一种射流动压磁流变抛光装置及方法

技术领域

本发明涉及抛光工艺的技术领域，更具体地，涉及一种射流动压磁流变抛光装置及方法。

背景技术

现今世界各国正处于信息化发展新阶段，5G、XR、人工智能(AI)、物联网和云计算等先进技术的开发和应用电子信息技术的高速发展推动着世界经济体系向数字经济发展迈进。为此，电子信息技术的发展已然成为衡量国家尖端科技水平强弱的标准，其中以半导体材料为主的集成电路芯片(IC)技术发展尤为关键。

传统的半导体材料如单晶硅、碳化硅、砷化镓、蓝宝石等，一般都需要经过晶棒生长、切片、倒边、研磨、抛光等工序，要达到工业生产的使用要求，其表面精度需要达到超光滑程度(粗糙度Ra在1nm以下)，同时面型精度也有较高要求(面型精度在0.5μm以下)。现有国内外对半导体晶片的加工装置主要是高效研磨、超精密抛光、化学机械抛光等。集群磁流变抛光作为一种可用于半导体衬底基片平坦化加工的技术，利用磁流变液形成柔性抛光垫对加工表面进行材料去除加工。现有的集群磁流变研磨抛光装置，在抛光盘下方设置至少一个磁铁组件，每个磁铁组件均包括至少两个按预设规律排布的磁铁，以使磁流变抛光液形成的柔性抛光垫完全覆盖工件的表面。但是，该装置的抛光强度不大，加工效率比较低，同时工件与磁流变抛光垫发生挤压接触时，由于工件与抛光盘之间的相对运动，被挤压的磁性颗粒和磨料会受到离心力的作用下被甩出加工区域，从而降低抛光力，降低抛光质量，难以维持工件的加工稳定性，制约该工艺的进一步发展和应用。

发明内容

本发明目的在于克服现有的磁流变抛光装置由于被挤压的磁性颗粒和磨料会受到离心力的作用下被甩出加工区域导致的抛光力不足、抛光质量较差的缺陷，提供一种射流动压磁流变抛光装置及方法，使抛光液流经加工区域时能够由于下凹部的结构增加作用于工件表面的剪切力和正压力，提升抛光力以及抛光质量，使用该抛光装置以及方法可以提高工件表面的加工质量和加工效率。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一方面，本发明提供了一种射流动压磁流变抛光装置，包括底座，底座上设置工件动力结构，工件动力结构下方设置有能够覆盖加工面的磁铁；

所述工件动力结构包括动压顶盖和工件公旋转机构，所述工件公旋转机构用于使动压顶盖旋转，动压顶盖在工件的安装位置设有下凹部，所述下凹部斜边的斜率可根据实际情况调节，用以控制射流动压流体动压力的大小以及分布情况；

此外，所述装置还包括抛光盘，抛光液入口以及抛光液出口，抛光盘顶部与动压盖板密封连接，并形成空腔，待抛光工件的加工面与空腔抵接，抛光液入口设置在抛光盘底部的几何中心位置并与所述空腔连通，抛光液出口设置在抛光盘侧壁上并与所述空腔连通，抛光液入口设有用于输入抛光液的蠕动泵，抛光液在磁铁的磁流变效应下在正对待抛光工件的位置处形成磁流变抛光垫。

另一方面，本发明还公开一种射流动压磁流变抛光方法，其包含了所述抛光装置工作原理，具体包括以下步骤：

步骤S1、根据加工工件的特点，选择合适磁场强度的磁铁，采用相邻同磁极或相邻异磁极方式安装于工件动力结构下部，同时，将抛光盘安装在底座上；

步骤S2、将加工工件通过真空吸附或者贴蜡的方式装夹在动压顶盖的下凹部上，使工件的加工面位于抛光装置的抛光范围内；

步骤S3、在动压顶盖与抛光盘之间安装密封结构，调节动压顶盖至动压顶盖的下凹部的底面距离抛光盘1-5mm；

步骤S4、在去离子水中加入浓度为1％-10％的微米级磨料、加入浓度为15％-60％的微米级羰基铁粉、加入浓度为2％-10％的分散剂、加入浓度为1％-10％的稳定剂，采用磁力搅拌器搅拌5-20分钟后通过超声波震动5-20分钟，形成磁流变抛光液；

