利用液体传递兆赫级振动的超声抛光方法及其抛光装置制造方法

利用液体传递兆赫级振动的超声抛光方法及其抛光装置制造方法
【专利摘要】利用液体传递兆赫级振动的超声抛光方法及其抛光装置，涉及一种抛光方法及其装置，该方法通过柔性的耦合剂传递振动，将振子的高频超声振动传递到振动抛光工具上；实现了不依赖于整体模态分析与模态设计的振动抛光工具。并将该方法应用在硅片抛光领域，设计了一套利用液体传递兆赫级振动的超声抛光装置，对振子上的压电陶瓷片施加适宜频率的交变电压的激励，振子将在设计的模态下共振，高频的振动通过耦合剂传输到振动抛光工具，最终将兆声振动传输至抛光液，使抛光液颗粒有效发挥作用，从而获得被抛光硅片完整的表面晶格、超高形面精度以及极低的粗糙度。此利用液体传递振动的方法，使振动的附加具有更强的灵活性，拓展了振动利用的范围。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种超声抛光方法及其装置，特别是涉及一种利用液体传递兆赫级振 动的超声抛光方法及其抛光装置。 利用液体传递兆赫级振动的超声抛光方法及其抛光装置

【背景技术】
[0002] 超精密加工是现代高科技产业和科学技术的发展基础，作为超精密加工重要领域 之一的超精密抛光是一种利用微细磨粒的机械与化学作用来获得光滑或超光滑表面质量 的加工方法。近年来，针对硅片等脆硬材料的精密化学机械抛光，附加超声振动来辅助抛光 已成为一个热点研究问题。传统超声振动的附加方式都是依赖于整体模态分析与模态设计 的振动抛光工具，振动的加载起到一定的作用，但这种附加方式有很大的局限性，当外界条 件变化时，很有可能会引起共振频率的改变，很难保证振子始终处于良好的共振模态下工 作。


【发明内容】

[0003] 本发明的目的在于提供一种利用液体传递兆赫级振动的超声抛光方法及其抛光 装置，该方法通过液体耦合剂传递振动，利用振动抛光工具的非共振模态振动来辅助化学 机械抛光，其超声振动装置将振子的高频超声振动通过耦合剂传递到振动抛光工具上，振 子与振动抛光工具独立，从而使振动的加载具有更强的灵活性，大大拓展了振动利用的范 围。
[0004] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的： 利用液体传递兆赫级振动的超声抛光方法，所述方法通过柔性的耦合剂传递振动，将 振子的高频超声振动传递到振动抛光工具上；振子与振动抛光工具独立，振源产生高频的 超声波，经选定的耦合剂传输到振动抛光工具上，并直接将振动加载到被加工工件上，最终 将兆声振动传输至与工件紧密接触的抛光液，使抛光颗粒有效的发挥作用，获得被抛光硅 片完整的表面晶格、超高形面精度以及极低的粗糙度；振子处于共振模式，耦合剂传递振 动，振动抛光工具处于强迫振动、非共振模式，振动直接加载到了被加工工件上，振动抛光 工具磨损后可独立更换。
[0005] 所述的利用液体传递兆赫级振动的超声抛光方法，所述振源为圆片状的兆声压电 振子，振子工作频率在1MHz以上。
[0006] 所述的利用液体传递兆赫级振动的超声抛光方法，所述振源的要求，频率要1MHz 以上。
[0007] 所述的利用液体传递兆赫级振动的超声抛光方法，所述耦合剂的选择，根据两种 介质的声阻抗率来选择耦合剂。
[0008] 所述的利用液体传递兆赫级振动的超声抛光方法，所述振动抛光工具和被加工工 件之间不能有气体隔层，用液体排出空气，使被加工对象吸附在振动抛光工具上。 利用液体传递兆赫级振动的超声抛光装置，所述装置由超声振动附加系统和抛光机工 具两部分组成，超声振动附加系统包括振子及密封装置、耦合剂、振动抛光工具三个总成， 包括压紧装置上片、压紧装置下片、通电导线、密封圈、圆片压电振子、水平悬臂支撑、耦合 齐U、振动抛光工具、硅片、抛光垫、抛光盘；振子为激励电压频率在1MHz以上的压电片振 子，振子对应的设有密封装置，振子及其密封装置置于外接可调高度的水平悬臂支撑上，振 子浸润在耦合剂中，硅片吸附在振动抛光工具，整个装置坐落于贴有抛光垫的抛光盘上，振 动抛光工具设有卡槽结构。
[0009] 所述的利用液体传递兆赫级振动的超声抛光装置，所述一种利用液体传递兆赫级 振动的超声抛光装置包括圆片压电振子、水平夹具，密封圈、通电导线、压紧装置上片、压紧 装置下片、耦合剂、振动抛光工具、被抛光对象、抛光液、抛光垫、抛光盘；水平悬臂支撑为 一四杆机构的一个悬臂，振动抛光工具卡坐落在抛光盘上，并用抛光机的三角爪定位。
[0010] 所述的利用液体传递兆赫级振动的超声抛光装置，所述振动抛光工具呈圆柱桶 形，振动抛光工具卡装硅片、传递振动、储存耦合剂。
[0011] 所述的利用液体传递兆赫级振动的超声抛光装置，所述振动抛光工具卡装卡硅 片，振动抛光工具桶底统有与被抛光娃片形状一样、深度为半个娃片厚度的槽对娃片定位 装卡娃片。
[0012] 所述的利用液体传递兆赫级振动的超声抛光装置，所述抛光盘坐落在抛光机上， 振动抛光工具与抛光盘有一定偏心距。
[0013] 本发明的优点与效果是： 1.本发明通过柔性的耦合剂传递振动，将振子的高频超声振动传递到振动抛光工具 上，使振子与振动抛光工具分离，振子处于共振模式，振动抛光工具是处于强迫振动、非共 振模式，打破了振动抛光工具共振模式的束缚，实现了不依赖于整体模态分析与模态设计 的振动抛光工具，从而使振动的加载具有更强的灵活性，拓展了振动利用的范围。
[0014] 2.本发明兆声作用：振子工作频率为1MHz以上，兆声具有能量密度大，穿透能力 强，直线性好，能量的利用率更高，等优点，同时亦属于高频超声振动，无噪音。
[0015] 3.本发明振动能量利用率高：现有的超声振动辅助抛光，都是将振动传递到抛光 垫上，再将振动传输至抛光液，使抛光液颗粒发挥作用，抛光垫有很强的振动吸收特性，振 动能量损耗大，而本发明将振动直接加载到硅片上，振动的能量利用效率高。

