CN202684651U

CN202684651U - 一种集群磁流变-化学机械复合抛光装置

Info

Publication number: CN202684651U
Application number: CN 201220423641
Authority: CN
Inventors: 路家斌; 祝江亭; 潘继生; 阎秋生; 高伟强
Original assignee: Guangdong University of Technology
Current assignee: Guangdong University of Technology
Priority date: 2012-08-24
Filing date: 2012-08-24
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2022-08-24

Abstract

本实用新型是一种集群磁流变-化学机械复合抛光装置。包括机架、工件安装旋转装置、抛光装置和循环装置，工件安装旋转装置包括晶片贴盘、电主轴、夹具、Z向驱动装置，电主轴与Z向驱动装置连接，并与机架的垂直导轨匹配，晶片贴盘通过夹具安装在电主轴的下端，抛光装置包括X向运动平台、Y向运动平台、抛光盘，Y向运动平台安装在机架上，X向运动平台安装在Y向运动平台上，抛光盘安装在X向运动平台上，抛光盘与抛光盘驱动装置连接，循环装置中的电泵抽取抛光液通过循环管输送至抛光盘的工作面。本实用新型将集群磁流变抛光的高效率、柔性化、可控性与化学机械抛光的低损伤、低表面粗糙度等特性相结合，对晶片表面进行高效低损伤抛光。

Description

一种集群磁流变-化学机械复合抛光装置

技术领域

本实用新型涉及一种集群磁流变-化学机械复合抛光装置，特别涉及针对单晶SiC及其它超薄硬脆半导体材料的化学机械-集群磁流变复合抛光抛光装置，属抛光设备领域。

背景技术

碳化硅(SiC)单晶片作为第三代宽带隙半导体材料的核心，具有禁带宽度大、热导率高、电子饱和漂移速率大、临界击穿电场高和相对介电常数低等特点。因而被用于制作高温、高频、抗辐射、大功率和高密度集成电子器件。特别在极端条件和恶劣环境下应用，SiC器件的特性远远超过了Si器件和GaAs器件。利用它宽禁带的特点还可以制作蓝、绿光和紫外光的发光器件和光电探测器件。另外，SiC由于其较高的弹性模量、适中的密度、较小的热膨胀系数、耐热冲击性、高的比刚度和化学稳定性，越来越广泛的应用于空间光学系统和激光元器件中。因此，SiC是微电子、电力电子和光电子等高新技术进入21世纪后赖以持续发展的重要半导体材料之一。

SiC的应用要求单晶表面超光滑、无缺陷、无损伤。SiC的加工质量和精度优劣，直接影响到其器件的性能。比如当晶片表面有微小的划痕、凹坑、桔皮、颗粒、裂纹等缺陷时，会遗传给外延生长膜而成为器件的致命缺陷。但是SiC的硬度仅次于金刚石，其莫氏硬度为9.2；而且化学稳定性好。常温下很难与其它物质发生反应，故SiC单晶的加工成为其广泛应用必须解决的重要问题。

目前，国内外对碳化硅单晶片的加工方法主要集中在：①沿用传统单晶 Si、Ge等晶片加工中的传统机械研磨抛光加工方法；②以机械去除和化学抛光合并使用为代表的复合加工；③以激光、等离子等特殊能场为去除手段的特种加工；④以磁流变效应控制磨粒行为的磁流变加工。还没有磁流变与化学机械抛光复合的加工方法和加工装置。

发明内容

本实用新型的目的是针对单晶SiC晶片这类难加工材料，将集群磁流变抛光的高效率、柔性化、可控性与化学机械抛光的低损伤、低表面粗糙度等特性相结合，提出一种高效率、低损伤的高效精密复合抛光技术。