步骤S5、通过蠕动泵将步骤S4所制得的磁流变抛光液从抛光液入口注入，抛光液从抛光液出口流出，抛光液在磁铁的磁流变效应下形成磁流变抛光垫；

步骤S6、启动工件公旋转机构带动动压顶盖以10-100r/min的转速转动，抛光盘上端的磁流变抛光液在磁铁形成的复合磁场的激励作用下，形成具有粘弹性的磁流变抛光垫，工件与磁流变抛光垫在下凹部区域内动压接触，通过加工工件与磁流变抛光垫的相对运动可以实现加工工件高效、超光滑无损伤磁流变抛光。

进一步地，动压顶盖上设有一个或者多个下凹部，下凹部的数量大于一个时，其沿动压顶盖的几何中心旋转对称设置，使动压顶盖在转动时能够尽量保持受力平衡。

进一步地，该装置还包括磁场动力结构，所述磁铁设置在磁场动力结构的顶面，磁场动力结构包括磁铁转动轴以及固定在底座上的第一电机，第一电机的输出轴通过传动部与磁铁转动轴连接，带动磁铁转动轴转动。优选地，所述传动部包括与第一电机的输出轴连接的主动皮带轮、与磁铁转动轴啮合连接的从动皮带轮，以及套设在主动皮带轮和从动皮带轮侧壁上的同步带。

进一步地，磁铁转动轴的顶部与抛光盘底面之间留有空隙，一个或者多个所述磁铁设置在磁铁转动轴的顶部，磁铁与抛光盘底面的间距为0.5mm至5mm之间的任一数值，所述磁铁为环形永磁铁，环形永磁铁的磁场强度为2000Gs至6000Gs之间的任一数值。环形永磁铁的内外径(即最小内径与最大外径)之差大于工件的底面面积，确保由环形永磁铁产生的磁流变抛光垫能够完全覆盖住加工区域。需要说明的是，设置多个环形永磁铁的情况下，相邻两个环形永磁铁的磁极方向可以采用同向或者异向的排布方式。

进一步地，工件公旋转机构包括第二电机以及转动主轴，转动主轴一端与第二电机的输出轴连接，另一端连接动压顶盖的几何中心位置。

进一步地，动压顶盖通过第一紧固螺钉与转动主轴的底部连接，能够以10-100r/min的转速相对于抛光盘转动，抛光盘顶部与动压盖板之间设有第二密封圈。

进一步地，所述工件动力结构还包括工件自旋转机构，工件自旋转机构包括第三电机、第三电机盘、凸型底板以及工件盘，凸形底板设置在下凹部上且其中间设有通孔，第三电机安装在凸形底板上，第三电机的第三电机转轴穿过凸形底板与工件盘连接，工件盘与动压顶盖通过第一密封圈密封连接。优选地，第三电机通过第二紧固螺钉固定连接在凸形底板上，凸形底板的下端通过第三紧固螺钉固定在动压顶盖上。

进一步地，还包括底板，底座固定连接在底板上，底板上还固定连接有弓形支架，所述直线位移机构固定在弓形支架上。

进一步地，所述工件动力结构还包括直线位移机构，直线位移机构包括导轨面板以及第四电机，导轨面板表面设有竖直方向的行程导轨，工件公旋转机构滑动连接在行程导轨上并与第四电机的输出轴连接，在第四电机的驱动下，工件公旋转机构能够沿行程导轨上下移动，进而调节动压顶盖与抛光盘之间的距离。

本发明的有益效果是：

1.动压顶盖结构设置有下凹部，磁流变抛光液流经下凹部所在的加工/抛光区域时，磁流变抛光液由大口流向小口，受到挤压形成更稳定的磁流变抛光垫，有效增强了作用于工件表面的剪切力和正压力，实现羰基铁粉颗粒和磨料颗粒的实时更新，柔性抛光垫的几何形状和抛光能力得到恢复，提高抛光效果；

