本實用新型涉及超精密加工技術領域，尤其涉及一種用于光電子/微電子半導體基片及光學表面的平面平坦化加工，具有可控動磁場的動態磁流變拋光裝置。

背景技術：

隨著科技的進步以及需求的增長，對光學元件光學性能的要求越來越高，要求其表面精度需要達到超光滑程度(粗糙度Ra達到1nm以下)，面形精度也有較高的要求(形狀精度達到0.5微米以下)。而在最近十年較為熱門的LED應用領域中，單晶硅(Si)、單晶鍺(Ge)、砷化鎵(GaAs)、單晶碳化硅(SiC)和藍寶石(Al2O3)等作為其半導體襯底材料，同樣要求具有超平坦和超光滑的表面(粗糙度Ra達到0.3nm以下)才能滿足外延膜生長的要求，并且要求無缺陷、無損傷。平坦化加工成為光學元件和半導體基片必不可少的工序，其傳統工藝主要是高效研磨、超精密拋光、化學機械拋光和磁流變拋光，其加工質量和精度直接決定了光學器件及半導體器件的性能。

磁流變拋光技術(Magnetorheological finishing,MRF)是20世紀90年代由KORDONSKI及其合作者將電磁學、流體動力學、分析化學、加工工藝學等相結合而提出的一種新型的光學表面加工方法，具有拋光效果好、不產生次表面損傷、適合復雜表面加工等傳統拋光所不具備的優點，已發展成為一種革命性光學表面加工方法，特別適合軸對稱非球面的超精密加工，廣泛應用于大型光學元件表面的最后加工工序，但在實際加工過程中，會出現加工效率低等問題。

為了提高磁流變的拋光效率，專利CN200610132495.9基于磁流變拋光原理和集群作用機理提出了一種基于磁流變效應的平坦化研磨拋光方法及其拋光裝置，并開展了大量的試驗研究，卻發現利用拋光液循環方式難以實現“微磨頭”的持續更新和凸起使工件表面加工均勻性問題難以解決。針對平面加工均勻性問題，專利CN201510801886.4提出了一種動態磁場自銳的磁流變柔性拋光墊發生裝置及其拋光方法，完好地實現了磁流變柔性拋光墊在加工過程中對工件的恒壓力加工，并且能使磨料在加工過程中實時更新自銳，但是由于該專利中裝置結構的限制，因磁流變效應產生的“微磨頭”間距較大，在加工過程中工件空行程較長，影響了加工效率，而且需要改變磁場強度時要拆卸拋光盤進行永磁體更換，步驟比較繁瑣。

本實用新型在上述研究的基礎上，提出一種可控動磁場的動態磁流變平坦化拋光裝置及其拋光方法，優化結構，用勵磁線圈取代永磁體，以改變電流大小的方式來調節磁場范圍和強度，在“微磨頭”自銳更新的前提下，縮短了“微磨頭”之間的間距，延長有效加工時間，改善了磁流變柔性拋光墊加工性能，提高磁流變的拋光效率，實現工件的均勻加工。

技術實現要素：

本實用新型的目的在于克服現有技術的不足，提供一種加工效率高、裝置結構簡單、操作方便且具有可控動磁場的動態磁流變拋光裝置。

本實用新型的目的通過下述技術方案實現：

一種可控動磁場的動態磁流變拋光裝置，所述拋光裝置應用于半導體基片得加工，主要包括底座、驅動單元、轉動托盤、杯形拋光盤、用于承托轉動托盤的支撐套筒和用于控制磁場強弱的可控動磁場單元。所述支撐套筒豎直固定在底座中部，所述驅動單元設置在底座上。所述轉動托盤由盤部和頸部組成，轉動托盤的頸部插入支撐套筒內，并與驅動單元傳動連接，由驅動單元帶著轉動托盤轉動。所述杯形拋光盤固定安裝在轉動托盤的盤部上，杯形拋光盤內裝有磁流變液，在轉動托盤轉動后對工件進行打磨。