本实用新型的技术方案是：本实用新型的一种集群磁流变-化学机械复合抛光装置，包括有机架、工件安装旋转装置、抛光装置和循环装置，其中工件安装旋转装置包括有晶片贴盘、电主轴、夹具、Z向驱动装置，其中电主轴与Z向驱动装置连接，并与机架的垂直导轨匹配，晶片贴盘通过夹具安装在电主轴下端，抛光装置包括有X向运动平台、Y向运动平台、抛光盘，其中Y向运动平台直接安装在机架上，X向运动平台安装在Y向运动平台上，X向运动平台与X向驱动装置连接，Y向运动平台与Y向驱动装置连接，抛光盘安装在X向运动平台上，且抛光盘与抛光盘驱动装置连接，循环装置包括有回收槽、pH测试仪、循环管、电泵和温控回收桶，其中装有pH测试仪的回收槽位于抛光盘的下方，电泵抽取抛光液通过循环管输送至抛光盘的工作面，且抛光液再通过循环管直接流回温控回收桶中。

上述夹具为弹簧夹头，晶片贴盘通过弹簧夹头安装在电主轴的下端。

上述Z向驱动装置包括有滚珠丝杆及Z向步进电机，其中Z向滚珠丝杆垂直固定在机架上，步进电机安装在滚珠丝杆的下端，电主轴固定在Z向滚珠丝杆上，并与机架的垂直导轨匹配。

上述Z向驱动装置的滚珠丝杆通过联轴器与Z向步进电机的输出轴连接。

上述抛光盘驱动装置包括有同步带轮及步进电机，抛光盘通过同步带轮与步进电机连接。

上述装有pH测试仪的回收槽位于抛光盘的正下方。

上述驱动X向运动平台及Y向运动平台运动的X向驱动装置及Y向运动平台均包括有滚珠丝杆及步进电机，其中滚珠丝杆垂直固定在机架上，步进电机安装在滚珠丝杆的下端，X向运动平台及Y向运动平台固定在滚珠丝杆上，且X向运动平台及Y向运动平台与机架的垂直导轨匹配，且滚珠丝杆通过联轴器与步进电机输出轴连接。

上述抛光盘的下方设有环形槽，环形槽中放置有磁铁，磁铁的下部设有能调节磁铁与抛光盘的盘面之间的距离的调整垫片。

上述环形槽中放置有不同形状及尺寸的磁铁，垫片为不锈钢垫片。

上述温控回收桶中设有能把抛光液的温度控制在25℃—55℃之间的温控装置。

本实用新型集群磁流变-化学机械复合抛光装置，可确保抛光盘与被加工物外表面平行度较高，抛光间隙能随磨粒粒径大小和加工过程而调整，磁场强度由磁铁下方不锈钢垫片调整，pH测试仪可监测加工过程pH变化，温控回收桶可对抛光液进行温度调节，结构简单，方便实用，具有较强的实用性和推广价值。

附图说明

图1是本实用新型平面复合抛光方法的基本原理图；

图2是本实用新型平面复合抛光装置的结构图；

图中：1.机架，2.Y向运动平台，3.Y向步进电机，4. X向运动平台，5.X向步进电机，6.同步带轮, 7.强磁铁, 8.抛光盘, 9.晶片, 10.晶片贴盘，11.电主轴夹具，12. 电主轴，13. 滚珠丝杆，14. Z向步进电机；15.回收槽；16.调整垫片，17.抛光液，18.pH测试仪，19.循环管，20.电泵，21温控回收桶，23. 环形槽。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明：

本实施例给出利用本实用新型一种平面集群磁流变-化学机械抛光装置加工2英寸单晶SiC表面的情况.

图2给出了本实用新型所涉及的一种平面集群磁流变-化学机械抛光装置的结构图，本实用新型的一种集群磁流变-化学机械复合抛光装置，包括有机架1、工件安装旋转装置、抛光装置和循环装置，其中工件安装旋转装置包括有晶片贴盘10、电主轴11、夹具12、Z向驱动装置，其中电主轴11与Z向驱动装置连接，并与机架1的垂直导轨匹配，晶片贴盘10通过夹具12安装在电主轴11的下端，抛光装置包括有X向运动平台4、Y向运动平台2、抛光盘8，其中Y向运动平台2直接安装在机架1上，X向运动平台4安装在Y向运动平台2上，X向运动平台4与X向驱动装置连接，Y向运动平台2与Y向驱动装置连接，抛光盘8安装在X向运动平台4上，且抛光盘8与抛光盘驱动装置连接，循环装置包括有回收槽15、pH测试仪18、循环管19、电泵20和温控回收桶21，其中装有pH测试仪18的回收槽15位于抛光盘8的下方，电泵20抽取抛光液19通过循环管19输送至抛光盘（8）的工作面，且抛光液17再通过循环管19直接流回温控回收桶21中。

