專利名稱：錫固結金剛石磨料仿生拋光盤及制造方法
技術領域：
本發明涉及陶瓷零件、光學晶體零件和半導體晶片的拋光和平坦化技術領域，特 別是涉及一種表面按植物葉序理論排布的錫固結金剛石磨料仿生拋光盤及制造方法。
背景技術：
拋光，特別是化學機械拋光(CMP)是解決平面陶瓷零件、光學晶體零件和半導體 晶片表面超光滑和超平坦的一種重要技術方法。通常化學機械拋光是利用化學腐蝕和機械 摩擦的綜合作用使材料得到去除。在平面拋光過程中如何有效地解決接觸壓力場和溫度 場的均衡問題，拋光液的均勻流動問題及拋光廢物的有效排除問題一直是該技術領域的難 題，這些成為國內外理論研究者和行業專家們關注的熱點問題。在平面拋光或集成平坦化過程中，拋光墊的作用是將拋光液帶入拋光區域，與被 拋光工件表面摩擦切削和將拋光產生物帶出拋光區域的作用。對于現有的拋光墊來說，無 論是連續介質形態的還是具有一定微孔形態的拋光墊，由于材料的牽連或剪切效應，及表 面宏觀的連續性，使得拋光接觸壓強產生不均勻、產生的溫度分布不均勻、拋光液難以均勻 的引入和拋光廢物難以順暢排除，更不能有效地均衡分配化學與機械作用的比例，從而導 致被拋光表面宏觀與微觀輪廓精度下降，更難以實現全局平坦化。為了解決上述問題，人們從經典的彈性接觸理論出發對接觸壓力場進行了計算， 獲得了接觸壓力場不均勻的原因，并采用了護環法、背墊法和流體負載法來解決該問題；也 采用了拋光墊開槽的方式解決拋光液的流動問題，但是仍然沒有使所有問題得到更有效全 面地解決。然而，“Winkler地基”理論和生物的葉序理論為我們解決上述問題提供了可能。 "Winkler地基”理論是把接觸的支撐對象看成是無數個獨立沒有橫向牽連或剪切效應的 “土柱”支撐，而遵循葉序理論的葵花籽粒排布結構滿足了“Winkler地基”理論的接觸要求， 同時葵花籽粒的葉序分布又具有了對輻射最大均勻吸收，對空氣流體的均布發散作用。這 些效應滿足了解決拋光過程所存在的問題的要求。因此，只要按照上述理論制造出相應的 拋光墊就能達到解決問題的目的。激光快速原型制造技術是一種先進制造技術領域的重要技術方法。它能從CAD直 接通過分層制造的方式將零件制造出來，具有周期短、單件小批生產成本低的特點。激光快 速原型技術是通過將CAD產生的零件進行切片，生成數控掃描程序控制激光頭的運動，利 用激光加熱固化成型材料的技術方法。利用該技術將混有金剛石微分的錫膏進行激光加 熱，使錫熔化然后固結金剛石磨料、并按點狀掃描使錫焊接在基盤上。因此，錫膏激光快速 原型技術為我們具體實現這一拋光盤的制造提供了技術上的保障。

發明內容
本發明要解決的技術問題，是提供一種具有均勻接觸壓強分布、均衡溫度場和均 勻拋光液流動作用，并能及時將拋光的形成廢物及時排除，提高拋光效率和改善拋光質量 的錫固結金剛石磨料仿生拋光盤，同時給出相應的制造方法“Winkler地基”理論是將接觸對象看成是剪切彈性模量為零，接觸為由一個個與接觸變形與壓強成正比的獨立“土柱”所組成，因此，將拋光墊切割成相互分離的單元塊就可以解決連續結構拋光墊的橫向 牽連效應，使接觸平均壓強達到均勻的目的。遵循葉序理論的葵花籽粒排布的結構具有 自分離效應，滿足“Winkler地基”理論模型要求。而這種排布滿足生物學的葉序理論的 F. R. Yeatts葉序模型，即滿足θ = 137. 508° η，籽粒塊徑向位置滿足J = R0^l-e'"",具
