一種分層冷凍固結(jié)磨料拋光墊及制備方法
【專利摘要】一種分層冷凍固結(jié)磨料拋光墊及其制備方法，其特征是由以下步驟制備而成：首先將配比好的微米級(jí)磨料與去離子水?dāng)嚢杈鶆颍?jīng)機(jī)械分散得到磨料處于分散、懸浮狀的液態(tài)或膠態(tài)待冷凍原料，并將其置入下模中；其次，將上模與下模相配，再將拋光液靜置7～8分鐘直至拋光液出現(xiàn)較為明顯的濃度分層；第三，向進(jìn)液口通入液氮直至拋光液冷凍成型，或?qū)⒛＞咧糜冢?0℃至－80℃的低溫試驗(yàn)箱中冷凍2～3分鐘；第四，將模具整體倒置，并向進(jìn)液口通入熱風(fēng)1?2分鐘，或向下模的外表層吹熱風(fēng)1?2分鐘；第五，將拋光墊制備模具與冷凍固結(jié)磨料分離，即得由經(jīng)自然沉降分級(jí)后冷凍而成的微米級(jí)磨料層、亞微米級(jí)磨料層、納米級(jí)磨料層和去離子水層組成的拋光墊。本發(fā)明方法簡(jiǎn)單，使用過(guò)程中無(wú)需更換墊光墊。
【專利說(shuō)明】
一種分層冷凍固結(jié)磨料拋光墊及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種新型固結(jié)磨料拋光墊及其制備方法，尤其是一種以去離子水為粘結(jié)劑，通過(guò)快速冷凍將自然沉降分層的不同粒徑磨料粘結(jié)成拋光墊及其制備方法，具體地說(shuō)是一種基于磨料自然沉降機(jī)理制備的分層冷凍固結(jié)磨料拋光墊及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]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(guò)程中，通過(guò)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):(I)傳統(tǒng)的CMP是基于三體(游離磨料、拋光墊和工件)磨損機(jī)理，工藝參數(shù)多、加工過(guò)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(guò)度拋光(Over polishing)、碟形凹陷(Dishing)、氮化物腐蝕(Nitride eros1n)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(guò)程中，拋光墊產(chǎn)生塑性變形而逐漸變得光滑，或拋光墊表面微孔發(fā)生堵塞使其容納漿料和排除廢肩的能力降低，導(dǎo)致材料去除率隨時(shí)間下降。需要不斷地修整和潤(rùn)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(guò)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。(8)粗拋和精拋過(guò)程分開(kāi)，需多次裝夾工件，工件的加工定位基準(zhǔn)會(huì)發(fā)生改變，從而影響最終的加工精度與效率。
[0003]綜上所述，目前在利用拋光墊加工工件時(shí)，急需一種適應(yīng)性強(qiáng)，制造方便，磨削熱小，既能對(duì)硬質(zhì)金屬進(jìn)行拋光，又能對(duì)軟質(zhì)金屬、非金屬等質(zhì)地較軟的材料進(jìn)行拋光加工，得到理想的表面粗糙度和厚度的拋光墊供使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有的冷凍固結(jié)磨料拋光墊在拋光過(guò)程中去除速率低、精度低、多次裝夾拋光盤致使其加工定位基準(zhǔn)發(fā)生改變的問(wèn)題，提供一種基于磨料自然沉降機(jī)理制備的分層冷凍固結(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)量又要提高經(jīng)濟(jì)效益的要求。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案之一是: 一種基于磨料自然沉降機(jī)理制備的分層冷凍固結(jié)磨料拋光墊，其特征是它依次由經(jīng)自然沉降分層后冷凍而成的微米級(jí)磨料層、亞微米級(jí)磨料層、納米級(jí)磨料層和去離子水層組成，其中磨料總量占拋光墊總重量的10%?70%，其余為去離子水。
[0006]所述的磨料為SiC、Cr203、Si02、Al203、Ce02、金剛石粉或它們的組合。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案之二是:
一種基于磨料自然沉降機(jī)理制備的分層冷凍固結(jié)磨料拋光墊的制備方法，其特征是包括以下步驟:
