研拋一體化冰粒型固結磨料拋光墊及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種新型冰粒型固結磨料拋光墊，尤其是一種研磨和拋光一體化的冰 粒型固結磨料拋光墊，具體地說是一種研拋一體化冰粒型固結磨料拋光墊。
【背景技術】
[0002] 眾所周知，傳統的CMP(化學機械拋光法)系統是由一個旋轉的工件夾持裝置、承載 拋光墊的工作臺和拋光液(漿料)供給系統三大部分組成。拋光時，旋轉的工件以一定的壓 力壓在隨工作臺一起旋轉的拋光墊上，而由亞微米或納米磨料和化學液組成的拋光液在工 件與拋光墊之間流動，并在工件表面產生化學反應，工件表面形成的化學反應物由磨粒的 機械摩擦作用去除。由于選用比工件軟或者與工件硬度相當的游離磨料，在化學成膜和機 械成膜的交替過程中，通過化學和機械的共同作用從工件表面去除極薄的一層材料，實現 超精密表面加工。盡管這種傳統的CMP技術在超精密表面加工中得到廣泛應用，但在實際應 用中也顯現出一定的缺點：（1)傳統的CMP是基于三體(游離磨料、拋光墊和硅片）磨損機理， 工藝參數多、加工過程不穩定，不易實現自動控制，生產效率低。（2)由于拋光墊是具有一定 彈性的有機織物，拋光時對材料去除的選擇性不高，導致產生過度拋光(Over po 1 ishing)、 碟形凹陷(Dishing)、氮化物腐蝕(Nitride erosion)等缺陷。（3)拋光后一部分游離磨料會 鑲嵌在薄膜層表面，不易清洗。而且漿料成分復雜，拋光表面殘留漿料的清除是CMP后清洗 的難題。（4)由于在拋光墊和工件之間磨粒分布不均勻，工件各部分的材料去除率不一致， 影響表面平坦度。特別是對大尺寸工件，這種影響更突出。（5)拋光過程中，拋光墊產生塑性 變形而逐漸變得光滑，或拋光墊表面微孔發生堵塞使其容納漿料和排除廢肩的能力降低， 導致材料去除率隨時間下降。需要不斷地修整和潤濕拋光墊以恢復其表面粗糙度和多孔 性。此外拋光墊的不均勻磨損，使得拋光過程不穩定，很難進行參數優化。（6)CMP漿料、拋光 墊、修整盤等耗材的成本占CMP總成本的70%左右，而拋光漿料的成本就占耗材的60%~ 80%。（7)拋光漿料管理和廢料漿處理也相當麻煩。（8)粗拋和精拋過程分開，需多次裝夾工 件，工件的加工定位基準會發生改變，從而影響最終的加工精度與效率。
[0003] 綜上所述，隨著對CMP平坦化的效率、成本、均勻性、可靠性、工藝控制能力等的要 求越來越尚。目前在利用拋光墊進行加工時，急需一種去除速率尚，制造方便，磨削熱小，米 用固結磨料的拋光墊代替傳統CMP中的游離磨料和拋光墊供使用，使工件在一次裝夾下就 能完成粗研、半精研與精拋光。

【發明內容】

[0004] 本發明的目的是針對現有的冷凍固結磨料拋光墊在拋光過程中去除速率低、多次 裝夾拋光盤致使其加工定位基準發生改變的問題，提供一種研拋一體化冰粒型固結磨料拋 光墊及其制備方法，以適應目前既要保證工件拋光質量又要提高經濟效益的要求。。
[0005] 本發明的技術方案之一是： 一種研拋一體化冰粒型固結磨料拋光墊，其特征是它由占拋光墊總重量的4%~20%的 微米級冰凍磨料層、占總重量的2%~12%的亞微米級冰凍磨料層、占拋光墊總重量1%~5%的 納米級冰凍磨料層和余量的去離子水冰凍層組成。
[0006] 所述拋光墊自底層往上所含磨料粒徑逐漸變大，去離子水冰凍層緊鄰拋少墊夾持 頭。
[0007] 在微米級冰凍磨料層與亞微米級冰凍磨料層之間、亞微米級冰凍磨料層與納米級 冰凍磨料層之間以及納米級冰凍磨料層與拋光墊夾持層之間均設有的去離子水冰凍層。
[0008]所述的拋光墊中心設有一通孔，通孔直徑為il 飛，式中e為拋光墊偏心距，r為 拋光工件半徑，偏心距e取值為20~100mm。
[0009] 所述的微米級磨料、亞微米級磨料和納米級磨料為同一種磨料或不同種類磨料的 組合。
[0010] 所述的微米級磨料、亞微米級磨料和納米級磨料為SiC、Cr-203、Si0 2、Al20#PCe0^ 的一種或幾種的組合。
