CN107717640A - 一种超声波辅助研磨抛光的方法 - Google Patents

一种超声波辅助研磨抛光的方法 Download PDF

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李毅恒
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何奥希
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Abstract

本发明涉及一种超声波辅助研磨抛光的方法，属于材料加工技术领域。所述的超声波辅助研磨抛光的方法是由超声波辅助研磨抛光、抛光机研抛步骤组成的。采用超声波对碳化硅晶片材料的预处理，可以先取出一部分材料表面的变质层，脱除材料表面的一部分杂质，对材料表面进行活化，然后使用研磨机对材料进行研磨抛光，让碳化硅晶片材料表面达到高精密度的目的。本发明解决了碳化硅常用抛光技术的表面精密度不高的问题，利用超声波对液体分子的高压的作用力等特点，大大提高了碳化硅晶片材料的表面精度，表面粗糙度降低了11%，对促进常规研磨抛光、发展方式的转变具有重要的意义。

Description

一种超声波辅助研磨抛光的方法
技术领域
本发明属于材料加工技术领域。更具体地，本发明涉及一种超声波辅助研磨抛光的方法。
背景技术
纳米技术手段的应用使仪器对本身的精密程度做出了新的要求，而超精密仪器器件的加工变得越来越重要，这使得超精密仪器器件加工的方法也越来越多，超声波因为其特有的性质，可以让液体分子产生瞬间的高压和冲击力，让无数的液滴均匀的冲击被加工的工件，故能在超精密仪器器件工具的研磨抛光中得到利用。超声波辅助研磨抛光的特点就是利用超声波发生器的高频振动不断冲击被加工的工件表面，达到去除工件表面遗留的变质层的一种研磨方式，然后利用研磨抛光机对工件表面进行进一步的精细研磨抛光的过程，并对碳化硅材料表面的杂质进行脱落。通过两次粗研磨抛光和精细研磨抛光后，使基质表面达到平整光滑。然而，因为技术的原因，使得现有的研磨抛光都不能很好地做到超精细的研磨抛光，降低研磨的效率和质量。
为了更好的解决现有技术的缺陷，本发明在总结现有的技术基础上，通过大量的实验和分析，本发明人研制出一种超声波辅助研磨抛光的方法，解决超精细研磨抛光的问题，提高研磨质量和效率。
发明内容
要解决的技术问题]
本发明的目的是提供一种研磨抛光的方法。
本发明的另一个目的是提供所述超声波辅助研磨抛光的方法。
技术方案]
本发明是通过下述技术方案实现的。
本发明涉及一种超声波辅助研磨抛光的方法。
所述的超声波辅助研磨抛光的方法步骤如下：
A、超声波研抛
将待研磨抛光的材料放置在超声波清洗槽内，并控制超声波清洗槽内液体的温度为50~70℃，控制超声波的频率为30~40KHz、功率为120~180W、时间为10~30min后测量待研抛材料的表面参数，然后
B、抛光机研抛
打开抛光机开关，在2~4psi压力下和60~100r/min转速下使用金刚石研磨膏对超声波研抛处理好的待研抛材料进行研磨抛光，研磨抛光的时间为15~30S，然后
C、研磨抛光结束后，测定待研抛材料的表面参数。
根据本发明的一种优选实施方式，在步骤A中，所述的超声波清洗槽内含有可以对液体加热的热电阻。
根据本发明的另一种实施方式，在步骤A中，所述的超声波清洗槽内的液体为蒸馏水、无水乙醇等。
根据本发明的一种优选实施方式，在步骤A中，所述的液体的温度为54~65℃，控制超声波的频率为32~38KHz、时间为15~24min、功率为135~160W。
