CN117840902A - 一种基于涡流空化的旋切式射流无磨料平坦化加工装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于涡流空化的旋切式射流无磨料平坦化加工装置，包括多轴移动控制平台，多轴移动控制平台上设有工位，工位上方设有旋切式涡流空化抛光装置，旋切式涡流空化抛光装置和供液装置连接，供液装置为旋切式涡流空化抛光装置提供抛光液。步骤一、配制抛光液；步骤二、将工件安装到工位上；步骤三、移动旋切式涡流空化器和工件，使旋切式喷嘴的下端移动到预定加工位置。本发明提供的基于涡流空化的旋切式射流无磨料平坦化加工装置和方法采用将空化的化学效应和微射流冲蚀效应结合起来对工件进行无磨料抛光，能够达到更好的抛光效果。
Description
技术领域
本发明涉及半导体加工技术领域，具体为一种基于涡流空化的旋切式射流无磨料平坦化加工装置和方法。
背景技术
随着电子信息产业的高速发展，碳化硅、氮化镓等第三代半导体衬底朝着大尺寸、超薄化的方向发展，这对半导体衬底的加工质量要求也越来越高，通常要求达到亚纳米级表面粗糙度和较低的平面度，并且要求少无亚表面损伤。为此，半导体衬底抛光的质量、效率、成本及全过程的环保性成为芯片制造领域所面临的巨大挑战。
空化是一种气液相变且非线性、非定常的复杂流体动力现象，发生于流体压力低于其饱和蒸气压区域，空化泡的生长、膨胀、收缩和溃灭演化产生瞬时高温、高压、强冲击波、高速微射流和化学效应等极端物理环境，在污水处理等领域应用广泛。Gogate等将水力空化与Fenton、光Fenton、光解和光催化四种方法相结合用于降解有害物，发现水力空化和Fenton反应的协同效果最佳。
王宝娥等提出一种新型旋流式涡流空化器实现对废水中土霉素进行去除，该空化器由涡流腔和螺旋线流道相结合，结果表明该结构能够产生显著的涡流空化效应并提高对土霉素的降解率。上述研究结果表明，空化泡在溃灭时产生的极端物理环境能够提高Fenton反应中·OH的产率和浓度，强化了污水处理效率。
Yeo等提出一种水动力空化磨料抛光技术，用于抛光电火花加工的内表面，47.5％的表面粗糙度降低，材料去除机理表现为水动力空蚀以及磨粒微切削和微耕犁去除方式，其中：空蚀去除表面大尺度不规则纹理，微切削和微耕犁进一步去除表面材料。涡流空化时液体在旋流腔内高速旋转而形成空间漩涡，漩涡中心压力低于抛光液的饱和蒸气压时会产生空化，是一种典型的水力空化技术。通过调控入口速度、压力和介质流变特性等可实现空化强度的调控。
为实现更好的加工效果，中国发明专利CN202210577451.6，提出一种基于涡流空化的化学磁流变抛光装置及方法。该方法使用一种涡流空化器产生空化泡，结合加工过程中使用磁流变液在喷嘴端面形成约束空间，对空化泡进行调控。该方法产生一种直射式空化射流，沿待抛光表面法向方向直接冲蚀表面，产生明显的冲蚀坑，进而产生较大的亚表面损伤；由于抛光过程中使用了磁流变液和其他化学试剂，后续的清洗工艺也较为复杂。
发明内容
本发明针对上述现有技术存在的问题，提供一种基于涡流空化的旋切式射流无磨料平坦化加工装置和方法。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种基于涡流空化的旋切式射流无磨料平坦化加工装置，包括多轴移动控制平台，所述多轴移动控制平台上设有工位，工位上方设有旋切式涡流空化抛光装置，所述旋切式涡流空化抛光装置和供液装置连接，供液装置为旋切式涡流空化抛光装置提供抛光液。
进一步地，所述旋切式涡流空化抛光装置包括汇流腔和设置在汇流腔下方的旋流腔，汇流腔中设有螺旋分流器，螺旋分流器对汇流腔中的抛光液进行分流和旋流，分流旋流后的抛光液进入旋流腔后从旋流腔喷出。
进一步地，所述汇流腔包括腔体，腔体为柱形腔，其上端设有进液通道，腔体的下端和旋流腔对接。
进一步地，所述旋流腔包括旋流腔体，旋流腔体的上部为柱形腔，下部为锥形腔，锥形腔的下端连接有出流管。
进一步地，所述汇流腔和旋流腔之间设有转接盘，所述转接盘中部开设有多个扇形窗口。
进一步地，所述螺旋分流器包括分流柱，所述分流柱上端设有倒锥形分流头，***环设有多个螺旋叶，螺旋叶的高度和分流柱相同。
