基于光子晶体材料的超精密加工装置及其成像监测方法

摘要

基于光子晶体材料的超精密加工装置及其成像监测方法，涉及机械制造业的技术领域，尤其涉及基于光子晶体材料的超精密加工装置的技术领域。本发明的抛光片支持架动力系统的下端连接支持夹具，支持夹具的下端连接抛光片，抛光片的下端对应设置基片，抛光片与基片之间填充有抛光脱落磨料；检测光源发射的检测光通过二相色镜反射到光谱扫描平台上，并传输到设置在光谱扫描平台上端的扫描镜头上，上述检测光纤过扫描镜头到达基片支持架。本发明实现了抛光效果好，能够随时监测抛光区内抛光片光谱特性，同时能够及时获得抛光片局部形变和受力参数的目的。

权利要求

1、一种基于光子晶体材料的超精密加工装置，其特征在于：本装置包括抛光硬件系 统(I)和光谱检测系统(II)两部分，所述抛光硬件系统(I)包括抛光片支持架动力 系统(1)、抛光片(2)、支持夹具(3)、抛光脱落磨料(5)、基片(6)、基片支持架(7)、 基片支持架动力系统(8)；抛光片支持架动力系统(1)的下端连接支持夹具(3)，支持 夹具(3)的下端连接抛光片(2)，抛光片(2)的下端对应设置基片(6)，基片(6)的 下端连接基片支持架(7)，基片支持架(7)的下端连接基片支持架动力系统(8)，上述 抛光片(2)与基片(6)之间填充有抛光脱落磨料(5)；上述光谱检测系统(II)包括 检测光源(9)、光谱扫描平台(10)、扫描镜头(11)、二相色镜(12)、检测电荷耦合器 件(13)、计算机(14)，检测光源(9)发射的检测光通过二相色镜(12)反射到光谱扫 描平台(10)上，并传输到设置在光谱扫描平台(10)上端的扫描镜头(11)上，上述 检测光经过扫描镜头(11)到达基片支持架(7)，基片支持架(7)反射后传输到设置在 二相色镜(12)下方的检测电荷耦合器件(13)上，并传输到计算机(14)上；上述抛 光片支持架动力系统(1)、检测光源(9)、检测电荷耦合器件(13)分别与计算机(14) 连接；上述抛光片支持架动力系统(1)与基片支持架动力系统(8)的转动方向相反； 抛光片(2)是由氧化铝或者立方氮化硼或者金刚石与光子晶体聚合物按照1∶1或1∶2 或1∶3或1∶4的比例混合在一起，并利用聚合物磨具制备工艺加工而成；计算机(14) 对检测电荷耦合器件(13)的信号进行监测，得到抛光片(2)的光子晶体材料的光谱特 性，同时计算光子晶体材料的光谱与形变的关系，可以获得光子晶体局部的形变x；根据 光子晶体材料的力学特性得到弹性模量K，利用胡克定律得到局部的受力。

2、一种利用权利要求1所述的基于光子晶体材料的超精密加工装置的成像监测方法， 其特征在于：所述成像监测方法包括：

步骤一：上述抛光片(2)是由氧化铝或者立方氮化硼或者金刚石与光子晶体聚合物 按照1∶1或1∶2或1∶3或1∶4的比例混合在一起，并利用聚合物磨具制备工艺加工 而成；

步骤二：启动抛光片支持架动力系统(1)，支持夹具(3)在抛光片支持架动力系统 (1)的带动下使得抛光片(2)转动；启动基片支持架动力系统(8)，基片支持架(7) 在基片支持架动力系统(8)的带动下使得基片(6)转动；

步骤三：设置在抛光片(2)与基片(6)之间的抛光脱落磨料(5)在抛光硬件系统 (I)内抛光，同时产生一定的光谱；

步骤四：检测光源(9)向二相色镜(12)发射检测光，二相色镜(12)将检测光反 射到光谱扫描平台(10)上，并经过扫描镜头(11)传输到基片支持架(7)；

步骤五：上述步骤四中传输到基片支持架(7)上的检测光传输到检测电荷耦合器件 (13)上，并将信号显示在计算机(14)的屏幕上；

步骤六：计算机(14)对检测电荷耦合器件(13)的信号进行监测，得到抛光片(2) 的光子晶体材料的光谱特性，同时计算光子晶体材料的光谱与形变的关系，可以获得光 子晶体局部的形变x；根据光子晶体材料的力学特性得到弹性模量K，利用胡克定律得到 局部的受力，步骤七：计算机(14)根据步骤六的计算结果控制抛光片支持架动力系统(1)的转 动速度。

