一种可控动磁场的动态磁流变抛光装置及其抛光方法与流程

本发明涉及超精密加工技术领域，尤其涉及一种用于光电子/微电子半导体基片及光学表面的平面平坦化加工，具有可控动磁场的动态磁流变抛光装置及其抛光方法。

背景技术：

随着科技的进步以及需求的增长，对光学元件光学性能的要求越来越高，要求其表面精度需要达到超光滑程度(粗糙度ra达到1nm以下)，面形精度也有较高的要求(形状精度达到0.5微米以下)。而在最近十年较为热门的led应用领域中，单晶硅(si)、单晶锗(ge)、砷化镓(gaas)、单晶碳化硅(sic)和蓝宝石(al2o3)等作为其半导体衬底材料，同样要求具有超平坦和超光滑的表面(粗糙度ra达到0.3nm以下)才能满足外延膜生长的要求，并且要求无缺陷、无损伤。平坦化加工成为光学元件和半导体基片必不可少的工序，其传统工艺主要是高效研磨、超精密抛光、化学机械抛光和磁流变抛光，其加工质量和精度直接决定了光学器件及半导体器件的性能。

磁流变抛光技术(magnetorheologicalfinishing,mrf)是20世纪90年代由kordonski及其合作者将电磁学、流体动力学、分析化学、加工工艺学等相结合而提出的一种新型的光学表面加工方法，具有抛光效果好、不产生次表面损伤、适合复杂表面加工等传统抛光所不具备的优点，已发展成为一种革命性光学表面加工方法，特别适合轴对称非球面的超精密加工，广泛应用于大型光学元件表面的最后加工工序，但在实际加工过程中，会出现加工效率低等问题。

为了提高磁流变的抛光效率，专利cn200610132495.9基于磁流变抛光原理和集群作用机理提出了一种基于磁流变效应的平坦化研磨抛光方法及其抛光装置，并开展了大量的试验研究，却发现利用抛光液循环方式难以实现“微磨头”的持续更新和凸起使工件表面加工均匀性问题难以解决。针对平面加工均匀性问题，专利cn201510801886.4提出了一种动态磁场自锐的磁流变柔性抛光垫发生装置及其抛光方法，完好地实现了磁流变柔性抛光垫在加工过程中对工件的恒压力加工，并且能使磨料在加工过程中实时更新自锐，但是由于该专利中装置结构的限制，因磁流变效应产生的“微磨头”间距较大，在加工过程中工件空行程较长，影响了加工效率，而且需要改变磁场强度时要拆卸抛光盘进行永磁体更换，步骤比较繁琐。

本发明在上述研究的基础上，提出一种可控动磁场的动态磁流变平坦化抛光装置及其抛光方法，优化结构，用励磁线圈取代永磁体，以改变电流大小的方式来调节磁场范围和强度，在“微磨头”自锐更新的前提下，缩短了“微磨头”之间的间距，延长有效加工时间，改善了磁流变柔性抛光垫加工性能，提高磁流变的抛光效率，实现工件的均匀加工。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种加工效率高、装置结构简单、操作方便且具有可控动磁场的动态磁流变抛光装置。

本发明的另一目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于上述抛光装置的抛光方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种可控动磁场的动态磁流变抛光装置，所述抛光装置应用于半导体基片得加工，主要包括底座、驱动单元、转动托盘、杯形抛光盘、用于承托转动托盘的支撑套筒和用于控制磁场强弱的可控动磁场单元。所述支撑套筒竖直固定在底座中部，所述驱动单元设置在底座上。所述转动托盘由盘部和颈部组成，转动托盘的颈部插入支撑套筒内，并与驱动单元传动连接，由驱动单元带着转动托盘转动。所述杯形抛光盘固定安装在转动托盘的盘部上，杯形抛光盘内装有磁流变液，在转动托盘转动后对工件进行打磨。