进一步地，所述旋流腔中设有增速腔，增速腔的外壁设有齿板，齿板穿过旋流腔体和环设在旋流腔体外壁上的齿轮一啮合连接，齿轮一和驱动机构连接，并在驱动机构的驱动下转动，旋流腔体在齿轮一的驱动下转动。
进一步地，所述增速腔为柱形空心腔，柱形空心腔的侧壁和旋流腔的内壁接触设置。
一种基于涡流空化的旋切式射流无磨料平坦化加工方法，包括步骤一、配制抛光液；步骤二、将工件安装到工位上；步骤三、移动旋切式涡流空化器和工件，使旋切式喷嘴的下端移动到预定加工位置；步骤四、由高压泵将抛光液泵送进入涡流空化器，产生空化液流并由旋切式空化喷嘴射出；步骤五、射出的空化液流不断改性和冲蚀半导体衬底，在多轴移动控制平台轨迹控制下实现衬底全表面的无磨料平坦化加工。
本发明的有益效果：
本发明提供的基于涡流空化的旋切式射流无磨料平坦化加工装置和方法采用将空化的化学效应和微射流冲蚀效应结合起来对工件进行无磨料抛光，能够达到更好的抛光效果。抛光液受空化化学效应作用会使水和双氧水发生化学反应，生成具有强氧化性的羟基自由基，随空化射流一同喷向抛光表面。羟基自由基与GaN材料发生化学反应生成软质的氧化镓(Ga2O3)，与SiC材料发生化学反应生成软质的二氧化硅(SiO2)；空化泡溃灭时产生的微射流冲击待抛光表面材料，实现材料的微量塑性去除。且本发明无磨料参与，不会产生亚表面损伤层，无金属离子污染，使得加工后的清洗工作量大大减少，以此形成一种绿色环保的抛光新方法。
2.本发明的采用旋切式喷嘴对抛光液进行分流和旋流，抛光液喷出时呈现切向射流状，与直射式出流相比，旋切式出流具有相当的切向速度分量，能够驱动空化泡产生的微射流对待抛光表面微观粗糙峰产生与法向力相当的剪切力，而不全是法向挤压作用力，更有利于微纳纹理材料去除切。此外，采用增速腔对分流旋流后的抛光液进行加速，增强空化效应，增加流速，提高旋切效率。
附图说明
图1为本发明基于涡流空化的旋切式射流无磨料平坦化加工装置实施例1的结构示意图；
图2为本发明旋切式涡流空化抛光装置实施例1的结构示意图；
图3为本发明旋切式涡流空化抛光装置实施例1的结构剖视图；
图4为本发明实施例1中转接盘的结构示意图；
图5为本发明实施例1螺旋分流器的结构示意图；
图6为本发明基于涡流空化的旋切式射流无磨料平坦化加工装置实施例2的结构示意图；
图7为直射式空化射流和旋切式空化射流中空化泡对工件表面的作用形式。
图中：1-工作台面，2-旋转底座，3-工位，4-安装侧架，5-Z轴模组，6-旋切式涡流空化抛光装置，61-汇流腔，611-汇流腔体，612-进液通道，613-环形固定台一，62-旋流腔，621-旋流腔体，622-出流管，63-螺旋分流器，631-分流柱，632-倒锥形分流头，633-螺旋叶，64-转接盘，65-扇形窗口，66-旋切式喷嘴，67-喷嘴夹头，68-增速腔，681-齿板，682-齿轮一，683-驱动机构，69-环形限位通道，7-过滤器，8-储料容器，9-高压泵，10-节流阀，11-温度传感器，12-压力传感器，13-流量传感器，14-回收容器，15-温度调节装置。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
实施例1
请参考图1，为本发明提供的一种基于涡流空化的旋切式射流无磨料平坦化加工装置和方法，包括多轴移动控制平台，所述多轴移动控制平台上设有工位3，工位3上方设有旋切式涡流空化抛光装置6，旋切式涡流空化抛光装置6和供液装置连接，供液装置为旋切式涡流空化抛光装置6提供抛光液。
其中，多轴移动控制平台包括工作台面1，工作台面1中设有XY轴模组，工位3通过旋转底座2设置在XY轴模组上，工位3和旋转底座2在XY轴模组的驱动下沿XY轴方向移动。工作台面1的一侧设有侧安装架4，侧安装架4的下部和工作台面1的一侧固定连接，侧安装架4的内侧上部设置有Z轴模组5，旋切式涡流空化抛光装置6滑动式设置在Z轴模组5上，并在Z轴模组5的驱动下沿Z轴方向来回移动。旋切式涡流空化抛光装置6在Z轴模组5的驱动下沿着Z轴升降，靠近或者远离工位3，并对放置在工位3上的半导体产品进行抛光抛光，工位3和旋转底座2在XY轴模组的驱动下移动到旋切式涡流空化抛光装置6正下方，旋转底座2驱动工位3转动。工位3为一盘形工位，具有汇集抛光液的作用。
