基于激光辅助水合加工抛光装置的制作方法

本实用新型涉及超精密加工领域，尤其是一种应用激光辅助水合抛光方法对硬脆半导体材料进行超精密高效加工的抛光装置。

背景技术：

抛光技术一直都是超精密加工最主要的一种方法，是降低表面粗糙度、去除损伤层，获得光滑、无损伤表面的终加工手段。

半导体衬底作为集成电路、光电元件、大功率开关等先进半导体器件的基础。硬脆半导体衬底(蓝宝石、碳化硅等)往往具有优良的化学、机械性能。蓝宝石(α-al2o3)作为典型的半导体衬底材料被广泛应用于如si、cds、cdte、gan和zno等薄膜的外延生长，也是gan为代表的ⅲ-ⅴ族化合物发光二极管(led)的主要衬底材料。碳化硅晶片的主要应用领域有led固体照明和高频率器件。该材料具有高出传统硅数倍的禁带、漂移速度、击穿电压、热导率、耐高温等优良特性，在高温、高压、高频、大功率、光电、抗辐射、微波性等电子应用领域和航天、军工、核能等极端环境应用有着不可替代的优势。而半导体衬底的表面质量直接影响器件的性能和寿命。因此，半导体衬底的高效、高质量加工是当前超精密加工领域的研究重点。

硬脆难半导体衬底主流的最终精加工主要依赖于游离磨粒化学机械抛光(cmp，chemicalmechanicalpolishing)。cmp通过磨粒-抛光液-工件三者之间的化学作用与磨粒的机械作用来实现材料去除，能够获得ra＜1nm的表面粗糙度，亚表面完整性较好的半导体衬底。但是，cmp的加工效率较低(材料去除率)，使半导体衬底的生产成本过高；游离磨粒的团聚和大颗磨粒会影响表面质量，造成亚表面的损伤；抛光均匀性较差，影响面型精度的控制；抛光液磨粒利用率较低，且环境友好性差。采用固着磨具的化学机械磨削(cmg，chemo-mechanicalgrinding)能缩短加工工序，实现无/微损伤平坦化加工，精确控制面型精度，且相对绿色环保。cmg能够在获得ra＝0.5-2nm的表面粗糙度，无/微损伤亚表面，保证半导体衬底的面型精度。cmg相比于cmp在加工成本、面型精度控制、环境效益等方面具有独特的优势。但是传统cmg由于受到树脂材料热特性的影响，磨具的磨损(自锐性)不稳定，且无法应用于高温环境下的磨削加工，从而制约加工质量和加工效率。因此，急需一种新型的加工技术，能兼顾半导体衬底的加工效率，表面质量，亚表面完整性，面型精度，同时绿色环保。

水合抛光是一种利用工件界面上产生的水合反应，用抛光盘的摩擦力去除所形成的水合层的高效，超精密抛光方法。其主要特点是不使用磨粒和加工液，加工装置与普通抛光机相同，在水蒸气环境中进行加工。蓝宝石材料在进行水合抛光时，接触点的压力越高越能促进反应。传统水合抛光方法在抛光机上加保温罩，使工件在过热水蒸气介质中进行抛光，但是这种方法存在效率低的问题。激光抛光是利用激光与材料表面相互作用进行加工的，激光抛光技术利用激光的热效应，通过熔化、蒸发等过程去除材料。但由于温度梯度大而产生的热应力大,易产生裂纹会导致工件表面下的深层晶格结构被破坏。因此，以上这些方法抛光硬脆半导体基片都不够理想。

技术实现要素：

针对目前硬脆半导体衬底材料加工过程中的抛光难，效率低的问题，本实用新型提供一种加工能力强、效率高、成本低、装置结构与控制简单的基于激光辅助水合加工抛光装置。

为了解决上述问题，本实用新型提出的解决方案是：

一种基于激光辅助水合加工抛光装置，包括主轴、基盘、工件夹具、水管、充氧泵、激光源和抛光盘，所述主轴与基盘连接，所述基盘上有两个反应工位和两个抛光工位，所述工件夹具位于各个工位上，内部放置有待抛光工件，所述激光源位于反应工位上方，所述激光源与一个二维运动机构连接，所述水管一侧与充氧泵连接且位于反应工位侧面，所述抛光盘位于抛光工位上方且与一个轴向运动机构连接。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