2.采用磁场动力结构，使磁铁与抛光盘之间相对转动，磁铁形成稳定的动态磁场，在动态磁场作用下可以控制磁流变抛光液形成稳定的磁流变抛光垫，并且，磁流变抛光液在动态磁场和磁流变抛光液流动的作用下实现回流更新。

附图说明

图1为本发明的射流动压磁流变抛光装置的结构示意图；

图2为图1中A-A处的剖面图；

图3为本发明的射流动压磁流变抛光装置的抛光加工示意图；

图4为图3中B-B处的剖面图；

图5为图3中C-C处的剖面图；

图6为本发明的射流动压磁流变抛光方法的流程图。

附图中：

1-底板，2-底座，3-第一深沟球轴承，4-第二深沟球轴承，5-第一环形永磁铁，6-第二环形永磁铁，7-抛光盘，8-磁流变抛光垫，9-抛光液出口，11-动压顶盖，13-工件盘，14-凸形底板，15-第三电机转动轴，16-第三电机，17-转动主轴，18-第一紧固螺钉，19-第二紧固螺钉，20-第一联轴器，21-第三紧固螺钉，22-第一密封圈，23-第二密封圈，24-第四紧固螺钉，25-第一电机，26-第五紧固螺钉，27-第一电机转动轴，28-第二联轴器，29-皮带轮转动轴，30-主动皮带轮，31-紧固螺母，32-同步带，33-第六紧固螺钉，34-从动皮带轮，35-第七紧固螺钉，36-抛光液入口，37-带轮紧固件，38-磁铁转动轴，39-轴承内套筒，40-法兰盘，41-弓形支架，42-导轨面板，43-行程导轨，44-第二电机，45-第四电机。

附图中箭头的指向表示抛光液的流动方向。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

实施例一：

参阅图1至图5，本实施例提供了一种射流动压磁流变抛光装置，主要用于对晶圆表面进行研磨抛光，包括底座2，以及设置在底座2上的磁场动力结构和工件动力结构。

其中，所述磁场动力结构包括磁铁转动轴38以及第一电机25，磁铁转动轴38为圆柱形空腔结构。第一电机25通过第五螺钉26固定连接在底座2上，第一电机转动轴27通过第二联轴器28与皮带轮传动轴29连接，皮带轮传动轴29依次连接主动皮带轮30、同步带32、从动皮带轮34，从动皮带轮34与磁铁转动轴38啮合连接，带动磁铁转动轴38转动。磁铁转动轴38的底部通过第七螺钉35固定有一带轮紧固件37，用于紧固从动皮带轮34与磁铁转动轴38，避免二者发生打滑。

所述工件动力结构包括动压顶盖11，能够调节动压顶盖11高度位置的直线位移机构，能够驱动动压顶盖11转动的工件公旋转机构，以及能够驱动工件自转的工件自旋转机构。工件公旋转机构包括第二电机44以及转动主轴17，转动主轴17一端与第二电机44的输出轴连接，另一端连接动压顶盖11的几何中心位置，并通过第一紧固螺钉18固定。动压顶盖11上设有6个下凹部，下凹部绕动压顶盖11的几何中心圆周等距设置，下凹部的中心设有用于伸入待抛光工件的工作孔。需要说明的是，下凹部的数量并不作具体限制，可以在合理范围内增加下凹部的数量以增加同时加工的工件数量，提高加工效率。作为优选，下凹部的数量大于一个时，其沿动压顶盖11的几何中心旋转对称设置，使动压顶盖11在转动时能够尽量保持受力平衡。所述工件自旋转机构设置在每一个下凹部上，任一工件自旋转机构包括中间设有通孔的凸形底板14，凸形底板14通过第三紧固螺钉21固定在动压顶盖11上。第三电机16通过第二紧固螺钉19固定在凸形底板14顶面，安装后，第三电机16的第三电机转轴15穿过所述通孔并与第一联轴器20连接，第一联轴器20连接工件盘13。工件盘13安装在下凹部的工作孔中，其底面通过真空吸附的方式固定待抛光工件，工件盘13与动压顶盖11之间设有第一密封圈22。

