CN210997815U - 一种超声电化学机械抛光蓝宝石衬底材料的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于宝石抛光技术领域，特别涉及一种超声电化学机械抛光蓝宝石衬底材料的装置，包括抛光盘、抛光头，蓝宝石衬底材料固定于抛光头的底部，抛光盘上表面为抛光垫，抛光盘、抛光头分别经由第一直线电机、第二直线电机带动转动；还设有用于产生超声脉冲电流的超声发生控制箱，所述超声发生控制箱与设置于抛光头上的压电陶瓷电连接，所述压电陶瓷产生脉冲振动；还包括电化学反应回路。本实用新型在电化学腐蚀的作用下蓝宝石衬底材料表面的化学反应加快，软物质生成加快。本实用新型在超声、电、化学、机械多能场复合作用下，蓝宝石衬底材料的抛光效率和拋光质量得到提高。

Description

一种超声电化学机械抛光蓝宝石衬底材料的装置

技术领域

本实用新型属于宝石抛光技术领域，特别涉及一种超声电化学机械抛光蓝宝石衬底材料的装置。

背景技术

蓝宝石是一种集众多优良光学性能、化学性能和物理性能于一体的多功能氧化物晶体。单晶蓝宝石硬度仅次于金刚石，而且具有良好的热特性、耐磨性、电器特性和介电特性，因此被广泛应用于光电子、通讯、国防等领域，其中比较重要的应用就是作为GaN基发光二极管 (LED)的衬底材料。LED是当今世界最有发展前途的节能照明技术和产业，作为LED外延片和芯片产品重要衬底材料的蓝宝石材料，处于国际高端LED芯片产业的技术上游。随着科学技术的不断发展，上述应用领域对蓝宝石衬底的加工效率、表面质量和加工精度要求越来越高，但蓝宝石晶体作为典型的硬脆材料，目前还没有相对成熟的高效低损伤加工方法。

化学机械抛光（CMP)是目前唯一能够实现全局和局部平坦化的抛光技术，然而用CMP技术对蓝宝石衬底进行抛光时，存在材料去除率（MRR）偏低，时间成本过高的问题。电化学机械抛光(ECMP)是获得高MRR、低粗糙度表面的一种很有前途的加工技术。在ECMP中，加工件做为阳极被氧化，表面产生软氧化物层再由机械力去除。可以获得无划痕和亚表面无损伤的表面。在ECMP工艺中，阳极氧化速率对ECMP的MRR起决定性作用。超声振动加工技术已经被证明是加工硬脆性材料的高效技术。本实用新型为了提高蓝宝石衬底的抛光效率和加工质量，在传统CMP加工工艺中同时引入ECMP和超声振动作用，利用超声、电、化学、机械多能场复合作用来实现蓝宝石材料的高效、超精密抛光。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种超声电化学机械抛光蓝宝石衬底材料的装置。

本实用新型通过下述方案实现：

一种超声电化学机械抛光蓝宝石衬底材料的装置，包括抛光盘与位于抛光盘上方的抛光头，蓝宝石衬底材料固定于抛光头的底部，所述抛光盘上表面为抛光垫，所述抛光盘经由其底部的第一直线电机带动转动；所述抛光头经由第二直线电机带动转动，将位于抛光头底部与抛光垫之间的蓝宝石衬底材料进行抛光，还设有用于产生超声脉冲电流的超声发生控制箱，所述超声发生控制箱与设置于抛光头上的压电陶瓷电连接，所述压电陶瓷产生脉冲振动；还包括电化学反应回路，所述电化学反应回路包括一个作为电源的电化学工作站，所述电化学工作站的正极与蓝宝石衬底材料电连接，负极与位于抛光盘上方一侧的阴极板电连接，在抛光盘的上方设有一个用于盛装抛光液的腔体，所述阴极板、蓝宝石衬底材料均浸泡于抛光液中，电化学工作站、蓝宝石衬底材料、抛光液、阴极板组成闭合回路，所述抛光液由蠕动泵泵送至抛光垫与蓝宝石衬底材料之间。