具體的，所述可控動磁場單元包括變頻電源裝置、電線旋轉接頭和若干組勵磁線圈。所述勵磁線圈安裝在轉動托盤的盤部內，所述變頻電源裝置固定在底座上，所述電線旋轉接頭安裝在轉動托盤頸部的底端，通過電線分別與勵磁線圈和變頻電源裝置連接，采用電線旋轉接頭可以使變頻電源裝置和勵磁線圈之間在轉動托盤高速旋轉的情況下依然保持電氣連接。在接通電源后，各個勵磁線圈產生特定強度的磁場，從而使磁流變液形成若干“微磨頭”，這些“微磨頭”會隨著轉動托盤的旋轉而轉動，從而對工件實現超精密加工。

具體的，所述驅動單元用于帶著轉動托盤旋轉，主要包括傳動電機、主動輪和從動輪。所述傳動電機固定在底座上，所述主動輪安裝在傳動電機的輸出軸上，所述從動輪安裝在轉動托盤的頸部，與轉動托盤固定連接。所述從動輪通過傳動帶與主動輪傳動連接，由傳動電機驅動轉動托盤旋轉。當傳動電機啟動時，其輸出軸通過主動輪、傳動帶和從動輪將動力輸送到轉動托盤上。

進一步的，所述拋光裝置還包括設置在轉動托盤頸部上的軸承端蓋、一對轉盤軸承、內套筒和外套筒。所述軸承端蓋安裝轉動托盤的盤部與支撐套筒之間，用于將轉動托盤主軸定位在支撐套筒內部，并保證其轉動時的精度，防止轉動托盤上端在轉動過程中出現偏擺現象，影響加工效果。所述轉盤軸承安裝在支撐套筒內，所述內套筒和外套筒設置于轉盤軸承之間，所述轉動托盤的頸部插入內套筒內，所述內套筒套入外套筒內。所述內套筒和外套筒對轉盤軸承起固定作用，主要用于定位轉盤軸承的內圈和外圈。

作為本實用新型的優選方案，所述變頻電源裝置采用低頻高壓交變電源。優選的，所述變頻電源裝置采用電壓為0.5KV-5KV且頻率為0.1-5Hz的交變電源。所述變頻電源裝置可以采用諧振波、鋸齒波、三角波等波形，同時確保是低頻高壓交流電源，這樣設計的好處在于有利形成一個行波磁場，通過改變電壓和頻率的大小可以實現磁場和“微磨頭”更新頻率的調節，從而獲得更好的拋光效果。

進一步的，所述勵磁線圈包括線圈繞線基體和若干匝數的銅線，所述線圈繞線基體上等間距設有繞線圓柱體，所述銅線纏繞在繞線圓柱體上。作為本實用新型的優選方案，所述線圈繞線基體上的相鄰兩個繞線圓柱體的繞線方向相反，從而使繞線圓柱體的端面形成多個N極、S極相間的環形回路磁場，在交變電源的作用下產生電磁力，實現“微磨頭”的環形驅動。

本實用新型的另一目的通過下述技術方案實現：

一種可控動磁場的動態磁流變拋光裝置的拋光方法，該方法具體包括如下步驟：

步驟S1:利用石蠟將工件貼在工具頭上，工件下表面與杯形拋光盤上表面平行，調節工件下表面與杯形拋光盤之間的間隙為0.5mm—5mm；

步驟S2:根據加工工件的特點和加工要求，在去離子水中加入如下三種磨料中的至少兩種磨料，三種磨料分別是濃度為2％～15％的微米級磨料、濃度為2％～15％的亞微米級磨料、濃度為2％～15％的納米級磨料，及去離子水中加入濃度為2％～20％的亞微米級羰基鐵粉及濃度為3％～15％的微米級羰基鐵粉，及加入濃度為3％～15％的分散劑和濃度為1％～6％的防銹劑，磨料加入后充分攪拌并通過超聲波震動5～30分鐘，形成磁流變液；

步驟S3:將磁流變液倒入杯形拋光盤中，根據加工工件的特點和加工要求，調節變頻電源裝置的輸出電流大小，從而產生磁場，在杯形拋光盤的上表面形成若干個動態微磨頭，這些微磨頭構成打磨工件的柔性拋光墊；

