[发明专利]柔性抛光垫在线修整的超光滑平面研磨抛光装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种柔性抛光垫在线修整的超光滑平面研磨抛光装置及方法，特别涉及对一种磨料半固着磁流变柔性抛光垫实时在线修整的恒压式光学元件及半导体基片平面研磨抛光装置及方法。

背景技术

光学元件（透镜和反射镜）作为光学器件的核心元件之一，要达到良好的光学性能，其表面精度需要达到超光滑程度（粗糙度Ra 达到1nm以下），面形精度也有较高的要求（形状精度达到0.5微米以下）。而在LED 领域，单晶硅(Si)、单晶锗(Ge)、砷化镓(GaAs)、单晶碳化硅（SiC）和单晶蓝宝石（Al₂O₃）等作为半导体衬底材料，同样要求具有超平坦和超光滑的表面（粗糙度Ra 达到0.3nm 以下）才能满足外延膜生长的要求，并且要求无缺陷、无损伤。无论是光学平面元件还是半导体基片，均需要进行平坦化加工，其传统工艺主要是高效研磨、超精密抛光、化学机械抛光和磁流变抛光，其加工质量和精度直接决定了光学器件及半导体器件的性能。

研磨加工是利用硬质研磨盘和研磨工作液（油或水性物质与较粗的游离磨料的混合物），通过研磨盘向游离磨料施加一定压力作用于工件表面，磨料在研磨盘与工件界面上产生滚动或滑动，从被加工工件表面去除一层极薄的材料，达到提高工件表面形状精度的目的。抛光加工是利用软质抛光盘或者抛光垫和抛光工作液（油或水性物质与较细的游离磨料的混合物），通过抛光垫向游离磨料施加一定压力作用于工件表面，磨料在抛光盘与工件界面上产生滚动或滑动，由于抛光垫的避让作用，使得被加工工件表面仅仅去除一层微量材料，达到提高工件表面精度的目的，但抛光效率较低。化学机械抛光(Chemical-Mechanical Polishing, CMP)技术是机械磨削和化学腐蚀的组合技术，它借助超微粒子的研磨作用以及浆料的化学腐蚀作用在被研磨的介质表面上形成光洁平坦表面，但由于化学成分的存在，对于离子敏感的陶瓷基片并不适用。磁流变抛光技术(Magnetorheological finishing, MRF)是20世纪90年代由KORDONSKI及其合作者将电磁学、流体动力学、分析化学、加工工艺学等相结合而提出的一种新型的光学表面加工方法，具有抛光效果好、不产生次表面损伤、适合复杂表面加工等传统抛光所不具备的优点，已发展成为一种革命性光学表面最终加工方法，特别适合轴对称非球面的超精密加工。但目前采用磁流变抛光方法对平面工件进行加工时，主要以美国QED 公司研制的各种型号磁流变机床，其原理是把工件置于一圆弧形抛光盘上方，工件表面与抛光盘之间形成的凹形间隙，抛光盘下方布置一个磁感应强度可调的电磁铁磁极或者永磁体磁极使凹形间隙处形成高强度梯度磁场，当磁流变液随抛光盘运动到工件与抛光盘形成的空隙附近时形成的柔性凸起“抛光缎带”。但“抛光缎带”与工件表面属于“斑点”局部接触,在加工过程中只能靠控制“斑点”沿工件表面按一定规律轨迹扫描才能实现整个表面的加工，轨迹扫描过程需要大量的时间，造成效率低、加工形状精度不易保证。

由于研磨和抛光属于不同的工艺过程，一般采用不同的加工装置及不同的磨料工作液进行加工，加工效率低，难以适应电子信息制造业的高速发展要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种柔性抛光垫在线修整的超光滑平面研磨抛光装置。本发明能实现对光学元件及半导体基片在不更换加工装置及磨料工作液的基础上进行高效率平面研磨和超精密无损伤平面抛光，并且能实现对磨料半固着集群柔性抛光垫实时整形的平面加工。

本发明的另一目的是提供一种加工表面质量好，加工效率高，成本低，而且无表面和亚表面损伤的柔性抛光垫在线修整的超光滑平面研磨抛光装置的加工方法。