CN113386045A - 一种深紫外线电催化辅助磁流变弹性体平整装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种深紫外线电催化辅助磁流变弹性体平整装置及方法。所述抛光装置包括抛光盘、第一驱动机构;所述抛光盘上方设有磁流变弹性体抛光机构和喷嘴;所述抛光盘上表面开设有多个光源槽,该光源槽内设有深紫外线光源,在深紫外线光源上方设有氧化镓晶体夹持机构;所述喷嘴设置在夹持机构的侧上方;所述磁流变弹性体抛光机构包括工具轴和抛光工具头、以及第二驱动机构;所述工具轴通过导线和电刷与所述抛光盘连接。通过本发明的抛光装置对氧化镓晶片实施高效、超光滑、无损抛光,可以获得亚纳米级粗糙度的无损表面。
Description
技术领域
本发明涉及一种氧化镓晶体深紫外线电催化辅助磁流变弹性体平整装置及方法,属于半导体材料超精密加工技术领域。
背景技术
随着半导体照明、大功率电力电子器件、激光器和探测器等领域的应用需求的发展,以氧化镓(Ga2O3)为代表的第四代超宽禁带半导体材料受到广泛的关注。
一般来说,超光滑无损表面是提高半导体器件性能的必备条件,而合格的氧化镓晶片须经历切片、减薄(研磨)、平整抛光等工序,其中最后平整抛光是提高表面平整度、降低表面粗糙度及损伤层,使晶片达到超光滑无损镜面状态的关键工艺制程,是制备优质半导体器件的基础。然而,氧化镓材料硬度高,脆性大,特别是晶面易滑移呈现层状剥离,极易在亚表层诱发晶格损伤,给抛光带来巨大挑战,导致现有工艺很难满足高效优质低成本的生产需求,成为制约其应用推广的制造瓶颈。
目前,获得氧化镓晶体超光滑无损表面的主要工艺形式仍然是基于化学作用和机械作用协同去除的传统化学机械抛光,针对氧化镓晶体抛光的研究重点集中于抛光液的研究。如中国发明专利公告号CN 105038608A公开了一种适合氧化镓衬底基片抛光的专用抛光液以及该抛光液的制备方法。中国发明专利公告号CN 2015105751190.4公开了一种氧化镓晶片抗解理抛光液及其制备方法。
虽然化学机械抛光可有效降低表面粗糙度,但存在磨料分布不稳定,需要法向加压,极易在氧化镓材料亚表层诱发晶格缺陷,削弱器件性能,导致加工质量难以稳定控制,良品率低,制程时间长,生产效率低等问题。因此,现有化学机械抛光技术还不能完全满足氧化镓器件生产需求。
发明内容
为了克服以法向加压为主实施抛光的现有技术不足,本发明旨在提供一种深紫外线电催化辅助磁流变弹性体平整装置及方法,通过使氧化镓晶片浅表层改性,生成硬度相对较低、更加容易去除的软化层,利用电磁场作用调整磁流变弹性体柔度,以剪切作用去除软化层,对氧化镓晶片实施高效、超光滑、无损抛光,获得亚纳米级粗糙度的无损表面。
为了实现上述目的,本发明所采用的技术方案是:
一种深紫外线电催化辅助磁流变弹性体平整装置,包括抛光盘、驱动抛光盘转动的第一驱动机构;其结构特点是,所述抛光盘上方设有磁流变弹性体抛光机构和喷嘴;
所述抛光盘上表面开设有多个光源槽,该光源槽内设有深紫外线光源,在深紫外线光源上方设有氧化镓晶体夹持机构,便于深紫外线光源照射夹持固定在抛光盘上的氧化镓晶体,且在光源槽内设有位于夹持机构与深紫外线光源之间的透明隔板;
所述喷嘴设置在夹持机构的侧上方,用于向氧化镓晶体喷淋深紫外线电催化化学抛光液;
所述磁流变弹性体抛光机构包括工具轴和装在工具轴上的可移动的抛光工具头、以及驱动抛光工具头转动的第二驱动机构;所述工具轴通过导线和电刷与所述抛光盘连接;
所述磁流变弹性体抛光工具头包括导磁芯和套装在导磁芯上的线圈,所述导磁芯底部装有附着盘和连接在附着盘上的磁流变弹性体。
