專利名稱：開槽型冰凍固結(jié)磨料拋光墊及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種冰凍固結(jié)磨料拋光墊，尤其是一種拋光效率高，均勻性好的拋光墊，具體地說是一咱開槽型冰凍固結(jié)磨料拋光墊及其制備方法。
背景技術(shù)：
眾所周知，傳統(tǒng)的CMP (化學(xué)機(jī)械拋光法)系統(tǒng)是由一個(gè)旋轉(zhuǎn)的工件夾持裝置、承載拋光墊的工作臺(tái)和拋光液(漿料)供給系統(tǒng)三大部分組成。拋光時(shí)，旋轉(zhuǎn)的工件以一定的壓力壓在隨工作臺(tái)一起旋轉(zhuǎn)的拋光墊上，而由亞微米或納米磨料和化學(xué)液組成的拋光液在工件與拋光墊之間流動(dòng)，并在工件表面產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，工件表面形成的化學(xué)反應(yīng)物由磨粒的機(jī)械摩擦作用去除。由于選用比工件軟或者與工件硬度相當(dāng)?shù)挠坞x磨料，在化學(xué)成膜和機(jī)械成膜的交替過程中，通過化學(xué)和機(jī)械的共同作用從工件表面去除極薄的一層材料，實(shí)現(xiàn)超精密表面加工。盡管這種傳統(tǒng)的CMP技術(shù)在超精密表面加工中得到廣泛應(yīng)用，但在實(shí)際應(yīng)用中也顯現(xiàn)出一定的缺點(diǎn)(1)傳統(tǒng)的CMP是基于三體(游離磨料、拋光墊和硅片)磨損機(jī)理，工藝參數(shù)多、加工過程不穩(wěn)定，不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，生產(chǎn)效率低。(2)由于拋光墊是具有一定彈性的有機(jī)織物，拋光時(shí)對(duì)材料去除的選擇性不高，導(dǎo)致產(chǎn)生過度拋光(Over polishing)、碟形凹陷(Dishing)、氮化物腐蝕(Nitride erosion)等缺陷。(3)拋光后一部分游離磨料會(huì)鑲嵌在薄膜層表面，不易清洗。而且漿料成分復(fù)雜，拋光表面殘留漿料的清除是CMP后清洗的難題。(4)由于在拋光墊和工件之間磨粒分布不均勻，工件各部分的材料去除率不一致，影響表面平坦度。特別是對(duì)大尺寸工件，這種影響更突出。(5)拋光過程中，拋光墊產(chǎn)生塑性變形而逐漸變得光滑，或拋光墊表面微孔表面發(fā)生堵塞使其容納漿料和排除廢屑的能力降低，導(dǎo)致材料去除率隨時(shí)間下降。需要不斷地修整和潤濕拋光墊以恢復(fù)其表面粗糙度和多孔性。此外拋光墊的不均勻磨損，使得拋光過程不穩(wěn)定，很難進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。(6)CMP漿料、拋光墊、修整盤等耗材的成本占CMP總成本的70%左右，而拋光漿料的成本就占耗材的60% 80%。(7)拋光漿料管理和廢料漿處理也相當(dāng)麻煩。綜上所述，隨著對(duì)CMP平坦化的效率、成本、均勻性、可靠性、工藝控制能力等的要求越來越高。目前在利用拋光墊進(jìn)行精加工時(shí)，急需一種適應(yīng)性強(qiáng)，制造方便，磨削熱小，采用固結(jié)磨料的拋光墊代替?zhèn)鹘y(tǒng)CMP中的游離磨料和拋光墊供使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有的冰凍固結(jié)磨料拋光墊在拋光過程中去除速率低、拋光應(yīng)力分布不均勻、拋光效果不盡人意的問題，提供一種開槽型冰凍固結(jié)磨料拋光墊及其制備方法，以適應(yīng)目前既要保證工件拋光質(zhì)量又能提高經(jīng)濟(jì)效益的要求。