柔性拋光墊在線修整的超光滑平面研磨拋光裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種柔性拋光墊在線修整的超光滑平面研磨拋光裝置及方法。本發(fā)明的裝置包括集群磁流變磨料半固著柔性拋光墊發(fā)生裝置、工件裝夾及間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)、柔性拋光墊實(shí)時(shí)修整裝置，集群磁流變磨料半固著柔性拋光墊發(fā)生裝置包括有環(huán)形研磨盤(pán)、集群磁極、分隔盤(pán)、下端蓋、轉(zhuǎn)盤(pán)，工件裝夾及間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)包括有內(nèi)支撐環(huán)、外支撐環(huán)、基準(zhǔn)游星輪、移動(dòng)圓柱、上端蓋、深度尺、聯(lián)接軸、脹緊套、內(nèi)齒輪、外齒輪，柔性拋光墊實(shí)時(shí)在線修整裝置包括有修整游星輪、磁極。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了在不更換磁流變液的情況對(duì)工件實(shí)現(xiàn)研磨、粗拋光到精拋光的全過(guò)程，所獲得的工件表面質(zhì)量好，加工效率高，而且無(wú)表面和亞表面損傷，成本低，可以用于各類光學(xué)元件及半導(dǎo)體基片的加-工。
【專利說(shuō)明】柔性拋光墊在線修整的超光滑平面研磨拋光裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種柔性拋光墊在線修整的超光滑平面研磨拋光裝置及方法，特別涉及對(duì)一種磨料半固著磁流變?nèi)嵝話伖鈮|實(shí)時(shí)在線修整的恒壓式光學(xué)元件及半導(dǎo)體基片平面研磨拋光裝置及方法。

【背景技術(shù)】
[0002]光學(xué)元件(透鏡和反射鏡)作為光學(xué)器件的核心元件之一，要達(dá)到良好的光學(xué)性能，其表面精度需要達(dá)到超光滑程度(粗糙度Ra達(dá)到Inm以下)，面形精度也有較高的要求(形狀精度達(dá)到0.5微米以下)。而在LED領(lǐng)域,單晶娃(Si)、單晶鍺(Ge)、砷化鎵(GaAs)、單晶碳化硅(SiC)和單晶藍(lán)寶石(Al2O3)等作為半導(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(dá)到0.3nm以下)才能滿足外延膜生長(zhǎng)的要求，并且要求無(wú)缺陷、無(wú)損傷。無(wú)論是光學(xué)平面元件還是半導(dǎo)體基片，均需要進(jìn)行平坦化加工，其傳統(tǒng)工藝主要是高效研磨、超精密拋光、化學(xué)機(jī)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。
[0003]研磨加工是利用硬質(zhì)研磨盤(pán)和研磨工作液(油或水性物質(zhì)與較粗的游離磨料的混合物)，通過(guò)研磨盤(pán)向游離磨料施加一定壓力作用于工件表面，磨料在研磨盤(pán)與工件界面上產(chǎn)生滾動(dòng)或滑動(dòng)，從被加工工件表面去除一層極薄的材料，達(dá)到提高工件表面形狀精度的目的。拋光加工是利用軟質(zhì)拋光盤(pán)或者拋光墊和拋光工作液(油或水性物質(zhì)與較細(xì)的游離磨料的混合物)，通過(guò)拋光墊向游離磨料施加一定壓力作用于工件表面，磨料在拋光盤(pán)與工件界面上產(chǎn)生滾動(dòng)或滑動(dòng)，由于拋光墊的避讓作用，使得被加工工件表面僅僅去除一層微量材料，達(dá)到提高工件表面精度的目的，但拋光效率較低。化學(xué)機(jī)械拋光(Chemical-Mechanical Polishing, CMP)技術(shù)是機(jī)械磨削和化學(xué)腐蝕的組合技術(shù)，它借助超微粒子的研磨作用以及漿料的化學(xué)腐蝕作用在被研磨的介質(zhì)表面上形成光潔平坦表面，但由于化學(xué)成分的存在，對(duì)于離子敏感的陶瓷基片并不適用。磁流變拋光技術(shù)(Magnetorheological finishing, MRF)是 20 世紀(jì) 90 年代由 K0RD0NSKI 及其合作者將電磁學(xué)、流體動(dòng)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(diǎn)，已發(fā)展成為一種革命性光學(xué)表面最終加工方法，特別適合軸對(duì)稱非球面的超精密加工。但目前采用磁流變拋光方法對(duì)平面工件進(jìn)行加工時(shí)，主要以美國(guó)QED公司研制的各種型號(hào)磁流變機(jī)床，其原理是把工件置于一圓弧形拋光盤(pán)上方，工件表面與拋光盤(pán)之間形成的凹形間隙，拋光盤(pán)下方布置一個(gè)磁感應(yīng)強(qiáng)度可調(diào)的電磁鐵磁極或者永磁體磁極使凹形間隙處形成高強(qiáng)度梯度磁場(chǎng)，當(dāng)磁流變液隨拋光盤(pán)運(yùn)動(dòng)到工件與拋光盤(pán)形成的空隙附近時(shí)形成的柔性凸起“拋光緞帶”。但“拋光緞帶”與工件表面屬于“斑點(diǎn)”局部接觸，在加工過(guò)程中只能靠控制“斑點(diǎn)”沿工件表面按一定規(guī)律軌跡掃描才能實(shí)現(xiàn)整個(gè)表面的加工，軌跡掃描過(guò)程需要大量的時(shí)間，造成效率低、加工形狀精度不易保證。
