專利名稱：基于光子晶體材料的超精密加工裝置及其成像監(jiān)測方法
技術領域：
本發(fā)明涉及機械制造業(yè)的技術領域，尤其涉及基于光子晶體材料的超精密加工裝置 的技術領域。
背景技術：
隨著社會的大力發(fā)展，人們對應用在電子和光學高端檢測的行業(yè)中的大面積半導體 硅片和光學材料的需求日益增加，隨著目前12英寸硅片投入生產(chǎn)，對于更大面積的硅片 的制造工藝的研究一直沒有停止。在電子制造領域，研制面向大面積硅片微細加工的設 備的驅動一直沒有停止。例如研制大面積的STEP暴光設備、大直徑硅錠的生長設備、大 直徑硅片的切、磨、拋等設備的研究一直都是先進制造的攻關對象。目前，國內(nèi)許多高 校和研究所在大面積硅片的磨削、拋光設備的研究進行了一定的研究例如大連理工大 學開發(fā)了硅片自旋轉的磨拋設備、浙江工業(yè)大學袁巨龍教授提出利用半固著磨料進行拋 光的原理等等。由于這些設備屬于高技術范疇，我國在這方面的研究起步晚，很多研究 一直處于跟蹤研究的階段。由于電子制造行業(yè)的技術門檻高和行業(yè)的內(nèi)在習慣，國產(chǎn)設 備在生產(chǎn)線上的可靠性也沒有得到充分的驗證，而無法直接在生產(chǎn)線上應用。目前，在 大面積磨拋的領域，我們自主創(chuàng)新的產(chǎn)品工藝不多也制約了相關設備的研制。
目前就超精密拋光的機理問題的基礎研究不多。我們都知道采用柔性的基體的磨拋 工具是脆性材料拋光的首要選擇。通常，磨料在高分子材料中像一個與彈簧連接的質點。
附<formula>formula see original document page 4</formula>
公式(1) - (3)研究質點在三個方向加速度與力的關系。利用牛頓第二運動定律，可以計算在三個方向的加速度。M為質點質量，k為彈性模量。
如果不考慮阻尼的影響，磨料在三維空間受力可以用(1) - (3)表示。通常研究多 從彈性材料的整體特性考慮磨料的受力，從而對磨料的受力進行研究。另一方面主要考 慮采用分子動力學和有限元分析的方法進行相關的磨削力學的仿真研究。對于彈性的拋 光工具，整體的彈性特性與局部的彈性特性可能有變化，特別在進行拋光加工后的一部 分時間后，彈性材料由于熱、切削液等引起的微觀性能的變化是否會影響拋光的機理和 效果，目前由于對于局部研究方法很少，幾乎沒有相關的研究。同時盡管大連理工大學 和上海海事大學的相關研究人員研究了拋光材料本體對表面粗糙度的影響，隨著大面積
硅片拋光的提出，對于工具的本征特性等的要求越來越高，因此對于磨拋中的基礎力學 問題的研究顯得尤為重要。如何研究并在線檢測磨料局部的拋光本題的特性變化，也顯 得尤為迫切。
現(xiàn)有的拋光技術主要研究整體效應，同時采用離線的方法討論拋光參數(shù)的優(yōu)化，在 拋光進行一段時間后，停止工作測量拋光面的表面特性。由于拋光區(qū)與加工磨具接觸， 在線測量粗糙度裝置的引入比較復雜，同時拋光過程對粗糙度的測量有影響。另外熒光 的背景噪聲和持續(xù)時間的問題對于拋光區(qū)的監(jiān)測帶來一定的問題。

發(fā)明內(nèi)容
技術問題本發(fā)明的目的是提供一種拋光效果好，能夠隨時監(jiān)測拋光區(qū)內(nèi)拋光片光 譜特性，同時能夠及時獲得拋光片局部形變和受力參數(shù)的基于光子晶體材料的超精密加 工裝置及其成像監(jiān)測方法。