a、首先將配比好的微米級(jí)磨料與去離子水?dāng)嚢杈鶆?，?jīng)機(jī)械分散得到磨料處于分散、懸浮狀的液態(tài)或膠態(tài)待冷凍原料，并將其置入下模I中；
b、其次，將上模3與下模I相配，再將拋光液靜置7?8分鐘直至拋光液出現(xiàn)較為明顯的濃度分層；
C、向進(jìn)液口 2通入液氮直至拋光液冷凍成型(或?qū)⒛＞咧糜谝?0°C至一80°C的低溫試驗(yàn)箱中冷凍2?3分鐘)；
d、將模具整體倒置，并向進(jìn)液口2通入熱風(fēng)1-2分鐘(或向下模I的外表層吹熱風(fēng)1-2分鐘)；
e、將拋光墊制備模具與冷凍固結(jié)磨料分離，即得基于磨料自然沉降機(jī)理制備的分層冷凍固結(jié)磨料拋光墊。
[0008]所述的待冷凍原料經(jīng)靜置分層后共分為四層:第一層為去離子水層，第二層為含納米級(jí)磨料層，第三層為含亞微米級(jí)磨料層，第四層為含微米級(jí)磨料層，自上往下所含磨料粒徑逐漸變大。
[0009]所述的微米級(jí)磨料經(jīng)機(jī)械分散后，應(yīng)保證得到的納米級(jí)磨料占磨料總重量的5-10%，微米級(jí)磨料占磨料總重量的5-10%，其余為亞微米級(jí)磨料。
[0010]所述的機(jī)械分散方法為球磨分散法、超聲分散法或剪切乳化法。
[0011]所述的拋光墊制備模具的下模I的內(nèi)層采用導(dǎo)熱系數(shù)高的金屬材料，并且內(nèi)層與冰接觸的表面平整光滑，易于取模。
[0012]所述的拋光墊制備模具的上模3底部開(kāi)有用于定位的燕尾槽，底部凸起平面保持同一高度，當(dāng)上模3與下模I相配時(shí)，上模3倒扣于下模I上方，且其凸起的平面浸入拋光液面下8?30mmo
[0013]本發(fā)明的有益效果:
1.本發(fā)明制備簡(jiǎn)單，容易成型，可制造成各種形狀，尤其適合制作成異性模具。
[0014]2.本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了粗研、半精研與精拋光一體化復(fù)合加工，減少停機(jī)更換研磨和拋光工具的時(shí)間，能提高加工效率，降低加工成本。
[0015]3.本發(fā)明加工過(guò)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，且使用方便，可通過(guò)在磨頭部位加裝冷卻裝置、填充液氮等方法保證砂輪不會(huì)因環(huán)境溫度而自行熔化。
[0016]4.本發(fā)明的粘結(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磨削。
[0017]5.本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)自潤(rùn)滑磨削，加工過(guò)程中可不添加潤(rùn)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。
[0018]6.本發(fā)明為超薄晶體材料的制造提供了行之有效的加工工具。
[0019]7.本發(fā)明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(kāi)拓這類材料的新的用途。
[0020]8.本發(fā)明操作過(guò)程簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)磨具的自修銳，沒(méi)有更換和修整拋光墊以及清理拋光漿料所帶來(lái)的停工問(wèn)題，沒(méi)有拋光液的維護(hù)和處理問(wèn)題。
[0021]9.本發(fā)明能在高速下工作，轉(zhuǎn)速可以達(dá)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(guò)高磨料外溢的缺點(diǎn)。
[0022]10.本發(fā)明由于采用固結(jié)磨料拋光墊，沒(méi)有游離磨粒，因此可認(rèn)為是基于兩體磨損機(jī)理。
[0023]11.本發(fā)明具有優(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:lo
[0024]12.本發(fā)明可達(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)。
[0025]13.本發(fā)明具有拋光自停功能(Self-stopping)。由于對(duì)過(guò)拋很不敏感，只產(chǎn)生最小的蝶形凹陷和腐蝕，相當(dāng)于拋光行為自動(dòng)停止。