根据本发明的另一种实施方式，在步骤A中，所述的液体的温度为58~63℃，控制超声波的频率为34~36HKz、时间为18~20min、功率为140~150W。
根据本发明的一种实施方式，在步骤B中，压力为2~3psi，转速为70~95r/min，研磨抛光的时间为20~30s。
根据本发明的另一种优选实施方式，在步骤B中，压力为3~4psi，转速为80~90r/min，研磨抛光的时间为20~25s。
根据本发明的一种实施方式，在步骤A和C中，所述的表面参数有待研抛材料的材料去除率、待研抛材料的表面粗糙度等。
下面将更详细地描述本发明。
本发明涉及一种超声波辅助研磨抛光的方法
该方法的步骤如下：
A、超声波研抛
将待研磨抛光的材料放置在超声波清洗槽内，并控制超声波清洗槽内液体的温度为50~70℃，控制超声波的频率为30~40KHz、功率为120~180W、时间为10~30min后测量待研抛材料的表面参数。
本发明使用的待研抛材料为碳化硅晶片，由于集成电路的发展十分迅速，在超大规模集成电路（ULSI）中，集成电路的集成度已经达到每个芯片可以集成几十亿个器件，器件的特征尺寸越来越小，对器件衬底基片加工质量的要求也越来越高。这是由于衬底基片表面的杂质颗粒和玷污会严重影响到衬底基片的界面形态和击穿特性，从而降低电子寿命。Si C 基器件的使用性能和制造成本是制约微电子、光电子等产业发展重要因素，而器件的使用性能与 Si C 晶体基片表面的加工质量密切相关。加工后 Si C 晶体基片的表面质量会对 IC 等器件的加工成品率和使用性能有直接的影响。由此可见，具有超光滑无损伤表面的 Si C 晶体基片具有不可估量应用前景。
这个过程中选用的超声波清洗槽内的液体为蒸馏水或者无水乙醇，蒸馏水和无水乙醇有助于碳化硅晶片材料表面的干净，无水乙醇有助于碳化硅晶片材料表面液体的挥发，不需为下一步的研磨抛光做进一步的清洗。而且有助于带走谈话给晶片表面的部分杂质。
这个过程中优选地是在液体温度为50~70℃，此温度范围能提高液体分子的热运动，能够有效的提高液体分子对碳化硅晶片材料的有效的瞬间高压的冲击力，去除碳化硅晶片材料表面的变质层，此过程中如果液体的温度低于50℃，则使得液体分子的热运动少，不够剧烈，达不到去除碳化硅晶片材料表面的变质层的效果；如果液体的温度高于70℃，则会造成不必要的能量损耗。所以，液体的温度为50~70℃是可取的。
超声波仪的频率、时间与功率都对碳化硅晶片材料表面的变质层有很大的影响。如果其超声频率小于30KHz，则不能达到研磨抛光的目的；如果其超声频率高于40KHZ，，则会运动剧烈，碳化硅晶片材料会吸附空气中的杂质，影响研磨抛光的效果。因此，其超声频率为30~40KHz是可行的。如果其超声辅助研磨抛光时间短于10min，则会达不到辅助研磨抛光的效果；如果其超声辅助研磨抛光超过30min，则会造成不必要的能源损耗。因此，其超声时间为10~30min是可取的。
同样地，如果其超声辅助研磨抛光时间短于10min，则会达不到辅助研磨抛光的效果；如果其超声辅助研磨抛光超过30min，则会造成不必要的能源损耗。因此，其超声时间为10~30min是可取的。
如果超声功率小于120W时，则会达不到去除表面变质层的效果；如果其超声功率大于180W，则会使分子的热运动剧烈，对碳化硅晶片材料表面变质层的去除不能均匀化。因此，其超声功率为120~180W是可取的。
本发明使用的超声波仪是目前市场上销售的产品，例如由深圳市结盟清洗设备有限公司以商品名结盟牌超声波清洗机销售的产品。
优选地，所述的液体的温度为54~65℃，控制超声波的频率为32~38KHz、时间为15~24min、功率为135~160W。