[0011] 本發明的技術方案之二是： 一種研拋一體化冰粒型固結磨料拋光墊的制備方法，其特征是包括以下步驟： (1) 首先將占拋光墊總重量4%~20%的微米級磨料、占拋光墊2%~12%的亞微米級磨料、 占拋光墊1 %~5%的納米級磨料與余量的去離子水配制成拋光液； (2) 其次，將拋光液靜置一段時間，直至拋光液出現上下層間色差； (3) 將拋光液霧化系統的導管末端置于拋光液液面處，由上至下開始霧化； (4) 將霧化后的液氮噴向霧化后的拋光液，這使霧化后的液滴快速冷凝成含磨料冰粒； (5) 用冰粒固結磨料拋光墊制備模具收集含磨料冰粒； (6 )收集冰粒后，將隔熱墊放在冰粒上方； (7) 將盛有含磨料冰粒的模具放在壓力機下壓實，所加壓力為3~12MPa; (8) 重復步驟(7)直至壓實后的冰盤平整完美； (9) 將拋光墊制備模具與冰粒固結磨料分離，即得研拋一體化冰粒型固結磨料拋光墊。 [0012]本發明的技術方案之三是： 一種研拋一體化冰粒型固結磨料拋光墊的制備方法，其特征是包括以下步驟： (1) 首先將霧化后的液氮噴向霧化后的去離子水，用模具收集冰粒并在收集完成后在 冰粒上方覆蓋隔熱墊，將盛有冰粒的模具放在壓力機下壓實，在3~12MPa壓力下反復壓制 直至冰盤表面平整完美，從而形成拋光墊的第一層； (2) 將配比好的納米級磨料與去離子水攪拌均勻，得到磨料均勻分散的懸浮液，將霧化 后的液氮噴向霧化后的懸浮液，用模具收集冰粒并在收集完成后在冰粒上方覆蓋隔熱墊， 將盛有冰粒的模具放在壓力機下壓實，在3~12MPa壓力下反復壓制直至冰盤表面平整完 美，從而形成拋光墊的第二層； (3) 重復步驟（1)形成拋光墊的第三層； (4) 將配比好的亞微米級磨料與去離子水攪拌均勻，得到磨料均勻分散的懸浮液，將霧 化后的液氮噴向霧化后的懸浮液，用模具收集冰粒并在收集完成后在冰粒上方覆蓋隔熱 墊，將盛有冰粒的模具放在壓力機下壓實，在3~12MPa壓力下反復壓制直至冰盤表面平整 完美，從而形成拋光墊的第四層； (5) 重復步驟（1)形成拋光墊的第五層； (6)將配比好的微米級磨料與去離子水攪拌均勻，得到磨料均勻分散的懸浮液，將霧化 后的液氮噴向霧化后的懸浮液，用模具收集冰粒并在收集完成后在冰粒上方覆蓋隔熱墊， 將盛有冰粒的模具放在壓力機下壓實，在3~12MPa壓力下反復壓制直至冰盤表面平整完 美，從而形成拋光墊的第六層。
[0013] (7)將拋光墊制備模具與冰粒固結磨料分離，即得研拋一體化冰粒型固結磨料拋 光墊。
[0014] 三層去離子冰凍層的總重量符合本發明拋光墊的配比。
[0015] 所述的隔熱墊所用材料為導熱系數小的聚氨酯、尼龍或聚四氟乙烯。
[0016] 所述的拋光墊制備模具為鑄鐵材料，且內外擋圈能卸掉，壓力機壓實結束后，用吹 風機加熱內外擋圈即能將其卸掉。
[0017] 本發明的有益效果： 1、制備簡單，容易成型，可制造成各種形狀。
[0018] 2、實現粗研、半精研與精拋光一體化復合加工，減少停機更換研磨和拋光工具的 時間，提高加工效率，降低加工成本。
[0019] 3、加工過程中產生的磨削熱很小，有利于防止被磨削零部件熱應力的產生，且使 用方便，可通過在磨頭部位加裝冷卻裝置、填充液氮等方法保證砂輪不會因環境溫度而自 行熔化。
[0020] 4、粘結強度完全能滿足使用要求。當液體結成冰后其硬度和強度相當大，既確保 磨粒與冰結合的強度，冰本身也可參與一定的磨削。
[0021] 5、可實現自潤滑磨削，加工過程中可不添加潤滑劑，有利于環境保護，適應當前綠 色制造的發展方向。
[0022] 6、為超薄晶體材料的制造提供了彳丁之有效的加工工具。
[0023] 7、為軟性材料和非金屬材料零件的高精度表面加工提供了全新的加工工具，必將 引起材料加工方式的變革，有利于開拓這類材料的新的用途。
[0024] 8、操作過程簡單，可實現磨具的自修銳，沒有更換和修整拋光墊以及清理拋光漿 料所帶來的停工問題，沒有拋光液的維護和處理問題。
[0025] 9、能在高速下工作，轉速可以達到幾百轉，有利于提高加工效率，克服了傳統的 CMP轉速過高磨料外溢的缺點。
[0026] 10、由于采用固