本發(fā)明的技術(shù)方案之一是一種開槽型冰凍固結(jié)磨料拋光墊，其特征是在拋光墊與被加工工件相對(duì)的一面的中心設(shè)有一個(gè)盲孔1，在盲孔1的周轉(zhuǎn)設(shè)有凹槽2，所述的盲孔(1)的直徑d=e-r，式中e為拋光墊的偏心距，r為拋光工件半徑，偏心距的取值一般為20 mm 105 mm ；盲孔(1)的深度取值為10 mm 20 mm，，凹槽2的深度約為盲孔1的深度的50-70% ；所述的凹槽2的槽寬在 5 mm 至Ij 10 mm 之間。所述的凹槽沿槽方向截面同水平面的夾角在60°到120°之間。所述的凹槽(2)呈方格形、放射線形、同心圓形、正螺旋線形或反螺旋線形布置在拋光墊與被加工工件相對(duì)的一面上。本發(fā)明的技術(shù)方案之二是
一種開槽型冰凍固結(jié)磨料拋光墊的制備方法，其特征是包括以下步驟
(1)首先，將占拋光墊總重量10% 70%的分散均勻、懸浮性好的納米或微米級(jí)磨料、占拋光墊總重量的5% 9%的添加劑及余量的最終結(jié)成冰的液體配制成拋光液；
(2)其次，將拋光液倒入拋光墊制備模具中；
(3)將與最終成形的拋光墊上的凹槽及盲孔相配的開槽模具放入拋光墊制備模具中；
(4)將放置有開槽模具的拋光墊制備模具放入冷凍設(shè)備中，在一1°C至一 70°C的條件下進(jìn)行冷凍，使模具中的糊狀物完全凝固成固體
(5)將開槽模具從冰凍固體中取出；
(6)將拋光墊制備模具與冰凍固結(jié)磨料分離即得所需的帶有開槽的冰凍固結(jié)磨料拋光墊。所述的開槽模具可采用導(dǎo)熱性良好的鋁材或者不易對(duì)冰產(chǎn)生粘接力的非金屬材料(如聚四氟乙烯等)，并且模具與冰接觸的表面平整光滑，易于去模。所述的開槽模具為金屬模具，在金屬模具中預(yù)埋有電阻絲，凍制完成后通電一定時(shí)間，開槽模具發(fā)熱將其外側(cè)的冰少量融化后即可將其迅速從已凍結(jié)的冰凍固結(jié)磨料中拔出實(shí)現(xiàn)開槽模具的脫模。所述的開槽模具為上端開口，下端封閉的金屬模具，該金屬模具中形成有一個(gè)與最終成形的盲孔1及凹槽2相配的孔槽結(jié)構(gòu)，它倒置于拋光墊制備模具中的拋光液中，冰凍固結(jié)結(jié)束后，用少量熱水倒于開槽模具的朝上的金屬底上，待冰層略微融化后，即可將開槽模具拔除。本發(fā)明的有益效果
1、加工過程中產(chǎn)生的磨削熱很小，有利于防止被磨削零部件熱應(yīng)力的產(chǎn)生。2、可實(shí)現(xiàn)自潤滑磨削，加工過程中可不添加潤滑劑，有利于環(huán)境保護(hù)，適應(yīng)當(dāng)前綠色制造的發(fā)展方向。3、為超薄晶體材料的制造提供了行之有效的加工工具。4、為軟性材料和非金屬材料零件的高精度表面加工提供了全新的加工工具，必將引起材料加工方式的變革，有利于開拓這類材料的新的用途。5、能在高速下工作，轉(zhuǎn)速可以打到幾百轉(zhuǎn)，有利于提高加工效率，克服了傳統(tǒng)的 CMP轉(zhuǎn)速過高磨料外溢的缺點(diǎn)。6、由于采用固結(jié)磨料拋光墊，沒有游離磨粒，因此可認(rèn)為是基于兩體磨損機(jī)理。7、具有優(yōu)越的平坦化能力，可以很快去除突出部分的氧化膜，而在低洼處的氧化膜不受機(jī)械作用影響，對(duì)凹凸表面材料的選擇性去除能力強(qiáng)，表面形貌高度與平整化薄膜厚度之比可達(dá)到200 :1。8、在芯片多層布線中使直接高密度等離子體(HDP)淺溝槽隔離(STI)拋光成為可能，不再需要反應(yīng)離子刻蝕(RIE)過程。