更优选地，所述的液体的温度为58~63℃，控制超声波的频率为34~36HKz、时间为18~20min、功率为140~150W。
B、抛光机研抛
打开抛光机开关，在2~4psi压力下和60~100r/min转速下使用金刚石研磨膏对超声波研抛处理好的待研抛材料进行研磨抛光，研磨抛光的时间为15~30S。
采用标准ZYP300研磨机，使用市场上销售的W1.0的金刚石研磨膏对碳化硅晶片材料进行研磨抛光，其抛光结果显示为在抛光时间为10~30S内，抛光效果结果为材料的表面粗糙度明显的降低且材料表面的划痕少，研磨抛光效果明显。
研磨机的压力、转速和时间都对碳化硅晶片材料表面的变质层有很大的影响。如果其压力小于2psi，则不能很好的对碳化硅晶片材料进行研磨抛光；如果其压力大于4psi，则会对碳化硅晶片材料造成划痕，影响研磨抛光质量。
同样地，如果研磨抛光时转速低于60r/min，则不能很好地起到研磨抛光的作用，如果研磨时转速高于100r/min，则会使碳化硅晶片材料表面有划痕、不均匀，降低研磨抛光的效果。
同样地，如果研磨抛光的时间低于15s，则不能很好地起到研磨抛光的作用，如果研磨抛光的时间高于30s，则会使碳化硅晶片材料表面的划痕增加，不利于研磨抛光。
本发明使用的标准ZYP300研磨机是目前市场上销售的产品，例如由北京达美达科技有限公司以商品名ZYP300 旋转摆动重力式研磨抛光机销售的产品。
优选地，所述的研磨机的压力为2~3psi，研磨机的转速为75~95r/min，研磨抛光的时间为20~30s。
更优选地，所述的研磨机的压力为3~4psi，研磨机的转速为85~90r/min5，研磨抛光的时间为20~25s。
C、研磨抛光结束后，测定待研抛材料的表面参数。
带研磨抛光材料需要测定试验后的表面粗糙度和材料去除率。表面粗超度是指在材料表面其两波峰或两波谷之间的距离，它属于微观几何误差。表面粗糙度越小，则表面月光滑。表面粗糙度对零件的使用情况有很大的影响。一般来说，表面粗糙度数值越小，会提高配合质量，减少磨损，延长零件使用寿命等。
本发明使用的测量表面粗糙度的仪器为TR200手持式粗糙度仪是市场上销售的产品，例如由重庆里博仪器有限公司以商品名TR200手持式粗糙度仪销售的产品。
当碳化硅晶片材料使用超声波辅助研磨抛光后用TR200手持式粗糙度仪测量其表面粗糙度，然后在用ZYP300研磨机对碳化硅晶片材料研磨抛光，其研磨抛光结果为碳化硅晶片材料的表面粗糙度明显降低，且材料表面的划痕少，效果明显。其抛光效果更好、更快速。
与此同时，使用不经过超声波辅助研磨抛光的碳化硅晶片进行研磨抛光，其抛光结果表明，不经过超声波辅助研磨抛光的碳化硅晶片材料的表面粗糙度明显高于超声波处理后的碳化硅晶片。
由上述结果清楚地看出使用本发明的超声波辅助研磨抛光对碳化硅晶片材料的表面性能显著的提高了。
本发明的超声波辅助研磨抛光具有下述特点：
A、本发明的超声波辅助操作简单、对材料的要求少。
B、本发明的超声波辅助研磨抛光效率高、效果优异。
有益效果]
本发明的有益效果是：通过超声波的预处理，对碳化硅晶片材料研磨抛光后，碳化硅晶片材料表面的刮痕少、表面粗糙度低，本发明将超声波作为碳化硅晶片材料的预处理，利用超声波本身的性质，去除一部分碳化硅镜片材料表面的一部分变质层，并对碳化硅晶片材料表面的杂质进行脱落。然后通过两次粗研磨抛光和精细研磨抛光后，使基质表面达到平整光滑，提高了研磨抛光的质量，得到了较高的表面精度的碳化硅晶片材料。
具体实施方式
通过下述实施例将能够更好地理解本发明。
实施例1超声波辅助研磨抛光
该实施例的实施步骤如下：
A、超声波研抛