[0004]由于研磨和拋光屬于不同的工藝過(guò)程，一般采用不同的加工裝置及不同的磨料工作液進(jìn)行加工，加工效率低，難以適應(yīng)電子信息制造業(yè)的高速發(fā)展要求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種柔性拋光墊在線修整的超光滑平面研磨拋光裝置。本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)對(duì)光學(xué)元件及半導(dǎo)體基片在不更換加工裝置及磨料工作液的基礎(chǔ)上進(jìn)行高效率平面研磨和超精密無(wú)損傷平面拋光，并且能實(shí)現(xiàn)對(duì)磨料半固著集群柔性拋光墊實(shí)時(shí)整形的平面加工。
[0006]本發(fā)明的另一目的是提供一種加工表面質(zhì)量好，加工效率高，成本低，而且無(wú)表面和亞表面損傷的柔性拋光墊在線修整的超光滑平面研磨拋光裝置的加工方法。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案是:本發(fā)明的一種柔性拋光墊在線修整的超光滑平面研磨拋光裝置，包括集群磁流變磨料半固著柔性拋光墊發(fā)生裝置、工件裝夾及間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)、柔性拋光墊實(shí)時(shí)修整裝置，集群磁流變磨料半固著柔性拋光墊發(fā)生裝置包括有環(huán)形研磨盤(pán)、集群磁極、分隔盤(pán)、下端蓋、轉(zhuǎn)盤(pán)，工件裝夾及間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)包括有內(nèi)支撐環(huán)、外支撐環(huán)、基準(zhǔn)游星輪、移動(dòng)圓柱、上端蓋、深度尺、聯(lián)接軸、脹緊套、內(nèi)齒輪、外齒輪，柔性拋光墊實(shí)時(shí)在線修整裝置包括有修整游星輪、磁極，其中下端蓋固定在環(huán)形研磨盤(pán)的底部，集群磁極鑲嵌在環(huán)形研磨盤(pán)的內(nèi)部，分隔盤(pán)鑲嵌在研磨盤(pán)的內(nèi)部且分隔集群磁極，且集群磁極和分隔盤(pán)固定在下端蓋的底部?jī)?nèi)側(cè)，轉(zhuǎn)盤(pán)固定在下端蓋的底部外側(cè)，支撐并帶動(dòng)集群磁流變磨料半固著柔性拋光墊發(fā)生裝置旋轉(zhuǎn)，內(nèi)支撐環(huán)固定在環(huán)形研磨盤(pán)的內(nèi)圈，外支撐環(huán)固定在環(huán)形研磨盤(pán)的外圈，環(huán)形研磨盤(pán)的中空腔體內(nèi)裝設(shè)基準(zhǔn)游星輪及修整游星輪，外齒輪裝設(shè)在環(huán)形研磨盤(pán)的內(nèi)側(cè)壁，內(nèi)齒輪分別與基準(zhǔn)游星輪及修整游星輪外嚙合，外齒輪分別與基準(zhǔn)游星輪及修整游星輪內(nèi)嚙合，基準(zhǔn)游星輪套裝在移動(dòng)圓柱上，移動(dòng)圓柱的下端面固定工件，聯(lián)接軸的下端與移動(dòng)圓柱的上端連接，脹緊套套裝在聯(lián)接軸的外側(cè)，上端蓋裝設(shè)在脹緊套的頂部，聯(lián)接軸的上端穿過(guò)上端蓋，深度尺裝設(shè)在聯(lián)接軸的上端，磁極鑲嵌在修整游星輪的內(nèi)部，環(huán)形研磨盤(pán)工作時(shí)其上方需要提供磁流變液。
[0008]本發(fā)明柔性拋光墊在線修整的超光滑平面研磨拋光裝置的加工方法，包括如下步驟:
1)通過(guò)調(diào)整深度尺使工件下表面與環(huán)形研磨盤(pán)上表面之間的距離為0，并調(diào)整配重環(huán)的重量、轉(zhuǎn)盤(pán)和內(nèi)齒輪的轉(zhuǎn)速，添加循環(huán)的磁流變液，修整游星輪內(nèi)的磁極實(shí)時(shí)對(duì)磁流變液中的粗柔性拋光墊層進(jìn)行修整和磨料更新，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的高效率研磨；
2)通過(guò)調(diào)整深度尺使工件下表面與環(huán)形研磨盤(pán)上表面之間的距離為0.3?1mm，調(diào)整配重環(huán)的重量使基準(zhǔn)游星輪下表面與內(nèi)支撐環(huán)和外支撐環(huán)上表面緊密接觸，調(diào)整轉(zhuǎn)盤(pán)和內(nèi)齒輪的轉(zhuǎn)速，添加循環(huán)的磁流變液，修整游星輪內(nèi)的弱磁極實(shí)時(shí)對(duì)磨料半固著的粗柔性拋光墊層進(jìn)行修整和磨料更新，實(shí)現(xiàn)工件的高效率拋光；