所述抛光头通过空心转轴与第二直线电机的输出轴连接，所述空心转轴的外侧设有碳刷，空心转轴的外部套装有导电环，所述超声发生控制箱通过导线与碳刷连接，碳刷与导电环接触，在空心转轴内部设有导线与压电陶瓷连接，超声发生控制箱依次经过导线、碳刷、导电环、空心转轴内部的导线与压电陶瓷实现电连接。

所述抛光头为盘状结构，所述压电陶瓷包括四个且以抛光头的转轴中心点为基准均匀的分布于四个象限，且两个相对的压电陶瓷产生纵向超声振动，另外两个相对的压电陶瓷产生水平超声振动，四个压电陶瓷复合产生椭圆弯曲振动。

所述抛光盘的底部为抛光盘底座，所述抛光盘底座向抛光盘底部的一侧延伸，在该延伸部设有一凹槽，在凹槽中固定有向上方延伸的立柱，所述立柱的上方设有与其连接呈水平方向的上支撑板和下支撑板，所述上支撑板用于支撑第二直线电机，所述下支撑板用于支撑碳刷的支撑架，所述支撑架为设置于下支撑板上的竖直方向的支架，且按照距离空心转轴由近至远依次设置了三个由低到高的支架，碳刷依次安装于三个支撑架上，所述导电环自上而下设置为三个，分别与三个碳刷连接。

所述上支撑板、下支撑板的外端均套装于空心转轴的外部，且在套装处分别设有第一滚动轴承、第二滚动轴承。

所述立柱的外部套装有环抱筒，所述上支撑板、下支撑板固定于环抱筒的外侧，环抱筒的内部设有横杆，所述横杆与设置于立柱内部的丝杆相匹配且由丝杆带动上下移动，带动环抱筒上下滑动，所述丝杆的上端与伺服电机的输出轴连接并由其带动转动。

所述环抱筒的底部设有距离保持架。

所述抛光头底部设有一个凹槽，所述凹槽内设有阳极金属板，所述阳极金属板与蓝宝石衬底材料紧密贴合，所述电化学工作站的正极与蓝宝石衬底材料通过阳极金属板实现电连接。

所述抛光头的上方集成一个真空装置，蓝宝石衬底材料采用真空吸附固定在抛光头上。

本实用新型的有益效果为：在电化学腐蚀的作用下蓝宝石衬底材料表面的化学反应加快，软物质生成加快。在超声作用下，抛光液中的磨粒获得附加能量加速撞击材料表面。同时在超声空化引起的超声空化作用下导致温度升高，抛光液中的磨粒与蓝宝石衬底材料之间化学反应加快。在超声、电、化学、机械多能场复合作用下，蓝宝石衬底材料的抛光效率和拋光质量得到提高。

附图说明

图1为本实用新型一种超声电化学机械抛光蓝宝石衬底材料的装置的结构示意图。

图中标号：1-超声发生控制箱；2-横杆；3-碳刷；4-导电铜滑环；5-空心转轴；6-压电陶瓷；8-阳极金属板；9-抛光头；10-电化学工作站；11-阴极板；12-蠕动泵；13 –第一直线电机；14-第二直线电机；15-伺服电机；16-丝杆；17-距离保持架；18 -立柱；19-立脚；20-抛光垫；21-抛光盘；22-抛光底盘座；23-护板；24-下支撑板；25-第二滚动轴承；26-第一滚动轴承；27-支撑架；29-环抱筒；30-蓝宝石衬底材料；31-抛光液；32-上支撑板； 33-真空装置；34-第三滚动轴承；35-压力传感装置。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进一步说明：