技術方案本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的，采用如下的技術方案-
本發(fā)明的加工裝置包括拋光硬件系統(tǒng)I和光譜檢測系統(tǒng)II兩部分，所述拋光硬件系 統(tǒng)I包括拋光片支持架動力系統(tǒng)、拋光片、支持夾具、拋光脫落磨料、基片、基片支持 架、基片支持架動力系統(tǒng)；拋光片支持架動力系統(tǒng)的下端連接支持夾具，支持夾具的下 端連接拋光片，拋光片的下端對應設置基片，基片的下端連接基片支持架，基片支持架 的下端連接基片支持架動力系統(tǒng)，上述拋光片與基片之間填充有拋光脫落磨料；上述光 譜檢測系統(tǒng)II包括檢測光源、光譜掃描平臺、掃描鏡頭、二相色鏡、檢測電荷耦合器件、 計算機，上述光譜檢測系統(tǒng)II包括檢測光源、光譜掃描平臺、掃描鏡頭、二相色鏡、檢 測電荷耦合器件、計算機，檢測光源發(fā)射的檢測光通過二相色鏡反射到光譜掃描平臺上，并傳輸?shù)皆O置在光譜掃描平臺上端的掃描鏡頭上，上述檢測光經(jīng)過掃描鏡頭到達基片支 持架，基片支持架反射后傳輸?shù)皆O置在二相色鏡下方的檢測電荷耦合器件上，并傳輸?shù)?計算機上；上述拋光片支持架動力系統(tǒng)、檢測光源、檢測電荷耦合器件分別與計算機連 接；上述拋光片支持架動力系統(tǒng)與基片支持架動力系統(tǒng)的轉動方向相反。 本發(fā)明利用基于光子晶體材料的超精密加工裝置的成像監(jiān)測方法包括 步驟一上述拋光片是由氧化鋁或者立方氮化硼或者金剛石與光子晶體聚合物按照 1: l或l: 2或1: 3或1: 4的比例混合在一起，并利用聚合物磨具制備工藝加工而成； 步驟二啟動拋光片支持架動力系統(tǒng)，支持夾具在拋光片支持架動力系統(tǒng)的帶動下 使得拋光片轉動；啟動基片支持架動力系統(tǒng)，基片支持架在基片支持架動力系統(tǒng)的帶動 下使得基片轉動；
步驟三設置在拋光片與基片之間的拋光脫落磨料在拋光硬件系統(tǒng)I內(nèi)拋光，同時 產(chǎn)生一定的光譜；
步驟四檢測光源向二相色鏡發(fā)射檢測光源，二相色鏡將檢測光源反射到光譜掃描 平臺上，并經(jīng)過掃描鏡頭傳輸?shù)交С旨埽?br> 步驟五上述步驟四中傳輸?shù)交С旨苌系臋z測光源傳輸?shù)綑z測電荷耦合器件上， 并將信號顯示在計算機的屏幕上；
步驟六計算機對檢測電荷耦合器件的信號進行監(jiān)測，得到拋光片的光子晶體材料 的光譜特性，同時計算光子晶體材料的光譜與形變的關系，可以獲得光子晶體局部的形 變x;根據(jù)光子晶體材料的力學特性得到彈性模量K，利用胡克定律得到局部的受力，
步驟七計算機根據(jù)步驟六的計算結果控制拋光片支持架動力系統(tǒng)的轉動速度。
首先將磨料與光子晶體聚合物進行混合，在一定的比例(例如l: 3; 1: 2; 1: 1) 下進行成型，利用光刻膠制備的工藝，獲得磨料與光子晶體材料例如聚苯乙烯、聚二甲基硅 氧烷、聚酰亞胺等拋光片。接著將拋光片在拋光硬件系統(tǒng)I內(nèi)進行拋光監(jiān)測實驗。利用光 譜檢測系統(tǒng)II上的光譜掃描進行檢測磨料微區(qū)的拋光彈性體的光譜特性，通過光譜特性 與形變的關系研究拋光材料的形變，從而從微區(qū)獲得磨料的受力。
