本實用新型涉及超精密加工技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于光電子/微電子半導(dǎo)體基片及光學(xué)表面的平面平坦化加工，具有可控動磁場的動態(tài)磁流變拋光裝置。

背景技術(shù)：

隨著科技的進步以及需求的增長，對光學(xué)元件光學(xué)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(yīng)用領(lǐng)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(dǎo)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(xué)元件和半導(dǎo)體基片必不可少的工序，其傳統(tǒng)工藝主要是高效研磨、超精密拋光、化學(xué)機械拋光和磁流變拋光，其加工質(zhì)量和精度直接決定了光學(xué)器件及半導(dǎo)體器件的性能。

磁流變拋光技術(shù)(Magnetorheological finishing,MRF)是20世紀90年代由KORDONSKI及其合作者將電磁學(xué)、流體動力學(xué)、分析化學(xué)、加工工藝學(xué)等相結(jié)合而提出的一種新型的光學(xué)表面加工方法，具有拋光效果好、不產(chǎn)生次表面損傷、適合復(fù)雜表面加工等傳統(tǒng)拋光所不具備的優(yōu)點，已發(fā)展成為一種革命性光學(xué)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(yīng)用于大型光學(xué)元件表面的最后加工工序，但在實際加工過程中，會出現(xiàn)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(yīng)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(fā)現(xiàn)利用拋光液循環(huán)方式難以實現(xiàn)“微磨頭”的持續(xù)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(tài)磁場自銳的磁流變?nèi)嵝話伖鈮|發(fā)生裝置及其拋光方法，完好地實現(xiàn)了磁流變?nèi)嵝話伖鈮|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(jié)構(gòu)的限制，因磁流變效應(yīng)產(chǎn)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。

本實用新型在上述研究的基礎(chǔ)上，提出一種可控動磁場的動態(tài)磁流變平坦化拋光裝置及其拋光方法，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，用勵磁線圈取代永磁體，以改變電流大小的方式來調(diào)節(jié)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?nèi)嵝話伖鈮|加工性能，提高磁流變的拋光效率，實現(xiàn)工件的均勻加工。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種加工效率高、裝置結(jié)構(gòu)簡單、操作方便且具有可控動磁場的動態(tài)磁流變拋光裝置。

本實用新型的目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種可控動磁場的動態(tài)磁流變拋光裝置，所述拋光裝置應(yīng)用于半導(dǎo)體基片得加工，主要包括底座、驅(qū)動單元、轉(zhuǎn)動托盤、杯形拋光盤、用于承托轉(zhuǎn)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(qū)動單元設(shè)置在底座上。所述轉(zhuǎn)動托盤由盤部和頸部組成，轉(zhuǎn)動托盤的頸部插入支撐套筒內(nèi)，并與驅(qū)動單元傳動連接，由驅(qū)動單元帶著轉(zhuǎn)動托盤轉(zhuǎn)動。所述杯形拋光盤固定安裝在轉(zhuǎn)動托盤的盤部上，杯形拋光盤內(nèi)裝有磁流變液，在轉(zhuǎn)動托盤轉(zhuǎn)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(zhuǎn)接頭和若干組勵磁線圈。所述勵磁線圈安裝在轉(zhuǎn)動托盤的盤部內(nèi)，所述變頻電源裝置固定在底座上，所述電線旋轉(zhuǎn)接頭安裝在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)接頭可以使變頻電源裝置和勵磁線圈之間在轉(zhuǎn)動托盤高速旋轉(zhuǎn)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(chǎn)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(zhuǎn)動托盤的旋轉(zhuǎn)而轉(zhuǎn)動，從而對工件實現(xiàn)超精密加工。

具體的，所述驅(qū)動單元用于帶著轉(zhuǎn)動托盤旋轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)動托盤的頸部，與轉(zhuǎn)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(qū)動轉(zhuǎn)動托盤旋轉(zhuǎn)。當(dāng)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(zhuǎn)動托盤上。