3)通過(guò)調(diào)整深度尺使工件下表面與環(huán)形研磨盤(pán)上表面之間的距離為I?3mm，調(diào)整配重環(huán)的重量使基準(zhǔn)游星輪下表面與內(nèi)支撐環(huán)和外支撐環(huán)上表面緊密接觸，調(diào)整轉(zhuǎn)盤(pán)和內(nèi)齒輪的轉(zhuǎn)速，添加循環(huán)的磁流變液，修整游星輪內(nèi)的弱磁極實(shí)時(shí)對(duì)磨料半固著的細(xì)柔性拋光墊層進(jìn)行修整和磨料更新，實(shí)現(xiàn)工件的超精密拋光。
[0009]本發(fā)明的柔性拋光墊在線修整的超光滑平面研磨拋光裝置，通過(guò)集群陣列排布的圓柱形強(qiáng)磁鐵構(gòu)建均勻的表面磁場(chǎng)，并通過(guò)微米級(jí)的羰基鐵粉和磨料與納米級(jí)的羰基鐵粉和鐵粉按一定比例混合，在均勻磁場(chǎng)及重力作用下獲得具有由納米級(jí)羰基鐵粉和納米級(jí)磨料組成的磨料半固著細(xì)柔新拋光墊層和由微米級(jí)羰基鐵粉和微米級(jí)磨料組成的磨料半固著粗柔性拋光墊層。本發(fā)明的柔性拋光墊在線修整的超光滑平面研磨拋光加工方法，通過(guò)調(diào)節(jié)工件與研磨盤(pán)上表面間隙為零而實(shí)現(xiàn)工件的高效率研磨，而通過(guò)調(diào)節(jié)工件與研磨盤(pán)上表面的不同間隙使工件在粗拋光墊層和細(xì)拋光墊層下進(jìn)行粗拋光和精拋光，并且磁流變液經(jīng)過(guò)修整行星輪后能實(shí)時(shí)進(jìn)行整形。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了在不更換磁流變液的情況對(duì)工件實(shí)現(xiàn)研磨、粗拋光到精拋光的全過(guò)程，所獲得的工件表面質(zhì)量好，加工效率高，而且無(wú)表面和亞表面損傷，而且成本低。本發(fā)明的加工裝置和加工方法可以用于各類光學(xué)元件及半導(dǎo)體基片的加工。
[0010]

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
圖1是本發(fā)明柔性拋光墊在線修整的超光滑平面研磨拋光裝置的三維示意圖；
圖2是本發(fā)明柔性拋光墊在線修整的超光滑平面研磨拋光裝置的俯視圖；
圖3是本發(fā)明柔性拋光墊在線修整的超光滑平面研磨拋光裝置的全剖主視圖；
圖4是本發(fā)明柔性拋光墊在線修整的超光滑平面研磨拋光裝置的圓柱形磁極布置示意圖；
圖5是本發(fā)明柔性拋光墊在線修整的超光滑平面研磨拋光裝置的柔性拋光墊示意圖； 圖6是本發(fā)明的方形磁極集群布置示意圖；
圖7是本發(fā)明磁感應(yīng)強(qiáng)度面域均化的環(huán)形磁極示意圖；
圖8是本發(fā)明的外支撐環(huán)示意圖；
圖中:1.環(huán)形研磨盤(pán)，2.集群磁極，3.分隔盤(pán)，4.下端蓋，5.內(nèi)支撐環(huán)，6.外支撐環(huán)，
7.基準(zhǔn)游星輪，8.移動(dòng)圓柱，9.上端蓋，10.精密深度尺，11.聯(lián)接軸，12.脹緊套，13.內(nèi)齒輪，14.外齒輪，15.保護(hù)套，16.配重環(huán)，17.修整游星輪，18.磁極，19.固定端蓋，20.轉(zhuǎn)盤(pán)，21.工件，22.缺口，23、磁流變液，24.細(xì)拋光墊層，25.粗拋光墊層。
[0011]

【具體實(shí)施方式】
下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此: 實(shí)施例一:
如圖1?圖3所示，本發(fā)明的一種柔性拋光墊在線修整的超光滑平面研磨拋光裝置，包括集群磁流變磨料半固著柔性拋光墊發(fā)生裝置、工件裝夾及間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)、柔性拋光墊實(shí)時(shí)修整裝置，集群磁流變磨料半固著柔性拋光墊發(fā)生裝置包括有環(huán)形研磨盤(pán)1、集群磁極
2、分隔盤(pán)3、下端蓋4、轉(zhuǎn)盤(pán)20，工件裝夾及間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)包括有內(nèi)支撐環(huán)5、外支撐環(huán)6、基準(zhǔn)游星輪7、移動(dòng)圓柱8、上端蓋9、深度尺10、聯(lián)接軸11、脹緊套12、內(nèi)齒輪13、外齒輪14，柔性拋光墊實(shí)時(shí)修整裝置包括有修整游星輪17、鑲嵌在修整游星輪17內(nèi)部的磁極18，其中下端蓋4固定在環(huán)形研磨盤(pán)I的底部，集群磁極2鑲嵌在環(huán)形研磨盤(pán)I的內(nèi)部，分隔盤(pán)3鑲嵌在研磨盤(pán)I的內(nèi)部且分隔集群磁極2，且集群磁極2和分隔盤(pán)3固定在下端蓋4的底部?jī)?nèi)側(cè)，轉(zhuǎn)盤(pán)20固定在下端蓋4的底部外側(cè)，支撐并帶動(dòng)集群磁流變磨料半固著柔性拋光墊發(fā)生裝置旋轉(zhuǎn)，內(nèi)支撐環(huán)5固定在環(huán)形研磨盤(pán)I的內(nèi)圈，外支撐環(huán)6固定在環(huán)形研磨盤