專利名稱：基于摩擦發(fā)光的超精密加工裝置及其圖像監(jiān)測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)械制造業(yè)的技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及基于摩擦發(fā)光化合物的超精密加工裝 置的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
超精密加工工藝在大面積硅片和光學(xué)玻璃的拋光加工中是主導(dǎo)方法。半固著磨料在 超精密加工的應(yīng)用和研究越來越得到重視。但是，隨著硅片直徑的加大，對(duì)于半固著磨 料在拋光區(qū)的分布的研究要求越來越高，同時(shí)磨料在加工區(qū)的分布也成為影響加工的表 面粗糙度的關(guān)鍵因素。本發(fā)明利摩擦發(fā)光磨料，研制超精密加工的材料的磨料在加工區(qū) 分布的基本問題，并為新的拋光工具的研制提供手段。大面積半導(dǎo)體硅片和光學(xué)材料在電子和光學(xué)高端檢測(cè)的行業(yè)需求日益增加。隨著目 前12英寸硅片投入生產(chǎn)，對(duì)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(lǐng)域，研制面向大面積硅片微細(xì)加工的設(shè)備的驅(qū)動(dòng)一直沒有停止。例如研制大面積 的STEP暴光設(shè)備、大直徑硅錠的生長(zhǎng)設(shè)備、大直徑硅片的切、磨、拋等設(shè)備的研究一 直都是先進(jìn)制造的攻關(guān)對(duì)象。目前，國(guó)內(nèi)許多高校和研究所在大面積硅片的磨削、拋光 設(shè)備的研究進(jìn)行了一定的研究例如大連理工大學(xué)開發(fā)了硅片自旋轉(zhuǎn)的磨拋設(shè)備、浙江 工業(yè)大學(xué)i袁巨龍教授提出利用半固著磨料進(jìn)行拋光的原理等等。國(guó)外這方面的研究一直 也很多，德國(guó)、日本相關(guān)的電子裝備的制造廠家研制了多種大面積的拋光設(shè)備并產(chǎn)業(yè)化。 由于這些設(shè)備屬于高技術(shù)范疇，通常這些設(shè)備無法進(jìn)口，必須進(jìn)行自主創(chuàng)新開發(fā)。由于 我國(guó)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，因此國(guó)產(chǎn)的大面積磨 拋設(shè)備面市的很少，同時(shí)相關(guān)原始創(chuàng)新的研究也很少。并且由于電子制造行業(yè)的技術(shù)門 檻高和行業(yè)的內(nèi)在習(xí)慣，國(guó)產(chǎn)設(shè)備在生產(chǎn)線上的可靠性也沒有得到充分的驗(yàn)證，而無法 直接在生產(chǎn)線上應(yīng)用。目前，在大面積磨拋的領(lǐng)域，我們自主創(chuàng)新的產(chǎn)品工藝不多也制 約了相關(guān)設(shè)備的研制。但是，大面積硅片磨拋等相關(guān)設(shè)備最近兩年列入江蘇省科技攻關(guān) 計(jì)劃，開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的設(shè)備對(duì)于提高自主創(chuàng)新水平具有十分重要的意義。浙江工業(yè)大學(xué)精密加工實(shí)驗(yàn)室袁巨龍教授綜述提出了半固著磨料在拋光中占有重要 的位置。與前面的問題類似，半固著磨料在拋光區(qū)如何工作的問題研究特別少。目前， 對(duì)于固著磨料，例如砂輪、砂帶等進(jìn)行磨削工具的表面形貌的研究比較普遍。對(duì)于半固 著磨料許多研究都從整體效應(yīng)進(jìn)行考慮，各種提高半固著磨料的方法例如磁場(chǎng)、電泳等 得到研究，但是對(duì)于加工區(qū)磨料如何分布、停留的時(shí)間等基礎(chǔ)問題的研究很少。隨著研 究的深入，對(duì)于加工區(qū)的磨料分布的研究顯得特別重要。