CN107470987A - 一种基于磁流变胶的超光滑平面抛光装置及抛光方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种基于磁流变胶的超光滑平面抛光装置，涉及超精密加工技术领域，该装置包括支架，支架的顶端设有平台，平台上固定有旋转座，旋转座上设有抛光盘，旋转座连接有抛光盘驱动机构；抛光盘的上方设有工件夹持机构，工件夹持机构包括有夹盘，平台的下方设有磁场发生机构，磁场发生机构包括有转盘，转盘上均匀设置有若干永磁铁；基于磁流变胶的超光滑平面抛光方法包括以下步骤：将工件固定在抛光头的卡盘上；在抛光盘内加入磁流变胶；通过动态磁场控制磁流变胶的形态，形成柔性抛光头，完成对工件的抛光。本发明通过动态磁场控制磁流变胶的形态进行抛光，可简化抛光装置，提高抛光效率，降低成本，非常适用于超光滑平面零件的抛光。

Description

一种基于磁流变胶的超光滑平面抛光装置及抛光方法

技术领域

本发明涉及超精密加工技术领域，具体涉及一种基于磁流变胶的超光滑平面抛光装置及方法，特别适合于微电子半导体晶片的超光滑平面加工。

背景技术

随着光学和微电子学及相关技术领域的发展，对所需材料的表面质量要求越来越高，现阶段主要通过化学机械抛光和磁流变抛光等技术对超精密工件进行表面抛光。但是利用化学机械抛光后，工件表面料将清理困难，易对环境造成污染，不能满足超级精密工件表面洁净度和环保要求。

磁流变抛光技术是一种利用磁流变抛光液在磁场中的流变特性对工件进行抛光的技术，磁流变抛光液在梯度磁场中会发生流变现象，形成具有粘塑性宾汉姆(Bingham)柔性凸起，当柔性凸起与待加工工件表面接触并发生相对运动时，会在工件表面产生很大的剪切力，在磁流变抛光液中磨粒的作用下实现材料的去除。

而利用磁流变抛光液对工件进行抛光，虽然解决了上述困难，但仍然存在抛光液易沉淀或团聚的问题，且磁流变抛光液在磁场作用下产生的剪切力有限，材料去除率相对较低，增加了生产成本，抛光效率和质量不能满足生产需要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够提高材料去除率，提高抛光效率和质量的基于磁流变胶的抛光装置及抛光方法方法，以解决上述背景技术中存在的抛光液易沉降，抛光剪切力有限，抛光效率和抛光质量不能满足生产需要的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

一种基于磁流变胶的超光滑平面抛光装置，包括支架，所述支架的顶端设有平台，所述平台上固定有旋转座，所述旋转座上设有抛光盘，所述旋转座连接有抛光盘驱动机构；所述抛光盘的上方设有工件夹持机构，所述工件夹持机构包括有夹盘，所述夹盘位于所述抛光盘上方；所述平台的下方设有磁场发生机构，所述磁场发生机构包括有转盘，所述转盘位于所述抛光盘的下方，所述转盘上以所述转盘的中心为起点，沿等速螺线均匀设置有若干永磁铁。

进一步的，所述平台上固定有支撑杆，所述工件夹持机构设于所述支撑杆上；所述工件夹持机构包括水平驱动滑台，所述水平驱动滑台固定在所述支撑杆的顶端，所述水平驱动滑台上滑动设有水平滑块，所述水平滑块上固定有垂直驱动滑台，所述垂直驱动滑台上滑动设有垂直滑块，所述垂直滑块上固定有电机二，所述电机二传动连接有转轴一，所述转轴一下端连接所述夹盘。

进一步的，所述磁场发生机构还包括有支座二，所述支座二固定于所述平台的下端面，所述支座二的一侧面上设有两个竖直导轨，所述两个竖直导轨之间设有滚珠丝杠，所述滚珠丝杠上连接有支座三，所述支座三上固定有电机三，所述电机三上连接有转轴二，所述转盘固定在所述转轴二的顶端，所述滚珠丝杠的底端连接有旋转手柄。