(pán)I的外圈，環(huán)形研磨盤(pán)I的中空腔體內(nèi)裝設(shè)基準(zhǔn)游星輪7及修整游星輪17，外齒輪14裝設(shè)在環(huán)形研磨盤(pán)I的內(nèi)側(cè)壁，內(nèi)齒輪13分別與基準(zhǔn)游星輪7及修整游星輪17外嚙合，外齒輪14分別與基準(zhǔn)游星輪7及修整游星輪17內(nèi)嚙合，基準(zhǔn)游星輪7套裝在移動(dòng)圓柱8上，移動(dòng)圓柱8的下端面固定工件21，聯(lián)接軸11的下端與移動(dòng)圓柱8的上端連接，脹緊套12套裝在聯(lián)接軸11的外側(cè)，上端蓋9裝設(shè)在脹緊套12的頂部，聯(lián)接軸11的上端穿過(guò)上端蓋9，深度尺10裝設(shè)在聯(lián)接軸11的上端，磁極18鑲嵌在修整游星輪17的內(nèi)部，環(huán)形研磨盤(pán)I工作時(shí)其上方需要提供磁流變液23。
[0012]通過(guò)上述深度尺10調(diào)整移動(dòng)圓柱8下表面的工件21相對(duì)于研磨盤(pán)上表面的距離時(shí)需要松開(kāi)脹緊套12，不需要調(diào)整時(shí)需要上緊脹緊套12。上述轉(zhuǎn)盤(pán)20及外齒輪14的運(yùn)動(dòng)是靠雙目研磨機(jī)內(nèi)部機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，一般轉(zhuǎn)盤(pán)20及外齒輪14的運(yùn)動(dòng)方向相反。
[0013]本實(shí)施例中，上述修整游星輪17的上表面安裝有固定端蓋19。上述基準(zhǔn)游星輪7上方套有對(duì)深度尺10進(jìn)行保護(hù)的階梯狀保護(hù)套15,保護(hù)套15上套有配重環(huán)16。
[0014]本實(shí)施例中，上述內(nèi)支撐環(huán)5和外支撐環(huán)6位于同一水平面上，基準(zhǔn)游星輪7下端面正對(duì)內(nèi)支撐環(huán)5和外支撐環(huán)6上表面，修整游星輪17下端面正對(duì)內(nèi)支撐環(huán)5和外支撐環(huán)6上表面，修整游星輪17位于基準(zhǔn)游星輪7前方。
[0015]本實(shí)施例中，上述集群磁極2是集群強(qiáng)磁極；上述磁極18是弱磁極；深度尺10是精密深度尺。上述集群磁極2端面磁感應(yīng)強(qiáng)度至少為1000GS，磁極18端面磁感應(yīng)強(qiáng)度最大為1500GS,集群磁極2按磁極方向相同排布于研磨盤(pán)I中,磁極18按磁極方向相同排布于修整游星輪17中，且工作時(shí)集群磁極2與磁極18磁極方向相同。
[0016]上述集群磁極2是直徑為5?35mm的圓柱狀永磁鐵,或是邊長(zhǎng)為5?35mm的方形永磁鐵，彼此磁鐵之間的間距為O?12_，亦可為磁感應(yīng)強(qiáng)度面域均化的環(huán)形磁極。本實(shí)施例中，上述集群磁極2是直徑為5?35mm的圓柱狀平頭永磁鐵,或是邊長(zhǎng)為5?35mm的方形平頭永磁鐵，彼此磁鐵之間的間距為O?12_，亦可為磁感應(yīng)強(qiáng)度面域均化的環(huán)形磁極。上述環(huán)形研磨盤(pán)(I)、分隔盤(pán)3、下端蓋4、內(nèi)支撐環(huán)5、外支撐環(huán)6、基準(zhǔn)游星輪7、修整游星輪17、和移動(dòng)圓柱8的材料為抗磁材料；本實(shí)施例中，上述環(huán)形研磨盤(pán)1、分隔盤(pán)3、下端蓋4、內(nèi)支撐環(huán)5、外支撐環(huán)6、基準(zhǔn)游星輪7、修整游星輪17、和移動(dòng)圓柱8為材料為硬鋁合金材料。
[0017]本實(shí)施例中，上述外支撐環(huán)6具有多個(gè)缺口 22，深度尺10可為精密深度尺，如精密微分頭或者精密螺桿；上述環(huán)形研磨盤(pán)I的上表面為平面，或者具有寬度為0.5?2mm、寬度為0.5?3mm、間距為5?20mm的網(wǎng)狀開(kāi)槽表面,或?yàn)榫哂薪嵌葹?.1?I度的陣列楔形面表面；上述基準(zhǔn)游星輪7的幾何中心具有垂直引導(dǎo)孔。
[0018]本發(fā)明柔性拋光墊在線修整的超光滑平面研磨拋光裝置工作時(shí)，環(huán)形研磨盤(pán)I上方需要提供分散完整的磁流變液23，磁流變液制作方法如下:
去離子水中加入如下三種磨料中的至少兩種磨料:濃度為3%?10%的納米級(jí)磨料、濃度為3%?12%的亞微米級(jí)磨料、濃度為3%?15%的微米級(jí)磨料，及去離子水中加入濃度為5%?20%的微米級(jí)羰基鐵粉及濃度為3%?15%的亞微級(jí)羰基鐵粉，及加入濃度為3%?20%的分散劑和濃度為2%?5%的防銹劑，充分?jǐn)嚢韬笸ㄟ^(guò)超聲波震動(dòng)5?30分鐘，磁流變液進(jìn)入環(huán)形研磨盤(pán)I上方后在磁場(chǎng)力及重力作用下自動(dòng)形成磨料半固著的由納米級(jí)羰基鐵粉和納米級(jí)磨料組成的細(xì)柔性拋光墊層24和由微米級(jí)羰基鐵粉和微米級(jí)磨料組成的粗柔性拋光墊層25。
