[发明专利]磁流变柔性抛光垫的动态磁场自锐抛光装置及其抛光方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种磁流变柔性抛光垫的动态磁场自锐抛光装置及其抛光方法，特别适合于光电子/微电子半导体基片及光学元件的平面平坦化加工，属于超精密加工技术领域。

背景技术

光学元件（透镜、反射镜）作为光学器件的核心元件之一，要达到良好的光学性能，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LED领域，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。无论是光学平面元件还是半导体基片，均需要进行平坦化加工，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、半导体晶片、LED基板、液晶显示面板等的最后加工工序。但目前采用磁流变抛光方法对平面工件进行加工时，主要以美国QED公司研制的各种型号磁流变机床，其原理是把工件置于一圆弧形抛光盘上方，工件表面与抛光盘之间形成的凹形间隙，抛光盘下方布置一个磁感应强度可调的电磁铁磁极或者永磁体磁极使凹形间隙处形成高强度梯度磁场，当磁流变液随抛光盘运动到工件与抛光盘形成的空隙附近时形成的柔性凸起“抛光缎带”，但“抛光缎带”与工件表面属于“斑点”局部接触,在加工过程中只能靠控制“斑点”沿工件表面按一定规律轨迹扫描才能实现整个表面的加工，轨迹扫描过程需要大量的时间，造成效率低、加工形状精度不易保证。

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研磨抛光方法及其抛光装置，并开展了大量的试验研究，该方法虽然通过集群方法形成了面域抛光垫，但是工件的加工均匀性难以解决，经过深入分析，由于磁流变液存在黏弹性，工件经过该专利的磁流变抛光垫后会把凸起的柔性抛光垫压下而无法恢复，从而失去了对工件的压力，使得工件边缘与其他区域的材料去除率相差极大，并且磨料在黏弹性抛光垫中难以更新，进一步降低了加工效果(图1所示)。因而本发明在上述深入研究的基础上，提出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，非常适合对光学元件、半导体晶片、陶瓷基片等平面材料进行高效率超精密抛光。

发明内容

本发明的目是针对集群磁流变抛光的不均匀性，提出一种磁流变柔性抛光垫的动态磁场自锐抛光装置，本发明加工效率高，成本低，而且无表面和亚表面损伤，适合光电子/微电子基片和光学元件的平面高效率超光滑均匀抛光加工。

本发明的另一目是提出一种磁流变柔性抛光垫的动态磁场自锐抛光装置的抛光方法。本发明通过磁极阵列有规律运动的形成动态磁场的方法实现柔性抛光垫的形状恢复及磨料向柔性抛光垫表面富集的自锐，保持和改善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。