本实施例中，上述夹具12为弹簧夹头，晶片贴盘10通过弹簧夹头安装在电主轴11的下端。

本实施例中，上述Z向驱动装置包括有滚珠丝杆13及Z向步进电机15，其中Z向滚珠丝杆13垂直固定在机架1上，步进电机15安装在滚珠丝杆13的下端，电主轴11固定在Z向滚珠丝杆13上，并与机架1的垂直导轨匹配。

此外，上述Z向驱动装置的滚珠丝杆13通过联轴器与Z向步进电机15的输出轴连接。

本实施例中，上述抛光盘驱动装置包括有同步带轮6及步进电机，抛光盘8通过同步带轮6与步进电机连接。

另外，上述装有pH测试仪18的回收槽15位于抛光盘8的正下方。

本实施例中，上述驱动X向运动平台4及Y向运动平台2运动的X向驱动装置及Y向运动平台2均包括有滚珠丝杆及步进电机，其中滚珠丝杆垂直固定在机架（1）上，步进电机安装在滚珠丝杆的下端，X向运动平台4及Y向运动平台2固定在滚珠丝杆上，且X向运动平台4及Y向运动平台与机架1的垂直导轨匹配，且滚珠丝杆通过联轴器与步进电机输出轴连接。

本实施例中，上述抛光盘8的下方设有环形槽81，环形槽81中放置有磁铁7，磁铁7的下部设有能调节磁铁7与抛光盘8的盘面之间的距离的调整垫片16。通过调整垫片16的厚度可以调节磁铁7与抛光盘面的距离，从而调节磁场强度。

上述环形槽81中放置有不同形状及尺寸的磁铁7，垫片16为不锈钢垫片。

本实施例中，上述温控回收桶21中设有能把抛光液17的温度控制在25℃—55℃之间的温控装置。温控装置可把抛光液17温度控制在25℃—55℃之间。

本实施例中，上述抛光工作液19是化学试剂与磨料的混合液。其成份为溶胶液重量百分比20～30％，固体分散粒子重量百分比15～25％，氧化剂重量百分比20～25％，pH值为10-12，催化剂重量百分比5%，磨料重量百分比10～15％。

本实施例中，上述抛光工作液19的固体分散粒子主要是铁磁性物质，如羰基铁粉、还原铁粉和四氧化三铁粉。

本实施例中，上述抛光工作液19加入的游离磨料有、金刚石、碳化硼B₄C、三氧化二铝(Al₂O₃)、氮化硅(Si₃N₄)、氧化铈（CeO₂）的其中一种或一种以上混合物，磨料微粒直径小于10微米，游离磨料与抛光液的重量百分比小于15%。

图1给出了本实用新型所涉及的一种平面集群磁流变-化学机械复合抛光工作原理图。首先把贴盘10加热至一定温度，涂上固体石蜡，待均匀后贴上晶片，加重块压至均匀无气泡为佳。将粘有晶片9的贴盘通过螺栓安装在主轴上，通过软件平台调整晶片9与抛光盘8表面的距离。调整完毕后启动数控系统，将预先编制好的数控程序导入，实现X方向运动平台4横向摆动、Z轴升降及抛光盘转速和转向的调整。配好抛光液19后，启动电泵20抽取抛光液19输送至抛光盘8的工作面，这样液体中的铁粉在磁场的把持下固结成具有一定强度和厚度磁垫以补偿晶片9与抛光盘8的间隙，同时磁垫可以使抛光液中游离的磨料处于一种微约束状态以参与加工。从盘面流出的工作液经回收槽15及过滤筛回流到温控回收桶21，然后继续在循环装置作用下循环使用。