[0019]本發(fā)明柔性拋光墊在線修整的超光滑平面研磨拋光裝置的平面加工方法，包括如下步驟: 1)通過(guò)調(diào)整深度尺10使工件21下表面與環(huán)形研磨盤(pán)I上表面之間的距離為0，并調(diào)整配重環(huán)16的重量、轉(zhuǎn)盤(pán)20和內(nèi)齒輪13的轉(zhuǎn)速，添加循環(huán)的磁流變液23，修整游星輪17內(nèi)的磁極18實(shí)時(shí)對(duì)磁流變液23中的粗柔性拋光墊層25進(jìn)行修整和磨料更新，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件21的高效率研磨；
2)通過(guò)調(diào)整深度尺10使工件21下表面與環(huán)形研磨盤(pán)I上表面之間的距離為0.3?1mm，調(diào)整配重環(huán)16的重量使基準(zhǔn)游星輪7下表面與內(nèi)支撐環(huán)5和外支撐環(huán)6上表面緊密接觸，調(diào)整轉(zhuǎn)盤(pán)20和內(nèi)齒輪13的轉(zhuǎn)速，添加循環(huán)的磁流變液23，修整游星輪17內(nèi)的弱磁極18實(shí)時(shí)對(duì)磨料半固著的粗柔性拋光墊層25進(jìn)行修整和磨料更新，實(shí)現(xiàn)工件的高效率拋光；
3)通過(guò)調(diào)整深度尺10使工件21下表面與環(huán)形研磨盤(pán)I上表面之間的距離為I?3mm，調(diào)整配重環(huán)16的重量使基準(zhǔn)游星輪7下表面與內(nèi)支撐環(huán)5和外支撐環(huán)6上表面緊密接觸，調(diào)整轉(zhuǎn)盤(pán)20和內(nèi)齒輪13的轉(zhuǎn)速，添加循環(huán)的磁流變液23，修整游星輪17內(nèi)的弱磁極18實(shí)時(shí)對(duì)磨料半固著的細(xì)柔性拋光墊層24進(jìn)行修整和磨料更新，實(shí)現(xiàn)工件的超精密拋光。
[0020]如圖4所示，本實(shí)施例中，集群磁極2端面磁感應(yīng)強(qiáng)度3200GS，磁極18端面磁感應(yīng)強(qiáng)度為200GS,集群磁極2按磁極方向相同排布于研磨盤(pán)I中，磁極18按磁極方向相同排布于修整游星輪17中，且工作時(shí)集群磁極2與磁極18磁極方向相同，集群磁極2的直徑25mm的圓柱狀永磁鐵,按中心距為30mm集群陣列分布。
[0021]本發(fā)明通過(guò)如下方法制備磁流變液23:去離子水中加入濃度為5%的中位粒徑為100納米的金剛石磨料、濃度為10%的中位粒徑為5微米的金剛石磨料、濃度為8%的中位粒徑為3微米羰基鐵粉、濃度為4%的中位粒徑為50納米的羰基鐵粉、濃度為3%的分散劑、濃度為3%的防銹劑，充分?jǐn)嚢韬笸ㄟ^(guò)超聲波震動(dòng)10分鐘.如圖5所示，磁流變液23進(jìn)入環(huán)形研磨盤(pán)I上方后在磁場(chǎng)力及重力作用下自動(dòng)形成由納米級(jí)羰基鐵粉和納米級(jí)磨料組成的細(xì)拋光墊層和由微米級(jí)羰基鐵粉24和微米級(jí)磨料組成的粗拋光墊層25。
[0022]本實(shí)施例中，上述的柔性拋光墊實(shí)時(shí)在線修整的超光滑平面研磨拋光裝置的對(duì)工件21進(jìn)行平面加工的方法如下，本實(shí)施例中，工件21是單晶6H-SiC基片:
1)通過(guò)調(diào)整深度尺10使工件21下表面與環(huán)形研磨盤(pán)I上表面之間的距離為0，調(diào)整配重環(huán)16的重量為5kg、轉(zhuǎn)盤(pán)20和內(nèi)齒輪13的轉(zhuǎn)速分別為30rpm和_20rpm，添加上述配置好的磁流變液23，磁流變液在集群磁極2的作用下在拋光盤(pán)表面形成粘彈性拋光墊，拋光墊對(duì)工件進(jìn)行加工后形狀會(huì)發(fā)生改變，但經(jīng)過(guò)修整游星輪17下方時(shí)能在磁極18的作用下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)整形，經(jīng)過(guò)對(duì)工件21進(jìn)行高效率研磨加工25分鐘，獲得Ra約為40um的平坦單晶6H-SiC基片；
2)通過(guò)調(diào)整深度尺10使單晶6H-SiC基片下表面與環(huán)形研磨盤(pán)I上表面之間的距離為0.5mm，調(diào)整配重環(huán)16的重量使基準(zhǔn)游星輪7下表面與內(nèi)支撐環(huán)5和外支撐環(huán)6上表面緊密接觸，調(diào)整轉(zhuǎn)盤(pán)20和內(nèi)齒輪13的轉(zhuǎn)速分別為50rpm和_50rpm，添加循環(huán)的上述磁流變液23，磁流變液在集群磁極2的作用下在拋光盤(pán)表面形成粘彈性拋光墊，拋光墊對(duì)工件進(jìn)行加工后形狀會(huì)發(fā)生改變，但經(jīng)過(guò)修整游星輪17下方時(shí)能在磁極18的作用下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)整形，對(duì)單晶6H-SiC基片進(jìn)行高效率拋光20分鐘，獲得Ra約為2um的光滑單晶6H_SiC基片;