【专利附图】

【附图说明】
[0016] 图1是本发明振子密封装置图； 图2是本发明利用液体传递兆赫级振动的超声抛光装置。

【具体实施方式】
[0017] 下面结合附图所示实施例，对本发明作进一步详述。
[0018] 本发明提出机加工中一种新的超声振动方法，通过柔性的耦合剂传递振动，将振 子的1?频超声振动传递到振动抛光工具上；振子与振动抛光工具独立，打破现有振子和振 动抛光工具共振模式的束缚，达到振子的独立设计目的，实现了不依赖于整体模态分析与 模态设计的振动抛光工具，使振动的附加具有更强的灵活性，拓展了振动利用的范围。将该 振动附加方法应用在硅片抛光上，设计了一套利用液体传递兆赫级振动的超声抛光装置， 本装置由超声振动附加系统和抛光机系统两部分组成，超声振动附加系统包括振子及密封 装置、耦合剂、振动抛光工具三个总成，振子为激励电压频率在1MHz以上的压电片振子，由 于振子的工作面浸在水中，对其设计了对应的密封装置，振子及其密封装置放置在外接可 调高度的水平悬臂支撑7上，调节7的高度，可以实现调整振子与振动抛光工具的距离。振 子浸润在耦合剂中，产生的高频振动直接通过耦合剂8传输到振动抛光工具9上，振动抛光 工具9上，硅片吸附在振动抛光工具上，整个装置坐落于贴有抛光垫的抛光盘上，振动抛光 工具的卡槽结构保证了硅片和振动抛光工具的一起运转，抛光盘围绕抛光机的主轴旋转， 同时抛光机的喷嘴喷射抛光液，完成抛光工艺。振子的设计无需考虑外界环境对其固有频 率的影响，振子产生的高频振动通过与之接触的耦合剂传递到振动抛光工具，最终将兆声 振动传输至抛光液，使抛光液颗粒有效发挥作用，从而获得被抛光硅片完整的表面晶格、超 高形面精度以及极低的粗糙度。振子的设计和工作相对振动抛光工具是独立的，振子处于 共振模式，耦合剂传递振动，振动抛光工具是处于强迫振动、非共振模式，打破了振动抛光 工具共振模式的制约，实现了振子的独立设计，振动抛光工具磨损后可独立更换，振子仍可 循环利用。
[0019] 超声振动化学机械复合抛光工具，由超声振子、耦合剂、振动抛光工具三部分组 成，其部件包括圆片压电振子、水平夹具，密封圈、通电导线、振子夹具上片、振子夹具下片、 耦合剂、振动抛光工具、被抛光对象、抛光液、抛光垫、抛光盘；振源为圆片状的兆声压电振 子，振子工作频率在1MHZ以上，兆声具有能量密度大，穿透能力强，直线性好等优点；振源 产生的兆声振动传递到柔性的耦合剂，避免了振源与振动抛光工具的接触磨损，同时耦合 剂可以减少振动在传递介质界面上的损失；振动抛光工具具有传递振动、装卡硅片、储存耦 合剂等多个功能，振动抛光工具作为卡具装卡硅片，即将硅片吸附在振动抛光工具上，卡槽 结构使娃片随振动抛光工具一起转动，振动抛光工具和抛光盘有一定的偏心距，使振动抛 光工具既绕抛光盘轴线公转，又围绕自己轴线自转，并且振动抛光工具为浮动式，使抛光更 加的均匀，避免了硅片的翘曲等问题。最终将兆声振动传输至抛光液，使抛光液颗粒有效发 挥作用，从而获得被抛光硅片完整的表面晶格、超高形面精度以及极低的粗糙度。