请参考图2-4，旋切式涡流空化抛光装置6包括汇流腔61和设置在汇流腔61下方的旋流腔62，汇流腔61包括汇流腔体611，汇流腔体611为一柱形腔，该柱形腔的下端为开放口，上端开设有进液通道612，进液通道612和汇流腔体611一体成型，汇流腔体611的下端外壁上还设有环形固定台一613，环形固定台一613和汇流腔体611一体成型。
旋流腔62设置在汇流腔61的下方，包括旋流腔体621，旋流腔体621的上部为柱形腔，下部为锥形腔，锥形腔的下端和出流管622连接，出流管622和旋流腔体621一体成型。旋流腔体621的上部设有环形固定台二623，环形固定台二623和旋流腔体一体成型。旋流腔62的下端设有旋切式喷嘴66，旋切式喷嘴66通过喷嘴夹头67固定在旋流腔62的下端。
汇流腔61和旋流腔62之间设有转接盘64，转接盘64为一具有一定厚度的圆形盘，该圆形盘的中部开设有多个扇形窗口65，扇形窗口65的边缘开设有多个螺孔，螺钉依次穿过环形固定台一613、转接盘64、环形固定台二623将汇流腔61、转接盘64、旋流腔62固定连接。汇流腔61和旋流腔62共轴设置。
请参考图3和图5，螺旋分流器63包括分流柱631，分流柱631为圆柱，该圆柱的上端设有倒锥形分流头632，倒锥形分流头632和分流柱631一体成型，分流柱631的***环设有多个螺旋叶633，螺旋叶633的高度和分流柱631相同，并且螺旋叶633也和分流柱631一体成型。螺旋分流器63设置在汇流腔61中，分流柱631的下端设置在转接盘64上，倒锥形分流头632朝向进液通道612。
请参考图1，储料容器8依次连接有高压泵9、节流阀10、温度传感器11、压力传感器12、流量传感器13，流量传感器13和进液通道612连接。储料容器8中设有温度传感器11。储料容器8中还设有温度调节装置15，温度调节装置15用于调节储料容器8中抛光液的温度。
回收装置包括过滤器7，过滤器7和工位3连接，对工位3中的抛光液进行过滤，过滤器7连接有回收容器14，并将过滤后的抛光液回收至回收容器14中。
工作原理：
工作时，位于储料容器8中的抛光液在高压泵9的作用下依次经过节流阀10、温度传感器11、压力传感器12、流量传感器13进入到进液通道612中，抛光液从进液通道612中进入汇流腔61中，抛光液在螺旋分流器63的作用下进行分流和旋流，分流和旋流后的抛光液进入旋流腔62中，沿旋流腔侧壁旋流至旋切式喷组66处，并从旋切式喷嘴66处喷出，对工件进行抛光，抛光后产生的废液经由过滤器7过滤后进入回收容器14中。
实施例2
请参考图6和图7，本实施例和实施例1的区别在于：旋流腔62中设有增速腔68，增速腔68为一柱形空腔，其上下两端均为开放端，增速腔68的上下两端分别抵靠在旋流腔62的柱形腔部分的上下两端，并且和旋流腔62的内壁接触设置。
增速腔68的外壁上设有齿板681，齿板681和增速腔68的外壁一体成型，并且通过开设在旋流腔体621外壁上的环形限位通道69和环设在旋流腔体621上的齿轮一682啮合连接，齿轮一682转动时带动齿板681转动，齿板981转动，使得增速腔68转动。由于环形限位通道69将旋流腔62分为上下两个部分，旋流腔62的上下两部分通过固定件684固定连接。
齿轮一682的外侧设有驱动机构683，驱动机构683包括驱动电机，驱动电机的驱动端连接有齿轮二，齿轮二和齿轮一682啮合连接，驱动电机驱动齿轮二转动，齿轮二带动齿轮一682转动。
工作原理：
工作时，位于工位3中的抛光液在高压泵9的作用下依次经过过滤器7、储料容器8、节流阀10、温度传感器11、压力传感器12、流量传感器13进入到进液通道612中，抛光液从进液通道612中进入分流柱61中，抛光液在螺旋分流器63的作用下进行分流和旋流，分流和旋流后的抛光液进入增速腔68，增速腔68在驱动机构683的驱动下转动，对进入增速腔68的抛光液进行增速，增速后的抛光液沿旋流腔侧壁旋流至旋切式喷组66处，并从旋切式喷嘴66处喷出，对工件进行抛光，抛光后产生的废液经由过滤器7过滤后进入回收容器14中。