3)通過(guò)調(diào)整深度尺10使單晶6H-SiC基片下表面與環(huán)形研磨盤(pán)I上表面之間的距離為2mm，調(diào)整配重環(huán)16的重量使基準(zhǔn)游星輪7下表面與內(nèi)支撐環(huán)5和外支撐環(huán)6上表面緊密接觸，調(diào)整轉(zhuǎn)盤(pán)20和內(nèi)齒輪13的轉(zhuǎn)速分別為50rpm和_50rpm，添加上述的磁流變液23，磁流變液在集群磁極2的作用下在拋光盤(pán)表面形成粘彈性拋光墊，拋光墊對(duì)工件進(jìn)行加工后形狀會(huì)發(fā)生改變，但經(jīng)過(guò)修整游星輪17下方時(shí)能在弱磁極18的作用下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)整形，對(duì)單晶6H-SiC基片進(jìn)行超精密拋光30分鐘，獲得Ra約為0.3nm的超光滑單晶6H_SiC基片。
[0023]實(shí)施例二:
本發(fā)明與實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)相同，不同之處在于集群磁極2端面磁感應(yīng)強(qiáng)度3000GS，磁極18端面磁感應(yīng)強(qiáng)度為100GS。集群強(qiáng)磁極2的邊長(zhǎng)為25mm的正方形永磁鐵，按中心距為30mm集群陣列分布，如圖6所示.本發(fā)明通過(guò)如下方法制備磁流變液23:去離子水中加入濃度為6%的中位粒徑為500納米的氧化鍶磨料、濃度為12%的中位粒徑為7微米的氧化鍶磨料、濃度為10%的中位粒徑為5微米羰基鐵粉、濃度為5%的中位粒徑為200納米的羰基鐵粉、濃度為4%的分散劑、濃度為3%的防銹劑，充分?jǐn)嚢韬笸ㄟ^(guò)超聲波震動(dòng)15分鐘.如圖5所示，磁流變液23進(jìn)入環(huán)形研磨盤(pán)I上方后在磁場(chǎng)力及重力作用下自動(dòng)形成由納米級(jí)羰基鐵粉和納米級(jí)磨料組成的細(xì)拋光墊層和由微米級(jí)羰基鐵粉24和微米級(jí)磨料組成的粗拋光墊層25。
[0024]上述的柔性拋光墊實(shí)時(shí)在線修整的超光滑平面研磨拋光裝置的對(duì)單晶硅片的平面加工方法為:
1)通過(guò)調(diào)整精密深度尺10使單晶硅片下表面與環(huán)形研磨盤(pán)I上表面之間的距離為0，并調(diào)整配重環(huán)16的重量為4kg、轉(zhuǎn)盤(pán)20和內(nèi)齒輪13的轉(zhuǎn)速分別為40rpm和_40rpm，添加上述配置好的磁流變液23，磁流變液在集群磁極2的作用下在拋光盤(pán)表面形成粘彈性拋光墊，拋光墊對(duì)工件進(jìn)行加工后形狀會(huì)發(fā)生改變，但經(jīng)過(guò)修整游星輪17下方時(shí)能在磁極18的作用下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)整形，實(shí)現(xiàn)對(duì)硅片的高效率研磨加工15分鐘，獲得Ra約為50um的平坦單晶娃片；
2)通過(guò)調(diào)整深度尺10使單晶硅片下表面與環(huán)形研磨盤(pán)I上表面之間的距離為0.6mm,調(diào)整配重環(huán)16的重量使基準(zhǔn)游星輪7下表面與內(nèi)支撐環(huán)5和外支撐環(huán)6上表面緊密接觸，調(diào)整轉(zhuǎn)盤(pán)20和內(nèi)齒輪13的轉(zhuǎn)速分別為50rpm和-50rpm，添加循環(huán)的上述磁流變液23，磁流變液在集群磁極2的作用下在拋光盤(pán)表面形成粘彈性拋光墊，拋光墊對(duì)工件進(jìn)行加工后形狀會(huì)發(fā)生改變，但經(jīng)過(guò)修整游星輪17下方時(shí)能在磁極18的作用下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)整形，實(shí)現(xiàn)工件的高效率拋光20分鐘，獲得Ra約為3um的光滑單晶硅片；
3)通過(guò)調(diào)整深度尺10使單晶硅片下表面與環(huán)形研磨盤(pán)I上表面之間的距離為1.5mm,調(diào)整配重環(huán)16的重量使基準(zhǔn)游星輪7下表面與內(nèi)支撐環(huán)5和外支撐環(huán)6上表面緊密接觸，調(diào)整轉(zhuǎn)盤(pán)20和內(nèi)齒輪13的轉(zhuǎn)速分別為60rpm和_50rpm，添加上述的磁流變液23，磁流變液在集群磁極2的作用下在拋光盤(pán)表面形成粘彈性拋光墊，拋光墊對(duì)工件進(jìn)行加工后形狀會(huì)發(fā)生改變，但經(jīng)過(guò)修整游星輪17下方時(shí)能在磁極18的作用下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)整形，實(shí)現(xiàn)工件的超精密拋光25分鐘，獲得Ra約為0.2nm的超光滑單晶硅片。