实施例：参见图1。

本实用新型公开了一种超声电化学机械抛光蓝宝石衬底材料的装置，包括抛光盘21与位于抛光盘上方的抛光头9，蓝宝石衬底材料30固定于抛光头9的底部，所述抛光盘21上表面为抛光垫20，所述抛光盘21经由其底部的第一直线电机13带动转动；所述抛光头9经由第二直线电机14带动转动，优选的，所述第一直线电机13、第二直线电机14的转向、转速均相同，将位于抛光头9底部与抛光垫20之间的蓝宝石衬底材料30进行抛光，还设有用于产生超声脉冲电流的超声发生控制箱1，所述超声发生控制箱1与设置于抛光头9上的压电陶瓷6电连接，所述压电陶瓷6产生脉冲振动；还包括电化学反应回路，所述电化学反应回路包括一个作为电源的电化学工作站10，所述电化学工作站10的正极与蓝宝石衬底材料30电连接，负极与位于抛光盘21上方一侧的阴极板11电连接，阴极板11通过绝缘件固定在护板23上，在抛光盘21的上方设有一个用于盛装抛光液31的腔体，所述阴极板11、蓝宝石衬底材料30均浸泡于抛光液31中，电化学工作站10、蓝宝石衬底材料30、抛光液31、阴极板11组成闭合回路，所述抛光液31由蠕动泵12泵送至抛光垫20与蓝宝石衬底材料30之间。

优选的，所述抛光头9通过空心转轴5与第二直线电机14的输出轴连接，所述空心转轴5的外侧设有碳刷7，空心转轴5的外部套装有导电环4，所述超声发生控制箱1通过导线与碳刷7连接，碳刷7与导电环4接触，在空心转轴5内部设有导线与压电陶瓷6连接，超声发生控制箱1依次经过导线、碳刷7、导电环4、空心转轴5内部的导线与压电陶瓷6实现电连接。

优选的，所述抛光头9为盘状结构，所述压电陶瓷6包括四个且以抛光头9的转轴中心点为基准均匀的分布于四个象限，且两个相对的压电陶瓷6产生纵向超声振动，另外两个相对的压电陶瓷6产生水平超声振动，四个压电陶瓷6复合产生椭圆弯曲振动。

优选的，所述抛光盘21的底部为抛光盘底座22，所述抛光盘底座22向抛光盘21底部的一侧延伸，在该延伸部设有一凹槽，在凹槽中固定有向上方延伸的立柱18，所述立柱18的上方设有与其连接呈水平方向的上支撑板32和下支撑板24，所述上支撑板32用于支撑第二直线电机14，所述下支撑板24用于支撑碳刷的支撑架27，所述支撑架27为设置于下支撑板24上的竖直方向的支架，且按照距离空心转轴5由近至远依次设置了三个由低到高的支架，碳刷7依次安装于三个支撑架27上，所述导电环4自上而下设置为三个，分别与三个碳刷连接。

优先的，所述上支撑板32、下支撑板24的外端均套装于空心转轴5的外部，且在套装处分别设有第一滚动轴承25、第二滚动轴承26。首先通过第二滚动轴承26穿过下支撑板24，第二滚动轴承26外圈通过轴承座固定在下支撑板24上，内圈与空心转轴5相匹配并与其一起旋转；再通过第一滚动轴承25穿过上支撑板32与第二直线电机14相连。第一滚动轴承25外圈通过轴承座固定在下支撑板24上，内圈与空心转轴5相配合并与其一起旋转。

优选的，所述立柱18的外部套装有环抱筒29，所述上支撑板32、下支撑板24固定于环抱筒29的外侧，环抱筒29的内部设有横杆2，所述横杆2与设置于立柱内部的丝杆16相匹配且由丝杆16带动上下移动，带动环抱筒29上下滑动，所述丝杆16的上端与伺服电机15的输出轴连接并由其带动转动。丝杆16通过第三滚动轴承34与伺服电机15相连。第三滚动轴承34外圈通过轴承座固定在立柱18上端，内圈与丝杆16上部的轴相匹配，从而可通过伺服电机15的旋转来实现上支撑板32、下支撑板24以及抛光头9的上下移动。在立柱18的环抱筒下方安有距离保持架17，可以有效防止抛光头9失控对设备造成的冲击。即当环抱筒下降至距离保持架17时被阻挡，不能继续下降。距离保持架17的安装高度可根据右侧抛光头及蓝宝石衬底材料30的位置进行计算得出。