将待研磨抛光的材料放置在超声波清洗槽内，并控制超声波清洗槽内液体的温度为50℃，控制超声波的频率为30KHz、功率为120W、时间为10min后测量待研抛材料的表面参数，然后
B、抛光机研抛
打开抛光机开关，在2psi压力下和60r/min转速下使用金刚石研磨膏对超声波研抛处理好的待研抛材料进行研磨抛光，研磨抛光的时间为15S，然后
C、研磨抛光结束后，测定待研抛材料的表面参数。
实验测得，碳化硅晶片材料处理前的表面粗糙度为0.525μm，超声波辅助抛光后表面粗糙度为0.492μm.采用标准ZYP300研磨机，使用金刚石研磨膏对碳化硅晶片材料进行了研磨抛光，其研磨抛光结果为碳化硅晶片材料的表面粗糙度Ra为0.120μm，较抛光前表面粗糙度明显降低，材料表面刮痕少，材料表面均匀，性能良好。
实施例2：超声波辅助研磨抛光
该实施例的实施步骤如下：
A、超声波研抛
将待研磨抛光的材料放置在超声波清洗槽内，并控制超声波清洗槽内液体的温度为55℃，控制超声波的频率为32KHz、功率为140W、时间为20min后测量待研抛材料的表面参数，然后
B、抛光机研抛
打开抛光机开关，在3psi压力下和70r/min转速下使用金刚石研磨膏对超声波研抛处理好的待研抛材料进行研磨抛光，研磨抛光的时间为20S，然后
C、研磨抛光结束后，测定待研抛材料的表面参数。
实验测得，碳化硅晶片材料处理前的表面粗糙度为0.516μm，超声波辅助抛光后表面粗糙度为0.489μm.采用标准ZYP300研磨机，使用金刚石研磨膏对碳化硅晶片材料进行了研磨抛光，其研磨抛光结果为碳化硅晶片材料的表面粗糙度Ra为0.123μm，较抛光前表面粗糙度明显降低，材料表面刮痕少，材料表面均匀，性能良好。
实施例3：超声波辅助研磨抛光
该实施例的实施步骤如下：
A、超声波研抛
将待研磨抛光的材料放置在超声波清洗槽内，并控制超声波清洗槽内液体的温度为60℃，控制超声波的频率为34KHz、功率为150W、时间为30min后测量待研抛材料的表面参数，然后
B、抛光机研抛
打开抛光机开关，在3psi压力下和90r/min转速下使用金刚石研磨膏对超声波研抛处理好的待研抛材料进行研磨抛光，研磨抛光的时间为25S，然后
C、研磨抛光结束后，测定待研抛材料的表面参数。
实验测得，碳化硅晶片材料处理前的表面粗糙度为0.527μm，超声波辅助抛光后表面粗糙度为0.496μm.采用标准ZYP300研磨机，使用金刚石研磨膏对碳化硅晶片材料进行了研磨抛光，其研磨抛光结果为碳化硅晶片材料的表面粗糙度Ra为0.125μm，较抛光前表面粗糙度明显降低，材料表面刮痕少，材料表面均匀，性能良好。
实施例4：超声波辅助研磨抛光
该实施例的实施步骤如下：
A、超声波研抛
将待研磨抛光的材料放置在超声波清洗槽内，并控制超声波清洗槽内液体的温度为65℃，控制超声波的频率为36KHz、功率为160W、时间为25min后测量待研抛材料的表面参数，然后
B、抛光机研抛
打开抛光机开关，在2psi压力下和100r/min转速下使用金刚石研磨膏对超声波研抛处理好的待研抛材料进行研磨抛光，研磨抛光的时间为30S，然后
C、研磨抛光结束后，测定待研抛材料的表面参数。
实验测得，碳化硅晶片材料处理前的表面粗糙度为0.521μm，超声波辅助抛光后表面粗糙度为0.489μm.采用标准ZYP300研磨机，使用金刚石研磨膏对碳化硅晶片材料进行了研磨抛光，其研磨抛光结果为碳化硅晶片材料的表面粗糙度Ra为0.114μm，较抛光前表面粗糙度明显降低，材料表面刮痕少，材料表面均匀，性能良好。
实施例5：超声波辅助研磨抛光
该实施例的实施步骤如下：
A、超声波研抛