有益效果本發(fā)明采用上述技術方案，與現(xiàn)有技術相比具有如下優(yōu)點 (1)拋光效果好。本發(fā)明利用拋光片支持架動力系統(tǒng)帶動拋光片轉動，利用支持架 動力系統(tǒng)帶動基片轉動，拋光片與基片在拋光區(qū)完成拋光，通過二相色鏡和檢測電荷耦 合器件能夠及時檢測到拋光片的光譜特性并顯示在計算機上，可以通過計算機來修正拋光片支持架動力系統(tǒng)的轉動速度，從而達到最佳的拋光效果，大大宿短了拋光時間，也 降低了對原材料的浪費。
(2) 能夠隨時監(jiān)測拋光區(qū)內(nèi)拋光片光譜特性。拋光區(qū)內(nèi)拋光片在完成拋光時，檢測 光源發(fā)出的光通過二相色鏡和檢測電荷耦合器件得到拋光片的光譜特性，并及時顯示在 計算機上，實現(xiàn)了同步監(jiān)測的效果，提高了拋光效果。
(3) 能夠及時獲得拋光片局部形變和受力參數(shù)。通過實時顯示在計算機上的拋光片 的光譜特性能夠分析出拋光片的局部形變，從而得到拋光片的受力參數(shù)，為大面積的拋 光提供可參考的數(shù)據(jù)，提高了超精密加工的拋光效率。
(4) 本發(fā)明采用上述結構，結構簡單，操作方便，實現(xiàn)了自動化操作；同時對原材 料的利用率高，避免了浪費和次品的產(chǎn)生，大大降低了生產(chǎn)成本。
通過監(jiān)測拋光區(qū)拋光光子晶體聚合物磨具的磨料周圍聚合物的光譜特性以及形變特 性，可以在線監(jiān)測工藝參數(shù)對于拋光區(qū)微區(qū)的影響，從而通過參數(shù)優(yōu)化的實驗，在線獲 得優(yōu)化參數(shù)，并在線檢測工藝參數(shù)，提供一種基于反饋的在線工藝參數(shù)的檢測方法和思 路。


圖l是本發(fā)明的結構原理圖。
圖中拋光片支持架動力系統(tǒng)l;拋光片2;支持夾具3;拋光脫落磨料5;基片6; 基片支持架7;支持架動力系統(tǒng)8;激光器或者檢測光源9;光譜掃描平臺10;掃描鏡頭 11; 二相色鏡12;檢測CCD13;計算機14。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發(fā)明的技術方案進行詳細說明，如圖1所示，本發(fā)明的超精密加
工裝置包括本裝置包括拋光硬件系統(tǒng)I和光譜檢測系統(tǒng)II兩部分，所述拋光硬件系統(tǒng) I包括拋光片支持架動力系統(tǒng)l、拋光片2、支持夾具3、拋光脫落磨料5、基片6、基片 支持架7、基片支持架動力系統(tǒng)8;拋光片支持架動力系統(tǒng)1的下端連接支持夾具3，支 持夾具3的下端連接拋光片2，拋光片2的下端對應設置基片6，基片6的下端連接基片 支持架7，基片支持架7的下端連接基片支持架動力系統(tǒng)8，上述拋光片2與基片6之間填充有拋光脫落磨料5;上述光譜檢測系統(tǒng)II包括檢測光源9、光譜掃描平臺IO、掃描
鏡頭ll、 二相色鏡12、檢測電荷耦合器件13、計算機14，上述光譜檢測系統(tǒng)II包括檢 測光源9、光譜掃描平臺10、掃描鏡頭11、 二相色鏡12、檢測電荷耦合器件13、計算機 14，檢測光源9發(fā)射的檢測光通過二相色鏡12反射到光譜掃描平臺10上，并傳輸?shù)皆O 置在光譜掃描平臺10上端的掃描鏡頭11上，上述檢測光經(jīng)過掃描鏡頭11到達基片支持 架7，基片支持架7反射后傳輸?shù)皆O置在二相色鏡12下方的檢測電荷耦合器件13上，并 傳輸?shù)接嬎銠C14上；上述拋光片支持架動力系統(tǒng)l、檢測光源9、檢測電荷耦合器件13 分別與計算機14連接；上述拋光片支持架動力系統(tǒng)1與基片支持架動力系統(tǒng)8的轉動方 向相反。