9、可達(dá)到很小的晶片內(nèi)非均勻性(WIW-UN)和芯片內(nèi)非均勻性(WID-NU)。10、具有拋光自停功能(Self-stopping)。由于對(duì)過拋很不敏感，只產(chǎn)生最小的碟形凹陷和腐蝕，相當(dāng)于拋光行為自動(dòng)停止。11、磨料利用率高，有效地減少雜質(zhì)微粒對(duì)拋光表面的污染，加工表面容易清洗， 廢液處理簡單，可有效降低成本。12、工藝變量少，加工過程穩(wěn)定，具有可重復(fù)性，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。13、根據(jù)添加劑的不同，其發(fā)明還可用于制造非CMP磨削用磨具，可用于水晶、玻璃等行業(yè)的最終拋光。14、粘結(jié)強(qiáng)度完全能滿足使用要求。當(dāng)液體結(jié)成冰后其硬度和強(qiáng)度相當(dāng)大，既確保磨粒與冰結(jié)合的強(qiáng)度，冰本身也可參與一定的切削。15、可以有效地解決拋光過程的容屑問題，大大提高冰凍固結(jié)磨料的拋光效率。16、可以得到更優(yōu)化的拋光應(yīng)力分布，得到更優(yōu)的平面度，得到良好的拋光表面。17.本發(fā)明經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)證明，只有所選擇的參數(shù)滿足本發(fā)明的取值范圍時(shí)才能取得最佳的磨削效果。


圖1本發(fā)明的開槽型冰凍固結(jié)磨料拋光墊示意圖。圖2本發(fā)明的開槽型冰凍固結(jié)磨料拋光墊溝槽正視圖，圖a為傾斜角60°，圖b為傾斜角120°。圖3本發(fā)明的開槽型冰凍固結(jié)磨料拋光墊的各種槽型結(jié)構(gòu)示意圖，圖3中(a)為方格形，(b)為放射線形，(c)為同心圓形，(d)為正螺紋線形，(e)為反螺紋線形。圖4本發(fā)明的開槽模具的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。實(shí)施例一。如圖1、2、3、4 所示。一種超薄材料拋光用開槽型冰凍固結(jié)磨料拋光墊，由IOkg納米Ce02(或納米SiO2) 磨料、5kg添加劑及85kg的水(或含水乙醇)凍結(jié)而成。制備前先將三者混合使之形成分散均勻、懸浮性好的拋光液。然后將其倒入拋光墊制備模具中，并將圖4所示的金屬開槽模具置于拋光墊制備模具中的拋光液之上，然后連同拋光墊制備模具一起放入低溫試驗(yàn)箱中冷凍50分鐘，并在-30°C保溫30分鐘。然后用熱水澆在開槽模具的底部使之稍稍加熱后輕輕拔除，即形成如圖1所示的盲孔直徑為105厘米，深度為3厘米，放射線形凹槽深度為20毫米，寬度為5毫米的凹槽，拋光墊的形狀如圖1、2所示。使用時(shí)快速將拋光墊安裝在帶有冷卻裝置或液氮的動(dòng)力頭上即可開機(jī)使用，采用此拋光墊加工微晶玻璃可使表面粗糙度值達(dá)到Ra=L 02 nm,比采用不開槽的冰凍固結(jié)磨料拋光的效率提高近30倍。具體實(shí)施時(shí)，開槽模具的形狀還可采用圖3中的方格形、正螺旋線形、反螺紋線形或同心圓形中的任一種。具體實(shí)施時(shí)，盲孔1的直徑還可根據(jù)公式D=e-r進(jìn)行選擇，同樣的，盲孔1的深度、 凹槽2的深度及寬度也可根據(jù)本發(fā)明技術(shù)方案的所公開的范圍進(jìn)行自行選擇。具體實(shí)施時(shí)，凹槽2最好采用斜槽，即傾斜的角度α可在60°到120°之間選擇 (可含90度，也可不含90度)，即凹槽沿槽方向截面同水平面的夾角可在60°到120°之間。 其中圖2 (a)為60度，圖2 (b)為120度。