進一步的，所述拋光裝置還包括設(shè)置在轉(zhuǎn)動托盤頸部上的軸承端蓋、一對轉(zhuǎn)盤軸承、內(nèi)套筒和外套筒。所述軸承端蓋安裝轉(zhuǎn)動托盤的盤部與支撐套筒之間，用于將轉(zhuǎn)動托盤主軸定位在支撐套筒內(nèi)部，并保證其轉(zhuǎn)動時的精度，防止轉(zhuǎn)動托盤上端在轉(zhuǎn)動過程中出現(xiàn)偏擺現(xiàn)象，影響加工效果。所述轉(zhuǎn)盤軸承安裝在支撐套筒內(nèi)，所述內(nèi)套筒和外套筒設(shè)置于轉(zhuǎn)盤軸承之間，所述轉(zhuǎn)動托盤的頸部插入內(nèi)套筒內(nèi)，所述內(nèi)套筒套入外套筒內(nèi)。所述內(nèi)套筒和外套筒對轉(zhuǎn)盤軸承起固定作用，主要用于定位轉(zhuǎn)盤軸承的內(nèi)圈和外圈。

作為本實用新型的優(yōu)選方案，所述變頻電源裝置采用低頻高壓交變電源。優(yōu)選的，所述變頻電源裝置采用電壓為0.5KV-5KV且頻率為0.1-5Hz的交變電源。所述變頻電源裝置可以采用諧振波、鋸齒波、三角波等波形，同時確保是低頻高壓交流電源，這樣設(shè)計的好處在于有利形成一個行波磁場，通過改變電壓和頻率的大小可以實現(xiàn)磁場和“微磨頭”更新頻率的調(diào)節(jié)，從而獲得更好的拋光效果。

進一步的，所述勵磁線圈包括線圈繞線基體和若干匝數(shù)的銅線，所述線圈繞線基體上等間距設(shè)有繞線圓柱體，所述銅線纏繞在繞線圓柱體上。作為本實用新型的優(yōu)選方案，所述線圈繞線基體上的相鄰兩個繞線圓柱體的繞線方向相反，從而使繞線圓柱體的端面形成多個N極、S極相間的環(huán)形回路磁場，在交變電源的作用下產(chǎn)生電磁力，實現(xiàn)“微磨頭”的環(huán)形驅(qū)動。

本實用新型的另一目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種可控動磁場的動態(tài)磁流變拋光裝置的拋光方法，該方法具體包括如下步驟：

步驟S1:利用石蠟將工件貼在工具頭上，工件下表面與杯形拋光盤上表面平行，調(diào)節(jié)工件下表面與杯形拋光盤之間的間隙為0.5mm—5mm；

步驟S2:根據(jù)加工工件的特點和加工要求，在去離子水中加入如下三種磨料中的至少兩種磨料，三種磨料分別是濃度為2％～15％的微米級磨料、濃度為2％～15％的亞微米級磨料、濃度為2％～15％的納米級磨料，及去離子水中加入濃度為2％～20％的亞微米級羰基鐵粉及濃度為3％～15％的微米級羰基鐵粉，及加入濃度為3％～15％的分散劑和濃度為1％～6％的防銹劑，磨料加入后充分攪拌并通過超聲波震動5～30分鐘，形成磁流變液；

步驟S3:將磁流變液倒入杯形拋光盤中，根據(jù)加工工件的特點和加工要求，調(diào)節(jié)變頻電源裝置的輸出電流大小，從而產(chǎn)生磁場，在杯形拋光盤的上表面形成若干個動態(tài)微磨頭，這些微磨頭構(gòu)成打磨工件的柔性拋光墊；

步驟S4:啟動傳動電機，通過傳動帶帶動轉(zhuǎn)動托盤高速旋轉(zhuǎn)，并且驅(qū)動工具頭高速旋轉(zhuǎn)和低速擺動，對工件表面材料進行均勻拋光。

本實用新型的工作過程和原理是：本實用新型利用交變電場通過勵磁線圈產(chǎn)生動態(tài)磁場，并基于行波磁場的原理對磁流變液產(chǎn)生環(huán)形推動力，使磁流變液在杯形拋光盤表面形成環(huán)形旋轉(zhuǎn)的“微磨頭”。傳動電機通過帶著轉(zhuǎn)動托盤旋轉(zhuǎn)，使杯形拋光盤內(nèi)的“微磨頭”高速轉(zhuǎn)動，同時工件自身也在旋轉(zhuǎn)和擺動，這樣設(shè)計可以使工件表面打磨更光滑、加工效率更高。另外，通過勵磁交變電源頻率和電壓的優(yōu)化組合，可以實現(xiàn)磁場動態(tài)變化并可精確控制。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型還具有以下優(yōu)點：