一种基于涡流空化的旋切式射流无磨料平坦化加工方法，包括
步骤一、配制抛光液，采用H2O和H2O2制作成抛光液；
步骤二、将工件安装到工位上，并将抛光液倒入工位中；
步骤三、多轴移动控制平台移动旋切式涡流空化器和工位，使旋切式喷嘴的下端对准放置在工位上的半导衬底；
步骤四、由高压泵将抛光液泵送进入涡流空化器，产生空化液流并由旋切式空化喷嘴射出；步骤五、射出的空化液流不断改性和冲蚀半导体衬底，在多轴移动控制平台轨迹控制下实现衬底全表面的无磨料平坦化加工。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于涡流空化的旋切式射流无磨料平坦化加工装置，其特征在于：包括多轴移动控制平台，所述多轴移动控制平台上设有工位(3)，工位(3)上方设有旋切式涡流空化抛光装置(6)，所述旋切式涡流空化抛光装置(6)和供液装置连接，供液装置为旋切式涡流空化抛光装置(6)提供抛光液。
2.根据权利要求1所述的基于涡流空化的旋切式射流无磨料平坦化加工装置，其特征在于：所述旋切式涡流空化抛光装置(6)包括汇流腔(61)和设置在汇流腔(61)下方的旋流腔(62)，汇流腔(61)中设有螺旋分流器(63)，螺旋分流器(63)对汇流腔(61)中的抛光液进行分流和旋流，分流旋流后的抛光液进入旋流腔(62)后从旋流腔(62)喷出。
3.根据权利要求2所述的基于涡流空化的旋切式射流无磨料平坦化加工装置，其特征在于：所述汇流腔(61)包括腔体(611)，腔体(611)为柱形腔，其上端设有进液通道(612)，腔体(611)的下端和旋流腔(62)对接。
4.根据权利要求3所述的基于涡流空化的旋切式射流无磨料平坦化加工装置，其特征在于：所述旋流腔(62)包括旋流腔体(621)，旋流腔体(621)的上部为柱形腔，下部为锥形腔，锥形腔的下端连接有出流管(622)。
5.根据权利要求2所述的基于涡流空化的旋切式射流无磨料平坦化加工装置，其特征在于：所述汇流腔(61)和旋流腔(62)之间设有转接盘(64)，所述转接盘(64)中部开设有多个扇形窗口(65)。
6.根据权利要求2所述的基于涡流空化的旋切式射流无磨料平坦化加工装置，其特征在于：所述螺旋分流器(63)包括分流柱(631)，所述分流柱(631)上端设有倒锥形分流头(632)，***环设有多个螺旋叶(633)，螺旋叶(633)的高度和分流柱(631)相同。
7.根据权利要求1所述的基于涡流空化的旋切式射流无磨料平坦化加工装置，其特征在于：所述旋流腔(62)中设有增速腔(68)，增速腔(68)的外壁设有齿板(681)，齿板(681)穿过开设在旋流腔体(621)上的环形限位通道(69)和环设在旋流腔体(621)外壁上的齿轮一(682)啮合连接，齿轮一(682)和驱动机构(683)连接，并在驱动机构(683)的驱动下转动，旋流腔体(621)在齿轮一(682)的驱动下转动。
8.根据权利要求7所述的基于涡流空化的旋切式射流无磨料平坦化加工装置，其特征在于：所述增速腔(68)为柱形空心腔，柱形空心腔的侧壁和旋流腔(62)的内壁接触设置。
9.一种基于涡流空化的旋切式射流无磨料平坦化加工方法，其特征在于：包括步骤一、配制抛光液；步骤二、将工件安装到工位上；步骤三、移动旋切式涡流空化器和工件，使旋切式喷嘴的下端移动到预定加工位置；步骤四、由高压泵将抛光液泵送进入涡流空化器，产生空化液流并由旋切式空化喷嘴射出；步骤五、射出的空化液流不断改性和冲蚀半导体衬底，在多轴移动控制平台轨迹控制下实现衬底全表面的无磨料平坦化加工。
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| CN202410208551.0A CN117840902A (zh) | 2024-02-26 | 2024-02-26 | 一种基于涡流空化的旋切式射流无磨料平坦化加工装置和方法 |
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