一种主动控制工件材料去除机理转变的超精密抛光方法

技术领域

本发明涉及精密和超精密加工技术领域，尤其是一种主动控制工件材料去除机理转变的超精密抛光。

背景技术

抛光技术是降低表面粗糙度、去除损伤层，获得超光滑无损伤表面的主要终加工手段。针对基片(尤其是半导体材料基片)的少/无损伤、高精度抛光要求，研究者开发了众多抛光方法，主要包括沥青盘抛光、金属盘抛光、化学机械抛光、液面滑行抛光、水合抛光、弹性发射加工、浮动抛光、磁悬浮抛光、电泳抛光等。这些抛光方法，按照在加工过程中工件和抛光盘(或抛光工具)之间的间隙状态可分为三种类型：紧接触式抛光、准接触式抛光和非接触式抛光。

沥青盘抛光和金属盘抛光属于紧接触式抛光，工件和抛光盘表面紧密贴合。通过工件和抛光盘的相互修整，可以获得很好的加工精度。但由于材料以磨粒的机械去除作用为主，由机械力所产生的晶格畸变等损伤不可避免。化学机械抛光(CMP)是目前实现基片超精密加工的基本方法。工件上的载荷由抛光盘和抛光液膜共同支持，抛光盘与抛光液中磨粒共同抛光基片表面，属于准接触式抛光。虽然这种加工方式有助于获得较好的加工精度和光滑表面，但是由于存在抛光盘与基片表面的机械力作用，将不可避免地会造成抛光工件加工表面的表层晶格发生畸变等缺陷，化学机械抛光所造成的表面损伤层深度大约为55nm，这将严重影响到基片所制成器件的性能。弹性发射加工、浮动抛光和水合抛光加工时，工件和抛光盘(或抛光工具)间形成较大的间隙，属非接触式抛光。这类加工方法主要以抛光液化学作用和磨粒冲击工件表面去除材料，不仅不会降低前工序加工精度，而且还可以获得无损伤超光滑表面，但去除效率一般较低，因此一般只作为获得超光滑表面的最后一道精加工工序。现有抛光方法中，工件和抛光盘之间的接触状态只是紧密接触状态、准接触状态和非接触状态三种接触状态其中的一种情况。为消除紧接触式抛光和准接触式抛光过程中产生的损伤层，一般都需要再增加一道化学抛光或化学腐蚀工序来实现。

以上抛光方法分析可知：工件与抛光盘的紧接触状态有利于获得较好的加工精度和较高的材料去除率，但容易造成工件表面损伤，非接触的抛光加工更容易实现无损伤的抛光，但去除量小、加工时间长却不能保证优良的表面粗糙度和平面度。为获得良好的加工精度和无损伤表面，需要两道工序来完成，即前道工序采用紧接触抛光以保证加工精度，后道工序采用非接触抛光以去除加工损伤层。对于传统的基片抛光方法而言，已很难适应基片(尤其是半导体材料基片)目前大批量、高精度、高效加工的要求。

因此，研发一种应用于基片(尤其是半导体材料基片)少/无表面损伤、高精度的超精密加工方法尤为必要。

发明内容

为了克服现有的抛光方法无法适用于基片(尤其是半导体材料基片)的高精度、少/无损伤超光滑表面加工要求的不足，本发明提出了一种能实现基片高精度、少/无损伤超光滑表面加工要求的主动控制工件材料去除机理转变的超精密抛光方法。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：

一种主动控制工件材料去除机理转变的超精密抛光方法，该方法采用工件抛光盘接触状态调整机构调节紧接触抛光或非接触抛光状态，所述工件抛光盘接触状态调整机构的基准盘顶面与球头盖固定连接，所述球头盖内有球头，所述球头与所述基准盘为点接触，所述球头与调整杆的下端连接，所述调整杆的上端与调整旋钮连接，所述调整旋钮外安装有锁紧圈，所述调整旋钮的外壁与调整套的内壁螺纹连接，所述调整套固定安装在基座上，所述基座的底面上放置被加工工件，所述的基座上安装有一个千分表，所述千分表表杆与所述基准盘相接触，用于指示基准盘与所述基座相对位置变化；

加工时，装有工件的工件抛光盘接触状态调整机构置于抛光盘上，抛光液从注入口进入所述的抛光盘的加工区域，抛光初始时采用紧接触抛光以保证工件加工形状精度，然后调整工件与抛光盘接触状态，采用非接触抛光去除紧接触抛光的工件表面加工损伤层；所述工件上载荷、所述抛光盘转速、抛光液浓度和抛光液流量可调。