立柱18通过立脚19用螺栓固定在抛光底盘座22的凹槽内。

优选的，在所述抛光头9底部设有一个凹槽，所述凹槽内设有阳极金属板8，所述阳极金属板8与蓝宝石衬底材料30紧密贴合，所述电化学工作站10的正极与蓝宝石衬底材料30通过阳极金属板8实现电连接。

优选的，所述抛光头9的上方集成一个真空装置33，蓝宝石衬底材料30采用真空吸附固定在抛光头9上。

采用本实用新型的超声电化学机械抛光蓝宝石衬底材料的装置对蓝宝石衬底材料进行抛光，其步骤如下：

S1.将蓝宝石衬底材料30通过集成真空装置33固定在抛光头9上；

S2.开启伺服电机15调节上支撑板32和下支撑板24沿着立柱18竖直向下移动，移动至抛光头9上的蓝宝石衬底材料30与拋光盘21上的抛光垫20接触，关闭伺服电机15；

S3.通过调节伺服电机15调整抛光压力，具体数值由压力传感装置35测量；

S4.启动蠕动泵12，将抛光液31输送到抛光垫20上；

S5.启动电化学工作站10，其正极通过导线、碳刷7和导电铜滑环28接入阳极金属板8，负极通过导线与阴极金属板11相连，经过抛光液31形成完整的回路，实现蓝宝石衬底材料30的阳极电化学腐蚀：

S6.启动超声电源控制箱1，超声电源通过导线、碳刷3和导电铜滑环4接入压电陶瓷6的正负接线柱上，压电陶瓷6将电信号转化为机械振动信号，超声振动通过抛光头9传递到安装在其上的蓝宝石衬底材料30；

S7.开启第一直线电机13、第二直线电机14实现抛光头9、抛光盘21与抛光垫20同步转动，实现蓝宝石衬底材料30的超声电化学机械抛光；

S8.完成加工后依次关闭所有开关。

其主要工艺参数如下：

电化学工作站电压：AC220V±5%，50Hz±1%；

超声电源电压：AC220V±5%，50Hz±1%；

工作频率：20-40KHz；

超声波最大输出功率：3Kw；

抛光盘转速0-1000r/min；

抛光垫转速0-1000r/min；

抛光头转速0-1000r/min；

尽管已经对本实用新型的技术方案做了较为详细的阐述和列举，应当理解，对于本领域技术人员来说，对上述实施例做出修改或者采用等同的替代方案，这对本领域的技术人员而言是显而易见，在不偏离本实用新型精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本实用新型要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种超声电化学机械抛光蓝宝石衬底材料的装置，包括抛光盘（21）与位于抛光盘上方的抛光头（9），蓝宝石衬底材料（30）固定于抛光头（9）的底部，所述抛光盘（21）上表面为抛光垫（20），所述抛光盘（21）经由其底部的第一直线电机（13）带动转动；所述抛光头（9）经由第二直线电机（14）带动转动，将位于抛光头（9）底部与抛光垫（20）之间的蓝宝石衬底材料（30）进行抛光，其特征在于：还设有用于产生超声脉冲电流的超声发生控制箱（1），所述超声发生控制箱（1）与设置于抛光头（9）上的压电陶瓷（6）电连接，所述压电陶瓷（6）产生脉冲振动；还包括电化学反应回路，所述电化学反应回路包括一个作为电源的电化学工作站（10），所述电化学工作站（10）的正极与蓝宝石衬底材料（30）电连接，负极与位于抛光盘（21）上方一侧的阴极板（11）电连接，在抛光盘（21）的上方设有一个用于盛装抛光液（31）的腔体，所述阴极板（11）、蓝宝石衬底材料（30）均浸泡于抛光液（31）中，电化学工作站（10）、蓝宝石衬底材料（30）、抛光液（31）、阴极板（11）组成闭合回路，所述抛光液（31）由蠕动泵（12）泵送至抛光垫（20）与蓝宝石衬底材料（30）之间。

