CN117484291A - 一种超声振动辅助抛光装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于碳化硅衬底材料抛光技术领域，解决了现有超声辅助化学机械抛光精度低、且适用性差的问题。提供了一种超声振动辅助抛光装置，超声振动单元通过十字滑台设置在机架的正面，能够相对机架横向、竖向滑动；超声振动单元包括阶梯轴、总套筒、微距调节机构和超声纵向振动机构；总套筒的内壁处设置有多道起限位作用的环形板；微距调节机构和超声纵向振动机构沿阶梯轴的轴向顺次设置；微距调节机构外接有压电陶瓷驱动器，压电陶瓷驱动器能够带动微距调节机构进行微距调节；超声纵向振动机构外接超声波发生器，超声波发生器能够带动超声纵向振动机构实现纵向的正弦振动。本装置能够实现对抛光精度的微米级调控和对不同规格的晶片的稳定吸附。
Description
技术领域
本发明属于碳化硅衬底材料抛光技术领域，具体涉及一种超声振动辅助抛光装置。
背景技术
对于工作在极端环境或大功率下的功率器件而言，单晶碳化硅是理想的衬底材料。但由于其具有极高硬度、极大的易脆性与强化学惰性，使得SiC晶片的减薄、表面无损化处理及加工效率的提升异常困难。
超声辅助化学机械抛光的优势在于可以显著提高碳化硅晶片的抛光效率和表面质量。通过超声波的作用，可以有效地去除材料表面的凸起和缺陷，实现更高的去除率。同时，超声波的能量还可以改善表面的光洁度和平整度，减少抛光过程中的划痕和损伤。超声波的频率、功率和抛光液的组成都会对抛光效果产生影响。
现有超声辅助化学机械抛光装置需要配合石蜡粘接单晶碳化硅，晶片拆卸需要对石蜡加热去除后手动取下，再对晶片进行特殊的去胶处理，工序繁琐；若石蜡没有密封严密，则易导致加工表面不平整；整个加工过程需要停机取片、清洗，浪费加工时间。
现阶段的化学机械抛光主要是依靠低效率的氧化反应加磨粒对工件的机械犁刻去除为主，抛光精度低，且对于多尺寸类型的SiC试样没有一种能够同时适用的工具头。
发明内容
本发明为了解决现有技术中存在的上述至少一个技术问题，提供了一种超声振动辅助抛光装置。
本发明采用如下的技术方案实现：一种超声振动辅助抛光装置，包括超声振动单元、抛光单元、机架和十字滑台；超声振动单元通过十字滑台设置在机架的正面，能够相对机架横向、竖向滑动；超声振动单元包括阶梯轴、总套筒、微距调节机构和超声纵向振动机构；总套筒的内壁处设置有多道起限位作用的环形板；微距调节机构和超声纵向振动机构沿阶梯轴的轴向顺次设置；
微距调节机构包括第一导电滑环组、第一压电陶瓷组、递进套筒和微距复位弹簧，第一导电滑环组套设在阶梯轴上且位于总套筒最上端的环形板的上端，第一压电陶瓷组位于第一导电滑环组的下方，第一压电陶瓷组的内圈与阶梯轴的外周面绝缘密贴，第一压电陶瓷组的外圈套设有微距轴承，递进套筒设置在第一压电陶瓷组的下端，递进套筒的下端抵接在阶梯轴的轴肩上，阶梯轴的轴肩下端套设有复位轴承，复位轴承与下方紧邻的环形板间通过微距复位弹簧连接；微距调节机构外接有压电陶瓷驱动器，压电陶瓷驱动器能够带动微距调节机构进行微距调节；
超声纵向振动机构包括第二导电滑环组、第二压电陶瓷组、环形管、变幅杆、变幅杆套筒和保持环；第二导电滑环组套设在复位轴承下方的阶梯轴上，第二压电陶瓷组设置在第二导电滑环组的下方，第二压电陶瓷组的内圈与阶梯轴的外周面绝缘密贴，第二压电陶瓷组的外圈依次套设有内套筒和外套筒，第二压电陶瓷组的上下两端具有对内套筒和外套筒进行轴向卡位的限位轴承，其中下方的限位轴承的下端设置有支撑套筒，支撑套筒固定套设在阶梯轴上，下方的限位轴承与其紧邻的环形板间留有纵向的振动间隙；超声纵向振动机构外接超声波发生器，超声波发生器能够带动超声纵向振动机构实现纵向的正弦振动；
环形管设置在支撑套筒的下方，环形管通过回转轴承与阶梯轴转动连接，环形管连接有抛光液供给管；阶梯轴的下端卡接有变幅杆，变幅杆的外周套设有变幅杆套筒，变幅杆套筒下部与变幅杆的间隙内过盈配合有骨架油封，变幅杆下部的轴肩处过盈套设有支撑球轴承，保持环固连在支撑球轴承的外圈，变幅杆的下端螺纹连接有工程陶瓷基座，工程陶瓷基座内设置有气路孔，工程陶瓷基座的气路孔通过导气软管外接真空泵；抛光液供给管的下端连接在保持环上，保持环的下端设置有抛光液的出液口，抛光液供给管的进液口连接有抛光液供给装置；