具体的，所述可控动磁场单元包括变频电源装置、电线旋转接头和若干组励磁线圈。所述励磁线圈安装在转动托盘的盘部内，所述变频电源装置固定在底座上，所述电线旋转接头安装在转动托盘颈部的底端，通过电线分别与励磁线圈和变频电源装置连接，采用电线旋转接头可以使变频电源装置和励磁线圈之间在转动托盘高速旋转的情况下依然保持电气连接。在接通电源后，各个励磁线圈产生特定强度的磁场，从而使磁流变液形成若干“微磨头”，这些“微磨头”会随着转动托盘的旋转而转动，从而对工件实现超精密加工。

具体的，所述驱动单元用于带着转动托盘旋转，主要包括传动电机、主动轮和从动轮。所述传动电机固定在底座上，所述主动轮安装在传动电机的输出轴上，所述从动轮安装在转动托盘的颈部，与转动托盘固定连接。所述从动轮通过传动带与主动轮传动连接，由传动电机驱动转动托盘旋转。当传动电机启动时，其输出轴通过主动轮、传动带和从动轮将动力输送到转动托盘上。

进一步的，所述抛光装置还包括设置在转动托盘颈部上的轴承端盖、一对转盘轴承、内套筒和外套筒。所述轴承端盖安装转动托盘的盘部与支撑套筒之间，用于将转动托盘主轴定位在支撑套筒内部，并保证其转动时的精度，防止转动托盘上端在转动过程中出现偏摆现象，影响加工效果。所述转盘轴承安装在支撑套筒内，所述内套筒和外套筒设置于转盘轴承之间，所述转动托盘的颈部插入内套筒内，所述内套筒套入外套筒内。所述内套筒和外套筒对转盘轴承起固定作用，主要用于定位转盘轴承的内圈和外圈。

作为本发明的优选方案，所述变频电源装置采用低频高压交变电源。优选的，所述变频电源装置采用电压为0.5kv-5kv且频率为0.1-5hz的交变电源。所述变频电源装置可以采用谐振波、锯齿波、三角波等波形，同时确保是低频高压交流电源，这样设计的好处在于有利形成一个行波磁场，通过改变电压和频率的大小可以实现磁场和“微磨头”更新频率的调节，从而获得更好的抛光效果。

进一步的，所述励磁线圈包括线圈绕线基体和若干匝数的铜线，所述线圈绕线基体上等间距设有绕线圆柱体，所述铜线缠绕在绕线圆柱体上。作为本发明的优选方案，所述线圈绕线基体上的相邻两个绕线圆柱体的绕线方向相反，从而使绕线圆柱体的端面形成多个n极、s极相间的环形回路磁场，在交变电源的作用下产生电磁力，实现“微磨头”的环形驱动。

本发明的另一目的通过下述技术方案实现：

一种可控动磁场的动态磁流变抛光装置的抛光方法，该方法具体包括如下步骤：

步骤s1:利用石蜡将工件贴在工具头上，工件下表面与杯形抛光盘上表面平行，调节工件下表面与杯形抛光盘之间的间隙为0.5mm—5mm；

步骤s2:根据加工工件的特点和加工要求，在去离子水中加入如下三种磨料中的至少两种磨料，三种磨料分别是浓度为2％～15％的微米级磨料、浓度为2％～15％的亚微米级磨料、浓度为2％～15％的纳米级磨料，及去离子水中加入浓度为2％～20％的亚微米级羰基铁粉及浓度为3％～15％的微米级羰基铁粉，及加入浓度为3％～15％的分散剂和浓度为1％～6％的防锈剂，磨料加入后充分搅拌并通过超声波震动5～30分钟，形成磁流变液；

步骤s3:将磁流变液倒入杯形抛光盘中，根据加工工件的特点和加工要求，调节变频电源装置的输出电流大小，从而产生磁场，在杯形抛光盘的上表面形成若干个动态微磨头，这些微磨头构成打磨工件的柔性抛光垫；

