[發明專利]一種可控動磁場的動態磁流變拋光裝置及其拋光方法

在審

• 申請號: 201710094141.8
• 申請日: 2017-02-21
• 公開（公告）號: CN106938407A
• 公開（公告）日: 2017-07-11
• 發明（設計）人: 梁華卓;閻秋生;潘文波
• 申請（專利權）人: 廣東工業大學
• 主分類號: B24B1/00
• 分類號: B24B1/00;B24B27/00;B24B29/02;B24B41/00
• 代理公司: 廣東廣信君達律師事務所44329
• 代理人: 楊曉松

技術領域

本發明涉及超精密加工技術領域，尤其涉及一種用于光電子/微電子半導體基片及光學表面的平面平坦化加工，具有可控動磁場的動態磁流變拋光裝置及其拋光方法。

背景技術

隨著科技的進步以及需求的增長，對光學元件光學性能的要求越來越高，要求其表面精度需要達到超光滑程度(粗糙度Ra達到1nm以下)，面形精度也有較高的要求(形狀精度達到0.5微米以下)。而在最近十年較為熱門的LED應用領域中，單晶硅(Si)、單晶鍺(Ge)、砷化鎵(GaAs)、單晶碳化硅(SiC)和藍寶石(Al2O3)等作為其半導體襯底材料，同樣要求具有超平坦和超光滑的表面(粗糙度Ra達到0.3nm以下)才能滿足外延膜生長的要求，并且要求無缺陷、無損傷。平坦化加工成為光學元件和半導體基片必不可少的工序，其傳統工藝主要是高效研磨、超精密拋光、化學機械拋光和磁流變拋光，其加工質量和精度直接決定了光學器件及半導體器件的性能。

磁流變拋光技術(Magnetorheological finishing,MRF)是20世紀90年代由KORDONSKI及其合作者將電磁學、流體動力學、分析化學、加工工藝學等相結合而提出的一種新型的光學表面加工方法，具有拋光效果好、不產生次表面損傷、適合復雜表面加工等傳統拋光所不具備的優點，已發展成為一種革命性光學表面加工方法，特別適合軸對稱非球面的超精密加工，廣泛應用于大型光學元件表面的最后加工工序，但在實際加工過程中，會出現加工效率低等問題。

為了提高磁流變的拋光效率，專利CN200610132495.9基于磁流變拋光原理和集群作用機理提出了一種基于磁流變效應的平坦化研磨拋光方法及其拋光裝置，并開展了大量的試驗研究，卻發現利用拋光液循環方式難以實現“微磨頭”的持續更新和凸起使工件表面加工均勻性問題難以解決。針對平面加工均勻性問題，專利CN201510801886.4提出了一種動態磁場自銳的磁流變柔性拋光墊發生裝置及其拋光方法，完好地實現了磁流變柔性拋光墊在加工過程中對工件的恒壓力加工，并且能使磨料在加工過程中實時更新自銳，但是由于該專利中裝置結構的限制，因磁流變效應產生的“微磨頭”間距較大，在加工過程中工件空行程較長，影響了加工效率，而且需要改變磁場強度時要拆卸拋光盤進行永磁體更換，步驟比較繁瑣。

本發明在上述研究的基礎上，提出一種可控動磁場的動態磁流變平坦化拋光裝置及其拋光方法，優化結構，用勵磁線圈取代永磁體，以改變電流大小的方式來調節磁場范圍和強度，在“微磨頭”自銳更新的前提下，縮短了“微磨頭”之間的間距，延長有效加工時間，改善了磁流變柔性拋光墊加工性能，提高磁流變的拋光效率，實現工件的均勻加工。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種加工效率高、裝置結構簡單、操作方便且具有可控動磁場的動態磁流變拋光裝置。

本發明的另一目的在于克服現有技術的不足，提供一種基于上述拋光裝置的拋光方法。

本發明的目的通過下述技術方案實現：

一種可控動磁場的動態磁流變拋光裝置，所述拋光裝置應用于半導體基片得加工，主要包括底座、驅動單元、轉動托盤、杯形拋光盤、用于承托轉動托盤的支撐套筒和用于控制磁場強弱的可控動磁場單元。所述支撐套筒豎直固定在底座中部，所述驅動單元設置在底座上。所述轉動托盤由盤部和頸部組成，轉動托盤的頸部插入支撐套筒內，并與驅動單元傳動連接，由驅動單元帶著轉動托盤轉動。所述杯形拋光盤固定安裝在轉動托盤的盤部上，杯形拋光盤內裝有磁流變液，在轉動托盤轉動后對工件進行打磨。

具體的，所述可控動磁場單元包括變頻電源裝置、電線旋轉接頭和若干組勵磁線圈。所述勵磁線圈安裝在轉動托盤的盤部內，所述變頻電源裝置固定在底座上，所述電線旋轉接頭安裝在轉動托盤頸部的底端，通過電線分別與勵磁線圈和變頻電源裝置連接，采用電線旋轉接頭可以使變頻電源裝置和勵磁線圈之間在轉動托盤高速旋轉的情況下依然保持電氣連接。在接通電源后，各個勵磁線圈產生特定強度的磁場，從而使磁流變液形成若干“微磨頭”，這些“微磨頭”會隨著轉動托盤的旋轉而轉動，從而對工件實現超精密加工。

具體的，所述驅動單元用于帶著轉動托盤旋轉，主要包括傳動電機、主動輪和從動輪。所述傳動電機固定在底座上，所述主動輪安裝在傳動電機的輸出軸上，所述從動輪安裝在轉動托盤的頸部，與轉動托盤固定連接。所述從動輪通過傳動帶與主動輪傳動連接，由傳動電機驅動轉動托盤旋轉。當傳動電機啟動時，其輸出軸通過主動輪、傳動帶和從動輪將動力輸送到轉動托盤上。