抛光单元设置在机架的底板上端对应超声振动单元的位置，抛光单元包括抛光盘、微距压力传感器和抛光盘电机，微距压力传感器连接在抛光盘的下方且用于检测抛光时晶片表面与抛光盘间的接触压力，抛光盘位于工程陶瓷基座的正下方且通过抛光电机驱动，微距压力传感器与压电陶瓷驱动器连接。
优选地，超声纵向振动机构还设置有检测工程陶瓷基座和被吸附晶片间压力的吸附压力传感器，吸附压力传感器粘接在固定在变幅杆套筒的外周。
优选地，超声纵向振动机构还设置有检测晶体被加工时温度的温度传感器，温度传感器与抛光液供给装置连接实现加工时抛光液供给量的调节。
优选地，微距复位弹簧处于初始状态时，微距轴承的上端抵接在其上方的环形板上。
优选地，第一导电滑环组和第二导电滑环组结构相同，均包括导电滑环、碳刷和引线；第一导电滑环组与压电陶瓷驱动器、第一压电陶瓷组连接，第二导电滑环组与超声波发生器、第二压电陶瓷组连接。
优选地，微距轴承、复位轴承、外套筒、限位轴承、回转轴承的外圈均与总套筒的内壁贴合；内套筒和外套筒间留有空间。
优选地，抛光盘的工作面上粘接有抛光垫，机架的底板下端设置有抛光底板，微距压力传感器设置在抛光盘和抛光底板间；抛光盘和抛光垫上均带有通孔。
优选地，十字滑台包括横向滑动机构和竖向滑动机构，两者均为丝杠滑块机构；其中横向滑动机构的底板固连在机架正面的上部，竖向滑动机构的底板固连在横向滑动机构的滑块上，总套筒通过托架固定在竖向滑动机构的滑块上，总套筒的外周固连有与托架螺栓连接的搭接板。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本装置通过超声纵向振动机构、超声波发生器实现对晶片的抛光，并加装微距调节机构,与抛光盘处的微距传感器、压电陶瓷驱动器配合，实现对抛光精度的微米级调控；同时，通过带气路孔的工程陶瓷基座和真空泵等配合实现对不同规格的晶片的稳定吸附。
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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，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是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的超声振动单元未加装总套筒时的整体结构示意图；
图3是本发明的阶梯轴外部的安装结构示意图；
图4是本发明的阶梯轴下方的安装结构的爆炸示意图；
图5是本发明的总套筒内部安装结构的剖面图；
图6是本发明的工程陶瓷基座处的结构示意图；
图7是本发明的抛光单元的安装结构爆炸示意图；
图8是本发明的微距调节机构仿真示意图；
图9是本发明的工程陶瓷基座与外接真空泵的连接气路图。
图中：1.1-阶梯轴；1.2-总套筒；1.21-环形板；1.31-第一导电滑环组；1.32-第一压电陶瓷组；1.33-递进套筒；1.34-微距复位弹簧；1.35-微距轴承；1.36-复位轴承；1.41-第二导电滑环组；1.42-第二压电陶瓷组；1.43-环形管；1.44-变幅杆；1.45-变幅杆套筒；1.46-保持环；1.47-内套筒；1.48-外套筒；1.49-限位轴承；1.50-支撑套筒；1.51-回转轴承；1.52-抛光液供给管；1.53-骨架油封；1.54-支撑球轴承；1.55-工程陶瓷基座；1.56-吸附压力传感器；1.57-温度传感器；2.1-抛光盘；2.2-微距压力传感器；2.3-抛光垫；2.4-抛光底板；3-机架；4-十字滑台；5-压电陶瓷驱动器；6-超声波发生器；7-抛光液供给装置；8-托架；9-搭接板。
具体实施方式
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，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其他实施方式，都属于本发明所保护的范围。
