研抛一体化冰粒型固结磨料抛光垫及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种新型冰粒型固结磨料抛光垫，尤其是一种研磨和抛光一体化的冰 粒型固结磨料抛光垫，具体地说是一种研抛一体化冰粒型固结磨料抛光垫。
【背景技术】
[0002] 众所周知，传统的CMP(化学机械抛光法)系统是由一个旋转的工件夹持装置、承载 抛光垫的工作台和抛光液(浆料)供给系统三大部分组成。抛光时，旋转的工件以一定的压 力压在随工作台一起旋转的抛光垫上，而由亚微米或纳米磨料和化学液组成的抛光液在工 件与抛光垫之间流动，并在工件表面产生化学反应，工件表面形成的化学反应物由磨粒的 机械摩擦作用去除。由于选用比工件软或者与工件硬度相当的游离磨料，在化学成膜和机 械成膜的交替过程中，通过化学和机械的共同作用从工件表面去除极薄的一层材料，实现 超精密表面加工。尽管这种传统的CMP技术在超精密表面加工中得到广泛应用，但在实际应 用中也显现出一定的缺点：（1)传统的CMP是基于三体(游离磨料、抛光垫和硅片）磨损机理， 工艺参数多、加工过程不稳定，不易实现自动控制，生产效率低。（2)由于抛光垫是具有一定 弹性的有机织物，抛光时对材料去除的选择性不高，导致产生过度抛光(Over po 1 ishing)、 碟形凹陷(Dishing)、氮化物腐蚀(Nitride erosion)等缺陷。（3)抛光后一部分游离磨料会 镶嵌在薄膜层表面，不易清洗。而且浆料成分复杂，抛光表面残留浆料的清除是CMP后清洗 的难题。（4)由于在抛光垫和工件之间磨粒分布不均匀，工件各部分的材料去除率不一致， 影响表面平坦度。特别是对大尺寸工件，这种影响更突出。（5)抛光过程中，抛光垫产生塑性 变形而逐渐变得光滑，或抛光垫表面微孔发生堵塞使其容纳浆料和排除废肩的能力降低， 导致材料去除率随时间下降。需要不断地修整和润湿抛光垫以恢复其表面粗糙度和多孔 性。此外抛光垫的不均匀磨损，使得抛光过程不稳定，很难进行参数优化。（6)CMP浆料、抛光 垫、修整盘等耗材的成本占CMP总成本的70%左右，而抛光浆料的成本就占耗材的60%~ 80%。（7)抛光浆料管理和废料浆处理也相当麻烦。（8)粗抛和精抛过程分开，需多次装夹工 件，工件的加工定位基准会发生改变，从而影响最终的加工精度与效率。
[0003] 综上所述，随着对CMP平坦化的效率、成本、均匀性、可靠性、工艺控制能力等的要 求越来越尚。目前在利用抛光垫进行加工时，急需一种去除速率尚，制造方便，磨削热小，米 用固结磨料的抛光垫代替传统CMP中的游离磨料和抛光垫供使用，使工件在一次装夹下就 能完成粗研、半精研与精抛光。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是针对现有的冷冻固结磨料抛光垫在抛光过程中去除速率低、多次 装夹抛光盘致使其加工定位基准发生改变的问题，提供一种研抛一体化冰粒型固结磨料抛 光垫及其制备方法，以适应目前既要保证工件抛光质量又要提高经济效益的要求。。
[0005] 本发明的技术方案之一是： 一种研抛一体化冰粒型固结磨料抛光垫，其特征是它由占抛光垫总重量的4%~20%的 微米级冰冻磨料层、占总重量的2%~12%的亚微米级冰冻磨料层、占抛光垫总重量1%~5%的 纳米级冰冻磨料层和余量的去离子水冰冻层组成。
[0006] 所述抛光垫自底层往上所含磨料粒径逐渐变大，去离子水冰冻层紧邻抛少垫夹持 头。
[0007] 在微米级冰冻磨料层与亚微米级冰冻磨料层之间、亚微米级冰冻磨料层与纳米级 冰冻磨料层之间以及纳米级冰冻磨料层与抛光垫夹持层之间均设有的去离子水冰冻层。
[0008]所述的抛光垫中心设有一通孔，通孔直径为il 飞，式中e为抛光垫偏心距，r为 抛光工件半径，偏心距e取值为20~100mm。
[0009] 所述的微米级磨料、亚微米级磨料和纳米级磨料为同一种磨料或不同种类磨料的 组合。
[0010] 所述的微米级磨料、亚微米级磨料和纳米级磨料为SiC、Cr-203、Si0 2、Al20#PCe0^ 的一种或几种的组合。