从实施例可以看出，本实用新型结构非常简单，设计巧妙，可将集群磁流变抛光的高效率、柔性化、可控性与化学机械抛光的低损伤、低表面粗糙度等特性相结合，对晶片表面进行高效低损伤抛光，具有极强的实用性和推广价值。

Claims

1.一种集群磁流变-化学机械复合抛光装置，其特征在于包括有机架（1）、工件安装旋转装置、抛光装置和循环装置，其中工件安装旋转装置包括有晶片贴盘（10）、电主轴（11）、夹具（12）、Z向驱动装置，其中电主轴（11）与Z向驱动装置连接，并与机架（1）的垂直导轨匹配，晶片贴盘（10）通过夹具（12）安装在电主轴（11）的下端，抛光装置包括有X向运动平台（4）、Y向运动平台（2）、抛光盘（8），其中Y向运动平台（2）直接安装在机架（1）上，X向运动平台（4）安装在Y向运动平台（2）上，X向运动平台（4）与X向驱动装置连接，Y向运动平台（2）与Y向驱动装置连接，抛光盘（8）安装在X向运动平台（4）上，且抛光盘（8）与抛光盘驱动装置连接，循环装置包括有回收槽（15）、pH测试仪（18）、循环管（19）、电泵（20）和温控回收桶（21），其中装有pH测试仪（18）的回收槽（15）位于抛光盘（8）的下方，电泵（20）抽取抛光液（19）通过循环管（19）输送至抛光盘（8）的工作面，且抛光液（17）再通过循环管（19）直接流回温控回收桶（21）中。

2.根据权利要求1所述的集群磁流变-化学机械复合抛光装置，其特征在于上述夹具（12）为弹簧夹头，晶片贴盘（10）通过弹簧夹头安装在电主轴（11）下端。

3.根据权利要求1所述的集群磁流变-化学机械复合抛光装置，其特征在于上述Z向驱动装置包括有滚珠丝杆（13）及Z向步进电机（15），其中Z向滚珠丝杆（13）垂直固定在机架（1）上，步进电机（15）安装在滚珠丝杆（13）的下端，电主轴（11）固定在Z向滚珠丝杆（13）上，并与机架（1）的垂直导轨匹配。

4.根据权利要求1所述的集群磁流变-化学机械复合抛光装置，其特征在于上述Z向驱动装置的滚珠丝杆（13）通过联轴器与Z向步进电机（15）的输出轴连接。

5.根据权利要求1所述的集群磁流变-化学机械复合抛光装置，其特征在于上述抛光盘驱动装置包括有同步带轮（6）及步进电机，抛光盘（8）通过同步带轮（6）与步进电机连接。

6.根据权利要求1所述的集群磁流变-化学机械复合抛光装置，其特征在于上述装有pH测试仪（18）的回收槽（15）位于抛光盘（8）的正下方。

7.根据权利要求1所述的集群磁流变-化学机械复合抛光装置，其特征在于上述驱动X向运动平台（4）及Y向运动平台（2）运动的X向驱动装置及Y向运动平台（2）均包括有滚珠丝杆及步进电机，其中滚珠丝杆垂直固定在机架（1）上，步进电机安装在滚珠丝杆的下端，X向运动平台（4）及Y向运动平台（2）固定在滚珠丝杆上，且X向运动平台（4）及Y向运动平台与机架（1）的垂直导轨匹配，且滚珠丝杆通过联轴器与步进电机输出轴连接。

8.根据权利要求1所述的集群磁流变-化学机械复合抛光装置，其特征在于上述抛光盘（8）的下方设有环形槽（23），环形槽（23）中放置有磁铁（7），磁铁（7）的下部设有能调节磁铁（7）与抛光盘（8）的盘面之间的距离的调整垫片（16）。

9.根据权利要求1所述的集群磁流变-化学机械复合抛光装置，其特征在于上述环形槽（81）中放置有不同形状及尺寸的磁铁（7），垫片（16）为不锈钢垫片。

10.根据权利要求1所述的集群磁流变-化学机械复合抛光装置，其特征在于上述温控回收桶（21）中设有能把抛光液（17）的温度控制在25℃—55℃之间的温控装置。