进一步的，所述抛光盘驱动机构包括有电机一，所述电机一竖直固定在支座一上，所述支座一固定于所述支架的底部；所述支座一的另一侧通过传动轴承竖直设置有一传动轴，所述传动轴的底端设有从动轮一；所述电机一的转轴上设有驱动轮，所述驱动轮通过传动带一与所述从动轮一连接；所述传动轴的顶端设有从动轮二，所述从动轮二通过传动带二连接所述旋转座，所述从动轮二和所述抛光盘之间设有张紧轮。

一种基于磁流变胶的超光滑平面抛光方法，包括以下步骤：

步骤S110：将待加工工件固定在抛光装置的夹盘上；

步骤S120：在所述抛光装置的抛光盘内加入混有磨料的类液态磁流变胶；

步骤S130：通过磁场发生机构提供动态磁场控制磁流变胶的形态，实现磨料向抛光界面的富集自锐，并利用配有添加剂的水基溶液冷却，同时夹盘和抛光盘分别带动待加工工件和磁流变胶相对运动实现待加工工件的抛光。

进一步的，所述磁流变胶的成分包括磁性颗粒、磨料、凝胶基体和添加剂等。

本发明有益效果：本发明所用磁流变胶采用凝胶基体可有效提高抛光所需剪切力，提高了材料表面去除率，提高了抛光效率；一次性加入磁流变胶，并通过加入水基溶液控制抛光温度，保持磁流变胶的优良性能，避免了循环更新，降低了生产成本；抛光过程使用动态脉冲磁场控制磁流变胶的形态，防止磁流变抛光液中磁性颗粒的沉降富集，实现磨料的自锐，保证了抛光效率和抛光质量，提高了磁流变胶的使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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为本发明实施例所述的磁流变平面抛光装置的立体结构图。

图2为本发明实施例所述的磁流变平面抛光装置的侧视结构图。

图3为本发明实施例所述的磁流变平面抛光装置抛光盘驱动机构俯视图。

图4为本发明实施例所述的磁流变平面抛光装置抛光盘驱动机构主视图。

图5为本发明实施例所述的磁流变平面抛光装置工件夹持机构结构图。

图6为本发明实施例所述的磁流变平面抛光装置磁场发生机构立体图。

图7为本发明实施例所述的磁流变平面抛光装置磁场发生机构主视图。

图8为本发明实施例所述的磁流变平面抛光装置磁场发生机构俯视图。

图9为本发明实施例所述的基于磁流变胶的抛光方法处理流程图。

图10为本发明实施例所述的基于磁流变胶的抛光方法的抛光过程示意图。

其中：1-支架；9-平台；10-旋转座；3-抛光盘；4-抛光盘驱动机构；5-工件夹持机构；507-夹盘；6-磁场发生机构；7-转盘；8-永磁铁；11-支撑杆；501-水平驱动滑台；502-水平滑块；503-垂直驱动滑台；504-垂直滑块；505-电机二；506-转轴一；507-夹盘；601-支座二；602-竖直导轨；603-滚珠丝杠；604-支座三；605-电机三；606-转轴二；607-旋转手柄；401-电机一；402-支座一；410-传动轴承；405-传动轴；404-从动轮一；403-驱动轮；409-传动带一；406-从动轮二；407-传动带二；408-张紧轮；13-磁流变胶；14-水基溶液；12-待加工工件；15-柔性抛光头。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的模块。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或模块，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、模块和/或它们的组。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且实施例并不构成对本发明实施例的限定。图1为本发明实施例所述的磁流变平面抛光装置的立体结构图，图2为本发明实施例所述的磁流变平面抛光装置的侧视结构图，图3为本发明实施例所述的磁流变平面抛光装置抛光盘驱动机构俯视图，图4为本发明实施例所述的磁流变平面抛光装置抛光盘驱动机构主视图，图5为本发明实施例所述的磁流变平面抛光装置工件夹持机构结构图，图6为本发明实施例所述的磁流变平面抛光装置磁场发生机构立体图，图7为本发明实施例所述的磁流变平面抛光装置磁场发生机构主视图，图8为本发明实施例所述的磁流变平面抛光装置磁场发生机构俯视图，图9为本发明实施例所述的基于磁流变胶的抛光方法处理流程图，图10为本发明实施例所述的基于磁流变胶的抛光方法的抛光过程示意图。