本發(fā)明利用基于光子晶體材料的超精密加工裝置的成像監(jiān)測方法包括
步驟一:上述拋光片2是由氧化鋁或者立方氮化硼或者金剛石與光子晶體聚合物按照
1: l或l: 2或1: 3或1: 4的比例混合在一起，并利用聚合物磨具制備工藝加工而成； 步驟二啟動拋光片支持架動力系統(tǒng)1，支持夾具2在拋光片支持架動力系統(tǒng)1的帶 動下使得拋光片2轉動；啟動基片支持架動力系統(tǒng)8，基片支持架7在基片支持架動力系 統(tǒng)8的帶動下使得基片6轉動；
步驟三設置在拋光片2與基片6之間的拋光脫落磨料5在拋光硬件系統(tǒng)I內(nèi)拋光，
同時產(chǎn)生一定的光譜；
步驟四檢測光源9向二相色鏡12發(fā)射檢測光源，二相色鏡12將檢測光源反射到 光譜掃描平臺10上，并經(jīng)過掃描鏡頭13傳輸?shù)交С旨?;
步驟五上述步驟四中傳輸?shù)交С旨?上的檢測光源傳輸?shù)綑z測電荷耦合器件 13上，并將信號顯示在計算機14的屏幕上；
步驟六計算機14對檢測電荷耦合器件13的信號進行監(jiān)測，得到拋光片2的光子
晶體材料的光譜特性，同時計算光子晶體材料的光譜與形變的關系，可以獲得光子晶體
局部的形變x;根據(jù)光子晶體材料的力學特性得到彈性模量K，利用胡克定律得到局部的
受力，
步驟七:計算機14根據(jù)步驟六的計算結果控制拋光片支持架動力系統(tǒng)1的轉動速度。
本發(fā)明的光子晶體聚合物主要使用聚碳酸酯、聚苯乙烯等材料。本發(fā)明首先根據(jù)光 子晶體聚合物的形變與光譜漂移的關系，建立光子晶體聚合物的光譜曲線與形變的對應 關系。將光子晶體聚合物與氧化鋁或者立方氮化硼或者金剛石進行混合，成型。將成型的拋光磨具固定在磨具夾具拋光片2上，磨具與工件基片6在拋光驅動系統(tǒng)1和基片驅 動系統(tǒng)8的驅動下相對運動，拋光脫落磨料5充滿拋光區(qū)。檢測光源9通過二向色鏡12 將激發(fā)光源通過鏡頭11入射到拋光區(qū)并激發(fā)光子晶體產(chǎn)生發(fā)射光，發(fā)射光通過鏡頭11 和二向色鏡12將漂移的光譜照射在檢測器件13，通過檢測平臺10的掃描運動，在計算 機上14得到檢測圖象。通過調節(jié)驅動轉速等參數(shù)，在拋光區(qū)得到磨料周圍不同的光譜圖 象，通過光譜圖象和加工表面的測試，我們得到最佳的拋光參數(shù)。
權利要求
1、一種基于光子晶體材料的超精密加工裝置，其特征在于本裝置包括拋光硬件系統(tǒng)(I)和光譜檢測系統(tǒng)(II)兩部分，所述拋光硬件系統(tǒng)(I)包括拋光片支持架動力系統(tǒng)(1)、拋光片(2)、支持夾具(3)、拋光脫落磨料(5)、基片(6)、基片支持架(7)、基片支持架動力系統(tǒng)(8)；拋光片支持架動力系統(tǒng)(1)的下端連接支持夾具(3)，支持夾具(3)的下端連接拋光片(2)，拋光片(2)的下端對應設置基片(6)，基片(6)的下端連接基片支持架(7)，基片支持架(7)的下端連接基片支持架動力系統(tǒng)(8)，上述拋光片(2)與基片(6)之間填充有拋光脫落磨料(5)；上述光譜檢測系統(tǒng)(II)包括檢測光源(9)、光譜掃描平臺(10)、掃描鏡頭(11)、二相色鏡(12)、檢測電荷耦合器件(13)、計算機(14