须知，本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内，需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另外几个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何实际的关系或者顺序。
本发明提供了一种实施例：
如图1至图9所示，一种超声振动辅助抛光装置，包括超声振动单元、抛光单元、机架3和十字滑台4；超声振动单元通过十字滑台4设置在机架3的正面，能够相对机架3横向、竖向滑动；超声振动单元包括阶梯轴1.1、总套筒1.2、微距调节机构和超声纵向振动机构；总套筒1.2的内壁处设置有多道起限位作用的环形板1.21，总套筒1.2的两端均为开口设计；微距调节机构和超声纵向振动机构沿阶梯轴1.1的轴向顺次设置；
本实施例中，微距调节机构包括第一导电滑环组1.31、第一压电陶瓷组1.32、递进套筒1.33和微距复位弹簧1.34，第一导电滑环组1.31套设在阶梯轴1.1上且位于总套筒1.2最上端的环形板1.21的上端，第一压电陶瓷组1.32位于第一导电滑环组1.31的下方，第一压电陶瓷组1.32的内圈与阶梯轴1.1的外周面绝缘密贴，第一压电陶瓷组1.32的外圈套设有微距轴承1.35，递进套筒1.33设置在第一压电陶瓷组1.32的下端，递进套筒1.33的下端抵接在阶梯轴1.1的轴肩上，递进套筒1.33能够将第一压电陶瓷组1.32的微变形传递给整个阶梯轴1.1，阶梯轴1.1的轴肩下端套设有复位轴承1.36，复位轴承1.36与下方紧邻的环形板1.21间通过微距复位弹簧1.34连接，微距复位弹簧1.34处于初始状态时，微距轴承1.35的上端抵接在其上方的环形板1.21上；微距调节机构外接有压电陶瓷驱动器5，压电陶瓷驱动器5能够带动微距调节机构进行微距调节；当压力未达到临界压力时，通过控制回路反馈给微距调节机构，进行微米级的调节，从而对整体工件的表面加工有更好的抛光效果。
超声纵向振动机构包括第二导电滑环组1.41、第二压电陶瓷组1.42、环形管1.43、变幅杆1.44、变幅杆套筒1.45和保持环1.46；第二导电滑环组1.41套设在复位轴承1.36下方的阶梯轴1.1上，第二压电陶瓷组1.42设置在第二导电滑环组1.41的下方，第二压电陶瓷组1.42的内圈与阶梯轴1.1的外周面绝缘密贴，第二压电陶瓷组1.42的外圈依次套设有内套筒1.47和外套筒1.48，第二压电陶瓷组1.42的上下两端具有对内套筒1.47和外套筒1.48进行轴向卡位的限位轴承1.49，其中下方的限位轴承1.49的下端设置有支撑套筒1.50，支撑套筒1.50固定套设在阶梯轴1.1上，下方的限位轴承1.49与其紧邻的环形板1.21间留有纵向的振动间隙；超声纵向振动机构外接超声波发生器6，超声波发生器6能够带动超声纵向振动机构实现纵向的正弦振动；微距轴承1.35、复位轴承1.36、外套筒1.48、限位轴承1.49、回转轴承1.51的外圈均与总套筒1.2的内壁贴合；内套筒1.47和外套筒1.48间留有空间；第一导电滑环组1.31和第二导电滑环组1.41结构相同，均包括导电滑环、碳刷和引线；第一导电滑环组1.31与压电陶瓷驱动器5、第一压电陶瓷组1.32连接，第二导电滑环组1.41与超声波发生器6、第二压电陶瓷组1.42连接。
环形管1.43设置在支撑套筒1.50的下方，环形管1.43通过回转轴承1.51与阶梯轴1.1转动连接，环形管1.43连接有抛光液供给管1.52；环形管1.43和回转轴承1.51的截面为方形，回转轴承1.51与阶梯轴1.1紧密配合目的使环形管1.43时刻保持与总套筒1.2相同的运动规律；阶梯轴1.1的下端卡接有变幅杆1.44，变幅杆1.44的外周套设有变幅杆套筒1.45，变幅杆套筒1.45下部与变幅杆1.44的间隙内过盈配合有骨架油封1.53，变幅杆1.44下部的轴肩处过盈套设有支撑球轴承1.54，保持环1.46固连在支撑球轴承1.54的外圈，变幅杆1.44的下端螺纹连接有工程陶瓷基座1.55，工程陶瓷基座1.55内设置有气路孔，各气道汇总到气路孔，工程陶瓷基座1.55的气路孔通过导气软管外接真空泵；抛光液供给管1.52的下端连接在保持环1.46上，保持环1.46的下端设置有抛光液的出液口，抛光液供给管1.52的进液口连接有抛光液供给装置7；
