CN114800052B - 一种改善光学晶片面形的研磨方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种改善光学晶片面形的研磨方法，包括以下步骤：通过有限元分析，建立工件上表面变形函数；根据工件表面轮廓，选择同心环调整方案；研磨加工；检测。本发明在抛光头粘接工件的位置处镶嵌弹性环，将工件粘接在抛光头上，加工过程中受到研磨压力作用，弹性环会被压缩，此时由于工件和弹性环粘接在一起，工件也会向弹性环方向产生变形，加工结束以后，卸下研磨压力，弹性环回弹，由于工件和弹性环粘接在一起，工件也会回弹，工件的反向变形可以补偿研磨加工过程中工件面形轮廓加工误差，从而实现工件面形轮廓改善，使工件具有更高几何精度，该研磨方法既能提高晶片表面平整度，减小平面度误差也能实现其他特定弧度的光学表面加工。

Description

一种改善光学晶片面形的研磨方法
技术领域
本发明属于晶片精密加工领域，具体涉及一种改善光学晶片面形的研磨方法。
背景技术
随着工业技术不断发展，对于晶片的表面质量和几何精度提出了越来越高的要求。目前应用最多的加工方法是“切片-研磨-抛光”，其中研磨是保证晶片几何精度的关键步骤，研磨分为固结磨料和游离磨料两大类，固结磨料研磨加工时，根据加工要求将合适磨粒固结起来，制成研磨垫，在研磨盘和工件表面相对运动时，其表面的磨粒类似于刀具对工件进行微切削，实现材料去除。但是在研磨过程中的工件边缘受力突变、流场不均、运动轨迹不均、设备精度不足等现象，会导致加工后工件的几何精度较差。
目前，提高工件几何精度常采用以下三种方法：专利CN202121226936.8采用了一种通过控制抛光温度，来改善抛光质量和成功率的方法，该方法适用于晶片较薄、加工效果受温度影响较大的情况；专利CN201410217592.2介绍了多区气囊分区加载技术，抛光头将晶片分成多个区域进行加载，通过改变施加压力的大小就可以控制不同区域的材料去除率，从而保证表面平整性，分区数量越多，对材料去除率的调节能力越强，但分区数量越多其结构越复杂、研发成本和制造成本也越高；专利CN201510736110.9通过去除抛光盘上不同镜像位置的环形区域，通过改变磨粒相对工件运动轨迹情况，达到工件修形的目的，由于工件和抛光盘的相对转动，导致此种方法更适用于整盘粘接工件，而不适用于合盘粘接情况。
发明内容
针对上述问题，为解决现有研磨方法的不足，本发明要提供一种改善光学晶片面形的研磨方法，既能提高晶片平坦度、减少平面度误差、降低加工成本，又能通过调整加工方案来适用其他特定弧度的光学表面加工。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种改善光学晶片面形的研磨方法，利用研磨装置进行研磨，所述研磨装置包括抛光头、固结磨料研磨垫和下研磨盘，所述抛光头包括基座、外圈、同心环、弹性环和升降装置，所述基座通过销轴固定在工件主轴上；所述外圈通过螺栓与基座固定连接、且位于基座的下侧；所述的同心环有多个，每个同心环通过各自的升降装置安装在基座上，多个同心环从外到内依次嵌套在外圈之内，最小同心环内径为工件半径的1/2～1/3，最大同心环外径为工件半径的3/2～4/3、并与外圈内径重合，单个同心环的径向宽度为工件半径的1/4～1/6；