袁巨龍教授提出利用熒光材料 監(jiān)測(cè)加工環(huán)境，但是由于熒光材料的引入可能對(duì)拋光區(qū)有影響和加工背景對(duì)熒光檢測(cè)的 影響，效果不十分明顯。機(jī)械發(fā)光和摩擦發(fā)光是一種古老的現(xiàn)象，目前在晶體材料介電 性能的研究中摩擦發(fā)光研究很多，同時(shí)高強(qiáng)度的摩擦發(fā)光材料的研究最近也有報(bào)道。 Nathan C Eddingsaas和Kenneth S Suslick研究表明通過超聲摩擦發(fā)光可以提高發(fā)光的效 率。因此，我們提出利用摩擦發(fā)光材料與半固著磨料的混合物進(jìn)入加工區(qū)，通過檢測(cè)摩 擦發(fā)光現(xiàn)象就可以監(jiān)測(cè)半固著磨料拋光的在線過程。這對(duì)于解決半固著磨料拋光的基本 問題提出了一種可行的辦法。發(fā)明內(nèi)容技術(shù)問題本發(fā)明提供一種通過監(jiān)測(cè)半固著磨料拋光的在線過程，我們可以優(yōu)化磨 料在拋光區(qū)的停留時(shí)間和磨料輸送拋光區(qū)的方式，從而提高拋光效率的基于摩擦發(fā)光的 超精密加工裝置及其圖像監(jiān)測(cè)方法。技術(shù)方案本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用如下的技術(shù)方案本發(fā)明的加工裝置本裝置包括拋光硬件系統(tǒng)和光譜檢測(cè)系統(tǒng)兩部分，所述拋光硬件 系統(tǒng)包括拋光片支持架動(dòng)力系統(tǒng)、拋光片、支持夾具、摩擦發(fā)光磨料、磨料、基片、基 片支持架、基片支持架動(dòng)力系統(tǒng)；拋光片支持架動(dòng)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(duì)應(yīng)設(shè)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(dòng)力系統(tǒng)，上述拋光片與基片之間分別填充有摩擦發(fā)光磨 料、磨料；上述光譜檢測(cè)系統(tǒng)包括檢測(cè)光源、光譜掃描平臺(tái)、掃描鏡頭、二相色鏡、檢 測(cè)電荷耦合器件、計(jì)算機(jī)，檢測(cè)光源發(fā)射的檢測(cè)光通過二相色鏡反射到光譜掃描平臺(tái)上， 并傳輸?shù)皆O(shè)置在光譜掃描平臺(tái)上端的掃描鏡頭上，上述檢測(cè)光經(jīng)過掃描鏡頭到達(dá)基片支 持架，基片支持架反射后傳輸?shù)皆O(shè)置在二相色鏡下方的檢測(cè)電荷耦合器件上，并傳輸?shù)?計(jì)算機(jī)上；上述拋光片支持架動(dòng)力系統(tǒng)、檢測(cè)光源、檢測(cè)電荷耦合器件分別與計(jì)算機(jī)連接；上述拋光片支持架動(dòng)力系統(tǒng)與基片支持架動(dòng)力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反但速度不同。 本發(fā)明利用基于摩擦發(fā)光的超精密加工裝置的圖像監(jiān)測(cè)方法包括 步驟一:上述摩擦發(fā)光磨料或磨料是由氧化鋁或者立方氮化硼或者金剛石與含有8羥基喹啉金屬配合物的聚合物發(fā)光材料按照1: l或l: 2或1: 3或1: 4的比例混合而成，利用聚合物磨具工藝制備而成；步驟二啟動(dòng)拋光片支持架動(dòng)力系統(tǒng)，支持夾具在拋光片支持架動(dòng)力系統(tǒng)的帶動(dòng)下使得拋光片轉(zhuǎn)動(dòng)；啟動(dòng)基片支持架動(dòng)力系統(tǒng)，基片支持架在基片支持架動(dòng)力系統(tǒng)的帶動(dòng)下使得基片轉(zhuǎn)動(dòng)；步驟三設(shè)置在拋光片與基片之間的摩擦發(fā)光磨料或普通磨料在拋光硬件系統(tǒng)I內(nèi) 拋光，同時(shí)產(chǎn)生一定的光譜；步驟四上述步驟三中產(chǎn)生的光譜圖象由安裝在掃描平臺(tái)上的掃描鏡頭進(jìn)行檢測(cè)， 掃描鏡頭的光線通過二向色鏡入射到檢測(cè)電荷耦合器件的靶面上，并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上；步驟五計(jì)算機(jī)對(duì)檢測(cè)電荷耦合器件的信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到拋光區(qū)的光譜圖象，從 而實(shí)時(shí)顯示拋光區(qū)的工藝過程。