步驟S4:啟動傳動電機，通過傳動帶帶動轉動托盤高速旋轉，并且驅動工具頭高速旋轉和低速擺動，對工件表面材料進行均勻拋光。

本實用新型的工作過程和原理是：本實用新型利用交變電場通過勵磁線圈產生動態磁場，并基于行波磁場的原理對磁流變液產生環形推動力，使磁流變液在杯形拋光盤表面形成環形旋轉的“微磨頭”。傳動電機通過帶著轉動托盤旋轉，使杯形拋光盤內的“微磨頭”高速轉動，同時工件自身也在旋轉和擺動，這樣設計可以使工件表面打磨更光滑、加工效率更高。另外，通過勵磁交變電源頻率和電壓的優化組合，可以實現磁場動態變化并可精確控制。

與現有技術相比，本實用新型還具有以下優點：

(1)本實用新型所提供的可控動磁場的動態磁流變拋光裝置采用勵磁線圈取代永磁體可以根據加工需求實現磁場范圍和強度的快速調節。

(2)本實用新型所提供的可控動磁場的動態磁流變拋光裝置采用可精確調節磁場強度的勵磁線圈，免去了拆卸杯形拋光盤的繁瑣步驟，使拋光裝置的整體結構更加優化、更合理。

(3)本實用新型所提供的可控動磁場的動態磁流變拋光裝置采用多組勵磁線圈產生多個柔性微磨頭，并使微磨頭之間的間距縮短，從而延遲了有效的加工時間，大大地提高了加工效率，獲得理想的加工效果。

附圖說明

圖1是本實用新型提供的動態磁流變拋光裝置的結構剖視圖。

圖2是本實用新型提供的動態磁流變拋光裝置形成的微磨頭示意圖。

圖3是本實用新型可控動磁場的動態磁流變拋光裝置的拋光示意圖。

圖4是本實用新型所提供的單個線圈繞線基體的立體圖。

圖5是本實用新型所提供的單個線圈繞線基體的工作原理圖。

圖6是本實用新型所提供的勵磁線圈基于行波磁場的工作原理圖。

上述附圖中的標號說明：

1-傳動電機、2-第一固定螺釘、3-主動輪、4-平鍵、5-傳動帶、6-從動輪、7-電線旋轉接頭、8-第二固定螺釘、9-電線組、10-底座、11-第三固定螺釘、12-變頻電源裝置、13-第四固定螺釘、14-勵磁線圈、15-轉動托盤、16-第五固定螺釘、17-杯形拋光盤、18-軸承端蓋、19-支撐套筒、20-轉盤軸承、21-內套筒、22-外套筒、23-第六固定螺釘、24-磁場、25-線圈繞線基體、26-磁流變拋光工作液、27-柔性拋光墊、28-工件、29-工具頭。

具體實施方式

為使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚、明確，以下參照附圖并舉實施例對本實用新型作進一步說明。

實施例1：

如圖1、圖2和圖3所示，本實用新型公開了一種可控動磁場的動態磁流變拋光裝置，該拋光裝置主要包括有傳動電機1，第一固定螺釘2，主動輪3，平鍵4，傳動帶5，從動輪6，電線旋轉接頭7，第二固定螺釘8，電線9，底座10，第三固定螺釘11，變頻電源裝置12，第四固定螺釘13，勵磁線圈14，轉動托盤15，第五固定螺釘16，杯形拋光盤17，軸承端蓋18，支撐套筒19，轉盤軸承20，內套筒21，外套筒22，第六固定螺釘23，磁場24。其中傳動電機1和變頻電源裝置12分別用第一固定螺釘2和第三固定螺釘13固定在底座10上，主動輪3用平鍵4連接在電機的輸出軸上，從動輪6和轉動托盤15通過第二固定螺釘8連接在一起，杯形拋光盤17又通過第五固定螺釘16連接在轉動托盤15上，勵磁線圈14用第四固定螺釘13固定在轉盤上端面，同時線圈通過電線組9和電線旋轉接頭7連接在變頻電源裝置12上，而且在轉動托盤15下端軸部安裝有一對轉盤軸承20，軸承的內圈和外圈分別由內套筒21和外套筒22進行壓緊固定，軸承上端有端蓋18進行定位，下端由從動輪6進行定位，在軸承外部有支撐套筒19對外套筒22進行定位固定，同時起到支撐作用，支撐套筒19用第六固定螺釘23固定在底座10上。傳動帶5連接主動輪3和從動輪6，在電機的帶動下整個拋光裝置轉動，勵磁線圈14通電后，形成一個動態的磁場24。