所述升降装置包括千分尺旋钮、拉簧和拉簧键，所述同心环通过拉簧与拉簧键相连，拉簧键安装在基座上表面，千分尺旋钮固定在基座上，千分尺旋钮的下端抵住同心环上表面，通过调节千分尺旋钮，控制千分尺旋钮螺杆的长短，每个同心环的上表面沿周向均布三个千分尺旋钮，当所有同心环降下后，所有同心环的下表面处于同一平面；所述拉簧键通过焊接或螺纹连接在基座上表面；所述千分尺旋钮精度为0.01mm，具有锁紧功能；所述弹性环与同心环数量相同，每个同心环对应一个弹性环，每个弹性环的平面尺寸与对应的同心环尺寸一致；工作时，某个或某几个同心环上升形成环形凹坑，弹性环厚度与其对应的环形凹坑深度相同，弹性环被镶嵌在环形凹坑内，其下表面与外圈下表面平齐；
所述研磨方法包括以下步骤：
A、通过有限元分析，建立工件上表面变形函数
设最内层同心环为一号同心环，一号同心环上升高度h1，二号同心环上升高度h2，三号同心环上升高度h3，……；设工件的中心为坐标系xoy的原点，工件平面上过中心点的一条直线为x轴，工件平面上过中心点垂直于x轴的直线为y轴；由于同心环上升而形成的环形凹坑由对应弹性环填充，弹性环厚度与其对应环形凹坑深度相同，施加研磨压力时，工件上表面产生变形，记录该状态下工件上表面n点变形量，得到变形函数ξj(xi,yi)，下标j表示不同条件下得到的值，xi、yi分别为工件上表面第i点纵坐标和横坐标，i＝1～n；
B、根据工件表面轮廓，选择同心环调整方案
用表面轮廓仪测量实际工件表面轮廓Z0(xi，yi)，工件上表面各点需要产生的变形Zg(xi，yi)为实际表面轮廓Z0(xi，yi)与理想表面轮廓Z(xi，yi)的差，根据有限元分析结果，调整同心环上升高度与弹性环厚度，使最小；
C、研磨加工
用粘接剂将工件粘接在抛光头下表面，将固结磨料研磨垫贴在下研磨盘表面，在定研磨压力、研磨转速和研磨液参数条件下，通过下研磨盘和抛光头的相对转动，对工件进行固结磨料研磨加工；
D、检测
进行研磨加工时，每10min测量一次工件下表面平面度，直至出现连续两次平面度值波动小于5％，暂停加工，取最后一次工件表面形貌为该状态下最终表面形貌，若该表面形貌不满足加工需求，则转步骤C，直至工件表面形貌误差符合要求。
进一步的，所述弹性环材料为橡胶，所述橡胶包括顺丁橡胶或天然橡胶或氯丁橡胶。
进一步的，所述粘接剂包括石蜡或光胶。
与现有发明相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明通过弹性环的压缩性对工件面形轮廓加工误差进行补偿，由经验可知，晶片加工足够时间后，表面轮廓几乎不再随时间进行变化，但是由于压力不均、轨迹不均、流场不均、温度不均以及设备本身精度不足，工件实际轮廓与理想轮廓存在误差，工件上表面各点需要缩进的长度就是理想轮廓与实际轮廓之差，在抛光头粘接工件的位置处镶嵌弹性环，将工件粘接在抛光头上，加工过程中受到研磨压力作用，弹性环会被压缩，此时由于工件和弹性环粘接在一起，工件也会向弹性环方向产生变形，加工结束以后，卸下研磨压力，弹性环回弹，由于工件和弹性环粘接在一起，工件也会回弹，工件的反向变形可以补偿研磨加工过程中工件面形轮廓加工误差，从而实现工件面形轮廓改善，使工件具有更高几何精度，该研磨方法既能提高晶片表面平整度，减小平面度误差也能实现其他特定弧度的光学表面加工。
2、由于本发明通过改变弹性环厚度来调节补偿量，因此既适用于合盘加工也适用于整盘加工情况。
3、由于本发明结合了有限元应变分析，可以获得不同的表面材料缩进情况，大大减少试验研究的次数，降低成本，缩短时间。
附图说明
本发明共有附图7张，其中：
图1为本发明的抛光头示意图。
图2为本发明的抛光头底部示意图。
图3为本发明的研磨方法示意图。
图4为采用普通抛光头的研磨加工过程示意图。
图5为采用抛光头的研磨加工过程示意图。
图6为采用抛光头的研磨加工结束示意图。
图7为本发明流程图。