本發(fā)明的摩擦發(fā)光磨料采用自組裝的方法將摩擦發(fā)光集合物包容磨料周圍。首先將氧化鋁或者立方氮化硼或者金剛石與含有8羥基喹啉金屬配合物的聚合物發(fā)光材料進(jìn)行混合，在一定的比例(1: l或l: 2或1: 3或1: 4)下進(jìn)行成型，在磨料的表面修飾光 子晶體材料，將修飾磨料與微修飾磨料加入拋光區(qū)，在拋光區(qū)進(jìn)行半固著磨料的拋光實(shí) 驗(yàn)。接著在在線監(jiān)測(cè)的設(shè)備上進(jìn)行半固著磨料拋光監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)。利用光譜掃描檢測(cè)摩擦發(fā) 光的光譜特性，通過光譜特性的統(tǒng)計(jì)分析研究磨料在拋光區(qū)的分布，研究半固著磨料拋 光的機(jī)理。通過監(jiān)測(cè)半固著磨料拋光的在線過程，我們可以優(yōu)化磨料在拋光區(qū)的停留時(shí) 間(工件和磨具的旋轉(zhuǎn)速度)和磨料輸送拋光區(qū)的方式(位置、壓力)，從而提高大面積 硅片的拋光效率。有益效果本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn) 本發(fā)明針對(duì)目前半固著磨料拋光過程中磨料在拋光區(qū)分布統(tǒng)計(jì)分析存在的問題，研 制具有摩擦發(fā)光的磨料，并監(jiān)測(cè)拋光區(qū)磨料的發(fā)光特性從而從統(tǒng)計(jì)角度研究半固著磨料拋光的機(jī)理。本發(fā)明從摩擦發(fā)光的基礎(chǔ)研究半固著磨料在拋光區(qū)的分布與停留，提供一 種新的拋光工藝。通過監(jiān)測(cè)半固著磨料拋光的在線過程，可以優(yōu)化磨料在拋光區(qū)的停留 時(shí)間(工件和磨具的旋轉(zhuǎn)速度)和磨料輸送拋光區(qū)的方式(位置、壓力)，從而提高大面積硅片的拋光效率。


圖l是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理圖。圖中拋光片支持架動(dòng)力系統(tǒng)l;拋光片2;支持夾具3;摩擦發(fā)光磨料4;磨料5; 基片6;基片支持架7;支持架動(dòng)力系統(tǒng)8;檢測(cè)光源9;光譜掃描平臺(tái)10;掃描鏡頭ll; 二相色鏡12;檢測(cè)電荷耦合器件13;計(jì)算機(jī)14。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明，如圖1所示，本發(fā)明的超精密加工裝置包括拋光硬件系統(tǒng)i和光譜檢測(cè)系統(tǒng)n兩部分，所述拋光硬件系統(tǒng)I包括拋光 片支持架動(dòng)力系統(tǒng)l、拋光片2、支持夾具3、摩擦發(fā)光磨料4、磨料5、基片6、基片支 持架7、基片支持架動(dòng)力系統(tǒng)8;拋光片支持架動(dòng)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(duì)應(yīng)設(shè)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(dòng)力系統(tǒng)8，上述拋光片2與基片6之間分 別填充有摩擦發(fā)光磨料4、磨料5;上述光譜檢測(cè)系統(tǒng)II包括檢測(cè)光源9、光譜掃描平臺(tái) 10、掃描鏡頭ll、 