如图1至图8所示，本发明实施例所述的一种基于磁流变胶的超光滑平面抛光装置，包括支架1，所述支架1的顶端设有平台9，所述平台9上固定有旋转座10，所述旋转座10上设有抛光盘3，所述旋转座10连接有抛光盘驱动机构4；所述抛光盘3的上方设有工件夹持机构5，所述工件夹持机构5包括有夹盘507，所述夹盘507位于所述抛光盘3上方；所述平台9的下方设有磁场发生机构6，所述磁场发生机构6包括有转盘7，所述转盘7位于所述抛光盘3的下方，所述转盘7上以所述转盘7的中心为起点，沿等速螺线均匀设置有若干永磁铁8。

在本发明的一个具体实施例中，所述平台9上固定有支撑杆11，所述工件夹持机构5设于所述支撑杆11上；所述工件夹持机构5包括水平驱动滑台501，所述水平驱动滑台501固定在所述支撑杆11的顶端，所述水平驱动滑台501上滑动设有水平滑块502，所述水平滑块502上固定有垂直驱动滑台503，所述垂直驱动滑台503上滑动设有垂直滑块504，所述垂直滑块504上固定有电机二505，所述电机二505传动连接有转轴一506，所述转轴一506下端连接所述夹盘507。

在本发明的一个具体实施例中，所述磁场发生机构6还包括有支座二601，所述支座二601固定于所述平台9的下端面，所述支座二601的一侧面上设有两个竖直导轨602，所述两个竖直导轨602之间设有滚珠丝杠603，所述滚珠丝杠603上连接有支座三604，所述支座三604上固定有电机三605，所述电机三605上连接有转轴二606，所述转盘7固定在所述转轴二606的顶端，所述滚珠丝杠603的底端连接有旋转手柄607。

在本发明的一个具体实施例中，所述抛光盘驱动机构4包括有电机一401，所述电机一401竖直固定在支座一402上，所述支座一402固定于所述支架1的底部；所述支座一402的另一侧通过传动轴承410竖直设置有一传动轴405，所述传动轴405的底端设有从动轮一404；所述电机一401的转轴上设有驱动轮403，所述驱动轮403通过传动带一409与所述从动轮一404连接；所述传动轴405的顶端设有从动轮二406，所述从动轮二406通过传动带二407连接所述旋转座10，所述从动轮二406和所述抛光盘3之间设有张紧轮408。

如图9至图10所示，本发明还涉及一种基于磁流变胶的超光滑平面抛光方法，包括以下步骤：

步骤S110：将待加工工件12固定在抛光装置的夹盘507上；

步骤S120：在所述抛光装置的抛光盘3内加入混有磨料的类液态磁流变胶13；

步骤S130：通过磁场发生机构6提供动态磁场控制磁流变胶13的形态，实现磨料向抛光界面的富集自锐，并利用配有添加剂的水基溶液14冷却，同时夹盘507和抛光盘3分别带动待加工工件12和磁流变胶13相对运动实现待加工工件12的抛光。

在本发明所述的基于磁流变胶的超光滑平面抛光方法的一个具体实施例中，所述磁流变胶13的成分包括磁性颗粒、磨料、凝胶基体和添加剂等。

本发明所述的抛光装置在具体使用时，抛光盘3采用两级带传动的方式进行驱动，该驱动方式占用空间小，因此可以在抛光盘3下方预留出更大的空间用来安装磁场发生装置，张紧轮408的设置使传动带407传动平稳，保证了抛光过程中抛光盘3的平稳转动，可以大幅提高工件表面质量。