)，上述光譜檢測系統(tǒng)II包括檢測光源(9)、光譜掃描平臺(10)、掃描鏡頭(11)、二相色鏡(12)、檢測電荷耦合器件(13)、計算機(14)，檢測光源(9)發(fā)射的檢測光通過二相色鏡(12)反射到光譜掃描平臺(10)上，并傳輸?shù)皆O置在光譜掃描平臺(10)上端的掃描鏡頭(11)上，上述檢測光經(jīng)過掃描鏡頭(11)到達基片支持架(7)，基片支持架(7)反射后傳輸?shù)皆O置在二相色鏡(12)下方的檢測電荷耦合器件(13)上，并傳輸?shù)接嬎銠C(14)上；上述拋光片支持架動力系統(tǒng)(1)、檢測光源(9)、檢測電荷耦合器件(13)分別與計算機(14)連接；上述拋光片支持架動力系統(tǒng)(1)與基片支持架動力系統(tǒng)(8)的轉動方向相反。
2、 一種利用權利要求1所述的基于光子晶體材料的超精密加工裝置的成像監(jiān)測方法，其特征在于所述成像監(jiān)測方法包括步驟一:上述拋光片(2)是由氧化鋁或者立方氮化硼或者金剛石與光子晶體聚合物按照l: l或l: 2或1: 3或1: 4的比例混合在一起，并利用聚合物磨具制備工藝加工 而成；步驟二啟動拋光片支持架動力系統(tǒng)(1)，支持夾具(2)在拋光片支持架動力系統(tǒng) (1)的帶動下使得拋光片(2)轉動；啟動基片支持架動力系統(tǒng)(8)，基片支持架(7) 在基片支持架動力系統(tǒng)(8)的帶動下使得基片(6)轉動；步驟三設置在拋光片(2)與基片(6)之間的拋光脫落磨料(5)在拋光硬件系統(tǒng) I內(nèi)拋光，同時產(chǎn)生一定的光譜；步驟四檢測光源(9)向二相色鏡(12)發(fā)射檢測光源，二相色鏡(12)將檢測光 源反射到光譜掃描平臺(10)上，并經(jīng)過掃描鏡頭(13)傳輸?shù)交С旨?7);步驟五上述步驟四中傳輸?shù)交С旨?7)上的檢測光源傳輸?shù)綑z測電荷耦合器 件(13)上，并將信號顯示在計算機(14)的屏幕上；步驟六計算機(14)對檢測電荷耦合器件(13)的信號進行監(jiān)測，得到拋光片(2)的光子晶體材料的光譜特性，同時計算光子晶體材料的光譜與形變的關系，可以獲得光子晶體局部的形變x;根據(jù)光子晶體材料的力學特性得到彈性模量K，利用胡克定律得到 局部的受力，步驟七計算機(14)根據(jù)步驟六的計算結果控制拋光片支持架動力系統(tǒng)(1)的轉動速度。
全文摘要
基于光子晶體材料的超精密加工裝置及其成像監(jiān)測方法，涉及機械制造業(yè)的技術領域，尤其涉及基于光子晶體材料的超精密加工裝置的技術領域。本發(fā)明的拋光片支持架動力系統(tǒng)的下端連接支持夾具，支持夾具的下端連接拋光片，拋光片的下端對應設置基片，拋光片與基片之間填充有拋光脫落磨料；檢測光源發(fā)射的檢測光通過二相色鏡反射到光譜掃描平臺上，并傳輸?shù)皆O置在光譜掃描平臺上端的掃描鏡頭上，上述檢測光經(jīng)過掃描鏡頭到達基片支持架。本發(fā)明實現(xiàn)了拋光效果好，能夠隨時監(jiān)測拋光區(qū)內(nèi)拋光片光譜特性，同時能夠及時獲得拋光片局部形變和受力參數(shù)的目的。
文檔編號B24B13/00GK101314212SQ200810100758
公開日2008年12月3日 申請日期2008年5月16日 優(yōu)先權日2008年5月16日
發(fā)明者左敦穩(wěn), 朱紀軍, 袁巨龍 申請人:東南大學