进一步，所述调整旋钮、锁紧圈、调整套组成螺旋调节机构，用于调整所述基准盘与所述基座在抛光盘上的相对高度差。

本发明的技术构思为：工件与抛光盘的紧接触状态有利于获得较好的加工精度和较高的材料去除率，但容易造成工件表面损伤，非接触的化学抛光加工更容易实现无损伤的抛光，但去除量小、长时间加工却不能保证优良的表面粗糙度和平面度。通过在抛光过程，采用工件－抛光盘接触状态调整机构，在抛光初始时采用紧接触抛光以保证工件加工形状精度，然后调整工件与抛光盘接触状态，采用非接触抛光去除紧接触抛光的工件表面加工损伤层。在一道工序实现基片的高精度、少/无损伤超光滑表面加工，提高整体加工效率，降低了生产成本。

本发明的有益效果主要表现在：1.通过控制加工过程中工件与抛光盘之间的接触状态，使工件与抛光盘由初始的紧接触状态转变为非接触状态，从而使工件材料去除由初始的机械去除方式，逐步转变为机械和化学复合去除方式，直至最终阶段的化学去除和磨粒冲击去除方式。2.通过初始紧接触抛光方式的机械去除过程，结合高精度抛光盘及相应的工艺保证工件加工形状精度。再通过最终阶段非接触方式下抛光液化学作用和磨粒冲击作用过程，去除工件加工表面损伤层，实现基片的高精度、少/无损伤超光滑表面加工。

附图说明

图1是抛光过程中，工件与抛光盘三种接触状态示意图，(a)是紧接触状态，(b)是准接触状态，(c)是非接触状态。

图2是工件－抛光盘接触状态调整机构结构示意图。

图3是工件－抛光盘接触状态调整机构基座上工件放置示意图。

图4是实现该方法的加工装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参考图1～图4，一种主动控制工件材料去除机理转变的超精密抛光方法，该方法采用工件抛光盘接触状态调整机构调节紧接触抛光或非接触抛光状态，所述工件抛光盘接触状态调整机构的基准盘1的顶面与球头盖2固定连接，所述球头盖内有球头3，所述球头3与所述基准盘1为点接触，所述球头3与调整杆4的下端相连，所述调整杆4的上端与调整旋钮5连接，所述调整旋钮5外安装有锁紧圈6，所述调整旋钮5的外壁与调整套7的内壁螺纹连接，所述调整套7与基座8采用定位销相连，所述基座8底面上放置被加工工件9，所述的基座8上安装有一个千分表10，所述千分表10表杆与所述基准盘1相接触，用于指示基准盘1与所述基座8相对位置变化。

加工时，装有工件9的工件抛光盘接触状态调整机构置于抛光盘13上，抛光液12从注入口11进入所述的抛光盘13的加工区域，抛光盘13安装在机架14上，抛光初始时采用紧接触抛光以保证工件加工形状精度，然后调整工件与抛光盘接触状态，采用非接触抛光去除紧接触抛光的工件表面加工损伤层；所述工件上载荷、所述抛光盘转速、抛光液浓度和抛光液流量可调。

进一步，所述调整旋钮5、锁紧圈6、调整套7组成螺旋调节机构，用于调整所述基准盘1与所述基座8在抛光盘13上的相对高度差。

所述球头盖2与所述调整杆4间存有间隙，所述球头2与所述基准盘1为点接触，确保所述基准盘1与抛光盘13的平行接触。

本实施例中，实例：以砷化镓基片为加工对象，采用无纺布材料抛光盘，抛光液为浓度0.1％NaOCl水溶液，其中添加质量比浓度5wt％、粒度为0.5μm的SiO₂粒子。载荷为6kPa，抛光盘转速40r/min。将所述工件粘贴在所述工件－抛光盘接触状态调整机构的基座，然后将所述工件－抛光盘接触状态调整机构置于一个基准平板上，采用透光照射法，调整所述调整杆直到所述工件加工面与所述的基准盘完全平齐，锁紧所述的调整旋扭。将所述千分表表杆与所述基准盘接触，然后压千分表杆，使所述千分表盘小指针转数指示刻度值为6，锁紧千分表座。在此紧接触方式下，抛光工件30Min。再松开所述调整旋扭的锁紧圈，调整所述调整杆，使千分表盘小指针指示值为0。此时，工件与基准盘相对所述抛光盘的高度差为6mm，工件与抛光盘为非接触状态，抛光工件30Min。采用此方法抛光后的工件表面粗糙度好于无调整接触状态的抛光方法的工件表面粗糙度，表面损伤层更小。