[0011] 本发明的技术方案之二是： 一种研抛一体化冰粒型固结磨料抛光垫的制备方法，其特征是包括以下步骤： (1) 首先将占抛光垫总重量4%~20%的微米级磨料、占抛光垫2%~12%的亚微米级磨料、 占抛光垫1 %~5%的纳米级磨料与余量的去离子水配制成抛光液； (2) 其次，将抛光液静置一段时间，直至抛光液出现上下层间色差； (3) 将抛光液雾化系统的导管末端置于抛光液液面处，由上至下开始雾化； (4) 将雾化后的液氮喷向雾化后的抛光液，这使雾化后的液滴快速冷凝成含磨料冰粒； (5) 用冰粒固结磨料抛光垫制备模具收集含磨料冰粒； (6 )收集冰粒后，将隔热垫放在冰粒上方； (7) 将盛有含磨料冰粒的模具放在压力机下压实，所加压力为3~12MPa; (8) 重复步骤(7)直至压实后的冰盘平整完美； (9) 将抛光垫制备模具与冰粒固结磨料分离，即得研抛一体化冰粒型固结磨料抛光垫。 [0012]本发明的技术方案之三是： 一种研抛一体化冰粒型固结磨料抛光垫的制备方法，其特征是包括以下步骤： (1) 首先将雾化后的液氮喷向雾化后的去离子水，用模具收集冰粒并在收集完成后在 冰粒上方覆盖隔热垫，将盛有冰粒的模具放在压力机下压实，在3~12MPa压力下反复压制 直至冰盘表面平整完美，从而形成抛光垫的第一层； (2) 将配比好的纳米级磨料与去离子水搅拌均匀，得到磨料均匀分散的悬浮液，将雾化 后的液氮喷向雾化后的悬浮液，用模具收集冰粒并在收集完成后在冰粒上方覆盖隔热垫， 将盛有冰粒的模具放在压力机下压实，在3~12MPa压力下反复压制直至冰盘表面平整完 美，从而形成抛光垫的第二层； (3) 重复步骤（1)形成抛光垫的第三层； (4) 将配比好的亚微米级磨料与去离子水搅拌均匀，得到磨料均匀分散的悬浮液，将雾 化后的液氮喷向雾化后的悬浮液，用模具收集冰粒并在收集完成后在冰粒上方覆盖隔热 垫，将盛有冰粒的模具放在压力机下压实，在3~12MPa压力下反复压制直至冰盘表面平整 完美，从而形成抛光垫的第四层； (5) 重复步骤（1)形成抛光垫的第五层； (6)将配比好的微米级磨料与去离子水搅拌均匀，得到磨料均匀分散的悬浮液，将雾化 后的液氮喷向雾化后的悬浮液，用模具收集冰粒并在收集完成后在冰粒上方覆盖隔热垫， 将盛有冰粒的模具放在压力机下压实，在3~12MPa压力下反复压制直至冰盘表面平整完 美，从而形成抛光垫的第六层。
[0013] (7)将抛光垫制备模具与冰粒固结磨料分离，即得研抛一体化冰粒型固结磨料抛 光垫。
[0014] 三层去离子冰冻层的总重量符合本发明抛光垫的配比。
[0015] 所述的隔热垫所用材料为导热系数小的聚氨酯、尼龙或聚四氟乙烯。
[0016] 所述的抛光垫制备模具为铸铁材料，且内外挡圈能卸掉，压力机压实结束后，用吹 风机加热内外挡圈即能将其卸掉。
[0017] 本发明的有益效果： 1、制备简单，容易成型，可制造成各种形状。
[0018] 2、实现粗研、半精研与精抛光一体化复合加工，减少停机更换研磨和抛光工具的 时间，提高加工效率，降低加工成本。
[0019] 3、加工过程中产生的磨削热很小，有利于防止被磨削零部件热应力的产生，且使 用方便，可通过在磨头部位加装冷却装置、填充液氮等方法保证砂轮不会因环境温度而自 行熔化。
[0020] 4、粘结强度完全能满足使用要求。当液体结成冰后其硬度和强度相当大，既确保 磨粒与冰结合的强度，冰本身也可参与一定的磨削。
[0021] 5、可实现自润滑磨削，加工过程中可不添加润滑剂，有利于环境保护，适应当前绿 色制造的发展方向。
[0022] 6、为超薄晶体材料的制造提供了彳丁之有效的加工工具。
[0023] 7、为软性材料和非金属材料零件的高精度表面加工提供了全新的加工工具，必将 引起材料加工方式的变革，有利于开拓这类材料的新的用途。
[0024] 8、操作过程简单，可实现磨具的自修锐，没有更换和修整抛光垫以及清理抛光浆 料所带来的停工问题，没有抛光液的维护和处理问题。
[0025] 9、能在高速下工作，转速可以达到几百转，有利于提高加工效率，克服了传统的 CMP转速过高磨料外溢的缺点。
[0026] 10、由于采用固