抛光单元设置在机架3的底板上端对应超声振动单元的位置，抛光单元包括抛光盘2.1、微距压力传感器2.2和抛光盘电机，微距压力传感器2.2连接在抛光盘2.1的下方且用于检测抛光时晶片表面与抛光盘2.1间的接触压力，抛光盘2.1位于工程陶瓷基座1.55的正下方且通过抛光电机驱动，抛光盘2.1的工作面上粘接有抛光垫2.3，抛光垫2.3为聚氨酯抛光垫，无纺布抛光垫，绒布抛光垫中的一种；机架3的底板下端设置有抛光底板2.4，微距压力传感器2.2设置在抛光盘2.1和抛光底板2.4间；抛光盘2.1和抛光垫2.3上均带有通孔；微距压力传感器2.2与压电陶瓷驱动器5连接。
十字滑台4包括横向滑动机构和竖向滑动机构，两者均为丝杠滑块机构；其中横向滑动机构的底板固连在机架3正面的上部，竖向滑动机构的底板固连在横向滑动机构的滑块上，总套筒1.2通过托架8固定在竖向滑动机构的滑块上，总套筒1.2的外周固连有与托架8螺栓连接的搭接板9；阶梯轴1.1的上端连接有用于驱动其转动抛光的阶梯轴转动电机，阶梯轴转动电机设置在十字滑台4上。阶梯轴转动电机、抛光盘电机的安装均为现有技术，在图中未做体现。
超声纵向振动机构还设置有检测工程陶瓷基座1.55和被吸附晶片间压力的吸附压力传感器1.56，吸附压力传感器1.56粘接在固定在变幅杆套筒1.45的外周，吸附压力传感器1.56可用于判断晶片是否稳定吸附在工程陶瓷基座1.55上，确保加工的精密性。
超声纵向振动机构还设置有检测晶体被加工时温度的温度传感器1.57，温度传感器1.57与抛光液供给装置7连接实现加工时抛光液供给量的调节，当温度过高不利于加工进行时，可以控制抛光液供给装置7进行抛光液的供给，从而达到调控工件表面温度的作用进而达到更好的抛光效果。
本发明采用COMSOL仿真分析软件分析微距调节结构的调节功能，单PZT-5的伸缩能够达到0.08mm，进而可以验证该机构能达到微米级别的调控功能。
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，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种超声振动辅助抛光装置，其特征在于：包括超声振动单元、抛光单元、机架（3）和十字滑台（4）；
超声振动单元通过十字滑台（4）设置在机架（3）的正面，能够相对机架（3）横向、竖向滑动；超声振动单元包括阶梯轴（1.1）、总套筒（1.2）、微距调节机构和超声纵向振动机构；总套筒（1.2）的内壁处设置有多道起限位作用的环形板（1.21）；微距调节机构和超声纵向振动机构沿阶梯轴（1.1）的轴向顺次设置；
微距调节机构包括第一导电滑环组（1.31）、第一压电陶瓷组（1.32）、递进套筒（1.33）和微距复位弹簧（1.34），第一导电滑环组（1.31）套设在阶梯轴（1.1）上且位于总套筒（1.2）最上端的环形板（1.21）的上端，第一压电陶瓷组（1.32）位于第一导电滑环组（1.31）的下方，第一压电陶瓷组（1.32）的内圈与阶梯轴（1.1）的外周面绝缘密贴，第一压电陶瓷组（1.32）的外圈套设有微距轴承（1.35），递进套筒（1.33）设置在第一压电陶瓷组（1.32）的下端，递进套筒（1.33）的下端抵接在阶梯轴（1.1）的轴肩上，阶梯轴（1.1）的轴肩下端套设有复位轴承（1.36），复位轴承（1.36）与下方紧邻的环形板（1.21）间通过微距复位弹簧（1.34）连接；微距调节机构外接有压电陶瓷驱动器（5），压电陶瓷驱动器（5）能够带动微距调节机构进行微距调节；
超声纵向振动机构包括第二导电滑环组（1.41）、第二压电陶瓷组（1.42）、环形管（1.43）、变幅杆（1.44）、变幅杆套筒（1.45）和保持环（1.46）；第二导电滑环组（1.41）套设在复位轴承（1.36）下方的阶梯轴（1.1）上，第二压电陶瓷组（1.42）设置在第二导电滑环组（1.41）的下方，第二压电陶瓷组（1.42）的内圈与阶梯轴（1.1）的外周面绝缘密贴，第二压电陶瓷组（1.42）的外圈依次套设有内套筒（1.47）和外套筒（1.48），第二压电陶瓷组（1.42）的上下两端具有对内套筒（1.47）和外套筒（1.48）进行轴向卡位的限位轴承（1.49），其中下方的限位轴承（1.49）的下端设置有支撑套筒（1.50），支撑套筒（1.50）固定套设在阶梯轴（1.1）上，下方的限位轴承（1.49）与其紧邻的环形板（1.21）间留有纵向的振动间隙；超声纵向振动机构外接超声波发生器（6），超声波发生器（6）能够带动超声纵向振动机构实现纵向的正弦振动；
