加工半导体用兰宝石晶体基片的光学研磨机及其加工方法技术

一种光学研磨，主要包括机架，机架上安装一工作台面板，工作台上安装一水盆，机架内安装有电机及其带动的一垂直转动轴，该转动轴从水盆底部穿出，其顶部安装一下磨盘，工作台上安装有上磨盘的支撑施压机构，以及与支撑施压机构相连且置于下磨盘上的上磨盘，以及冷却液输送装置；其特征在于，所说的下磨盘由底盘、设置在底盘外缘周的内齿圈和设置在底盘圆心的外齿太阳轮，一块以上的游星板组成，该游星板外缘带有外齿，每块游星板同时分别与其它游星板及外缘周的内齿圈和外齿太阳轮相互啮合；所说的内齿圈、外齿太阳轮和游星板的高度均与加工件的最终厚度相同或略小；每块游星板开有一个以上与加工件外径相应的通孔，使加工件恰好置于其中。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光学元件表面加工
，特别涉及晶体基片的表面加工设备及其表面加工方法。
技术介绍
兰宝石(Al2O3)为六方对称结构，它作为最硬的氧化物晶体，具备优良的光学和物理性能。其机械强度较高，耐化学腐蚀，有好的导热性、热稳定性，透光波段宽，是理想的窗口衬底基本材料，另外，它具有电绝缘性，化学性能稳定，漏电容和寄生电容小，是极好的半导体、超导衬底材料。作为衬底用的兰宝石晶体基片一般为φ2″(2英寸)，有50.80mm×0.30mm，50.80mm×0.43mm两种规格。用作半导体衬底的光学兰宝石晶体基片对其表面有很高的要求，包括平面度(面形不规光圈N.ΔN)达到0.2/λ干涉面积，平行度(θ)达到0.005mm，光洁度(B)或是粗糙度(Ra)达到0.5nm。传统的平面光学元件表面研磨机(简称光学研磨机)如图1所示，主要包括机架11，机架上安装一工作台面板12，工作台上安装一水盆13，以及冷却液输送装置(图中未示出)；机架内安装有电机14及其带动的一垂直转动轴15，该转动轴从水盆底部穿出，其顶部安装一下磨盘161，其上设置一上磨盘162；工作台上安装有上磨盘支撑施压机构，该机构通常包括一三角架17三个拉杆的一端通过万向节与三角架相连，三个拉杆的另一端与上磨盘162相连，上磨盘162上还设一顶针18对其施加压力。其工作原理是电机带动转动轴与下磨盘一起转动，上磨盘受顶针的压力随下磨盘一起转动并由上面拉杆摆动。使用上述设备对光学元件进行表面加工的方法分为粗磨、细磨和抛光三个阶段，具体加工步骤如下首先将待加工的元件19粘贴在上磨盘上，通过上下磨盘的转动及与研磨料的磨擦完成一个表面的加工，加工好一面后，加热脱胶卸片并反向粘贴，再加工第二面，加工过程中还要加研磨料和冷却水，及抛光液。这种设备可通过更换研磨料及磨盘的材料，完成表面从粗磨、细磨至抛光的全部加工工艺过程。传统的粗磨、细磨磨盘一般用铸铁或铜等材料制成，随着室温和加工温度的变化，磨盘表面不平度也会产生很小变化，其修磨次数多，变形大。另外，磨盘必须开导流槽(方槽或园槽)，否则磨料在磨盘与加工面之间，通过运转速度和外加压力，磨料的锐角对加工表面产生划痕，由诸多磨料不断地划痕，所以磨料存留的多少，也就直接影响磨削效率。当磨盘磨得比较平时，加工面也是平的，磨料就不宜进入表面，而从边缘带走。传统的抛光盘采用铜、铁、陶瓷、宝石作磨盘，传统抛光宝石的抛光材料是金刚石微粉，用W0.5的金刚石微粉配制的研磨膏作抛光料或用微粉与油调制的液体，用其加工的面形粗糙度达不到要求，其加工成本比较昂贵。上述的设备及加工方法还存在以下不足之处1、效率低，一般8小时加工1片或3-7片；2、加工件采取上胶固定法，增加了上盘卸片加热过程，由于脱胶产生热变形，增加了平面干涉条纹的不规则；3、各种转速是固定调好的，实际上只有二种运动方式及转速，即加工件被转动轴带动能转动和摆动，运动轨迹重复。研磨量大小靠顶针加重上磨盘估计探测出，不科学，尺寸要卸盘后，清洗完实测才知。4、一般加工件的直径不能太大，要想加工φ50×0.4mm以上的基片，一是容易破碎，二是对表面的平面度、平行度和光洁度(B)或粗糙度(Ra)不能达到的如半导体衬底基片所要求的技术指标，加工难度是很大的。
技术实现思路
本专利技术的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种光学研磨机及用其加工半导体用光学兰宝石晶体基片的方法，具有加工效率高、加工成本低，加工精度高的特点，可满足半导体用光学兰宝石晶体基片的加工要求并有利于产业化。本专利技术提出的一种光学研磨机，主要包括机架，机架上安装一工作台面板，工作台上安装一水盆，机架内安装有电机及其带动的一垂直转动轴，该转动轴从水盆底部穿出，其顶部安装一下磨盘，工作台上安装有上磨盘的支撑施压机构，以及与支撑施压机构相连且置于下磨盘上的上磨盘，以及冷却液输送装置；其特征在于，所说的下磨盘由底盘、设置在底盘外缘周的内齿圈和设置在底盘圆心的外齿太阳轮，一块以上的游星板组成，该游星板外缘带有外齿，每块游星板同时分别与其它游星板及外缘周的内齿圈和外齿太阳轮相互啮合；所说的内齿圈、外齿太阳轮和游星板的高度均与加工件的最终厚度相同或略小；每块游星板开有一个以上与加工件外径相应的通孔，使加工件恰好置于其中。