将待研磨抛光的材料放置在超声波清洗槽内，并控制超声波清洗槽内液体的温度为70℃，控制超声波的频率为38KHz、功率为170W、时间为18min后测量待研抛材料的表面参数，然后
B、抛光机研抛
打开抛光机开关，在4psi压力下和85r/min转速下使用金刚石研磨膏对超声波研抛处理好的待研抛材料进行研磨抛光，研磨抛光的时间为20S，然后
C、研磨抛光结束后，测定待研抛材料的表面参数。
实验测得，碳化硅晶片材料处理前的表面粗糙度为0.530μm，超声波辅助抛光后表面粗糙度为0.498μm.采用标准ZYP300研磨机，使用金刚石研磨膏对碳化硅晶片材料进行了研磨抛光，其研磨抛光结果为碳化硅晶片材料的表面粗糙度Ra为0.119μm，较抛光前表面粗糙度明显降低，材料表面刮痕少，材料表面均匀，性能良好。
实施例6：超声波辅助研磨抛光
该实施例的实施步骤如下：
A、超声波研抛
将待研磨抛光的材料放置在超声波清洗槽内，并控制超声波清洗槽内液体的温度为60℃，控制超声波的频率为40KHz、功率为180W、时间为28min后测量待研抛材料的表面参数，然后
B、抛光机研抛
打开抛光机开关，在4psi压力下和95r/min转速下使用金刚石研磨膏对超声波研抛处理好的待研抛材料进行研磨抛光，研磨抛光的时间为25S，然后
C、研磨抛光结束后，测定待研抛材料的表面参数。
实验测得，碳化硅晶片材料处理前的表面粗糙度为0.518μm，超声波辅助抛光后表面粗糙度为0.491μm.采用标准ZYP300研磨机，使用金刚石研磨膏对碳化硅晶片材料进行了研磨抛光，其研磨抛光结果为碳化硅晶片材料的表面粗糙度Ra为0.116μm，较抛光前表面粗糙度明显降低，材料表面刮痕少，材料表面均匀，性能良好。
对比实施例1：直接研磨抛光
该实施例的实施步骤如下：
使用实施例1中的碳化硅晶片材料
A、抛光机研抛
打开抛光机开关，在4psi压力下和95r/min转速下使用金刚石研磨膏对超声波研抛处理好的待研抛材料进行研磨抛光，研磨抛光的时间为25S，然后
B、研磨抛光结束后，测定待研抛材料的表面参数。
实验测得，碳化硅晶片材料处理前的表面粗糙度为0.518μm，采用标准ZYP300研磨机，使用金刚石研磨膏对碳化硅晶片材料进行了研磨抛光，其研磨抛光结果为碳化硅晶片材料的表面粗糙度Ra为0.133μm，较抛光前表面粗糙度明显降低，材料表面刮痕少，材料表面均匀，性能良好。
与实施例1对比，实验后的研抛材料表面粗糙度Ra较超声波辅助研磨抛光明显提高，由上述实验结果清楚地看出超声波辅助研磨抛光可提高材料的表面精度，提高表面性能。
对比实施例2：直接研磨抛光
该实施例的实施步骤如下：
使用实施例2中的碳化硅晶片材料
A、抛光机研抛
打开抛光机开关，在4psi压力下和95r/min转速下使用金刚石研磨膏对超声波研抛处理好的待研抛材料进行研磨抛光，研磨抛光的时间为25S，然后
B、研磨抛光结束后，测定待研抛材料的表面参数。
实验测得，碳化硅晶片材料处理前的表面粗糙度为0.518μm，采用标准ZYP300研磨机，使用金刚石研磨膏对碳化硅晶片材料进行了研磨抛光，其研磨抛光结果为碳化硅晶片材料的表面粗糙度Ra为0.139μm，较抛光前表面粗糙度明显降低，材料表面刮痕少，材料表面均匀，性能良好。
与实施例2对比，实验后的研抛材料表面粗糙度Ra较超声波辅助研磨抛光明显提高，由上述实验结果清楚地看出超声波辅助研磨抛光可提高材料的表面精度，提高表面性能。
对比实施例3：直接研磨抛光
该实施例的实施步骤如下：
使用实施例3中的碳化硅晶片材料
A、抛光机研抛
打开抛光机开关，在4psi压力下和95r/min转速下使用金刚石研磨膏对超声波研抛处理好的待研抛材料进行研磨抛光，研磨抛光的时间为25S，然后
