将信号传递给自动调节控制装置，自动调节控制装置控制抛光机逐步升高或降低抛头在陶瓷盘上施加的压力，直到摩擦阻力恢复到其设定值；
步骤四：宝石衬底片抛光完成后关闭控制系统。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明所述的一种蓝宝石衬底抛光的划痕控制系统及控制方法，设置有自动调节控制装置、抛光机、冷水机、温度传感器、阻力测量计和PH传感器，实现了蓝宝石衬底片抛光的自动控制，当摩擦阻力大于或小于其设定值时相应的调节抛头抛光压力；当抛光液的PH值低于其设定值时，自动调节控制装置控制添加KOH增强化学反应速度；当抛光盘加工温度高于或低于其设定值时，调节冷水机温度；
(2)本发明所述的一种蓝宝石衬底抛光的划痕控制系统及控制方法，通过平衡CMP过程中化学反应和机械抛光的相互作用，使化学反应始终略快于机械抛光的速率，当抛光过程中产生划痕时，划痕内部会迅速通过化学反应产生一层保护膜偏铝酸盐从而阻挡住化学反应的继续进行，而机械抛光会优先抛掉高于划痕位置的化学反应生成的保护膜，从而逐渐将划痕去除。当摩擦阻力大于或小于目标值时相应的调节抛光压力，当PH值和温度低于目标值时通过添加KOH和调节冷水机温度增强化学反应速度；
(3)本发明所述的一种蓝宝石衬底抛光的划痕控制系统及控制方法，降低了成本，提高了效率，有效控制了蓝宝石衬底片的划痕，提高了蓝宝石衬底片的质量。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的原理图。
图中：1、抛光机；2、旋转轴；3、温度传感器；4、抛头；5、抛光垫；6、阻力测量计；7、抛光液流液管；8、抛光液灌；9、PH传感器；10、碱液槽；11、自动调节控制装置。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚、明白，下面结合附图和具体实例，对本发明提出的一种蓝宝石衬底抛光的划痕控制系统及控制方法进行进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明所述的一种蓝宝石衬底抛光的划痕控制系统，如图1至图2所示，包括自动调节控制装置11、抛光机1、冷水机、温度传感器3、阻力测量计6和PH传感器9，自动调节控制装置11分别与抛光机1、冷水机、温度传感器3、阻力测量计6和PH传感器9连接，抛光机1的旋转轴2下连接有抛头4，阻力测量计6设置在旋转轴2与抛头4连接处，阻力测量计6通过测量抛光机1的旋转轴2与抛头4的侧向作用力以测量蓝宝石衬底片与抛光垫5之间的摩擦阻力，阻力测量计6采用压力传感器，抛头4的下方为抛光机1的抛光盘，抛光垫5粘贴于抛光盘上，抛光垫5的上方设有温度传感器3和抛光液流液管7，温度传感器3采用红外线传感器以检测抛光盘加工温度，抛光液流液管7的另一端设置在抛光液灌8内且与设置在抛光液灌8内的抽液泵连接，PH传感器9设置在抛光液灌8内并检测抛光液灌8内抛光液的PH值。控制系统还包括碱液槽10，碱液槽10内设有质量分数为10％的KOH溶液，碱液槽10与设有电磁阀的碱液滴液管连接，碱液滴液管的出液口设置在抛光液灌8内液面的上方，电磁阀通过继电器与自动调节控制装置11连接，自动调节控制装置11包括触摸显示屏、PLC控制器，触摸显示屏与PLC控制器连接,PLC控制器分别与冷水机、温度传感器3、阻力测量计6和PH传感器9。
本发明所述的一种蓝宝石衬底抛光的划痕控制方法，包括下列步骤：
步骤一：将贴好蓝宝石衬底片的陶瓷盘安装于抛光机1旋转轴2上，并固定，将抛光垫5粘贴于抛光盘上；
步骤二：设置工艺条件；
1抛光液灌8内的抛光液PH设定值为10.8～11.8；
2抛光盘加工温度设定值为40～50℃；
3抛光液的流量设定值为8～12L/min；
4摩擦阻力的设定值为40～120kg/cm2，并将抛光机1旋转轴2转速设定为40～50rpm，抛光盘转速设定为40～45rpm；
步骤三：启动控制系统并进行蓝宝石衬底片抛光，抛光加工时长为100～120min；
设定好工艺条件并启动控制系统后，抽液泵抽取抛光液灌8内的抛光液，并通过抛光液流液管7不断在抛光垫5上流出抛光液，蓝宝石衬底片贴在陶瓷盘上，通过抛光机1上的抛头4在陶瓷盘背面施加压力，抛光盘和抛头4转动时会产生摩擦，从而对蓝宝石衬底片进行抛光；抛光过程中，当PH传感器9检测到抛光液灌8内抛光液的PH值低于PH设定值时，PH传感器9将信号传递给自动调节控制装置11，自动调节控制装置11控制继电器进而打开电磁阀使碱液滴液管添加KOH溶液；当温度传感器3检测抛光盘的温度高于或低于其温度设定值时，温度传感器3将检测到的信号传递给自动调节控制装置11，自动调节控制装置11控制冷水机相应开启加热或制冷程序；当阻力测量计6检测到摩擦阻力低于或高于其设定值时，将信号传递给自动调节控制装置11，自动调节控制装置11控制抛光机1逐步升高或降低抛头4在陶瓷盘上施加的压力，直到摩擦阻力恢复到其设定值；
步骤四：宝石衬底片抛光完成后关闭控制系统。