本专利技术提出采用上述设备加工半导体用兰宝石晶体基片的方法，包括粗磨、细磨和抛光三个阶段，其特征在于，具体加工步骤如下粗磨1)在光学研磨机的上、下磨盘的表面粘贴一片相同大小，粒度为W180的碳化硅片；2)在研磨机的下磨盘上安装有相互啮合的内齿圈、外齿太阳轮、一块以上的开有一个以上通孔的带外齿的游星板，将待加工的兰宝石晶体基片放在游星板的通孔中；3)启动研磨机，研磨过程中加磨料及冷却水，磨料选用粒度为14-20毫米的碳化硼，当加工件的厚度达到所要求厚度的误差的0.5±0.01毫米时关机，结束粗磨；细磨 4)启动研磨机，研磨过程中加磨料及冷却水，磨料选用粒度为7-5毫米的碳化硼，当加工件的厚度达到所要求厚度的误差的0.46±0.005毫米时关机，结束细磨；抛光5)用厚度为0.5-1毫米的聚铵酯膜作为抛光皮粘贴在上、下磨盘表面上，抛光皮的直径与磨盘的相同；6)在研磨机的下磨盘上安装相互啮合的内齿圈、外齿太阳轮和一块以上开有一个以上通孔的带有外齿的游星板，将细磨好的兰宝石晶体基片放在游星板的通孔中；7)启动研磨机，抛光过程中加氧化硅抛光液，抛光液的温度为32-45度，当总转数达到8000-9000转时关机，结束整个加工过程。本专利技术的特点及效果研磨机1)本专利技术为4种转动方式及速度，即下磨盘自转，游星盘作既公转又自转的游星运动，工件在游星盘内能微转，上磨盘由于磨擦力带动反向转动，无轨迹运动；磨削阻力小，提高了工件的平面度精度；不损伤工件，两面均匀磨削，生产效率高。2)不用上盘，是自动进取，不上胶，减掉了加热上下盘变形，减少了平面的变形。3)加工精度高，可加工件直径大。质量可达到各种基片，特别是半导体用兰宝石晶体基片的光学指标的要求。5)、本专利技术生产效率高可以形成产业化，大大减少成本。加工方法1)本专利技术采用碳化硅作为粗细磨盘，碳化硼作为磨料，采用聚胺酯抛光皮作为抛光盘，氧化硅溶液为抛光液，合理设置加工参数；2)将加工件直接放入游星板的通孔中，不用加热取片，3)通过下磨盘上安装内齿圈和外齿太阳轮和游星板进行多片、两面同时加工，不但效率高，而且满足了对高难度的半导体用兰宝石晶体基片的加工要求。附图说明图1为已有的光学研磨机结构示意图。图2为本专利技术的光学研磨机结构示意图。图3为本专利技术的下磨盘结构实施例示意图。具体实施例方式本专利技术提出的一种，结合实施例详细说明如下本专利技术设计的光学研磨机实施例的结构如图2所示，主要包括机柜21，机柜上安装一工作台面板22，工作台上安装一水盆23，机架内安装有气体压缩机(图中未示出)和电机24，电机通过无级调速器和齿轮传动机构241带动的一垂直转动轴25，该转动轴从水盆底部穿出，其顶部安装一下磨盘261，工作台上安装一立架27，立架上安装有与气体压缩机相连的压力气筒281和上磨盘262的提拉机构271及冷却液管272，一压力管282的一端与压力气筒281相连通，另一端固定在上磨盘262背面中心点处。上述部本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光学研磨，主要包括机架，机架上安装一工作台面板，工作台上安装一水盆，机架内安装有电机及其带动的一垂直转动轴，该转动轴从水盆底部穿出，其顶部安装一下磨盘，工作台上安装有上磨盘的支撑施压机构，以及与支撑施压机构相连且置于下磨盘上的上磨盘，以及冷却液输送装置；其特征在于，所说的下磨盘由底盘、设置在底盘外缘周的内齿圈和设置在底盘圆心的外齿太阳轮，一块以上的游星板组成，该游星板外缘带有外齿，每块游星板同时分别与其它游星板及外缘周的内齿圈和外齿太阳轮相互啮合；所说的内齿圈、外齿太阳轮和游星板的高度均与加工件的最终厚度相同或略小；每块游星板开有一个以上与加工件外径相应的通孔，使加工件恰好置于其中。2.如权利要求1所述的光学研磨机，其特征在于，所说的支撑施压机构包括安装在机架内的气体压缩机，安装在工作台上的立架，安装在立架上与气体压缩机相连的压力气筒和上磨盘提拉机构，以及一压力管，该压力管的一端与压力气筒相连通，另一端固定在上磨盘背面中心点处。3.如权利要求1所述的光学研磨机，其特征在于，还包括在工作台面板上安装有由测量及调节转速计、测量及调节压力计、计时器及各种控制按键组成的操作仪。4.一种加工半导体用兰宝石晶体基片的方法，包括粗磨、细磨和抛光三个...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪开庆，
申请(专利权)人：汪开庆，
类型：发明
国别省市：