根据本发明的实施例,还可以对本发明作进一步的优化,以下为优化后形成的技术方案:
在其中一个优选的实施例中,为了便于及时回收深紫外线电催化化学抛光液,所述抛光盘上表面开设有回收槽,用于回收深紫外线电催化化学抛光液。
在其中一个优选的实施例中,所述深紫外线光源为波长小于260nm的深紫外线光源。
在其中一个优选的实施例中,所述磁流变弹性体主要由高分子聚合物基材、磁性颗粒、微粉磨料制备而成,其中高分子聚合物基材质量百分比不低于50%,磁性颗粒不超过40%,微粉磨料不超过10%;优选所述微粉磨料为硅胶,所述磁性颗粒优选为钴铁粉、羰基铁粉或纯铁粉,所述高分子聚合物基材优选为热塑性橡胶、硅橡胶、天然橡胶或合成橡胶。
在其中一个优选的实施例中,所述附着盘和/或所述导磁芯由导磁材料制成,优选导磁材料纯铁或坡莫合金。
在其中一个优选的实施例中,所述深紫外线电催化化学抛光液主要由俘获剂、去离子水和碱性添加剂构成,其中去离子水质量百分比不低于94%,俘获剂质量百分比不超过3%,碱性添加剂质量百分比不超过3%;优选所述俘获剂为K2SO4;优选所述碱性添加剂为氢氧化钠或氢氧化钾。
在其中一个优选的实施例中,为了方便调整抛光工具头的位置,所述工具轴安装在由水平导轨和竖直导轨构成的二维移动轨上。
基于同一个发明构思,本发明还提供了一种利用所述的磁流变弹性体平整抛光装置对氧化镓晶体进行抛光的方法,其包括如下步骤:
S1、通过夹具将氧化镓晶体装夹于抛光盘上,通过第一驱动机构驱动抛光盘和氧化镓晶体一同旋转;
S2、开启喷嘴,向氧化镓晶体表面喷洒深紫外线电催化化学抛光液;
S3、调整线圈的电流来调整磁场强度,改变磁流变弹性抛光工具头柔度;
S4、通过第二驱动机构驱动抛光工具头随工具轴一同旋转;
S5、调整抛光工具头的位置,直至抛光工具头与氧化镓晶体上表面接触;
S6、旋转磁场在工具轴、抛光工具头、氧化镓晶体、抛光盘、导线构成的回路中感生电势;
S7、开启深紫外线光源,发出深紫外线,透过透明隔板从氧化镓晶体下方对氧化镓晶体表面进行照射,借助氧化镓晶体深紫外线电催化效应使氧化镓晶体的表层改性形成更易去除的软化层;
S8、调整抛光工具头的位置将氧化镓晶体经深紫外线照射后形成的软化层剪切去除,对氧化镓晶体实施抛光。
以下对本发明做进一步的介绍。
本发明的氧化镓晶体深紫外线催化辅助磁流变弹性体平整抛光装置包括:主轴、固定于主轴上的抛光盘、齿轮箱、主轴电机、布置于抛光盘内部位于工件底部的深紫外线光源、工具轴、安装于工具轴上的磁流变弹性体抛光工具头、安装工具轴的竖直导轨和水平导轨、工具轴电机、喷嘴和导线等。
所述抛光盘使用导电材料制作,其上开设光源槽和抛光液回收槽,光源槽上方覆盖钢化玻璃,防止抛光液流入光源槽内并利于深紫外线透过照射氧化镓晶体,钢化玻璃上设有夹具,所述夹具可夹持氧化镓晶体;所述深紫外线光源置于抛光盘光源槽内;所述主轴安装在抛光盘下方,通过齿轮箱与主轴电机联结,用于驱动抛光盘;磁流变弹性体抛光工具头置于抛光盘右侧氧化镓晶体正上方,安装于工具轴下方;所述工具轴上方安装工具轴电机用于驱动磁流变弹性抛光工具头旋转;所述磁流变弹性体抛光工具头、工具轴和工具轴电机整体安装于水平导轨和竖直导轨上,可以在水平方向和竖直方向移动;所述喷嘴置于抛光槽左侧供给深紫外线电催化化学抛光液;所述导线通过电刷将主轴和抛光盘连接。
本发明的第一驱动机构包括主轴电机12、通过齿轮箱11与主轴电机12输出轴相联的主轴10,主轴10的底端与抛光盘9固定在一起。第二驱动机构包括工具轴电机3,该工具轴电机3与工具轴2相联。