采用帶有如圖2(a)所示的方格形凹型的拋光墊加工藍(lán)寶石，加工的去除效率比普通CMP效率提高了近10倍，且加工應(yīng)力分布更為均勻，面形精度比普通冰凍固結(jié)磨料拋光更為優(yōu)異。本實(shí)施例的開槽模具如圖4所示，使用薄壁鋁材制成，形成一個(gè)環(huán)狀密閉模具。使用時(shí)將其倒置于拋光液之上，一起放入高低溫試驗(yàn)箱進(jìn)行冷凍。取模時(shí)，僅需在模具上方倒入適量熱水，模具一經(jīng)松動(dòng)即可去模。使用該模具，去模方便快捷，且受熱均勻，不會(huì)造成冰層的裂紋，安全環(huán)保。實(shí)施例二。一種超薄材料拋光用開槽型冰凍固結(jié)磨料拋光墊，由50kg納米Ce02(或納米SiO2) 磨料、8kg添加劑及42kg的水(或含水乙醇)凍結(jié)而成。其余與實(shí)施例一相同。實(shí)施例三。一種超薄材料拋光用開槽型冰凍固結(jié)磨料拋光墊，由70kg納米Ce02(或納米SiO2) 磨料、9kg添加劑及21kg的水(或含水乙醇)凍結(jié)而成。其余與實(shí)施例一相同。實(shí)施例四。如圖1-4所示。一種超硬材料拋光用開槽型冰凍固結(jié)磨料拋光墊，由納米金剛石磨料(或納米 Al2O3磨料、納米SiC磨料、納米Cr2O3磨料)25kg、添加劑6及水69 (或含水乙醇)組成，使用前先將三者混合均勻使之形成磨料處于分散、懸浮狀的膠狀混合物，再將其壓入拋光墊制備模具中。在同心圓形金屬開槽模具中預(yù)埋電熱絲后將開槽模具置于膠狀混合物之上， 然后連同模具一起放入低溫試驗(yàn)箱中冷凍35分鐘，并在零下70度下保溫30分鐘。將模具取出，在電熱絲上通電5分鐘后，立即將開槽模具取出，形成如圖3(c)所示的槽型。然后快速將其安裝在帶有冷卻裝置或液氮的動(dòng)力頭上即可開機(jī)使用。采用此拋光墊加工CVD金剛石厚膜可使表面粗糙度值達(dá)到Ra=3. 23 nm,比傳統(tǒng)的不開槽型冰凍固結(jié)磨料拋光效率提高10 20倍。實(shí)施例五。如圖1-4所示。一種超硬材料拋光用開槽型冰凍固結(jié)磨料拋光墊，由納米金剛石磨料(或納米 Al2O3磨料、納米SiC磨料、納米Cr2O3磨料)40kg、添加劑6及水M (或含水乙醇)組成，使用前先將三者混合均勻使之形成磨料處于分散、懸浮狀的膠狀混合物，再將其壓入拋光墊制備模具中。在同心圓形金屬開槽模具中預(yù)埋電熱絲后將開槽模具置于膠狀混合物之上， 然后連同模具一起放入低溫試驗(yàn)箱中冷凍35分鐘，并在零下70度下保溫30分鐘。將模具取出，在電熱絲上通電5分鐘后，立即將開槽模具取出，形成如圖3(e)所示的槽型。實(shí)施例六。如圖1-4所示。一種超硬材料拋光用開槽型冰凍固結(jié)磨料拋光墊，由納米金剛石磨料(或納米 Al2O3磨料、納米SiC磨料、納米Cr2O3磨料)60kg、添加劑9及水31或含水乙醇)組成，使用前先將三者混合均勻使之形成磨料處于分散、懸浮狀的膠狀混合物，再將其壓入拋光墊制備模具中。在同心圓形開槽模具中預(yù)埋電熱絲后將金屬開槽模具置于膠狀混合物之上，然后連同模具一起放入低溫試驗(yàn)箱中冷凍35分鐘，并在零下70度下保溫30分鐘。將模具取出，在電熱絲上通電5分鐘后，立即將開槽模具取出，形成如圖3(d)所示的槽型。然后快速將其安裝在帶有冷卻裝置或液氮的動(dòng)力頭上即可開機(jī)使用。實(shí)施例七。本實(shí)施例與可由實(shí)施例一 實(shí)施例六中的任一例演變而成，所不同的是開槽模具所采用的材料為非金屬材料，在非金屬材料表面最好涂有易脫模的分型劑，以利于脫模，同時(shí)對(duì)于非金屬開槽模具的表面應(yīng)盡可能光滑，以利于脫出。