[0020] 本发明由振源产生兆赫级的超声波，经选定的耦合剂传输到振动抛光工具上，从 而给振动抛光工具附加超声振动。这种方法利用的是振动的传输特性，为了减少振动在传 递过程中的衰减，要注意三点：一、振源的要求，振源的振动频率相对要高(频率要1MHz以 上)，这是由于，在振幅一定的情况下，频率越高能量密度越大，振动附加的效果越好，并且 在同一介质中，振动的频率越高，波长越短，方向性越好；二、耦合剂的选择，振动是通过柔 性的耦合剂由振源传递到振动抛光工具，就存在两个界面，由于高频超声的直线型好，很容 易在两种介质的交界面处产生反射而导致能量的损失，这就要根据两种介质的声阻抗率来 选择适当的耦合剂，以减少能量的损失；三、由于高频超声的波长很短，在气体环境中衰减 的特别快，因此振动抛光工具和被加工工件之间不能有气体隔层，要用液体排出空气，使被 加工对象吸附在振动抛光工具上。 本超声振动附加方法及装置可以应用在多种机加工工艺中，现将本发明应用在了抛光 工艺中，针对硅片的抛光，设计了 一套利用液体传递兆赫级振动的超声抛光装置。
[0021] 实施例： 本利用液体传递兆赫级振动的超声抛光装置由超声振动附加系统和抛光机系统两部 分组成，振动附加系统包括振子及密封装置、耦合剂、振动抛光工具三个总成，其中振子及 密封装置又有六部分组成(见图1);抛光机系统又由被抛光对象(硅片)、抛光液、抛光垫、抛 光盘组成(见图2)。
[0022] 图中：1_螺钉；2-压紧装置上片；3-压紧装置下片；4-通电导线；5-密封圈；6-圆 片压电振子；7-水平悬臂支撑；8-稱合剂；9-振动抛光工具；10-娃片；11-抛光垫； 12-抛光液；13-抛光盘。
[0023] 本发明的圆片压电振子的工作面浸润在液体环境中，为防止液体渗透到电极面造 成短路，设计了密封装置对其进行密封处理，通过螺栓1将上片2和下片3紧固，使密封圈 5挤压变形，达到密封的效果。对压电陶瓷片施加适宜频率的交变电压的激励(激励电压频 率为1MHz以上)，振子将在设计的模态下共振，产生高频振动。高频振动传递到与之接触的 耦合剂，兆声振动在耦合剂7中就以纵波的形式行前传播，振动经耦合剂传递到振动抛光 工具，振动抛光工具9设计成圆柱桶形，桶底铣有与被抛光硅片形状一样，深度为半个硅片 厚度的槽对硅片进行对位，具有传递振动、装卡硅片、储存耦合剂等多个功能，振动抛光工 具作为卡具装卡硅片，在装卡时要先涂一层水，然后将硅片贴在上面，并挤压，排除里面的 空气，使硅片吸附在振动抛光工具上，卡槽结构使硅片随振动抛光工具一起转动。为避免振 子和振动抛光工具之间的直接接触，减少没必要的磨损，振子及密封装置坐落于外接水平 悬臂支撑7上，水平支撑7为一四杆机构的一个悬臂，通调节水平悬臂支撑的高度，达到调 节振子与振动抛光工具之间的距离的目的；振动抛光工具卡坐落在抛光盘上，并用抛光机 的三角爪定位，抛光盘坐落在抛光机上，围绕抛光机的主轴旋转，振动抛光工具与抛光盘有 一定的偏心距，使振动抛光工具既绕抛光盘轴线公转，又围绕自己轴线自转，并且振动抛光 工具为浮动式，使抛光更加的均匀，避免了硅片的翘曲等问题。振动经由振动抛光工具、硅 片，最终将兆声振动传输至抛光液，使抛光液颗粒有效发挥作用，从而获得被抛光硅片完整 的表面晶格、超高形面精度以及极低的粗糙度。
【权利要求】