2.根据权利要求1所述的一种超声电化学机械抛光蓝宝石衬底材料的装置，其特征在于：所述抛光头（9）通过空心转轴（5）与第二直线电机（14）的输出轴连接，所述空心转轴（5）的外侧设有碳刷（7），空心转轴（5）的外部套装有导电环（4），所述超声发生控制箱（1）通过导线与碳刷（7）连接，碳刷（7）与导电环（4）接触，在空心转轴（5）内部设有导线与压电陶瓷（6）连接，超声发生控制箱（1）依次经过导线、碳刷（7）、导电环（4）、空心转轴（5）内部的导线与压电陶瓷（6）实现电连接。

3.根据权利要求2所述的一种超声电化学机械抛光蓝宝石衬底材料的装置，其特征在于：所述抛光头（9）为盘状结构，所述压电陶瓷（6）包括四个且以抛光头（9）的转轴中心点为基准均匀的分布于四个象限，且两个相对的压电陶瓷（6）产生纵向超声振动，另外两个相对的压电陶瓷（6）产生水平超声振动，四个压电陶瓷（6）复合产生椭圆弯曲振动。

4.根据权利要求2所述的一种超声电化学机械抛光蓝宝石衬底材料的装置，其特征在于：所述抛光盘（21）的底部为抛光盘底座（22），所述抛光盘底座（22）向抛光盘（21）底部的一侧延伸，在该延伸部设有一凹槽，在凹槽中固定有向上方延伸的立柱（18），所述立柱（18）的上方设有与其连接呈水平方向的上支撑板（32）和下支撑板（24），所述上支撑板（32）用于支撑第二直线电机（14），所述下支撑板（24）用于支撑碳刷的支撑架（27），所述支撑架（27）为设置于下支撑板（24）上的竖直方向的支架，且按照距离空心转轴（5）由近至远依次设置了三个由低到高的支架，碳刷（7）依次安装于三个支撑架（27）上，所述导电环（4）自上而下设置为三个，分别与三个碳刷连接。

5.根据权利要求4所述的一种超声电化学机械抛光蓝宝石衬底材料的装置，其特征在于：所述上支撑板（32）、下支撑板（24）的外端均套装于空心转轴（5）的外部，且在套装处分别设有第一滚动轴承（25）、第二滚动轴承（26）。

6.根据权利要求4所述的一种超声电化学机械抛光蓝宝石衬底材料的装置，其特征在于：所述立柱（18）的外部套装有环抱筒（29），所述上支撑板（32）、下支撑板（24）固定于环抱筒（29）的外侧，环抱筒（29）的内部设有横杆（2），所述横杆（2）与设置于立柱内部的丝杆（16）相匹配且由丝杆（16）带动上下移动，带动环抱筒（29）上下滑动，所述丝杆（16）的上端与伺服电机（15）的输出轴连接并由其带动转动。

7.根据权利要求6所述的一种超声电化学机械抛光蓝宝石衬底材料的装置，其特征在于：所述环抱筒（29）的底部设有距离保持架（17）。

8.根据权利要求1所述的一种超声电化学机械抛光蓝宝石衬底材料的装置，其特征在于：所述抛光头（9）底部设有一个凹槽，所述凹槽内设有阳极金属板（8），所述阳极金属板（8）与蓝宝石衬底材料（30）紧密贴合，所述电化学工作站（10）的正极与蓝宝石衬底材料（30）通过阳极金属板（8）实现电连接。

9.根据权利要求1所述的一种超声电化学机械抛光蓝宝石衬底材料的装置，其特征在于：所述抛光头（9）的上方集成一个真空装置（33），蓝宝石衬底材料（30）采用真空吸附固定在抛光头（9）上。

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