步骤s4:启动传动电机，通过传动带带动转动托盘高速旋转，并且驱动工具头高速旋转和低速摆动，对工件表面材料进行均匀抛光。

本发明的工作过程和原理是：本发明利用交变电场通过励磁线圈产生动态磁场，并基于行波磁场的原理对磁流变液产生环形推动力，使磁流变液在杯形抛光盘表面形成环形旋转的“微磨头”。传动电机通过带着转动托盘旋转，使杯形抛光盘内的“微磨头”高速转动，同时工件自身也在旋转和摆动，这样设计可以使工件表面打磨更光滑、加工效率更高。另外，通过励磁交变电源频率和电压的优化组合，可以实现磁场动态变化并可精确控制。

与现有技术相比，本发明还具有以下优点：

(1)本发明所提供的可控动磁场的动态磁流变抛光装置采用励磁线圈取代永磁体可以根据加工需求实现磁场范围和强度的快速调节。

(2)本发明所提供的可控动磁场的动态磁流变抛光装置采用可精确调节磁场强度的励磁线圈，免去了拆卸杯形抛光盘的繁琐步骤，使抛光装置的整体结构更加优化、更合理。

(3)本发明所提供的可控动磁场的动态磁流变抛光装置采用多组励磁线圈产生多个柔性微磨头，并使微磨头之间的间距缩短，从而延迟了有效的加工时间，大大地提高了加工效率，获得理想的加工效果。

附图说明

图1是本发明提供的动态磁流变抛光装置的结构剖视图。

图2是本发明提供的动态磁流变抛光装置形成的微磨头示意图。

图3是本发明可控动磁场的动态磁流变抛光装置的抛光示意图。

图4是本发明所提供的单个线圈绕线基体的立体图。

图5是本发明所提供的单个线圈绕线基体的工作原理图。

图6是本发明所提供的励磁线圈基于行波磁场的工作原理图。

上述附图中的标号说明：

1-传动电机、2-第一固定螺钉、3-主动轮、4-平键、5-传动带、6-从动轮、7-电线旋转接头、8-第二固定螺钉、9-电线组、10-底座、11-第三固定螺钉、12-变频电源装置、13-第四固定螺钉、14-励磁线圈、15-转动托盘、16-第五固定螺钉、17-杯形抛光盘、18-轴承端盖、19-支撑套筒、20-转盘轴承、21-内套筒、22-外套筒、23-第六固定螺钉、24-磁场、25-线圈绕线基体、26-磁流变抛光工作液、27-柔性抛光垫、28-工件、29-工具头。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

如图1、图2和图3所示，本发明公开了一种可控动磁场的动态磁流变抛光装置，该抛光装置主要包括有传动电机1，第一固定螺钉2，主动轮3，平键4，传动带5，从动轮6，电线旋转接头7，第二固定螺钉8，电线9，底座10，第三固定螺钉11，变频电源装置12，第四固定螺钉13，励磁线圈14，转动托盘15，第五固定螺钉16，杯形抛光盘17，轴承端盖18，支撑套筒19，转盘轴承20，内套筒21，外套筒22，第六固定螺钉23，磁场24。其中传动电机1和变频电源装置12分别用第一固定螺钉2和第三固定螺钉13固定在底座10上，主动轮3用平键4连接在电机的输出轴上，从动轮6和转动托盘15通过第二固定螺钉8连接在一起，杯形抛光盘17又通过第五固定螺钉16连接在转动托盘15上，励磁线圈14用第四固定螺钉13固定在转盘上端面，同时线圈通过电线组9和电线旋转接头7连接在变频电源装置12上，而且在转动托盘15下端轴部安装有一对转盘轴承20，轴承的内圈和外圈分别由内套筒21和外套筒22进行压紧固定，轴承上端有端盖18进行定位，下端由从动轮6进行定位，在轴承外部有支撑套筒19对外套筒22进行定位固定，同时起到支撑作用，支撑套筒19用第六固定螺钉23固定在底座10上。传动带5连接主动轮3和从动轮6，在电机的带动下整个抛光装置转动，励磁线圈14通电后，形成一个动态的磁场24。

