[发明专利]一种可控动磁场的动态磁流变抛光装置及其抛光方法

说明书

技术领域

本发明涉及超精密加工技术领域，尤其涉及一种用于光电子/微电子半导体基片及光学表面的平面平坦化加工，具有可控动磁场的动态磁流变抛光装置及其抛光方法。

背景技术

随着科技的进步以及需求的增长，对光学元件光学性能的要求越来越高，要求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)。而在最近十年较为热门的LED应用领域中，单晶硅(Si)、单晶锗(Ge)、砷化镓(GaAs)、单晶碳化硅(SiC)和蓝宝石(Al2O3)等作为其半导体衬底材料，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。平坦化加工成为光学元件和半导体基片必不可少的工序，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(Magnetorheological finishing,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表面的最后加工工序，但在实际加工过程中，会出现加工效率低等问题。

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平坦化研磨抛光方法及其抛光装置，并开展了大量的试验研究，却发现利用抛光液循环方式难以实现“微磨头”的持续更新和凸起使工件表面加工均匀性问题难以解决。针对平面加工均匀性问题，专利CN201510801886.4提出了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，但是由于该专利中装置结构的限制，因磁流变效应产生的“微磨头”间距较大，在加工过程中工件空行程较长，影响了加工效率，而且需要改变磁场强度时要拆卸抛光盘进行永磁体更换，步骤比较繁琐。

本发明在上述研究的基础上，提出一种可控动磁场的动态磁流变平坦化抛光装置及其抛光方法，优化结构，用励磁线圈取代永磁体，以改变电流大小的方式来调节磁场范围和强度，在“微磨头”自锐更新的前提下，缩短了“微磨头”之间的间距，延长有效加工时间，改善了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。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种加工效率高、装置结构简单、操作方便且具有可控动磁场的动态磁流变抛光装置。

本发明的另一目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于上述抛光装置的抛光方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种可控动磁场的动态磁流变抛光装置，所述抛光装置应用于半导体基片得加工，主要包括底座、驱动单元、转动托盘、杯形抛光盘、用于承托转动托盘的支撑套筒和用于控制磁场强弱的可控动磁场单元。所述支撑套筒竖直固定在底座中部，所述驱动单元设置在底座上。所述转动托盘由盘部和颈部组成，转动托盘的颈部插入支撑套筒内，并与驱动单元传动连接，由驱动单元带着转动托盘转动。所述杯形抛光盘固定安装在转动托盘的盘部上，杯形抛光盘内装有磁流变液，在转动托盘转动后对工件进行打磨。

具体的，所述可控动磁场单元包括变频电源装置、电线旋转接头和若干组励磁线圈。所述励磁线圈安装在转动托盘的盘部内，所述变频电源装置固定在底座上，所述电线旋转接头安装在转动托盘颈部的底端，通过电线分别与励磁线圈和变频电源装置连接，采用电线旋转接头可以使变频电源装置和励磁线圈之间在转动托盘高速旋转的情况下依然保持电气连接。在接通电源后，各个励磁线圈产生特定强度的磁场，从而使磁流变液形成若干“微磨头”，这些“微磨头”会随着转动托盘的旋转而转动，从而对工件实现超精密加工。

具体的，所述驱动单元用于带着转动托盘旋转，主要包括传动电机、主动轮和从动轮。所述传动电机固定在底座上，所述主动轮安装在传动电机的输出轴上，所述从动轮安装在转动托盘的颈部，与转动托盘固定连接。所述从动轮通过传动带与主动轮传动连接，由传动电机驱动转动托盘旋转。当传动电机启动时，其输出轴通过主动轮、传动带和从动轮将动力输送到转动托盘上。