[0025]從本實(shí)施例可以看出，本發(fā)明基于磁流變效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了在不更換磁流變液的情況對(duì)工件實(shí)現(xiàn)研磨、粗拋光到精拋光的全過(guò)程，所獲得的工件表面質(zhì)量好，加工效率高，而且無(wú)表面和亞表面損傷，而且成本低。本發(fā)明的加工裝置和加工方法可以用于各類光學(xué)元件及半導(dǎo)體基片的加工。
【權(quán)利要求】
1.一種柔性拋光墊在線修整的超光滑平面研磨拋光裝置，其特征在于包括集群磁流變磨料半固著柔性拋光墊發(fā)生裝置、工件裝夾及間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)、柔性拋光墊實(shí)時(shí)在線修整裝置，集群磁流變磨料半固著柔性拋光墊發(fā)生裝置包括有環(huán)形研磨盤(pán)(I)、集群磁極(2)、分隔盤(pán)(3)、下端蓋(4)、轉(zhuǎn)盤(pán)(20)，工件裝夾及間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)包括有內(nèi)支撐環(huán)(5)、外支撐環(huán)(6)、基準(zhǔn)游星輪(7)、移動(dòng)圓柱(8)、上端蓋(9)、深度尺(10)、聯(lián)接軸(11)、脹緊套(12)、內(nèi)齒輪(13)、外齒輪(14)，柔性拋光墊實(shí)時(shí)在線修整裝置包括有修整游星輪(17)、磁極(18)，其中下端蓋(4)固定在環(huán)形研磨盤(pán)(I)的底部，集群磁極(2)鑲嵌在環(huán)形研磨盤(pán)(I)的內(nèi)部，分隔盤(pán)(3)鑲嵌在研磨盤(pán)(I)的內(nèi)部且分隔集群磁極(2)，且集群磁極(2)和分隔盤(pán)(3)固定在下端蓋(4 )的底部?jī)?nèi)側(cè)，轉(zhuǎn)盤(pán)(20 )固定在下端蓋(4 )的底部外側(cè)，支撐并帶動(dòng)集群磁流變磨料半固著柔性拋光墊發(fā)生裝置旋轉(zhuǎn)，內(nèi)支撐環(huán)(5)固定在環(huán)形研磨盤(pán)(I)的內(nèi)圈，外支撐環(huán)(6 )固定在環(huán)形研磨盤(pán)(I)的外圈，環(huán)形研磨盤(pán)(I)的中空腔體內(nèi)裝設(shè)基準(zhǔn)游星輪(7 )及修整游星輪(17)，外齒輪(14)裝設(shè)在環(huán)形研磨盤(pán)(I)的內(nèi)側(cè)壁，內(nèi)齒輪(13)分別與基準(zhǔn)游星輪(7)及修整游星輪(17)外嚙合，外齒輪(14)分別與基準(zhǔn)游星輪(7)及修整游星輪(17)內(nèi)嚙合，基準(zhǔn)游星輪(7)套裝在移動(dòng)圓柱(8)上，移動(dòng)圓柱(8)的下端面固定工件(21)，聯(lián)接軸(11)的下端與移動(dòng)圓柱(8)的上端連接，脹緊套(12)套裝在聯(lián)接軸(11)的外側(cè)，上端蓋(9)裝設(shè)在脹緊套(12)的頂部，聯(lián)接軸(11)的上端穿過(guò)上端蓋(9)，深度尺(10)裝設(shè)在聯(lián)接軸(11)的上端，磁極(18)鑲嵌在修整游星輪(17)的內(nèi)部，環(huán)形研磨盤(pán)(I)工作時(shí)其上方需要提供磁流變液(23)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性拋光墊在線修整的超光滑平面研磨拋光裝置，其特征在于上述修整游星輪(17)的上表面安裝有固定端蓋(19)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性拋光墊在線修整的超光滑平面研磨拋光裝置，其特征在于上述基準(zhǔn)游星輪(7)上方套有對(duì)深度尺(10)進(jìn)行保護(hù)的階梯狀保護(hù)套(15)，保護(hù)套(15)上套有配重環(huán)(16)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性拋光墊在線修整的超光滑平面研磨拋光裝置，其特征在于上述內(nèi)支撐環(huán)(5 )和外支撐環(huán)(6 )位于同一水平面上，基準(zhǔn)游星輪(7 )下端面正對(duì)內(nèi)支撐環(huán)(5 )和外支撐環(huán)(6 )上表面，修整游星輪(17 )下端面正對(duì)內(nèi)支撐環(huán)(5 )和外支撐環(huán)(6 )上表面，修整游星輪(17)位于基準(zhǔn)游星輪(7 )前方。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的柔性拋光墊在線修整的超光滑平面研磨拋光裝置，其特征在于上述集群磁極(2)是集群強(qiáng)磁極；上述磁極(18)是弱磁極；深度尺(10)是精密深度尺或者精密螺桿。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的柔性拋光墊在線修整的超光滑平面研磨拋光裝置，其特征在于上述集群磁極(2)端面磁感應(yīng)強(qiáng)度至少為1000GS，磁極(18)端面磁感應(yīng)強(qiáng)度最大為1500GS,集群磁極(2)按磁極方向相同排布于研磨盤(pán)(I)中，磁極(18)按磁極方向相同排布于修整游星輪(17 )中，且工作時(shí)集群磁極(2 )與磁極(18 )磁極方向相同。