图中：1、千分尺旋钮，2、拉簧，3、拉簧键，4、基座，5、外圈，6、螺栓，7、一号同心环，8、二号同心环，9、三号同心环，10、四号同心环，11、五号同心环，12、工件，13、固结磨料研磨垫，14、下研磨盘，15、一号弹性环，16、二号弹性环，17、三号弹性环，18、四号弹性环，19、五号弹性环。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对发明作进一步说明。
图1所示为本发明的一个具体实施例的抛光头示意图，所述抛光头包括基座4、外圈5、同心环、弹性环和升降装置，所述基座4通过销轴固定在工件主轴上；所述外圈5通过螺栓6与基座4固定连接、且位于基座4的下侧；所述的同心环有五个，五个同心环通过五个升降装置安装在基座4上，五个同心环从外到内依次嵌套在外圈5之内，最小同心环内径为工件12半径的1/2～1/3，最大同心环外径为工件12半径的3/2～4/3、并与外圈5内径重合，单个同心环的径向宽度为工件12半径的1/4～1/6；
所述升降装置包括千分尺旋钮1、拉簧2和拉簧键3，所述同心环通过拉簧2与拉簧键3相连，拉簧键3安装在基座4上表面，千分尺旋钮1固定在基座4上，其下端抵住同心环上表面，通过调节千分尺旋钮1，控制千分尺旋钮1螺杆的长短，每个同心环的上表面沿周向均布三个千分尺旋钮1，保证每个同心环具有独立升降功能，并且当五个同心环降下后，五个同心环下表面处于同一平面；所述拉簧键3通过焊接或螺纹连接在基座4上表面；所述千分尺旋钮1精度为0.01mm，具有锁紧功能；所述弹性环与同心环数量相同，每个同心环对应一个弹性环，每个弹性环的平面尺寸与对应的同心环尺寸一致；工作时，某个或某几个同心环上升形成环形凹坑，弹性环厚度与其对应环形凹坑深度相同，弹性环被镶嵌在环形凹坑内，其下表面与外圈5下表面平齐；
图2为本发明的抛光头底部示意图。本实施例中有5个同心环，一号同心环7、二号同心环8、三号同心环9、四号同心环10和五号同心环11，与5个同心环对应的弹性环分别为一号弹性环15、二号弹性环16、三号弹性环17、四号弹性环18和五号弹性环19，5个同心环均位于工件12上方，且从内到外依次嵌套，最小同心环内径为工件12半径的1/2～1/3，最大同心环外径为工件12半径的3/2～4/3，并与外圈5内径重合，单个同心环的径向宽度为工件12半径的1/4～1/6；外圈5内径与五号同心环11外径相同。
图3所示为本发明的改善光学晶片面形的研磨加工系统示意图，该系统的结构包括：抛光头，固结磨粒研磨垫，下研磨盘14，用粘接剂将工件12粘接在抛光头下表面，将固结磨料研磨垫13贴在下研磨盘14表面，在定研磨压力、研磨转速和研磨液参数条件下，通过下研磨盘14和抛光头的相对转动，对工件12进行固结磨料研磨加工；
图4是采用普通抛光头的研磨加工过程示意图，采用普通抛光头对工件12进行加工过程中，压力不均、轨迹不均、流场不均、温度不均以及设备精度不足的现象，会导致工件12实际表面轮廓与理想表面轮廓有一定差异。
图5是采用抛光头的研磨加工过程示意图，在专用抛光头粘接工件12的位置处镶嵌弹性环，将工件12粘接在抛光头上，加工过程中在研磨压力作用下，弹性环会被压缩，此时由于工件12和弹性环粘接在一起，工件12也会向弹性环方向产生变形，上表面各点变形量可以通过有限元分析的方法获得。
图6是采用专用抛光头的研磨加工完成示意图，加工结束以后，卸下研磨压力，弹性环回弹，由于工件12和弹性环粘接在一起，工件12也会回弹，工件12的反向变形可以补偿研磨加工过程中表面轮廓误差，从而实现表面面形轮廓改善。
本发明的研磨方法按图7所示流程进行。