有了生物進化帶來的表面具有對熱輻射的最大吸收，形成的螺旋溝槽具有對流體作用時的 發散效應。因此，按照上述理論設計和制造的拋光盤就均有均勻接觸壓強分布、拋光液均 布和接觸溫度場分布的作用，同時溝槽和墊凸起塊的交互作用可合理地匹配化學與機械作 用，從而達到提高拋光效率的目的。采用的技術方案是錫固結金剛石磨料仿生拋光盤，包括按照所用拋光盤直徑制作的基盤、錫固結材 料與金剛石磨料混合的錫凸塊。所述的錫凸塊焊接在基盤上，其錫凸塊在基盤上的分布滿 足θ = 137. 508° η，籽粒塊徑向位置滿足及=及。Vl-e-*"葉序理論的F. R. Yeatts葉序模 型葵花籽粒的排布結構，其中θ是第η個凸起籽粒塊的極坐標角度，R是第η個凸起籽粒 塊的極坐標半徑，Rtl為拋光盤的直徑，k生長系數。其錫凸塊排布所形成的分割間距具有 “Winkler地基”的分割性。上述的錫凸塊為半球狀凸塊。錫固結金剛石磨料仿生拋光盤的制造方法，該拋光盤的結構設計是依據經典力學 的“Winkler地基”理論是將接觸對象看成是剪切彈性模量為零，接觸為由一個個與接觸變 形與壓強成正比的獨立“土柱”所組成，因此，將拋光墊切割成相互分離的單元塊就可以解 決連續結構拋光墊的橫向牽連效應，使接觸平均壓強達到均勻的目的。遵循葉序理論的葵 花籽粒排布的結構具有自分離效應，滿足“Winkler地基”理論模型要求。而這種排布滿足 生物學的葉序理論的F. R. Yeatts葉序模型，即滿足θ = 137.508° η，籽粒塊徑向位置滿
足及=，具有了生物進化帶來的表面具有對熱輻射的最大吸收，形成的螺旋溝槽 具有對流體作用時的發散效應。因此，按照上述理論設計和制造的拋光盤就均有均勻接觸 壓強分布、拋光液均布和接觸溫度場分布的作用，同時溝槽和墊凸起塊的交互作用可合理 地匹配化學與機械作用，從而達到提高拋光效率的目的。其制造方法包括下列步驟1)按照所用拋光盤直徑制作基盤，其表面粗糙度控制在Ra = 0. 2-0. 8 μ m、平面度 控制在0.02mm以下的基盤。基盤表面用酒精或丙酮去除油污，用弱酸腐蝕去掉氧化物，再 用去離子水清洗干凈，并干燥。2)將基盤預熱到130_155°C，放入激光快速成型機的載臺上，并定位夾緊。3)將金剛石磨料放入錫膏中，并充分攪拌均勻，再將混合均勻的含有金剛石磨料 的錫膏均勻地涂覆到基盤上，形成錫膏層。4)將涂覆的基盤用激光快速成型機上掃描器的激光束掃描熔化混有金剛石磨料 的錫膏，形成熔化的錫與金剛石磨料混合的二相液體塊，控制熔化溫度在170-280°C。5)完成步驟(4)后，由于混有金剛石磨料錫膏化過程中的表面張力作用，待錫冷 卻固化后形成半球狀含金剛石磨料的錫凸塊，完成錫固結材料與金剛石磨料混合的錫凸塊與基盤的焊接，將已經焊接有半球狀錫凸塊的基盤取出，清除多余的錫膏，并用有機劑酒精 或丙酮清洗，再用去離子水清洗干凈或在超聲清洗機中清洗干凈。上述的基盤為銅盤、鋁盤或碳鋼盤，厚度為15_40mm，并能夠滿足錫的焊接要求。上述的半球狀錫塊，其球半徑為0. 1-2. 5mm，混入的金剛石磨料直徑范圍在 0. 005-5 μ m,固結材料錫膏與金剛石磨料混合體積比例在5-30%。上述的激光器發出的激光束的掃描運動軌跡可由CAD獲得的三維設計基盤上的 錫凸塊幾何尺寸直接轉化獲得，亦可以使用F. R. Yeatts葉序模塊θ = 137. 