1. 利用液体传递兆赫级振动的超声抛光方法，其特征在于，所述方法通过柔性的耦合 剂传递振动，将振子的高频超声振动传递到振动抛光工具上；振子与振动抛光工具独立，振 源产生高频的超声波，经选定的耦合剂传输到振动抛光工具上，并直接将振动加载到被加 工工件上，最终将兆声振动传输至与工件紧密接触的抛光液，使抛光颗粒有效的发挥作用， 获得被抛光硅片完整的表面晶格、超高形面精度以及极低的粗糙度；振子处于共振模式， 耦合剂传递振动，振动抛光工具处于强迫振动、非共振模式，振动直接加载到了被加工工件 上，振动抛光工具磨损后可独立更换。
2. 根据权利要求1所述的利用液体传递兆赫级振动的超声抛光方法，其特征在于，所 述振源为圆片状的兆声压电振子，振子工作频率在1MHz以上。
3. 根据权利要求2所述的利用液体传递兆赫级振动的超声抛光方法，其特征在于，所 述振源的要求，频率要1MHz以上。
4. 根据权利要求1所述的利用液体传递兆赫级振动的超声抛光方法，其特征在于，所 述耦合剂的选择，根据两种介质的声阻抗率来选择耦合剂。
5. 根据权利要求1所述的利用液体传递兆赫级振动的超声抛光方法，其特征在于，所 述振动抛光工具和被加工工件之间不能有气体隔层，用液体排出空气，使被加工对象吸附 在振动抛光工具上。
6. 利用液体传递兆赫级振动的超声抛光装置，其特征在于，所述装置由超声振动附加 系统和抛光机工具两部分组成，超声振动附加系统包括振子及密封装置、耦合剂、振动抛光 工具三个总成，包括压紧装置上片、压紧装置下片、通电导线、密封圈、圆片压电振子、水平 悬臂支撑、耦合剂、振动抛光工具、硅片、抛光垫、抛光盘；振子为激励电压频率在1MHz以 上的压电片振子，振子对应的设有密封装置，振子及其密封装置置于外接可调高度的水平 悬臂支撑（7)上，振子浸润在耦合剂中，硅片吸附在振动抛光工具，整个装置坐落于贴有抛 光垫的抛光盘上，振动抛光工具设有卡槽结构。
7. 根据权利要求6所述的利用液体传递兆赫级振动的超声抛光装置，其特征在于，所 述一种利用液体传递兆赫级振动的超声抛光装置包括圆片压电振子、水平夹具，密封圈、通 电导线、压紧装置上片、压紧装置下片、耦合剂、振动抛光工具、被抛光对象、抛光液、抛光 垫、抛光盘；水平悬臂支撑（7)为一四杆机构的一个悬臂，振动抛光工具卡坐落在抛光盘 上，并用抛光机的三角爪定位。
8. 根据权利要求6所述的利用液体传递兆赫级振动的超声抛光装置，其特征在于，所 述振动抛光工具（9)呈圆柱桶形，振动抛光工具卡装硅片、传递振动、储存耦合剂。
9. 根据权利要求8所述的利用液体传递兆赫级振动的超声抛光装置，其特征在于，所 述振动抛光工具卡装卡硅片，振动抛光工具桶底铣有与被抛光硅片形状一样、深度为半个 娃片厚度的槽对娃片定位装卡娃片。
10. 根据权利要求6所述的利用液体传递兆赫级振动的超声抛光装置，其特征在于，所 述抛光盘坐落在抛光机上，振动抛光工具与抛光盘有一定偏心距。
【文档编号】B24B1/04GK104117878SQ201410360884
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年7月28日 优先权日:2014年7月28日
【发明者】何勍, 张玉成 申请人:辽宁工业大学