在本实施例中，柔性抛光垫27中“微磨头”在抛光盘内平面位置示意图如图2所示。

本发明还公开了一种可控动磁场的动态磁流变抛光装置的抛光方法，该方法的具体步骤如下：

步骤s1:利用石蜡将工件28贴在工具头29上，工件28下表面与杯形抛光盘17上表面平行，调节工件28下表面与杯形抛光盘17之间的间隙为1mm；

步骤s2:根据直径为100mm的单晶碳化硅的特点和加工要求，在去离子水中加入浓度为4％的粒径为4微米的金刚石磨料、浓度为3％的粒径为200纳米金刚石磨料，去离子水中加入浓度为3％的粒径500纳米级羰基铁粉及浓度为3％的粒径4微米级羰基铁粉，及加入浓度为3％的分散剂和浓度为3％的防锈剂，充分搅拌后通过超声波震动30分钟，形成磁流变液26；

步骤s3:将磁流变抛光工作液26倒入杯形抛光盘17中，调节变频电源装置12的输出电流大小，产生一定范围和足够强度的磁场24，在杯形抛光盘17的上表面形成数个动态“微磨头”组成的柔性抛光垫27；

步骤s4:启动传动电机1，调节转速为120rpm，带动转动托盘15高速旋转，驱动工具头29转速为-200rpm，摆动速度10次/分，摆幅10mm，加工时间为90min，实现单晶碳化硅表面材料的高效率超光滑均匀抛光。

请参考图3，图3为本发明可控动磁场的动态磁流变抛光装置的抛光示意图。

本发明实施例中，励磁线圈14是由若干匝数导电性能好的铜线绕在多个线圈绕线基体25上组成，并通过第四固定螺钉13固定在转动托盘上。线圈绕线基体25相邻的两个圆柱体上导电铜线的绕向方向相反，基于行波磁场的原理，从而在基体6个圆柱端面形成n极、s极相间隔的环形回路磁场，在交流电源供电下，垂直于磁流变液26的磁感应强度分量by产生感应电流jz，进而产生电磁力fx，实现“微磨头”环形驱动作用。

请参考图4和图5，图4是本发明中单个线圈绕线基体三维示意图和工作原理图，图6是本发明的励磁线圈基于行波磁场的工作原理图。

在上述实施例中，变频电源装置12选用低频高压交变电源，具体可以为0.5-5kv且频率为0.1-5hz的交变电源，当然该电源的选用不限于此。

上述实施例中，加工对象不仅限于单晶碳化硅，也可以加工其他的半导体材料料，比如单晶硅、蓝宝石等，但需要根据加工对象的特点和加工要求，在去离子水中加入如下三种磨料中的至少两种磨料，三种磨料分别是浓度为2％～15％的微米级磨料、浓度为2％～15％的亚微米级磨料、浓度为2％～15％的纳米级磨料，及去离子水中加入浓度为2％～20％的亚微米级羰基铁粉及浓度为3％～15％的微米级羰基铁粉，及加入浓度为3％～15％的分散剂和浓度为1％～6％的防锈剂，充分搅拌后通过超声波震动5～30分钟，形成加工该材料的相应磁流变液26。

本发明利用交变电场通过励磁线圈14产生动态磁场，并基于行波磁场的原理产生环形推动力，在杯形抛光盘17表面形成环形旋转的微磨头，通过励磁交变电源频率和电压的优化组合，实现磁场动态可控，用励磁线圈14取代永磁体不仅可以实现磁场范围和强度的快速调节，免去了拆卸杯形抛光盘17的繁琐步骤，而且整体结构更加优化，缩短柔性微磨头之间的间距从而延长了有效加工时间，提升了加工效率。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。