(1)本實用新型所提供的可控動磁場的動態(tài)磁流變拋光裝置采用勵磁線圈取代永磁體可以根據(jù)加工需求實現(xiàn)磁場范圍和強度的快速調(diào)節(jié)。

(2)本實用新型所提供的可控動磁場的動態(tài)磁流變拋光裝置采用可精確調(diào)節(jié)磁場強度的勵磁線圈，免去了拆卸杯形拋光盤的繁瑣步驟，使拋光裝置的整體結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化、更合理。

(3)本實用新型所提供的可控動磁場的動態(tài)磁流變拋光裝置采用多組勵磁線圈產(chǎn)生多個柔性微磨頭，并使微磨頭之間的間距縮短，從而延遲了有效的加工時間，大大地提高了加工效率，獲得理想的加工效果。

附圖說明

圖1是本實用新型提供的動態(tài)磁流變拋光裝置的結(jié)構(gòu)剖視圖。

圖2是本實用新型提供的動態(tài)磁流變拋光裝置形成的微磨頭示意圖。

圖3是本實用新型可控動磁場的動態(tài)磁流變拋光裝置的拋光示意圖。

圖4是本實用新型所提供的單個線圈繞線基體的立體圖。

圖5是本實用新型所提供的單個線圈繞線基體的工作原理圖。

圖6是本實用新型所提供的勵磁線圈基于行波磁場的工作原理圖。

上述附圖中的標號說明：

1-傳動電機、2-第一固定螺釘、3-主動輪、4-平鍵、5-傳動帶、6-從動輪、7-電線旋轉(zhuǎn)接頭、8-第二固定螺釘、9-電線組、10-底座、11-第三固定螺釘、12-變頻電源裝置、13-第四固定螺釘、14-勵磁線圈、15-轉(zhuǎn)動托盤、16-第五固定螺釘、17-杯形拋光盤、18-軸承端蓋、19-支撐套筒、20-轉(zhuǎn)盤軸承、21-內(nèi)套筒、22-外套筒、23-第六固定螺釘、24-磁場、25-線圈繞線基體、26-磁流變拋光工作液、27-柔性拋光墊、28-工件、29-工具頭。

具體實施方式

為使本實用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚、明確，以下參照附圖并舉實施例對本實用新型作進一步說明。

實施例1：

如圖1、圖2和圖3所示，本實用新型公開了一種可控動磁場的動態(tài)磁流變拋光裝置，該拋光裝置主要包括有傳動電機1，第一固定螺釘2，主動輪3，平鍵4，傳動帶5，從動輪6，電線旋轉(zhuǎn)接頭7，第二固定螺釘8，電線9，底座10，第三固定螺釘11，變頻電源裝置12，第四固定螺釘13，勵磁線圈14，轉(zhuǎn)動托盤15，第五固定螺釘16，杯形拋光盤17，軸承端蓋18，支撐套筒19，轉(zhuǎn)盤軸承20，內(nèi)套筒21，外套筒22，第六固定螺釘23，磁場24。其中傳動電機1和變頻電源裝置12分別用第一固定螺釘2和第三固定螺釘13固定在底座10上，主動輪3用平鍵4連接在電機的輸出軸上，從動輪6和轉(zhuǎn)動托盤15通過第二固定螺釘8連接在一起，杯形拋光盤17又通過第五固定螺釘16連接在轉(zhuǎn)動托盤15上，勵磁線圈14用第四固定螺釘13固定在轉(zhuǎn)盤上端面，同時線圈通過電線組9和電線旋轉(zhuǎn)接頭7連接在變頻電源裝置12上，而且在轉(zhuǎn)動托盤15下端軸部安裝有一對轉(zhuǎn)盤軸承20，軸承的內(nèi)圈和外圈分別由內(nèi)套筒21和外套筒22進行壓緊固定，軸承上端有端蓋18進行定位，下端由從動輪6進行定位，在軸承外部有支撐套筒19對外套筒22進行定位固定，同時起到支撐作用，支撐套筒19用第六固定螺釘23固定在底座10上。傳動帶5連接主動輪3和從動輪6，在電機的帶動下整個拋光裝置轉(zhuǎn)動，勵磁線圈14通電后，形成一個動態(tài)的磁場24。