[0026]14.本發(fā)明磨料利用率高，有效減少雜質(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(jiǎn)單，可有效降低成本。
[0027]15.本發(fā)明工藝變量少，加工過(guò)程穩(wěn)定，具有可重復(fù)性，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。
[0028]16.本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)機(jī)械和化學(xué)拋光的雙重結(jié)合，通過(guò)改變添加劑或/和液體的pH值可實(shí)現(xiàn)化學(xué)拋光的目的。
[0029]17.本發(fā)明能使工件在一次裝夾下就能完成粗研、半精研和拋光，工件的加工定位基準(zhǔn)不變，可以進(jìn)一步提尚拋光精度。
【附圖說(shuō)明】
[0030]圖1是本發(fā)明的經(jīng)機(jī)械分散后的微米級(jí)磨料粒徑的正態(tài)分布圖。
[0031]圖2是本發(fā)明的拋光墊制備用模具的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2(a)為液氮冷凍用模具，圖2(b)為低溫試驗(yàn)箱用模具。
[0032]圖3是本發(fā)明的分層冷凍固結(jié)磨料拋光墊的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0033]圖中:I為下模，2為進(jìn)液口，3為上模，4為連接螺紋。
【具體實(shí)施方式】
[0034]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(shuō)明。
[0035]如圖1、2、3所示。
[0036]實(shí)施例一。
[0037]一種超薄材料拋光用CMP冷凍拋光墊，由350克的微米級(jí)SiC(或微米Cr203、Si02、Al2O3XeO2)磨料及余量650的去離子水組成，使用前將二者攪拌均勻，再經(jīng)機(jī)械分散后得到磨料處于分散、懸浮狀的膠狀混合物，并將其置入拋光墊模具中。由于微米級(jí)磨料粒徑服從正態(tài)分布，如圖1所示，大粒徑的磨料顆粒沉降速度較快，小粒徑的磨料顆粒沉降較慢，所以靜置7-8分鐘后懸浮液會(huì)出現(xiàn)明顯的分層，由上至下磨料顆粒依次變大，其中納米級(jí)和微米級(jí)磨料的總重量各為35克左右，其余280克磨料經(jīng)分散后的顆徑均處于亞微米級(jí)，最上層為去離子水層。再向下模I的進(jìn)液口 2通入液氮直至拋光液冷凍成型(或?qū)⒛＞咧糜谝?0°C至一80°C的低溫試驗(yàn)箱中冷凍2?3分鐘)ο使用時(shí)應(yīng)進(jìn)行脫模，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(kāi)機(jī)使用。采用此拋光墊加工單晶硅片可使表面粗糙度值達(dá)到Ra=I.23nm，比傳統(tǒng)的CMP效率提高15倍。
[0038]實(shí)施例二。
[0039]一種超軟材料拋光用CMP冷凍拋光墊，由250克的微米級(jí)SiC(或微米Cr203、Si02、Al2O3XeO2)磨料及余量750的去離子水組成，使用前將二者攪拌均勻，再經(jīng)機(jī)械分散后得到磨料處于分散、懸浮狀的膠狀混合物，并將其置入拋光墊模具中。由于微米級(jí)磨料粒徑服從正態(tài)分布，如圖1所示，其中納米級(jí)和微米級(jí)磨料的總重量各為12.5克左右，其余225克磨料經(jīng)分散后的顆徑均處于亞微米級(jí)，大粒徑的磨料顆粒沉降速度較快，小粒徑的磨料顆粒沉降較慢，所以靜置7-8分鐘后懸浮液會(huì)出現(xiàn)明顯的分層，由上至下磨料顆粒依次變大，最上層為去離子水層。向下模I的進(jìn)液口 2通入液氮直至拋光液冷凍成型(或?qū)⒛＞咧糜谝?0°C至一 80 °C的低溫試驗(yàn)箱中冷凍2?3分鐘)。使用時(shí)應(yīng)進(jìn)行脫模，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(kāi)機(jī)使用。采用此拋光墊加工Imm厚的紫銅板可使表面粗糙度值達(dá)到Ra=2.92nm，比傳統(tǒng)的CMP效率提高8倍。
[0040]實(shí)施例三。