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的柔性拋光墊在線修整的超光滑平面研磨拋光裝置，其特征在于上述集群磁極(2)是直徑為5?35mm的圓柱狀平頭永磁鐵,或是邊長(zhǎng)為5?35mm的方形平頭永磁鐵，彼此磁鐵之間的間距為O?12_，亦可為磁感應(yīng)強(qiáng)度面域均化的環(huán)形磁極。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的柔性拋光墊在線修整的超光滑平面研磨拋光裝置，其特征在于上述環(huán)形研磨盤(pán)(I)、分隔盤(pán)(3)、下端蓋(4)、內(nèi)支撐環(huán)(5)、外支撐環(huán)(6)、基準(zhǔn)游星輪(7 )、修整游星輪(17)、和移動(dòng)圓柱(8 )的材料為抗磁材料；上述外支撐環(huán)(6 )具有多個(gè)缺口(22),上述環(huán)形研磨盤(pán)(I)的上表面為平面,或者具有寬度為0.5?2mm、寬度為0.5?3mm、間距為5?20mm的網(wǎng)狀開(kāi)槽表面，或?yàn)榫哂薪嵌葹?.1?I度的陣列楔形面表面；上述基準(zhǔn)游星輪(7)的中心具有垂直引導(dǎo)孔。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的柔性拋光墊在線修整的超光滑平面研磨拋光裝置，其特征在于工作時(shí)環(huán)形研磨盤(pán)(I)上方需要提供分散完整的磁流變液(23)，磁流變液制作方法如下: 去離子水中加入如下三種磨料中的至少兩種磨料:濃度為3%?10%的納米級(jí)磨料、濃度為3%?12%的亞微米級(jí)磨料、濃度為3%?15%的微米級(jí)磨料，及去離子水中加入濃度為5%?20%的微米級(jí)羰基鐵粉及濃度為3%?15%的亞微級(jí)羰基鐵粉，及加入濃度為3%?20%的分散劑和濃度為2%?5%的防銹劑，充分?jǐn)嚢韬笸ㄟ^(guò)超聲波震動(dòng)5?30分鐘，磁流變液進(jìn)入環(huán)形研磨盤(pán)(I)上方后在磁場(chǎng)力及重力作用下自動(dòng)形成磨料半固著的由納米級(jí)羰基鐵粉和納米級(jí)磨料組成的細(xì)柔性拋光墊層(24)和由微米級(jí)羰基鐵粉和微米級(jí)磨料組成的粗柔性拋光墊層(25)。
10.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性拋光墊在線修整的超光滑平面研磨拋光裝置的加工方法，其特征在于包括如下步驟: .1)通過(guò)調(diào)整深度尺(10)使工件(21)下表面與環(huán)形研磨盤(pán)(I)上表面之間的距離為0，并調(diào)整配重環(huán)(16)的重量、轉(zhuǎn)盤(pán)(20)和內(nèi)齒輪(13)的轉(zhuǎn)速，添加循環(huán)的磁流變液(23)，修整游星輪(17)內(nèi)的磁極(18)實(shí)時(shí)對(duì)磁流變液(23)中的粗柔性拋光墊層(25)進(jìn)行修整和磨料更新，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件(21)的高效率研磨； .2)通過(guò)調(diào)整深度尺(10)使工件(21)下表面與環(huán)形研磨盤(pán)(I)上表面之間的距離為0.3?1mm，調(diào)整配重環(huán)(16)的重量使基準(zhǔn)游星輪(7)下表面與內(nèi)支撐環(huán)(5)和外支撐環(huán)(6 )上表面緊密接觸，調(diào)整轉(zhuǎn)盤(pán)(20 )和內(nèi)齒輪(13 )的轉(zhuǎn)速，添加循環(huán)的磁流變液(23 )，修整游星輪(17)內(nèi)的弱磁極(18)實(shí)時(shí)對(duì)磨料半固著的粗柔性拋光墊層(25)進(jìn)行修整和磨料更新，實(shí)現(xiàn)工件的高效率拋光； .3)通過(guò)調(diào)整深度尺(10)使工件(21)下表面與環(huán)形研磨盤(pán)(I)上表面之間的距離為I?3mm,調(diào)整配重環(huán)(16)的重量使基準(zhǔn)游星輪(7)下表面與內(nèi)支撐環(huán)(5)和外支撐環(huán)(6)上表面緊密接觸，調(diào)整轉(zhuǎn)盤(pán)(20)和內(nèi)齒輪(13)的轉(zhuǎn)速，添加循環(huán)的磁流變液(23)，修整游星輪(17)內(nèi)的弱磁極(18)實(shí)時(shí)對(duì)磨料半固著的細(xì)柔性拋光墊層(24)進(jìn)行修整和磨料更新，實(shí)現(xiàn)工件的超精密拋光。
【文檔編號(hào)】B24B53/013GK104209862SQ201410424335
【公開(kāi)日】2014年12月17日 申請(qǐng)日期:2014年8月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月26日
【發(fā)明者】潘繼生, 閻秋生, 路家斌 申請(qǐng)人:廣東工業(yè)大學(xué)