如图5所示，工件夹持机构5具有三个自由度的运动方向：水平往复运动、竖直往复运动和自转。开始抛光时，首先通过垂直驱动滑台503使夹盘507向上移动至合适的高度以便于安装待加工工件12，安装好待加工工件12后，通过水平驱动滑台501带动垂直驱动滑台503移动到合适的抛光位置，然后再通过垂直驱动滑台503带动夹盘507垂直移动至合适的抛光高度，保证待加工工件12待加工表面与磁流变胶13间有一合适的间隙。间隙不能太大，否则柔性抛光头15与待加工工件12表面接触压力太小，影响抛光效率；也不能太小，否则柔性抛光头15与待加工工件12表面接触压力太大，影响抛光表面质量。

如图6至图8所示，磁流变抛光所需的梯度磁场由安装在转盘上一系列永磁铁8产生。永磁铁8以转盘7上表面圆心为中心沿阿基米德螺旋线(等速螺线)顺序排布，并将永磁铁8沿阿基米德螺旋线顺序一一标明序号，奇数序号永磁铁为N极向上，偶数序号永磁铁为S极向上。这种排序方式可产生大范围均匀梯度磁场，磁流变胶13在该梯度磁场作用下，形成众多稳定的柔性抛光头15，实现工件表面材料的均匀去除，大幅提高工件抛光速率，有效改善工件表面质量。开始抛光时，通过旋转手柄607来使支座二601在支座三604上的竖直导轨602上垂直移动，支座二601带动转盘7上下移动，使永磁铁8与磁流变胶13之间保持合适的距离；抛光过程中，开启电机三605，带动转盘7转动，即可通过机械旋转的方式在抛光区域产生动态脉冲磁场，柔性抛光头15内的磨料在转盘7转动形成的脉冲磁场作用下能实现实时快速更新自锐，加速了磨粒与工件表面的接触频率，减少了磨粒的磨损速度，使得整个抛光过程中保持稳定的材料去除效率。

在具体抛光时，首先将待加工工件12通过真空吸附方式固定在夹盘507上，本实施例优选的待加工工件12为砷化镓超薄衬底。

在待加工工件12和抛光盘507之间的抛光区域加入混有磨料的类液态磁流变胶13。磁流变胶13是一种介于液体与固体之间的高分子凝胶体系，而类液态磁流变胶13可以看成磁流变液中添加了少量高分子材料添加剂，高分子材料在基体中形成的网络结构改变了可磁化颗粒的表面性能，并形成骨架支撑磁流变胶的类固体状态，进而提高其沉降稳定性和磁流变胶13强度。本实施例优选的磁流变胶13主要由可磁化铁粉颗粒、磨料与凝胶基体组成，可磁化铁粉颗粒选择羰基铁粉，磨料选择为氧化铝粉末，凝胶基体选择明胶。

根据抛光表面温度和磁流变胶13性能控制水基溶14的流量，在抛光盘内预埋温度传感器，当传感器监测到抛光温度超过一定阈值时，将信号传给外部控制系统，外部控制系统就会根据设置控制水基溶液的流量。通过控永磁铁8的强度及脉冲频率达到需要的磁场，，夹盘507和抛光盘3以相反方向旋转带动待加工工件12和磁流变胶13相对运动，实现材料去除。