在本實施例中，柔性拋光墊27中“微磨頭”在拋光盤內(nèi)平面位置示意圖如圖2所示。

本實用新型還公開了一種可控動磁場的動態(tài)磁流變拋光裝置的拋光方法，該方法的具體步驟如下：

步驟S1:利用石蠟將工件28貼在工具頭29上，工件28下表面與杯形拋光盤17上表面平行，調(diào)節(jié)工件28下表面與杯形拋光盤17之間的間隙為1mm；

步驟S2:根據(jù)直徑為100mm的單晶碳化硅的特點和加工要求，在去離子水中加入濃度為4％的粒徑為4微米的金剛石磨料、濃度為3％的粒徑為200納米金剛石磨料，去離子水中加入濃度為3％的粒徑500納米級羰基鐵粉及濃度為3％的粒徑4微米級羰基鐵粉，及加入濃度為3％的分散劑和濃度為3％的防銹劑，充分攪拌后通過超聲波震動30分鐘，形成磁流變液26；

步驟S3:將磁流變拋光工作液26倒入杯形拋光盤17中，調(diào)節(jié)變頻電源裝置12的輸出電流大小，產(chǎn)生一定范圍和足夠強度的磁場24，在杯形拋光盤17的上表面形成數(shù)個動態(tài)“微磨頭”組成的柔性拋光墊27；

步驟S4:啟動傳動電機1，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速為120rpm，帶動轉(zhuǎn)動托盤15高速旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動工具頭29轉(zhuǎn)速為-200rpm，擺動速度10次/分，擺幅10mm，加工時間為90min，實現(xiàn)單晶碳化硅表面材料的高效率超光滑均勻拋光。

請參考圖3，圖3為本實用新型可控動磁場的動態(tài)磁流變拋光裝置的拋光示意圖。

本實用新型實施例中，勵磁線圈14是由若干匝數(shù)導(dǎo)電性能好的銅線繞在多個線圈繞線基體25上組成，并通過第四固定螺釘13固定在轉(zhuǎn)動托盤上。線圈繞線基體25相鄰的兩個圓柱體上導(dǎo)電銅線的繞向方向相反，基于行波磁場的原理，從而在基體6個圓柱端面形成N極、S極相間隔的環(huán)形回路磁場，在交流電源供電下，垂直于磁流變液26的磁感應(yīng)強度分量By產(chǎn)生感應(yīng)電流Jz，進而產(chǎn)生電磁力Fx，實現(xiàn)“微磨頭”環(huán)形驅(qū)動作用。

請參考圖4和圖5，圖4是本實用新型中單個線圈繞線基體三維示意圖和工作原理圖，圖6是本實用新型的勵磁線圈基于行波磁場的工作原理圖。

在上述實施例中，變頻電源裝置12選用低頻高壓交變電源，具體可以為0.5-5kV且頻率為0.1-5Hz的交變電源，當(dāng)然該電源的選用不限于此。

上述實施例中，加工對象不僅限于單晶碳化硅，也可以加工其他的半導(dǎo)體材料料，比如單晶硅、藍寶石等，但需要根據(jù)加工對象的特點和加工要求，在去離子水中加入如下三種磨料中的至少兩種磨料，三種磨料分別是濃度為2％～15％的微米級磨料、濃度為2％～15％的亞微米級磨料、濃度為2％～15％的納米級磨料，及去離子水中加入濃度為2％～20％的亞微米級羰基鐵粉及濃度為3％～15％的微米級羰基鐵粉，及加入濃度為3％～15％的分散劑和濃度為1％～6％的防銹劑，充分攪拌后通過超聲波震動5～30分鐘，形成加工該材料的相應(yīng)磁流變液26。

本實用新型利用交變電場通過勵磁線圈14產(chǎn)生動態(tài)磁場，并基于行波磁場的原理產(chǎn)生環(huán)形推動力，在杯形拋光盤17表面形成環(huán)形旋轉(zhuǎn)的微磨頭，通過勵磁交變電源頻率和電壓的優(yōu)化組合，實現(xiàn)磁場動態(tài)可控，用勵磁線圈14取代永磁體不僅可以實現(xiàn)磁場范圍和強度的快速調(diào)節(jié)，免去了拆卸杯形拋光盤17的繁瑣步驟，而且整體結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化，縮短柔性微磨頭之間的間距從而延長了有效加工時間，提升了加工效率。

上述實施例為本實用新型較佳的實施方式，但本實用新型的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本實用新型的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。