本发明基于上述抛光装置的抛光方法包括如下步骤:
(1)使用夹具将氧化镓晶体装夹于抛光盘上,启动主轴,抛光槽和氧化镓晶体随主轴一同旋转;
(2)开启喷嘴,向氧化镓晶体表面喷洒深紫外线电催化化学抛光液;
(3)在调整线圈电流,调整磁场强度,改变磁流变弹性体柔度;
(4)启动工具轴,磁流变弹性体抛光工具头随工具轴旋转;
(5)控制竖直导轨,使工具轴垂直下降,直至磁流变弹性体抛光工具头与氧化镓晶体表面接触;
(6)旋转磁场在工具轴、磁流变弹性体抛光工具头、氧化镓晶体、抛光抛光盘、导线构成的回路中感生电势;
(7)开启深紫外线光源,发出深紫外线,通过钢化玻璃从氧化镓晶体下方对其表面进行照射,借助氧化镓晶体深紫外线电催化效应,氧化镓晶体表层改性形成更易去除的软化层;
(8)控制水平导轨,使工具轴电机、工具轴和磁流变弹性体抛光工具头整体相对抛光盘作水平往复直线运动,磁流变弹性体抛光工具头将氧化镓晶体经深紫外线照射后形成的软化层剪切去除,对氧化镓晶体实施高效超光滑无损抛光。
其中,所述步骤(3)通过改变电磁线圈流通电流大小调整磁场强度,电磁线圈流通电流越小,则磁场强度越若,磁流变弹性体抛光工具头越柔软,反之,则磁流变弹性体抛光工具头越硬。
所述步骤(5)通过调整竖直位置改变磁流变弹性体抛光工具头与氧化镓晶体相互作用强度。磁流变弹性体抛光工具头与氧化镓晶体相互作用越强,则剪切作用去除材料速率越高,抛光效率越高;反之,磁流变弹性体抛光工具头与氧化镓晶体相互作用越弱,则剪切作用去除材料速率越低,抛光效率越低。
本发明的氧化镓晶体深紫外电催化辅助磁流变弹性体抛光是一个包括深紫外线照射、表层材料软化、基材及软化层机械去除和损伤层深紫外线电催化腐蚀溶解的循环过程。氧化镓晶体被深紫外线照射后,发生深紫外线电催化效应,即受光量子能量激发,氧化镓晶体价带电子e-跃迁至导带,并在价带上产生空穴h+。在电场作用下光生电子和空穴溶液环境中发生界面转移被表面自由基团俘获,其中价带空穴将溶液中的水分子催化生成强氧化性的羟基自由基-OH,
H2O+h+→-OH+H+ (1)
羟基自由基作为电子受体,俘获导带电子而被还原,生成氢氧根离子OH-,
-OH+e-→OH- (2)
氢氧根离子则继续与活化的氧化镓晶体表层反应,生成GaO3(OH)3、GaO2(OH)或[Ga(OH)4]-等硬度相对较低,更易去除的软化物质,
Ga2O3+6OH-←→2GaO3 3-+3H2O (3)
Ga2O3+2OH-←→2GaO2 -+H2O (4)
Ga2O3+2OH-+3H2O←→[Ga(OH)4]- (5)
磁流变弹性体则在磁场控制下形成柔度可调的抛光工具,在磁场梯度方向表现出良好塑性,与氧化镓晶体接触时,磁流变弹性体在工作界面法线方向极易屈服,法向压力小,利于表面质量和表面完整性提高,抛光液中磨料则以半固着状态分布于磁流变弹性体与工件之间的工作界面,将深紫外线照射后氧化镓晶体表层形成的软化物质以粘附、剪切或磨损等方式去除,使下层基体材料暴露,产生新的软化物质,并被再次去除,循环如此,实现整体去除效率的提高。
所述磁流变弹性体抛光工具头由磁流变弹性体、附着盘、导磁芯和线圈构成。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
本发明通过对喷洒深紫外线电催化化学抛光液的氧化镓晶体实施深紫外线照射,使氧化镓晶体表层改性,生成硬度相对较低,更易去除的软化物质,达到增强抛光效果的目的。
本发明将深紫外线光源布置于抛光盘内部、氧化镓晶体正下方,由于氧化镓晶体为透明半导体,深紫外光源可透过晶体直接照射氧化镓晶体与磁流变弹性抛光工具头接触界面,避免抛光液覆盖工件表面,深紫外线被抛光液阻挡和吸收的问题,从而提高催化效果。