(1)本实用新型可以实现对硬脆半导体衬底材料工件的高效高质量超精密加工。

(2)本实用新型采用多工位并行工作的方法，加工效率显著提高。

附图说明：

图1是本实用新型基于激光辅助水合加工抛光装置的整体示意图，其中，10、主轴，11、基盘，12、工件夹具，20、水管，21、激光源，22、抛光盘，23、充氧泵。

图2是激光束运动中水合层的生成示意图。

具体实施方式：

以下将结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细说明。

参照图1和图2，一种基于激光辅助水合加工抛光装置，包括主轴10、基盘11、工件夹具12、水管20、充氧泵23、激光源21和抛光盘22，所述主轴10与基盘11连接，所述基盘11上有两个反应工位和两个抛光工位，所述工件夹具12位于各个工位上，内部放置有蓝宝石工件30，所述激光源21位于反应工位上方，与一个二维运动机构连接，所述水管20一侧与充氧泵23连接且位于反应工位侧面，所述抛光盘22位于抛光工位上方且与一个轴向运动机构连接。

本实施例的抛光装置的加工过程，包括如下步骤：

(1)工件30放置在工件夹具12内，开启充氧泵23和水泵以及激光源21，使得工件30布满富含氧气的水，同时将激光束31打在工件30上并聚焦在其表面。(2)开启与激光源21连接的运动机构，移动激光束31，使激光束31均匀扫过工件30表面任一点。(3)在激光束31迅速产生的高温下，水迅速蒸发为过热水蒸气，过热水蒸气分子就会与硬脆半导体衬底材料发生反应在工件30表面形成水合层。过热水蒸气分子与工件30发生反应在工件30表面形成水合层32。

(4)电机驱动主轴10带动基盘11旋转90度，使形成水合层32的工件30转至抛光工位。开启与抛光盘22连接的运动机构使抛光盘22旋转并向下运动至与工件30表面接触，其中抛光盘22转速为30～100r/min,抛光盘22对工件载荷为1000～2000mpa，抛光盘22材料为杉木抛光盘。利用抛光盘22的摩擦力去除工件30表面的水合层32，从而实现超精密加工。与此同时，另外两个工件转至反应工位，在激光束31和水的作用下发生反应生成水合层32。

(5)重复(4)过程，实现往复反应和抛光，直至工件表面质量达到预期为止。如此便可实现硬脆半导体衬底材料的高效高质超精密加工。

本说明书实施例说书的内容仅仅是对实用新型构思的实现形式的列举，本实用新型的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本实用新型的保护范围也包括本领域技术人员根据本实用新型构思所能够想到的等同技术手段。

技术特征：

1.一种基于激光辅助水合加工抛光装置，其特征在于，包括主轴、基盘、工件夹具、水管、充氧泵、激光源和抛光盘，所述主轴与基盘连接，所述基盘上有两个反应工位和两个抛光工位，所述工件夹具位于各个工位上，内部放置有待抛光工件，所述激光源位于反应工位上方，所述激光源与一个二维运动机构连接，所述水管与一侧与充氧泵连接且位于反应工位侧面，所述抛光盘位于抛光工位上方且与一个轴向运动机构连接。

技术总结
一种基于激光辅助水合加工抛光装置，包括主轴、基盘、工件夹具、水管、充氧泵、激光源和抛光盘，所述主轴与基盘连接，所述基盘上有两个反应工位和两个抛光工位，所述工件夹具位于各个工位上，内部放置有待抛光工件，所述激光源位于反应工位上方，所述激光源与一个二维运动机构连接，所述水管一侧与充氧泵连接且位于反应工位侧面，所述抛光盘位于抛光工位上方且与一个竖直运动机构连接。本实用新型提供一种加工能力强、效率高、成本低、装置结构与控制简单的基于激光辅助水合加工抛光装置。

技术研发人员：宋志龙;吕冰海;邵琦;杨易彬;柯明峰;周亚峰
受保护的技术使用者：浙江工业大学
技术研发日：2019.06.19
技术公布日：2020.06.30