508° η和<formula>formula see original document page 5</formula>直接編程獲得，即具有葵花籽粒的排布結構。上述的錫膏為Sn63/Pb37或Sn62/Pb36/Ag2或用于IC封裝和PVB用的無鉛焊錫膏。本發明在拋光中使接觸壓強均勻，被拋光件產生的溫度均勻，拋光液可以均勻進 入接觸區域，產生的廢物可順暢排除，從而獲得超光滑和超平坦的宏觀與微觀表面，可廣泛 應用于化學機械拋光和集成電路制造過程的各階段表面平整化，用于工程陶瓷零件的表面 拋光、光學透鏡表面的拋光。


圖1是仿生拋光盤三維形貌圖。圖2是圖1截面圖。圖3是涂覆含有金剛石磨料的錫膏層示意圖。圖4是激光掃描加熱使錫膏熔化并與基盤焊接示意圖。圖5是冷卻后清除多余錫膏形成錫固結金剛石磨料仿生表面拋光盤。
具體實施例方式錫固結金剛石磨料仿生拋光盤，包括按照所用拋光盤直徑制作的基盤2、錫固結材 料與金剛石磨料混合的錫凸塊1。基盤2材料為銅、鋁或碳鋼板，厚度為20mm，混有金剛石 磨料的錫凸塊1焊接在基盤2上，由于混有金剛石磨料的錫膏熔化焊接過程中的表面張力 作用形成半球狀錫凸塊1，半球狀錫凸塊1在基盤2上的分布滿足θ = 137.508° η，籽粒 塊徑位置滿足i =葉序理論分布，并且各自分離滿足“Winkler地基”理論。半 球狀錫凸塊1半徑為0. 5mm。錫固結金剛石磨料仿生拋光盤的制造方法，包括下列步驟1)按照所用拋光盤直徑制作基盤2，其表面粗糙度在Ra = 0.8 μ m、平面度在 0. 02mm。基盤2表面用酒精去除油污，用弱硫酸腐蝕去掉氧化物，再用去離子水清洗干凈， 并干燥。2)將基盤2預熱到140°C，放入激光塊速成型機的載臺4上(見圖3)，并定位夾緊。3)將金剛石磨料放入錫膏中，并充分攪拌均勻，放入的金剛石磨料粒度可以根據 加工需要，本例選擇5 μ m，錫膏與金剛石磨料混合體積比例選擇在25%;將混合均勻的含有金剛石磨料的錫膏均勻地涂覆到基盤2上，形成錫層3 (見圖3)。涂覆方法采用激光快速成 型機的涂覆方法涂覆，每次涂層的厚度可根據錫固結的錫凸塊高度試驗確定。4)將涂覆的基盤2放入激光快速成型機上掃描器5掃描熔化混有金剛石磨料的錫 膏，形成熔化的錫與金剛石磨料混的二相液體塊7，激光器5加熱溫度170°C達到錫膏熔化； 使用的錫膏為Sn63/Pb37合金錫膏；所述激光器5發出的激光束6的掃描運動軌跡由CAD 獲得三維設計基盤上的錫固結凸塊幾何尺寸直接轉化獲得。5)完成步驟(4)后，待錫冷卻后，形成半球狀含金剛石磨料的錫凸塊1，完成錫固 結材料與金剛石磨料混合的錫凸塊與基盤的焊接；將已經焊接半球狀錫凸塊的基盤取出， 清除多余錫膏，并用有機劑酒精清洗，再用去離子水清洗干凈，(見圖5)，將焊接有半球狀 錫凸塊的基盤安裝在拋光盤中，構成錫固結金剛石磨料仿生拋光盤。
權利要求
錫固結金剛石磨料仿生拋光盤，包括按照所用拋光盤直徑制作的基盤(2)、錫固結材料與金剛石磨料混合的錫凸塊(1)，其特征在于所述的錫凸塊(1)焊接在基盤(2)上，其錫凸塊(1)在基盤(2)的分布滿足θ＝137.508°n，籽粒塊徑向位置滿足葉序理論的F.R.Yeatts葉序模型葵花籽粒排布結構，其中θ是幾個凸起籽粒塊的極坐標角度，R是第n個凸起籽粒塊的極坐標半徑，R。為拋光盤的直徑，K生長多數，其錫凸塊(1)排布所形成的分割間距具有“Winkler地基”的分割特性。FSA00000101730300011.tif