工件动力结构还包括抛光盘7，抛光盘7顶面敞口，设置在动压顶盖11的下方，并且通过第二密封圈23与动压顶盖11形成密封连接。动压顶盖11与抛光盘7形成密封腔结构，抛光盘7底部设有抛光液入口36，本实施例中，抛光液入口36设置在抛光盘7底面的几何中心处，抛光液入口36连接一蠕动泵(图中未示出)，所述蠕动泵用于将抛光液输入至所述密封腔结构内。抛光盘7的侧壁上设有抛光液出口9，抛光液出口9与所述密封腔结构连通，用于排出抛光液。

磁铁转动轴38的顶部设有第一环形永磁铁5和第二环形永磁铁6，第一环形永磁铁5设置在内侧，其内侧边缘与转动主轴17的间距小于工件内侧边与转动主轴17的间距。同样地，第二环形永磁铁6的外侧边缘与转动主轴17的间距大于工件外侧边与转动主轴17的间距，以确保第一环形永磁铁5以及第二环形永磁铁6的顶面积能够覆盖工件的底面，即加工面。抛光液在密封腔结构内流动时，在磁铁的磁流变效应下能够形成磁流变抛光垫8，所述磁流变抛光垫8能够完全覆盖工件的底面，即加工面。

实施例二：

本实施例提供一种射流动压磁流变抛光方法，使用如实施例一所述的射流动压磁流变抛光装置，参阅图6，该抛光方法包括以下步骤：

步骤S1、根据加工工件的特点，选择合适磁场强度的第一环形永磁铁5以及第二环形永磁铁6，采用相邻同磁极的方式安装于磁铁转动轴38上端，将抛光盘7安装在底座2上；

步骤S2、将加工工件通过真空吸附的方式装夹在工件盘13上，使加工工件位于抛光装置的加工区域内；

步骤S3、将动压顶盖11安装在转动主轴17下端，动压顶盖11与抛光盘7之间安装第二密封圈23，启动直线位移机构将动压顶盖11下降至其与抛光盘7的间距为1mm；

步骤S4、在去离子水中加入浓度为1％的微米级磨料、加入浓度为15％的微米级羰基铁粉、加入浓度为1％的分散剂、加入浓度为1％的稳定剂，采用磁力搅拌器搅拌20分钟后通过超声波震动20分钟，形成磁流变抛光液；

步骤S5、通过蠕动泵将步骤S4所制得的磁流变抛光液从抛光液入口36注入，抛光液从抛光液出口9流出，抛光液在第一环形永磁铁5以及第二环形永磁铁6的磁流变效应下形成磁流变抛光垫8；

步骤S6、启动第三电机16带动工件盘13以50r/min的转速转动，启动第二电机44带动动压顶盖11以10r/min的转速绕转动主轴17转动，启动第一电机25带动磁铁转动轴38以及磁铁以10r/min的转速相对抛光盘7转动。需要说明的是，磁铁的旋转方向与动压顶盖11的旋转方向相反。抛光盘7上端的磁流变抛光液在磁铁形成的复合磁场的激励作用下，形成具有粘弹性的磁流变抛光垫8，加工工件与磁流变抛光垫8在下凹部区域内动压接触，通过加工工件与磁流变抛光垫8的相对运动可以实现加工工件高效、超光滑无损伤磁流变抛光。

实施例三：

参阅图1、图3以及图4，在实施例一的基础上，所述射流动压磁流变抛光装置还包括底板1，底座2通过第八螺钉31固定在底板1上。此外，还设有一弓形支架41，弓形支架41的底端与底板1一体式连接，弓形支架41的另一端连接所述直线位移机构。所述直线位移机构包括导轨面板42以及第四电机45，导轨面板42的表面设有竖直方向的行程导轨43。第二电机44的安装架与行程导轨43滑动连接，且所述安装架与第四电机45的输出端连接。启动第四电机45时，第二电机44的安装架能够沿行程导轨43上下移动，由于第二电机44、转动主轴17与动压顶盖11固定连接，进而实现对于动压顶盖11的高度的调节，改变工件与磁流变抛光垫8之间的距离。将工件通过贴蜡的方式装夹在工件盘13上，使使加工工件位于抛光装置的加工区域内，密封安装好动压顶盖11以及抛光盘7后，启动第四电机45，使动压顶盖11下降至其与抛光盘7的间距为5mm。