本發(fā)明未涉及部分均與現(xiàn)有技術(shù)相同或可采用現(xiàn)有技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種開槽型冰凍固結(jié)磨料拋光墊的制備方法，其特征是包括以下步驟(1)首先，將占拋光墊總重量10% 70%的分散均勻、懸浮性好的納米或微米級(jí)磨料、占拋光墊總重量的5% 9%的添加劑及余量的最終結(jié)成冰的液體配制成拋光液；(2)其次，將拋光液倒入拋光墊制備模具中；(3)將與最終成形的拋光墊上的凹槽及盲孔相配的開槽模具放入拋光墊制備模具中；(4)將放置有開槽模具的拋光墊制備模具放入冷凍設(shè)備中，在一1°C至一 70°C的條件下進(jìn)行冷凍，使模具中的糊狀物完全凝固成固體(5)將開槽模具從冰凍固體中取出；(6)將拋光墊制備模具與冰凍固結(jié)磨料分離即得所需的帶有開槽的冰凍固結(jié)磨料拋光墊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的槽型冰凍固結(jié)磨料拋光墊的制備方法，特征是所述的開槽模具為導(dǎo)熱性良好的鋁材或者不易對(duì)冰產(chǎn)生粘接力的非金屬材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的槽型冰凍固結(jié)磨料拋光墊的制備方法，特征是所述的開槽模具為金屬模具，在金屬模具中預(yù)埋有電阻絲，凍制完成后通電一定時(shí)間，開槽模具發(fā)熱將其外側(cè)的冰少量融化后即可將其迅速從已凍結(jié)的冰凍固結(jié)磨料中拔出實(shí)現(xiàn)開槽模具的脫模。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的槽型冰凍固結(jié)磨料拋光墊的制備方法，特征是所述的開槽模具為上端開口，下端封閉的金屬模具，該金屬模具中形成有一個(gè)與最終成形的盲孔(1)及凹槽(2)相配的孔槽結(jié)構(gòu)，它倒置于拋光墊制備模具中的拋光液中，冰凍固結(jié)結(jié)束后，用少量熱水倒于開槽模具的朝上的金屬底上，待冰層略微融化后，即可將開槽模具拔除。
全文摘要
一種開槽型冰凍固結(jié)磨料拋光墊，其特征是在拋光墊與被加工工件相對(duì)的一面的中心設(shè)有一個(gè)盲孔(1)，在盲孔(1)的周轉(zhuǎn)設(shè)有凹槽(2)，所述的盲孔(1)的直徑d=e-r，式中e為拋光墊的偏心距，r為拋光工件半徑，偏心距的取值一般為20mm～105mm，盲孔(1)的深度取值為10mm～20mm，凹槽(2)的深度約為盲孔(1)的深度的50-70%；所述的凹槽(2)的槽寬在5mm到10mm之間。本發(fā)明在傳統(tǒng)的冰凍固結(jié)磨料拋光墊上制造出不同形狀、不同類型的槽。主要通過開槽模具的作用，形成各種槽型。該拋光墊可用于拋光加工各種薄形工件，尤其適于加工熱敏性材料、軟材料、晶體材料等。具有制造簡單、加工成本低、加工效率高、工藝控制能力強(qiáng)、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)B24D18/00GK102335888SQ20111029818
公開日2012年2月1日 申請(qǐng)日期2010年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月11日
發(fā)明者盧文壯, 史晨紅, 孫玉利, 左敦穩(wěn), 張國家, 曹連靜, 朱永偉, 李軍, 祝曉亮 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)