[发明专利]往复直线加旋转运动研磨抛光装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种材料加工设备，特别是涉及一种对非金属材料的两个表面进行研磨抛光的装置。

背景技术

非金属材料(人工晶体、特殊陶瓷、半导体等材料)也可称为新材料，它广泛应用于现代生产与生活。它改变着人的思维，变不可能为可能，它代表着科技发展的趋势，关系到国家的经济命脉与安全。凡是应用集成电路控制的设备与生活用品、激光器、遥感器件、光谱分离元器件等等都离不开这些新材料，新材料是高科技的基础材料，因此对其加工的要求是十分精密的，同时也是相当重要的。例如，第二代半导体材料(第一代半导体材料是单晶硅)砷化镓、第三代半导体材料碳化硅都是大规模、超大规模集成电路的衬底材料。其要求直径100毫米，厚度0.7毫米的薄片的两个表面，平整度误差在1纳米以下，即达到埃级单位；平行度误差在1微米以下。这对研磨与抛光提出了严格的技术指标要求。

如图1所示，已有的研磨抛光机难以完成以上技术要求，原因是该设备结构上的缺陷所致。这种传统设备的载料盘运动是被动旋转加弧线摆动方式，即一支柱19(可左右摆动)上安装有载料盘支架18，在支架的两个被动导轮16、17中放置载料盘15，载料盘15在支柱电机的驱动下做往复摆动。

如图2所示，被磨抛材料粘接在载料盘15上，在磨料颗粒作用下，与研磨抛光盘14做相对(被动旋转加弧线)运动，达到磨抛效果。为分析其磨抛轨迹可把研磨抛光盘视为一条条同心圆的磨削线，这条条磨削线相对载料盘弧线运动而言。就可以得到其磨削角θ。

可见，其磨削角θ(靠磨抛盘圆心内径处)小，摆到θ′(磨抛盘半径中线处)大，摆到θ″(靠磨抛盘外径处)更大，即磨削角由小变大再变更大往复规律变化，磨削角各轨迹是始终变量关系。而磨削角角度变化实际反映的是磨削力的变化。磨削角和磨削力呈反比关系，即磨削角小则磨削力大。磨削力产生的效果是磨削量的变化。因此，弧线运动磨抛其被磨抛材料的表面所受到的磨削量始终是变化的。在磨抛时，所用的磨料或抛光料都是液体的，其颗粒是流动的，由于所受磨削力不一样(摩擦力也不一样)，导致磨抛料呈不均匀分布状态(磨抛料在喷撒磨抛盘面上未进入被磨抛材料之前，由于受到转动磨抛盘的离心作用，使磨抛盘均匀的分布在磨抛盘表面)。这样，在被磨抛材料与磨抛料颗粒与磨抛盘相互作功时，磨抛料颗粒在变化的磨削力作用下，呈不规则的随机聚堆或空格，造成被磨抛材料表面的平整度破坏。还因为磨抛盘转动时，盘面的线速度呈扇形变化，即盘的圆心处线速度为零，盘的外径处其线速度为最大。线速度从零到最大在盘面上呈扇面扩展。假如载料盘不转动时，被磨抛材料靠磨抛盘外径处磨削力小，但线速度高，反之靠圆心处磨削力大，但线速度低。而盘面线速度又是一种磨削力，造成被磨抛材料(片子)一边厚一边薄。因为磨抛盘转动线速度代表了磨抛路径(距离)，线速度高路径长，磨削量大，反之，线速度低路径短磨削量小。那么，什么情况下，载料盘不转呢？载料盘本身重量代表了磨削时的重力，磨抛开始时，由于被磨抛材料(片子)表面在切割时留下的切割痕迹，该痕迹凹凸不平，相对很平整的磨抛盘表面来讲是点接触，同时，磨抛盘表面布满了磨抛料颗粒，当磨抛盘旋转起来，研磨抛光盘、磨抛颗粒、被磨抛材料三者之间产生磨擦力，当载料盘重力大于磨擦力时，载料盘不转，当载料盘重力小于磨擦力(在与研磨抛光盘盘面内外线速度差的作用下)时，载料盘就会被动旋转起来。当研磨快结束也会产生不转，因为，片面被研磨的平整度提高了，磨擦力降低小于载料盘重力时，载料盘便停止转动，结果产生片子一边厚一边薄。但是，在研磨开始至结束前的中间过程中，载料盘处于被动旋转和摆动状态的。依据以上分析，载料块旋转可以解决片子一边厚一边薄的问题(因为旋转可以打破线速度差带来的薄厚不均的问题)，可是解决不了片子本身边缘薄圆心厚的问题，这是因为载料盘旋转(即被磨材料片子随同旋转)，片子边缘的路径(即线速度)加上片子圆心路径(虽然该处的θ″角较小)，大于片子圆心的路径(线速度)。因此，片子边缘磨得多，圆心磨得少，片子呈“心高”现象，为了解决这一问题，采用使载料盘摆动的措施，以打破线速度所带来的“心高”问题。但实际结果，由于采用的是弧线摆动方式，磨削角θ始终处于变化，引发磨削量始终变化，虽然“心高”问题得以改善，但“心高”问题并没有彻底解决，使得较高技术指标平整度的片面无法实现，片子平行度因而无法实现。这些存在的问题正是本发明装置构思依据。

发明内容