在本實施例中，柔性拋光墊27中“微磨頭”在拋光盤內平面位置示意圖如圖2所示。

本實用新型還公開了一種可控動磁場的動態磁流變拋光裝置的拋光方法，該方法的具體步驟如下：

步驟S1:利用石蠟將工件28貼在工具頭29上，工件28下表面與杯形拋光盤17上表面平行，調節工件28下表面與杯形拋光盤17之間的間隙為1mm；

步驟S2:根據直徑為100mm的單晶碳化硅的特點和加工要求，在去離子水中加入濃度為4％的粒徑為4微米的金剛石磨料、濃度為3％的粒徑為200納米金剛石磨料，去離子水中加入濃度為3％的粒徑500納米級羰基鐵粉及濃度為3％的粒徑4微米級羰基鐵粉，及加入濃度為3％的分散劑和濃度為3％的防銹劑，充分攪拌后通過超聲波震動30分鐘，形成磁流變液26；

步驟S3:將磁流變拋光工作液26倒入杯形拋光盤17中，調節變頻電源裝置12的輸出電流大小，產生一定范圍和足夠強度的磁場24，在杯形拋光盤17的上表面形成數個動態“微磨頭”組成的柔性拋光墊27；

步驟S4:啟動傳動電機1，調節轉速為120rpm，帶動轉動托盤15高速旋轉，驅動工具頭29轉速為-200rpm，擺動速度10次/分，擺幅10mm，加工時間為90min，實現單晶碳化硅表面材料的高效率超光滑均勻拋光。

請參考圖3，圖3為本實用新型可控動磁場的動態磁流變拋光裝置的拋光示意圖。

本實用新型實施例中，勵磁線圈14是由若干匝數導電性能好的銅線繞在多個線圈繞線基體25上組成，并通過第四固定螺釘13固定在轉動托盤上。線圈繞線基體25相鄰的兩個圓柱體上導電銅線的繞向方向相反，基于行波磁場的原理，從而在基體6個圓柱端面形成N極、S極相間隔的環形回路磁場，在交流電源供電下，垂直于磁流變液26的磁感應強度分量By產生感應電流Jz，進而產生電磁力Fx，實現“微磨頭”環形驅動作用。

請參考圖4和圖5，圖4是本實用新型中單個線圈繞線基體三維示意圖和工作原理圖，圖6是本實用新型的勵磁線圈基于行波磁場的工作原理圖。

在上述實施例中，變頻電源裝置12選用低頻高壓交變電源，具體可以為0.5-5kV且頻率為0.1-5Hz的交變電源，當然該電源的選用不限于此。

上述實施例中，加工對象不僅限于單晶碳化硅，也可以加工其他的半導體材料料，比如單晶硅、藍寶石等，但需要根據加工對象的特點和加工要求，在去離子水中加入如下三種磨料中的至少兩種磨料，三種磨料分別是濃度為2％～15％的微米級磨料、濃度為2％～15％的亞微米級磨料、濃度為2％～15％的納米級磨料，及去離子水中加入濃度為2％～20％的亞微米級羰基鐵粉及濃度為3％～15％的微米級羰基鐵粉，及加入濃度為3％～15％的分散劑和濃度為1％～6％的防銹劑，充分攪拌后通過超聲波震動5～30分鐘，形成加工該材料的相應磁流變液26。

本實用新型利用交變電場通過勵磁線圈14產生動態磁場，并基于行波磁場的原理產生環形推動力，在杯形拋光盤17表面形成環形旋轉的微磨頭，通過勵磁交變電源頻率和電壓的優化組合，實現磁場動態可控，用勵磁線圈14取代永磁體不僅可以實現磁場范圍和強度的快速調節，免去了拆卸杯形拋光盤17的繁瑣步驟，而且整體結構更加優化，縮短柔性微磨頭之間的間距從而延長了有效加工時間，提升了加工效率。

上述實施例為本實用新型較佳的實施方式，但本實用新型的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本實用新型的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本實用新型的保護范圍之內。