2.根據權利要求1所述的錫固結金剛石磨料仿生拋光盤，其特征在于所述的錫凸塊 (1)為半球狀凸塊。
3.錫固結金剛石磨料仿生拋光盤的制造方法，其特征在于包括下列步驟1)按照所用拋光盤直徑制作基盤(2)，其表面粗糙度控制在Ra= 0. 2-0. 8 μ m、平面度 控制在0. 02mm以下的基盤，基盤(2)用酒精或丙酮去除油污，用弱酸腐蝕去掉氧化物，再用 去離子水清洗干凈，并干燥；2)將基盤(2)預熱到130-155°C，放入激光快速成型機的載臺(4)上，并定位夾緊；3)將金剛石磨料放入錫膏中，并充分攪拌均勻，再將混合均勻的含有金剛石磨料的錫 膏均勻地涂覆到基盤(2)上，形成錫膏層(3)；4)將涂覆的基盤用激光快速成型機上掃描器(5)的激光束(6)掃描熔化混有金 剛石磨料的錫膏，形成熔化的錫與金剛石磨料混合的二相液體塊(7)，控制熔化溫度在 170-280 0C ；5)完成步驟4)后，由于混有金剛石磨料錫膏熔化過程中的表面張力作用，待錫冷卻固 化后形成半球狀含金剛石磨料的錫凸塊(1)，完成錫固結材料與金剛石磨料混合的錫凸塊 與基盤焊接；將已經焊接有半球狀錫凸塊的基盤取出，清除多余的錫膏，并用有機劑酒精或 丙酮清洗，再用去離子水清洗干凈或在超聲清洗機中清洗干凈。
4.根據權利要求3所述的錫固結金剛石磨料仿生拋光盤的制造方法，其特征在于所述 制造的基盤(2)為銅盤、鋁盤或碳鋼盤，厚度為15-40mm，并能滿足錫的焊接要求。
5.根據權利要求3所述的錫固結金剛石磨料仿生拋光盤的制造方法，其特征在 于所述的半球狀錫凸塊(1)，其球形半徑為0. 1-2. 5mm，混入的金剛石磨料直徑范圍在 0. 005-5 μ m,固結材料錫膏與金剛石磨料混合體積比例在5-30%。
6.根據權利要求3所述的錫固結金剛石磨料仿生拋光盤的制造方法，其特征在于所 述的激光器(5)發出的激光束(6)的掃描運動軌跡可由CAD獲得的三維設計基盤上的 錫凸塊幾何尺寸直接轉化獲得，亦可以使用F.R. Yeatts葉序模型θ = 137.508° η和R =及。Vl-e‘直接編程獲得，即具有葵花籽粒的排布結構。
7.根據權利要求3所述的錫固結金剛石磨料仿生拋光盤的制造方法，其特征在于所述 的錫膏為Sn63/Pb37或Sn62/Pb36/Ag2或用IC封裝和PCB用的無鉛焊錫膏。
全文摘要
錫固結金剛石磨料仿生拋光盤及制造方法由基盤、仿生錫固結金剛石磨料半球狀錫凸塊焊接在基盤上構成，滿足F.R.Yeatts葉序模型，即滿足θ＝137.508°n，籽粒塊經向位置滿足其半球狀錫凸塊所形成的分割間距具有“Winkler地基”的分割特性。制造方法是利用激光快速成型法，先將混有金剛石磨料錫膏涂覆到基盤表面上，用激光束按照葉序模型編程掃描，將錫熔化焊接在基盤上，由于混有金剛石磨料的錫膏在熔化過程中的表面張力作用形成半球狀的錫凸塊。本發明具有均勻壓強分布、均衡溫度場和均勻拋光液流動作用，并能及時將拋光的形成廢物及時排除，在化學機械拋光中也能合理地配置和均衡化學和機械作用比例，從而大大提高了拋光效率和改善拋光質量。
文檔編號B24D5/06GK101804603SQ20101015957
公開日2010年8月18日 申請日期2010年4月29日 優先權日2010年4月29日
發明者呂玉山, 王軍 申請人:沈陽理工大學