配制磁流变抛光液，在去离子水中加入浓度为10％的微米级磨料、加入浓度为60％的微米级羰基铁粉、加入浓度为10％的分散剂、加入浓度为10％的稳定剂，采用磁力搅拌器搅拌5分钟后通过超声波震动5分钟。

配置好的磁流变抛光液通过蠕动泵(图中未示出)从抛光液入口36注入动压顶盖11以及抛光盘7形成的密封腔中，抛光液在磁铁的磁流变效应下形成磁流变抛光垫8，然后从抛光液出口9流出。

所述密封腔中充满抛光液后，启动第三电机16带动工件盘13以500r/min的转速转动，启动第二电机44带动动压顶盖以100r/min的转速绕转动主轴17转动，启动第一电机25带动磁铁转动轴38以及磁铁以50r/min的转速相对抛光盘7转动，抛光盘7上端的磁流变抛光液在磁铁形成的复合磁场的激励作用下，形成具有粘弹性的磁流变抛光垫8，加工工件与磁流变抛光垫8在下凹部区域内动压接触，对工件底面进行抛光打磨。

实施例四：

参阅图1至图3，以及图5，在上述任一射流动压磁流变抛光装置的基础上，本实施例中的磁铁转动轴38的顶部与抛光盘7底面之间留有空隙。底座2与抛光盘7通过第四紧固螺钉24连接，旋拧第四紧固螺钉24可以调节底座2与抛光盘7的间距，进而调节抛光盘7与安装在磁铁转动轴38顶面的磁铁的间距，使该间距在0.5-5mm的范围内可调。

磁铁转动轴38为空心的圆柱体结构，所述蠕动泵(图中未示出)安装在磁铁转动轴38的空腔内，并与抛光液入口36连接。磁铁转动轴38的外侧壁设有第一深沟球轴承3以及第二深沟球轴承4，第一深沟球轴承3和第二深沟球轴承4通过法兰盘40和轴承内套筒39固定，其中，法兰盘40通过第六螺钉33与底座2固定连接。第一深沟球轴承3、第二深沟球轴承4主要承受径向载荷，也可同时承受径向载荷和轴向载荷，当其仅承受径向载荷时，接触角为零。当深沟球轴承具有较大的径向游隙时，具有角接触轴承的性能，可承受较大的轴向载荷，深沟球轴承的摩擦系数很小，极限转速也很高，因此可以承受磁铁转动轴38最高达50r/min的转速转动。

根据加工物的特点，选择磁场强度为2000Gs的第一环形永磁铁5以及第二环形永磁铁6，并将两块磁铁安装在磁铁转动轴38的顶面。两块磁铁采用相邻异磁极的方式安装。调节第四紧固螺钉24，使磁铁顶面与抛光盘7底面的间距为0.5mm。然后将加工工件固定装夹在工件盘13上，在工件盘13外周安装第一密封圈22，使工件盘13与动压顶盖11密封连接，同时确保工件位于加工区域内，也就是说，工件位于第一环形永磁铁5以及第二环形永磁铁6形成的区域内。接着，将动压顶盖11安装在转动主轴17下端，动压顶盖11与抛光盘7之间安装第二密封圈23，启动直线位移机构将动压顶盖11下降至与抛光盘7相距1mm。配置如实施例二或者实施例三所述的磁流变抛光液，通过蠕动泵注入抛光液入口36。

所述密封腔中充满抛光液后，启动第三电机16带动工件盘13以200r/min的转速转动，启动第二电机44带动动压顶盖以50r/min的转速绕转动主轴17转动，启动第一电机25带动磁铁转动轴38以及磁铁以50r/min的转速相对抛光盘7转动，抛光盘7上端的磁流变抛光液在磁铁形成的复合磁场的激励作用下，形成具有粘弹性的磁流变抛光垫8，加工工件与磁流变抛光垫8在下凹部区域内动压接触，对工件底面进行抛光打磨。

在上述具体实施方式的具体内容中，各技术特征可以进行任意不矛盾的组合，为使描述简洁，未对上述各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。