本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种改善光学晶片面形的研磨方法，利用研磨装置进行研磨，所述研磨装置包括抛光头、固结磨料研磨垫(13)和下研磨盘(14)；其特征在于：所述抛光头包括基座(4)、外圈(5)、同心环、弹性环和升降装置，所述基座(4)通过销轴固定在工件主轴上；所述外圈(5)通过螺栓(6)与基座(4)固定连接、且位于基座(4)的下侧；所述的同心环有多个，每个同心环通过各自的升降装置安装在基座(4)上，多个同心环从外到内依次嵌套在外圈(5)之内，最小同心环内径为工件(12)半径的1/2～1/3，最大同心环外径为工件(12)半径的3/2～4/3、并与外圈(5)内径重合，单个同心环的径向宽度为工件(12)半径的1/4～1/6；
所述升降装置包括千分尺旋钮(1)、拉簧(2)和拉簧键(3)，所述同心环通过拉簧(2)与拉簧键(3)相连，拉簧键(3)安装在基座(4)上表面，千分尺旋钮(1)固定在基座(4)上，千分尺旋钮(1)的下端抵住同心环上表面，通过调节千分尺旋钮(1)，控制千分尺旋钮(1)螺杆的长短，每个同心环的上表面沿周向均布三个千分尺旋钮(1)，当所有同心环降下后，所有同心环的下表面处于同一平面；所述拉簧键(3)通过焊接或螺纹连接在基座(4)上表面；所述千分尺旋钮(1)精度为0.01mm，具有锁紧功能；所述弹性环与同心环数量相同，每个同心环对应一个弹性环，每个弹性环的平面尺寸与对应的同心环尺寸一致；工作时，某个或某几个同心环上升形成环形凹坑，弹性环厚度与其对应的环形凹坑深度相同，弹性环被镶嵌在环形凹坑内，其下表面与外圈(5)下表面平齐；
所述研磨方法包括以下步骤：
A、通过有限元分析，建立工件(12)上表面变形函数
设最内层同心环为一号同心环(7)，一号同心环(7)上升高度h1，二号同心环(8)上升高度h2，三号同心环(9)上升高度h3，……；设工件(12)的中心为坐标系xoy的原点，工件(12)平面上过中心点的一条直线为x轴，工件(12)平面上过中心点垂直于x轴的直线为y轴；由于同心环上升而形成的环形凹坑由对应弹性环填充，弹性环厚度与其对应环形凹坑深度相同，施加研磨压力时，工件(12)上表面产生变形，记录该状态下工件(12)上表面n点变形量，得到变形函数ξj(xi,yi)，下标j表示不同条件下得到的值，xi和yi分别为工件(12)上表面第i点纵坐标和横坐标，i＝1～n；
B、根据工件(12)表面轮廓，选择同心环调整方案
用表面轮廓仪测量实际工件(12)表面轮廓Z0(xi，yi)，工件(12)上表面各点需要产生的变形Zg(xi，yi)为实际表面轮廓Z0(xi，yi)与理想表面轮廓Z(xi，yi)的差，根据有限元分析结果，调整同心环上升高度与弹性环厚度，使最小；
C、研磨加工
用粘接剂将工件(12)粘接在抛光头下表面，将固结磨料研磨垫(13)贴在下研磨盘(14)表面，在定研磨压力、研磨转速和研磨液参数条件下，通过下研磨盘(14)和抛光头的相对转动，对工件(12)进行固结磨料研磨加工；
D、检测
进行研磨加工时，每10min测量一次工件(12)下表面平面度，直至出现连续两次平面度值波动小于5％，暂停加工，取最后一次工件(12)表面形貌为该状态下最终表面形貌，若该表面形貌不满足加工需求，则转步骤C，直至工件(12)表面形貌误差符合要求。
2.根据权利要求1所述一种改善光学晶片面形的研磨方法，其特征在于：所述弹性环材料为橡胶，所述橡胶包括顺丁橡胶或天然橡胶或氯丁橡胶。
3.根据权利要求1所述一种改善光学晶片面形的研磨方法，其特征在于：所述粘接剂包括石蜡或光胶。
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