[0041 ] 一種超硬材料拋光用CMP冷凍拋光墊，由450克的微米級(jí)SiC(或微米Cr203、Si02、Al2O3XeO2)磨料及余量550的去離子水組成，使用前將二者混合均勻，再經(jīng)機(jī)械分散后得到磨料處于分散、懸浮狀的膠狀混合物，并將其置入拋光墊模具中。由于微米級(jí)磨料粒徑服從正態(tài)分布，如圖1所示，大粒徑的磨料顆粒沉降速度較快，小粒徑的磨料顆粒沉降較慢，所以靜置7-8分鐘后懸浮液會(huì)出現(xiàn)明顯的分層，由上至下磨料顆粒依次變大，其中納米級(jí)和微米級(jí)磨料的總重量各為36克左右，其余378克磨料經(jīng)分散后的顆徑均處于亞微米級(jí)，最上層為去離子水層。向下模I的進(jìn)液口 2通入液氮直至拋光液冷凍成型(或?qū)⒛＞咧糜谝?60°C至一80 °C的低溫試驗(yàn)箱中冷凍2?3分鐘)。使用時(shí)應(yīng)進(jìn)行脫模，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(kāi)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=3.78nm，比傳統(tǒng)的CMP效率提高12倍。
[0042]實(shí)施例四。
[0043]本實(shí)施例與實(shí)施例一至三基本相同，所不同之處是磨料含量以及懸浮液靜置時(shí)間有所不同。
[0044]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)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于磨料自然沉降機(jī)理制備的分層冷凍固結(jié)磨料拋光墊，其特征是它依次由經(jīng)自然沉降分層后冷凍而成的微米級(jí)磨料層、亞微米級(jí)磨料層、納米級(jí)磨料層和去離子水層組成，其中磨料總量占拋光墊總重量的10%?70%，其余為去離子水。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的拋光墊，其特征是所述的磨料為SiC、Cr203、Si02、Al203、Ce02、金剛石粉或它們的組合。3.—種基于磨料自然沉降機(jī)理制備的分層冷凍固結(jié)磨料拋光墊的制備方法，其特征是包括以下步驟: a、首先將配比好的微米級(jí)磨料與去離子水?dāng)嚢杈鶆?，?jīng)機(jī)械分散得到磨料處于分散、懸浮狀的液態(tài)或膠態(tài)待冷凍原料，并將其置入下模(I)中； b、其次，將上模(3)與下模(I)相配，再將拋光液靜置7?8分鐘直至拋光液出現(xiàn)較為明顯的濃度分層； C、向進(jìn)液口(2)通入液氮直至拋光液冷凍成型，或?qū)⒛＞咧糜谝?0°C至一80°C的低溫試驗(yàn)箱中冷凍2?3分鐘； d、將模具整體倒置，并向進(jìn)液口(2)通入熱風(fēng)1-2分鐘，或向下模(I)的外表層吹熱風(fēng)1-2分鐘； e、將拋光墊制備模具與冷凍固結(jié)磨料分離，即得基于磨料自然沉降機(jī)理制備的分層冷凍固結(jié)磨料拋光墊。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，特征是所述的待冷凍原料經(jīng)靜置分層后共分為四層:第一層為去離子水層，第二層為含納米級(jí)磨料層，第三層為含亞微米級(jí)磨料層，第四層為含微米級(jí)磨料層，自上往下所含磨料粒徑逐漸變大。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，特征是所述的微米級(jí)磨料經(jīng)機(jī)械分散后，應(yīng)保證得到的納米級(jí)磨料占磨料總重量的5-10%，微米級(jí)磨料占磨料總重量的5-10%，其余為亞微米級(jí)磨料。6.根據(jù)權(quán)利要求3或5所述的制備方法，特征是所述的機(jī)械分散方法為球磨分散法、超聲分散法或剪切乳化法。7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，特征是所述的拋光墊制備模具的下模(I)的內(nèi)層采用導(dǎo)熱系數(shù)高的金屬材料，并且內(nèi)層與冰接觸的表面平整光滑，易于取模。8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，特征是所述的拋光墊制備模具的上模(3)底部開(kāi)有用于定位的燕尾槽，底部凸起平面保持同一高度，當(dāng)上模(3)與下模(I)相配時(shí)，上模(3)倒扣于下模(I)上方，且其凸起的平面浸入拋光液面下8?30mm。
【文檔編號(hào)】B24D13/02GK106002663SQ201610357816
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月26日
【發(fā)明人】孫玉利, 湯蘇揚(yáng), 左敦穩(wěn), 盧文壯, 王勇, 徐洋, 劉志剛, 劉巍, 潘天宇
【申請(qǐng)人】南京航空航天大學(xué)