本发明的磁流变弹性体抛光工具头在磁场作用下柔度可调,加工时,微粉磨料在柔性聚合物和磁链把持下以剪切方式将深紫外线照射后的氧化镓表层生成的软化物质去除,不损伤氧化镓晶体表面,可高效获取亚纳米级无损表面。
附图说明
图1是本发明一个实施例的加工原理图;
图2为本发明所述抛光盘示意图;
图3为本发明所述磁流变弹性体抛光工具头示意图;
图4为本发明所述氧化镓晶体深紫外线电催化效应原理示意图;
图5为本发明所述氧化镓晶体深紫外线电催化辅助磁流变弹性体平整与常规磁流变弹性体平整材料去除效果对比图。
在图中:
1-深紫外线光源、2-工具轴、3-工具轴电机、4-抛光工具头、5-电刷、6-导线、7-竖直导轨、8-水平导轨、9-抛光盘、10-主轴、11-齿轮箱、12-主轴电机、13-氧化镓晶体、14-夹具、15-喷嘴、16-深紫外线电催化化学抛光液、17-光源槽、18-回收槽、19-钢化玻璃、20-磁流变弹性体、21-附着盘、22-导磁芯、23-线圈、24-价带、25-导带、26-空穴、27-电子、28-感生电势、29-界面、30-深紫外线。
具体实施方式
以下将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是,在不冲突的情况下,本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便,下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样,仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致,并不对结构起限定作用。
一种氧化镓晶体深紫外线催化辅助磁流变化学抛光装置,参见图1,包括深紫外线光源1、工具轴2、工具轴电机3、磁流变弹性体抛光工具头4、电刷5、导线6、竖直导轨7、水平导轨8、抛光盘9、主轴10、齿轮箱11、主轴电机12、夹具14、喷嘴15。所述深紫外线光源1优选为波长小于260nm的深紫外线光源。所述抛光盘9,参见图2,其上开设有光源槽17、回收槽18和钢化玻璃19。所述光源槽17内设深紫外线光源1,其上覆盖有钢化玻璃19,利于深紫外线透射。所述回收槽18用于深紫外线电催化化学抛光液回收。
所述磁流变弹性体抛光工具头4,参见图3,由磁流变弹性体20、附着盘21、导磁芯22和线圈23构成。
所述磁流变弹性体20由高分子聚合物基材、磁性颗粒、微粉磨料等成分熔炼制备而成。所述微粉磨料优选为硅胶,所述磁性颗粒优选为钴铁粉、羰基铁粉或纯铁粉,为微米级粉末。所述高分子聚合物基材优选为热塑性橡胶、硅橡胶、天然橡胶或合成橡胶。其中高分子聚合物基材质量百分比不低于50%,磁性颗粒不超过40%,微粉磨料不超过10%。所述磁性颗粒的粒径为1~5μm,和/或所述微粉磨料的粒径为0.5~1μm。
所述附着盘21使用导磁材料制作,优选为纯铁,或坡莫合金。所述导磁芯22使用导磁材料制作,优选为纯铁,或坡莫合金。