环形管（1.43）设置在支撑套筒（1.50）的下方，环形管（1.43）通过回转轴承（1.51）与阶梯轴（1.1）转动连接，环形管（1.43）连接有抛光液供给管（1.52）；阶梯轴（1.1）的下端卡接有变幅杆（1.44），变幅杆（1.44）的外周套设有变幅杆套筒（1.45），变幅杆套筒（1.45）下部与变幅杆（1.44）的间隙内过盈配合有骨架油封（1.53），变幅杆（1.44）下部的轴肩处过盈套设有支撑球轴承（1.54），保持环（1.46）固连在支撑球轴承（1.54）的外圈，变幅杆（1.44）的下端螺纹连接有工程陶瓷基座（1.55），工程陶瓷基座（1.55）内设置有气路孔，工程陶瓷基座（1.55）的气路孔通过导气软管外接真空泵；抛光液供给管（1.52）的下端连接在保持环（1.46）上，保持环（1.46）的下端设置有抛光液的出液口，抛光液供给管（1.52）的进液口连接有抛光液供给装置（7）；阶梯轴（1.1）的上端连接有驱动其转动抛光的阶梯轴转动电机，阶梯轴转动电机设置在十字滑台（4）上；
抛光单元设置在机架（3）的底板上端对应超声振动单元的位置，抛光单元包括抛光盘（2.1）、微距压力传感器（2.2）和抛光盘电机，微距压力传感器（2.2）连接在抛光盘（2.1）的下方且用于检测抛光时晶片表面与抛光盘（2.1）间的接触压力，抛光盘（2.1）位于工程陶瓷基座（1.55）的正下方且通过抛光电机驱动，微距压力传感器（2.2）与压电陶瓷驱动器（5）连接。
2.根据权利要求1所述的一种超声振动辅助抛光装置，其特征在于：超声纵向振动机构还设置有检测工程陶瓷基座（1.55）和被吸附晶片间压力的吸附压力传感器（1.56），吸附压力传感器（1.56）粘接在固定在变幅杆套筒（1.45）的外周。
3.根据权利要求2所述的一种超声振动辅助抛光装置，其特征在于：超声纵向振动机构还设置有检测晶体被加工时温度的温度传感器（1.57），温度传感器（1.57）与抛光液供给装置（7）连接实现加工时抛光液供给量的调节。
4.根据权利要求3所述的一种超声振动辅助抛光装置，其特征在于：微距复位弹簧（1.34）处于初始状态时，微距轴承（1.35）的上端抵接在其上方的环形板（1.21）上。
5.根据权利要求4所述的一种超声振动辅助抛光装置，其特征在于：第一导电滑环组（1.31）和第二导电滑环组（1.41）结构相同，均包括导电滑环、碳刷和引线；第一导电滑环组（1.31）与压电陶瓷驱动器（5）、第一压电陶瓷组（1.32）连接，第二导电滑环组（1.41）与超声波发生器（6）、第二压电陶瓷组（1.42）连接。
6.根据权利要求5所述的一种超声振动辅助抛光装置，其特征在于：微距轴承（1.35）、复位轴承（1.36）、外套筒（1.48）、限位轴承（1.49）、回转轴承（1.51）的外圈均与总套筒（1.2）的内壁贴合；内套筒（1.47）和外套筒（1.48）间留有空间。
7.根据权利要求6所述的一种超声振动辅助抛光装置，其特征在于：抛光盘（2.1）的工作面上粘接有抛光垫（2.3），机架（3）的底板下端设置有抛光底板（2.4），微距压力传感器（2.2）设置在抛光盘（2.1）和抛光底板（2.4）间；抛光盘（2.1）和抛光垫（2.3）上均带有通孔。
8.根据权利要求7所述的一种超声振动辅助抛光装置，其特征在于：十字滑台（4）包括横向滑动机构和竖向滑动机构，两者均为丝杠滑块机构；其中横向滑动机构的底板固连在机架（3）正面的上部，竖向滑动机构的底板固连在横向滑动机构的滑块上，总套筒（1.2）通过托架（8）固定在竖向滑动机构的滑块上，总套筒（1.2）的外周固连有与托架（8）螺栓连接的搭接板（9）。
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