二相色鏡12、檢測(cè)電荷耦合器件13、計(jì)算機(jī)14，檢測(cè)光源9發(fā)射的 檢測(cè)光通過二相色鏡12反射到光譜掃描平臺(tái)10上，并傳輸?shù)皆O(shè)置在光譜掃描平臺(tái)10上 端的掃描鏡頭11上，上述檢測(cè)光經(jīng)過掃描鏡頭11到達(dá)基片支持架7，基片支持架7反射 后傳輸?shù)皆O(shè)置在二相色鏡12下方的檢測(cè)電荷耦合器件13上，并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)14上；上 述拋光片支持架動(dòng)力系統(tǒng)l、檢測(cè)光源9、檢測(cè)電荷耦合器件13分別與計(jì)算機(jī)14連接； 上述拋光片支持架動(dòng)力系統(tǒng)1與基片支持架動(dòng)力系統(tǒng)8的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反但速度不同。 本發(fā)明基于摩擦發(fā)光的超精密加工裝置的圖像監(jiān)測(cè)方法包括如下步驟 步驟一:上述摩擦發(fā)光磨料4或磨料5是由氧化鋁或者立方氮化硼或者金剛石與含有8羥基喹啉金屬配合物的聚合物發(fā)光材料按照1: l或l: 2或1: 3或1: 4的比例混合而 成，利用聚合物磨具工藝制備而成；步驟二啟動(dòng)拋光片支持架動(dòng)力系統(tǒng)1，支持夾具2在拋光片支持架動(dòng)力系統(tǒng)1的帶動(dòng)下使得拋光片2轉(zhuǎn)動(dòng)；啟動(dòng)基片支持架動(dòng)力系統(tǒng)8，基片支持架7在基片支持架動(dòng)力系統(tǒng)8的帶動(dòng)下使得基片6轉(zhuǎn)動(dòng)；步驟三設(shè)置在拋光片2與基片6之間的摩擦發(fā)光磨料4或普通磨料5在拋光硬件 系統(tǒng)I內(nèi)拋光，同時(shí)產(chǎn)生一定的光譜；步驟四上述步驟三中產(chǎn)生的光譜圖象由安裝在掃描平臺(tái)10上的掃描鏡頭11進(jìn)行 檢測(cè)，掃描鏡頭11的光線通過二向色鏡12入射到檢測(cè)電荷耦合器件13的靶面上，并傳 輸?shù)接?jì)算機(jī)14上；步驟五計(jì)算機(jī)14對(duì)檢測(cè)電荷耦合器件13的信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到拋光區(qū)的光譜圖 象，從而實(shí)時(shí)顯示拋光區(qū)的工藝過程。
權(quán)利要求
1、一種基于摩擦發(fā)光的超精密加工裝置，其特征在于本裝置包括拋光硬件系統(tǒng)(I)和光譜檢測(cè)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(dòng)力系統(tǒng)(1)、拋光片(2)、支持夾具(3)、摩擦發(fā)光磨料(4)、磨料(5)、基片(6)、基片支持架(7)、基片支持架動(dòng)力系統(tǒng)(8)；拋光片支持架動(dòng)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(duì)應(yīng)設(shè)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(dòng)力系統(tǒng)(8)，上述拋光片(2)與基片(6)之間分別填充有摩擦發(fā)光磨料(4)、磨料(5)；上述光譜檢測(cè)系統(tǒng)(II)包括檢測(cè)光源(9)、光譜掃描平臺(tái)(10)、掃描鏡頭(11)、二相色鏡(12)、檢測(cè)電荷耦合器件(13)、計(jì)算機(jī)(14)，檢測(cè)光源(9)發(fā)射的檢測(cè)光通過二相色鏡(12)反射到光譜掃描平臺(tái)(10)上，并傳輸?shù)皆O(shè)置在光譜掃描平臺(tái)(10)上端的掃描鏡頭(11)上，上述檢測(cè)光經(jīng)過掃描鏡頭(11)到達(dá)基片支持架(7)，基片支持架(7)反射后傳輸?shù)皆O(shè)置在二相色鏡(12)下方的檢測(cè)電荷耦合器件(13)上，并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)(14)上；上述拋光片支持架動(dòng)力系統(tǒng)(1)、檢測(cè)光源(9)、檢測(cè)電荷耦合器件(13)分別與計(jì)算機(jī)(14)連接；上述拋光片支持架動(dòng)力系統(tǒng)(1)與基片支持架動(dòng)力系統(tǒng)(8)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反但速度不同。
2、一種利用權(quán)利要求1所述的基于摩擦發(fā)光的超精密加工裝置的圖像監(jiān)測(cè)方法， 其特征在于所述圖像監(jiān)測(cè)方法包括步驟一:上述摩擦發(fā)光磨料(4)或磨料(5)是由氧化鋁或者立方氮化硼或者金剛石與含有8羥基喹啉金屬配合物的聚合物發(fā)光材料按照1: l或l: 2或1: 3或1: 4的比例混合而成，利用聚合物磨具工藝制備而成；步驟二啟動(dòng)拋光片支持架動(dòng)力系統(tǒng)(1)，支持夾具(2)在拋光片支持架動(dòng)力 系統(tǒng)(1)的帶動(dòng)下使得拋光片(2)轉(zhuǎn)動(dòng)；啟動(dòng)基片支持架動(dòng)力系統(tǒng)(8)，基片支持架(7)在基片支持架動(dòng)力系統(tǒng)(8)的帶動(dòng)下使得基片(6)轉(zhuǎn)動(dòng)；步驟三設(shè)置在拋光片(2)與基片(6)之間的摩擦發(fā)光磨料(4)或普通磨料(5) 在拋光硬件系統(tǒng)I內(nèi)拋光，同時(shí)產(chǎn)生一定的光譜； 步驟四上述步驟三中產(chǎn)生的光譜圖象由安裝在掃描平臺(tái)(10)上的掃描鏡頭(11)進(jìn)行檢測(cè)，掃描鏡頭Ul)的光線通過二向色鏡(12)入射到檢測(cè)電荷耦合器件(13)的靶面上，并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)(14)上；步驟五計(jì)算機(jī)(14)對(duì)檢測(cè)電荷耦合器件(13)的信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到拋光區(qū) 的光譜圖象，從而實(shí)時(shí)顯示拋光區(qū)的工藝過程。
全文摘要
基于摩擦發(fā)光的超精密加工裝置及其圖像監(jiān)測(cè)方法，涉及機(jī)械制造業(yè)的技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及基于摩擦發(fā)光化合物的超精密加工裝置的技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的拋光片支持架動(dòng)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(duì)應(yīng)設(shè)置基片，拋光片與基片之間填充有摩擦發(fā)光磨料、磨料；檢測(cè)光源發(fā)射的檢測(cè)光通過二相色鏡反射到光譜掃描平臺(tái)上，并傳輸?shù)皆O(shè)置在光譜掃描平臺(tái)上端的掃描鏡頭上，上述檢測(cè)光經(jīng)過掃描鏡頭到達(dá)基片支持架。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了通過監(jiān)測(cè)半固著磨料拋光的在線過程，我們可以優(yōu)化磨料在拋光區(qū)的停留時(shí)間和磨料輸送拋光區(qū)的方式，從而提高拋光效率的目的。
文檔編號(hào)B24B49/12GK101274418SQ20081010075
公開日2008年10月1日 申請(qǐng)日期2008年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月16日
發(fā)明者左敦穩(wěn), 朱紀(jì)軍, 袁巨龍 申請(qǐng)人:東南大學(xué)