加工时,使用夹具14将氧化镓晶体13装夹于抛光盘9上深紫外线光源1的正上方,启动主轴电机12,氧化镓晶体13和抛光盘9随主轴10一同旋转。开启喷嘴15,向氧化镓晶体13表面喷洒深紫外线电催化化学抛光液16。调整线圈23电流,改变导磁芯22磁通密度,从而改变磁流变弹性体20柔度。启动工具轴电机3,使磁流变弹性体抛光工具头4随工具轴2旋转。控制竖直导轨7,使工具轴2垂直下降,磁流变弹性体抛光工具头4随之下降,直至与氧化镓晶体13表面接触。旋转磁场在工具轴2、磁流变弹性体抛光工具头4、氧化镓晶体13、抛光盘9、导线6构成的回路中感生电势。开启深紫外线光源1,发出深紫外线透过钢化玻璃19对表面喷洒深紫外线电催化化学抛光液16的氧化镓晶体13进行照射,借助氧化镓晶体深紫外线电催化效应使氧化镓晶体表层改性形成更易去除的软化层。控制水平导轨8,使工具轴2旋转的同时相对抛光盘9作水平往复直线运动,磁流变弹性体抛光工具头4将氧化镓晶体13表层经深紫外线照射后形成的软化层剪切去除,对氧化镓晶体13实施高效超光滑无损抛光。
所述深紫外线电催化化学抛光液16由俘获剂、去离子水和碱性添加剂构成。其中去离子水质量百分比不低于94%,俘获剂质量百分比不超过3%,碱性添加剂质量百分比不超过3%。所述俘获剂具有较强俘获电子的能力,优选为K2SO4。所述碱性添加剂优选为氢氧化钠或氢氧化钾。
氧化镓晶体深紫外线电催化效应,参见图4,氧化镓晶体13被深紫外线30照射后,受光量子能量激发,氧化镓晶体13价带24上的电子27跃迁至导带25,并在价带24上产生空穴26。在旋转磁场感生电势28作用下下光生电子27和空穴26在深紫外线电催化化学抛光液16中跨越界面29,被表面自由基团俘获,其中价带24上的空穴26将溶液中的水分子催化生成强氧化性的羟基自由基-OH,羟基自由基作为电子受体,俘获导带电子而被还原,生成氢氧根离子OH-,氢氧根离子则继续与活化的氧化镓晶体13表层反应,生成硬度相对较低,更易去除的软化物质。
由此,本实施例的抛光盘上开设光源槽,其内布置深紫外线光源,其上覆盖钢化玻璃,利用深紫外线从下方透过照射氧化镓晶体,避免抛光液覆盖工件表面,深紫外线被抛光液阻挡和吸收的问题。钢化玻璃上设有夹具,夹持氧化镓晶体,磁流变弹性体抛光工具头置于抛光盘右侧氧化镓晶体正上方;所述喷嘴置于抛光盘左侧供给深紫外线电催化化学抛光液;所述导线通过电刷将主轴和抛光盘连接,形成回路。本发明使用深紫外线照射喷洒深紫外线催化化学抛光液的氧化镓晶体,借助氧化镓晶体深紫外线电催化效应,使氧化镓晶体表层改性,生成硬度相对较低,更易去除的软化物质,并使用磁流变弹性体抛光工具头以剪切方式将所述软化物质去除,不损伤氧化镓晶体表面,可高效地获取亚纳米级无损表面。
图5所示籍本发明所述深紫外线电催化辅助磁流变弹性体平整装置和方法对氧化镓晶体加工,可获得不低于2μm/h的材料去除率,优于常规磁流变弹性体平整方法获得0.8μm/h的材料去除率。
上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明,而不用于限制本发明的范围,在阅读了本发明之后,本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。
Claims (9)
1.一种深紫外线电催化辅助磁流变弹性体平整装置,包括抛光盘(9)、驱动抛光盘(9)转动的第一驱动机构;其特征在于,所述抛光盘(9)上方设有磁流变弹性体抛光机构和喷嘴(15);
所述抛光盘(9)上表面开设有多个光源槽(17),该光源槽(17)内设有深紫外线光源(1),在深紫外线光源(1)上方设有氧化镓晶体(13)夹持机构,便于深紫外线光源(1)照射夹持固定在抛光盘(9)上的氧化镓晶体(13),且在光源槽(17)内设有位于夹持机构与深紫外线光源(1)之间的透明隔板;
所述喷嘴(15)设置在夹持机构的侧上方,用于向氧化镓晶体(13)喷淋深紫外线电催化化学抛光液(16);