B、研磨抛光结束后，测定待研抛材料的表面参数。
实验测得，碳化硅晶片材料处理前的表面粗糙度为0.527μm，采用标准ZYP300研磨机，使用金刚石研磨膏对碳化硅晶片材料进行了研磨抛光，其研磨抛光结果为碳化硅晶片材料的表面粗糙度Ra为0.136μm，较抛光前表面粗糙度明显降低，材料表面刮痕少，材料表面均匀，性能良好。
与实施例3对比，实验后的研抛材料表面粗糙度Ra较超声波辅助研磨抛光明显提高，由上述实验结果清楚地看出超声波辅助研磨抛光可提高材料的表面精度，提高表面性能。
对比实施例4：直接研磨抛光
该实施例的实施步骤如下：
使用实施例4中的碳化硅晶片材料
A、抛光机研抛
打开抛光机开关，在4psi压力下和95r/min转速下使用金刚石研磨膏对超声波研抛处理好的待研抛材料进行研磨抛光，研磨抛光的时间为25S，然后
B、研磨抛光结束后，测定待研抛材料的表面参数。
实验测得，碳化硅晶片材料处理前的表面粗糙度为0.521μm，采用标准ZYP300研磨机，使用金刚石研磨膏对碳化硅晶片材料进行了研磨抛光，其研磨抛光结果为碳化硅晶片材料的表面粗糙度Ra为0.128μm，较抛光前表面粗糙度明显降低，材料表面刮痕少，材料表面均匀，性能良好。
与实施例4对比，实验后的研抛材料表面粗糙度Ra较超声波辅助研磨抛光明显提高，由上述实验结果清楚地看出超声波辅助研磨抛光可提高材料的表面精度，提高表面性能。
采用超声波辅助研磨抛光进行抛光前预处理后，使得碳化硅晶片材料的表面粗糙度明显降低11% ，使得碳化硅晶片材料的表面精度显著提高，同时表面性能也显著提高。

Claims (8)

1.一种超声波辅助研磨抛光的方法，其特征在于该方法的步骤如下：
A、超声波研抛
将待研磨抛光的材料放置在超声波清洗槽内，并控制超声波清洗槽内液体的温度为50~70℃，控制超声波的频率为30~40KHz、功率为120~180W、时间为10~30min后测量待研抛材料的表面参数，然后
B、抛光机研抛
打开抛光机开关，在2~4psi压力下和60~100r/min转速下使用金刚石研磨膏对超声波研抛处理好的待研抛材料进行研磨抛光，研磨抛光的时间为15~30S，然后
C、研磨抛光结束后，测定待研抛材料的表面参数。
2.根据权利要求1所述的超声波辅助研磨抛光的方法，其特征在于步骤A中，所述的超声波清洗槽内含有可以对液体加热的热电阻。
3.根据权利要求1所述的超声波辅助研磨抛光的方法，其特征在于步骤A中，所述的超声波清洗槽内的液体为蒸馏水、无水乙醇等。
4.根据权利要求1所述的超声波辅助研磨抛光的方法，其特征在于步骤A中，所述的液体的温度为54~65℃，控制超声波的频率为32~38KHz、时间为15~24min、功率为135~160W。
5.根据权利要求1所述的超声波辅助研磨抛光的方法，其特征在于步骤A中，所述的液体的温度为58~63℃，控制超声波的频率为34~36HKz、时间为18~20min、功率为140~150W。
6.根据权利要求1所述的超声波辅助研磨抛光的方法，其特征在于步骤B中，所述的压力为2~3psi，转速为70~95r/min，研磨抛光的时间为20~30s。
7.根据权利要求1所述的超声波辅助研磨抛光的方法，其特征在于步骤B中，所述的压力为3~4psi，转速为85~90r/min，研磨抛光的时间为20~25s。
8.根据权利要求1所述的超声波辅助研磨抛光的方法，体特征在于步骤A和C中，所述的表面参数有待研抛材料的材料去除率、待研抛材料的表面粗糙度等。
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