综上所述，本发明实施例可用于硬脆半导体材料超光滑表面加工，抛光为柔性抛光，可保证工件表面质量；磁流变胶12采用凝胶基体可有效提高抛光所需剪切应力，实现高效率抛光；磁流变胶12可有效防止颗粒的沉降，延长磁流变胶12使用寿命；且抛光过程磁流变胶12为一次性加入，并通过水基溶液13对其进行温度控制，不需要循环更新系统，简化设备，节约成本；抛光过程中使用动态脉冲磁场，使磁流变胶12能够“自励”，实现磨粒上浮，保证抛光效率及质量。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于磁流变胶的超光滑平面抛光装置，其特征在于：包括支架(1)，所述支架(1)的顶端设有平台(9)，所述平台(9)上固定有旋转座(10)，所述旋转座(10)上设有抛光盘(3)，所述旋转座(10)连接有抛光盘驱动机构(4)；所述抛光盘(3)的上方设有工件夹持机构(5)，所述工件夹持机构(5)包括有夹盘(507)，所述夹盘(507)位于所述抛光盘(3)上方；所述平台(9)的下方设有磁场发生机构(6)，所述磁场发生机构(6)包括有转盘(7)，所述转盘(7)位于所述抛光盘(3)的下方，所述转盘(7)上以所述转盘(7)的中心为起点，沿等速螺线均匀设置有若干永磁铁(8)。

2.根据权利要求1所述的磁流变平面抛光装置，其特征在于：所述平台(9)上固定有支撑杆(11)，所述工件夹持机构(5)设于所述支撑杆(11)上；所述工件夹持机构(5)包括水平驱动滑台(501)，所述水平驱动滑台(501)固定在所述支撑杆(11)的顶端，所述水平驱动滑台(501)上滑动设有水平滑块(502)，所述水平滑块(502)上固定有垂直驱动滑台(503)，所述垂直驱动滑台(503)上滑动设有垂直滑块(504)，所述垂直滑块(504)上固定有电机二(505)，所述电机二(505)传动连接有转轴一(506)，所述转轴一(506)下端连接所述夹盘(507)。

3.根据权利要求1所述的磁流变平面抛光装置，其特征在于：所述磁场发生机构(6)还包括有支座二(601)，所述支座二(601)固定于所述平台(9)的下端面，所述支座二(601)的一侧面上设有两个竖直导轨(602)，所述两个竖直导轨(602)之间设有滚珠丝杠(603)，所述滚珠丝杠(603)上连接有支座三(604)，所述支座三(604)上固定有电机三(605)，所述电机三(605)上连接有转轴二(606)，所述转盘(7)固定在所述转轴二(606)的顶端，所述滚珠丝杠(603)的底端连接有旋转手柄(607)。

4.根据权利要求1所述的磁流变平面抛光装置，其特征在于：所述抛光盘驱动机构(4)包括有电机一(401)，所述电机一(401)竖直固定在支座一(402)上，所述支座一(402)固定于所述支架(1)的底部；所述支座一(402)的另一侧通过传动轴承(410)竖直设置有一传动轴(405)，所述传动轴(405)的底端设有从动轮一(404)；所述电机一(401)的转轴上设有驱动轮(403)，所述驱动轮(403)通过传动带一(409)与所述从动轮一(404)连接；所述传动轴(405)的顶端设有从动轮二(406)，所述从动轮二(406)通过传动带二(407)连接所述旋转座(10)，所述从动轮二(406)和所述抛光盘(3)之间设有张紧轮(408)。

5.一种基于磁流变胶的超光滑平面抛光方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S110：将待加工工件固定在抛光装置的夹盘(507)上；

步骤S120：在所述抛光装置的抛光盘(3)内加入混有磨料的类液态磁流变胶(13)；

步骤S130：通过磁场发生机构(6)提供动态磁场控制磁流变胶的形态，实现磨料向抛光界面的富集自锐，并利用配有添加剂的水基溶液冷却，同时夹盘(507)和抛光盘(3)分别带动待加工工件(12)和磁流变胶(13)相对运动实现待加工工件(12)的抛光。

6.根据权利要求5所述的基于磁流变胶的超光滑平面抛光方法，其特征在于，所述磁流变胶的成分包括磁性颗粒、磨料、凝胶基体和添加剂等。