所述磁流变弹性体抛光机构包括工具轴(2)和装在工具轴(2)上的可移动的抛光工具头(4)、以及驱动抛光工具头(4)转动的第二驱动机构;所述工具轴(2)通过导线(6)和电刷(5)与所述抛光盘(9)连接;
所述磁流变弹性体抛光工具头(4)包括导磁芯(22)和套装在导磁芯(22)上的线圈(23),所述导磁芯(22)底部装有附着盘(21)和连接在附着盘(21)上的磁流变弹性体(20)。
2.根据权利要求1所述的深紫外线电催化辅助磁流变弹性体平整装置,其特征在于,所述抛光盘(9)上表面开设有回收槽(18),用于回收深紫外线电催化化学抛光液(16)。
3.根据权利要求1所述的深紫外线电催化辅助磁流变弹性体平整装置,其特征在于,所述深紫外线光源(1)为波长小于260nm的深紫外线光源。
4.根据权利要求1所述的深紫外线电催化辅助磁流变弹性体平整装置,其特征在于,所述磁流变弹性体(20)主要由高分子聚合物基材、磁性颗粒、微粉磨料制备而成,其中高分子聚合物基材质量百分比不低于50%,磁性颗粒不超过40%,微粉磨料不超过10%;优选所述微粉磨料为硅胶,所述磁性颗粒优选为钴铁粉、羰基铁粉或纯铁粉,所述高分子聚合物基材优选为热塑性橡胶、硅橡胶、天然橡胶或合成橡胶。
5.根据权利要求4所述的深紫外线电催化辅助磁流变弹性体平整装置,其特征在于,所述磁性颗粒的粒径为1~5µm,和/或所述微粉磨料的粒径为0.5~1 µm。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的深紫外线电催化辅助磁流变弹性体平整装置,其特征在于,所述附着盘(21)和/或所述导磁芯(22)由导磁材料制成,优选导磁材料纯铁或坡莫合金。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的深紫外线电催化辅助磁流变弹性体平整装置,其特征在于,所述深紫外线电催化化学抛光液(16)主要由俘获剂、去离子水和碱性添加剂构成,其中去离子水质量百分比不低于94%,俘获剂质量百分比不超过3%,碱性添加剂质量百分比不超过3%;优选所述俘获剂为K2SO4;优选所述碱性添加剂为氢氧化钠或氢氧化钾。
8.根据权利要求1-5中任一项所述的深紫外线电催化辅助磁流变弹性体平整装置,其特征在于,所述工具轴(2)安装在由水平导轨(8)和竖直导轨(7)构成的二维移动轨上。
9.一种利用权利要求1-8中任一项所述的深紫外线电催化辅助磁流变弹性体平整装置对氧化镓晶体进行平整抛光的方法,其特征在于,包括如下步骤:
S1、通过夹具(14)将氧化镓晶体(13)装夹于抛光盘(9)上,通过第一驱动机构驱动抛光盘(9)和氧化镓晶体(13)一同旋转;
S2、开启喷嘴(15),向氧化镓晶体(13)表面喷洒深紫外线电催化化学抛光液(16);
S3、调整线圈(23)的电流来调整磁场强度,改变磁流变弹性抛光工具头(4)柔度;
S4、通过第二驱动机构驱动抛光工具头(4)随工具轴(2)一同旋转;
S5、调整抛光工具头(4)的位置,直至抛光工具头(4)与氧化镓晶体(13)上表面接触;
S6、旋转磁场在工具轴(2)、抛光工具头(4)、氧化镓晶体(13)、抛光盘(9)、导线(6)构成的回路中感生电势;
S7、开启深紫外线光源(1),发出深紫外线,透过透明隔板从氧化镓晶体(13)下方对氧化镓晶体(13)表面进行照射,借助氧化镓晶体(13)深紫外线电催化效应使氧化镓晶体(13)的表层改性形成更易去除的软化层;
S8、调整抛光工具头(4)的位置将氧化镓晶体经深紫外线照射后形成的软化层剪切去除,对氧化镓晶体实施抛光。
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