抛光液的流量、抛光机1旋转轴2转速、抛光盘转速和抛光盘加工温度是可以通过自动调节控制装置11或抛光机1的设定界面设定。抛光盘加工温度通过冷水机进行温度调控，当温度高于45℃时，冷水机启动冷却程序，当温度低于45℃时，冷水机启动加热程序，使冷却水温度升高控制温度在45±5℃范围内，且温度偏差在1℃以内；抛光液灌8内抛光液的PH值可以通过添加KOH溶液进行调节，随着抛光加工的进行，抛光液的PH值会逐渐降低，当PH传感器9检测PH值降低到10.8时，PH传感器9传递信号给自动调节控制装置11控制继电器并打开电磁阀，持续5秒添加200ml质量分数10％的KOH溶液使PH值恢复到11-11.8以内；摩擦阻力与蓝宝石衬底片及抛光垫5之间的摩擦系数和抛头4提高的压力有关，蓝宝石衬底片及抛光垫5之间的摩擦系数发生变化时，通过逐步提高抛头4在陶瓷盘上的压力或降低抛头4在陶瓷盘上的压力以保持摩擦力不变。
实施例一：
设置如下工艺条件：抛光盘加工温度为50℃，抛光液灌8内的抛光液PH值为11.5，抛光液流量为10ml/min，抛光盘转速为45rpm，旋转轴2转速为43rpm，摩擦阻力为80kg/cm2，抛光加工时长为100min；设定好工艺条件后启动自动调节控制装置11、抛光机1对蓝宝石衬底片进行抛光。
实施例二：
设置如下工艺条件：抛光盘加工温度40℃，抛光液灌8内的抛光液PH值为11，抛光液流量为10ml/min，抛光盘转速为45rpm，旋转轴2转速为43rpm，摩擦阻力为50kg/cm2，抛光加工时长为120min；设定好工艺条件后启动自动调节控制装置11、抛光机1对蓝宝石衬底片进行抛光。
当然，上述内容仅为本发明的具体实施方式，不能被认为用于限定对本发明的保护范围。本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的均等变化与改进等，均应归属于本发明的涵盖范围内。

Claims (6)

1.一种蓝宝石衬底抛光的划痕控制系统，其特征在于：包括自动调节控制装置(11)、抛光机(1)、冷水机、温度传感器(3)、阻力测量计(6)和PH传感器(9)，自动调节控制装置(11)分别与抛光机(1)、冷水机、温度传感器(3)、阻力测量计(6)和PH传感器(9)连接，抛光机(1)的旋转轴(2)下连接有抛头(4)，阻力测量计(6)设置在旋转轴(2)与抛头(4)连接处，阻力测量计(6)通过测量抛光机(1)的旋转轴(2)与抛头(4)的侧向作用力以测量蓝宝石衬底片与抛光垫(5)之间的摩擦阻力，抛头(4)的下方为抛光机(1)的抛光盘，抛光垫(5)粘贴于抛光盘上，抛光垫(5)的上方设有温度传感器(3)和抛光液流液管(7)，温度传感器(3)用于检测抛光盘加工温度，抛光液流液管(7)的另一端设置在抛光液灌(8)内且与设置在抛光液灌(8)内的抽液泵连接，PH传感器(9)设置在抛光液灌(8)内并检测抛光液灌(8)内抛光液的PH值。
2.根据权利要求1所述的一种蓝宝石衬底抛光的划痕控制系统，其特征在于：还包括碱液槽(10)，碱液槽(10)与设有电磁阀的碱液滴液管连接，电磁阀通过继电器与自动调节控制装置(11)连接。
3.根据权利要求2所述的一种蓝宝石衬底抛光的划痕控制系统，其特征在于：所述碱液槽(10)内设有质量分数为10％的KOH溶液。
4.根据权利要求1所述的一种蓝宝石衬底抛光的划痕控制系统，其特征在于：所述温度传感器(3)采用红外线传感器。
5.根据权利要求1所述的一种蓝宝石衬底抛光的划痕控制系统，其特征在于：所述阻力测量计(6)采用压力传感器。
6.一种如权利要求1～5任意一项所述的蓝宝石衬底抛光的划痕控制方法，其特征在于：包括下列步骤：
步骤一：将贴好蓝宝石衬底片的陶瓷盘安装于抛光机(1)旋转轴(2)上，并固定，将抛光垫(5)粘贴于抛光盘上；
步骤二：设置工艺条件；
步骤三：启动控制系统并进行蓝宝石衬底片抛光；
设定好工艺条件并启动控制系统后，抽液泵抽取抛光液灌(8)内的抛光液，并通过抛光液流液管(7)不断在抛光垫(5)上流出抛光液，蓝宝石衬底片贴在陶瓷盘上，通过抛光机(1)上的抛头(4)在陶瓷盘背面施加压力，抛光盘和抛头(4)转动时会产生摩擦，从而对蓝宝石衬底片进行抛光；抛光过程中，当PH传感器(9)检测到抛光液灌(8)内抛光液的PH值低于PH设定值时，PH传感器(9)将信号传递给自动调节控制装置(11)，自动调节控制装置(11)控制继电器进而打开电磁阀使碱液滴液管添加KOH溶液；当温度传感器(3)检测抛光盘的温度高于或低于其温度设定值时，温度传感器(3)将检测到的信号传递给自动调节控制装置(11)，自动调节控制装置(11)控制冷水机相应开启加热或制冷程序；当阻力测量计(6)检测到摩擦阻力低于或高于其设定值时，将信号传递给自动调节控制装置(11)，自动调节控制装置(11)控制抛光机(1)逐步升高或降低抛头(4)在陶瓷盘上施加的压力，直到摩擦阻力恢复到其设定值；
步骤四：宝石衬底片抛光完成后关闭控制系统。
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