说明书

技术领域

本发明涉及机械制造业的技术领域，尤其涉及基于光子晶体材料的超精密加工装置 的技术领域。

背景技术

随着社会的大力发展，人们对应用在电子和光学高端检测的行业中的大面积半导体 硅片和光学材料的需求日益增加，随着目前12英寸硅片投入生产，对于更大面积的硅片 的制造工艺的研究一直没有停止。在电子制造领域，研制面向大面积硅片微细加工的设 备的驱动一直没有停止。例如研制大面积的STEP暴光设备、大直径硅锭的生长设备、大 直径硅片的切、磨、抛等设备的研究一直都是先进制造的攻关对象。目前，国内许多高 校和研究所在大面积硅片的磨削、抛光设备的研究进行了一定的研究：例如大连理工大 学开发了硅片自旋转的磨抛设备、浙江工业大学袁巨龙教授提出利用半固着磨料进行抛 光的原理等等。由于这些设备属于高技术范畴，我国在这方面的研究起步晚，很多研究 一直处于跟踪研究的阶段。由于电子制造行业的技术门槛高和行业的内在习惯，国产设 备在生产线上的可靠性也没有得到充分的验证，而无法直接在生产线上应用。目前，在 大面积磨抛的领域，我们自主创新的产品工艺不多也制约了相关设备的研制。
目前就超精密抛光的机理问题的基础研究不多。我们都知道采用柔性的基体的磨抛 工具是脆性材料抛光的首要选择。通常，磨料在高分子材料中像一个与弹簧连接的质点。
$m\frac{d^{2}x}{d{t}^2}=k_{x}x---\left(1\right)$
$m\frac{d^{2}y}{d{t}^2}=k_{y}y---\left(2\right)$
$m\frac{d^{2}z}{d{t}^2}=k_{z}z---\left(3\right)$
公式(1)-(3)研究质点在三个方向加速度与力的关系。利用牛顿第二运动定律， 可以计算在三个方向的加速度。M为质点质量，k为弹性模量。
如果不考虑阻尼的影响，磨料在三维空间受力可以用(1)-(3)表示。通常研究多 从弹性材料的整体特性考虑磨料的受力，从而对磨料的受力进行研究。另一方面主要考 虑采用分子动力学和有限元分析的方法进行相关的磨削力学的仿真研究。对于弹性的抛 光工具，整体的弹性特性与局部的弹性特性可能有变化，特别在进行抛光加工后的一部 分时间后，弹性材料由于热、切削液等引起的微观性能的变化是否会影响抛光的机理和 效果，目前由于对于局部研究方法很少，几乎没有相关的研究。同时尽管大连理工大学 和上海海事大学的相关研究人员研究了抛光材料本体对表面粗糙度的影响，随着大面积 硅片抛光的提出，对于工具的本征特性等的要求越来越高，因此对于磨抛中的基础力学 问题的研究显得尤为重要。如何研究并在线检测磨料局部的抛光本题的特性变化，也显 得尤为迫切。
现有的抛光技术主要研究整体效应，同时采用离线的方法讨论抛光参数的优化，在 抛光进行一段时间后，停止工作测量抛光面的表面特性。由于抛光区与加工磨具接触， 在线测量粗糙度装置的引入比较复杂，同时抛光过程对粗糙度的测量有影响。另外荧光 的背景噪声和持续时间的问题对于抛光区的监测带来一定的问题。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种抛光效果好，能够随时监测抛光区内抛光片光 谱特性，同时能够及时获得抛光片局部形变和受力参数的基于光子晶体材料的超精密加 工装置及其成像监测方法。
技术方案：本发明为实现上述目的，采用如下的技术方案：
本发明的加工装置包括抛光硬件系统I和光谱检测系统II两部分，所述抛光硬件系 统I包括抛光片支持架动力系统、抛光片、支持夹具、抛光脱落磨料、基片、基片支持 架、基片支持架动力系统；抛光片支持架动力系统的下端连接支持夹具，支持夹具的下 端连接抛光片，抛光片的下端对应设置基片，基片的下端连接基片支持架，基片支持架 的下端连接基片支持架动力系统，上述抛光片与基片之间填充有抛光脱落磨料；上述光 谱检测系统II包括检测光源、光谱扫描平台、扫描镜头、二相色镜、检测电荷耦合器件、 计算机，检测光源发射的检测光通过二相色镜反射到光谱扫描平台上，并传输到设置在 光谱扫描平台上端的扫描镜头上，上述检测光经过扫描镜头到达基片支持架，基片支持 架反射后传输到设置在二相色镜下方的检测电荷耦合器件上，并传输到计算机上；上述 抛光片支持架动力系统、检测光源、检测电荷耦合器件分别与计算机连接；上述抛光片 支持架动力系统与基片支持架动力系统的转动方向相反。
本发明利用基于光子晶体材料的超精密加工装置的成像监测方法包括：
步骤一：上述抛光片是由氧化铝或者立方氮化硼或者金刚石与光子晶体聚合物按照 1∶1或1∶2或1∶3或1∶4的比例混合在一起，并利用聚合物磨具制备工艺加工而成；
步骤二：启动抛光片支持架动力系统，支持夹具在抛光片支持架动力系统的带动下 使得抛光片转动；启动基片支持架动力系统，基片支持架在基片支持架动力系统的带动 下使得基片转动；
步骤三：设置在抛光片与基片之间的抛光脱落磨料在抛光硬件系统I内抛光，同时 产生一定的光谱；
步骤四：检测光向二相色镜发射检测光，二相色镜将检测光反射到光谱扫描平台上， 并经过扫描镜头传输到基片支持架；
步骤五：上述步骤四中传输到基片支持架上的检测光传输到检测电荷耦合器件上， 并将信号显示在计算机的屏幕上；
步骤六：计算机对检测电荷耦合器件的信号进行监测，得到抛光片的光子晶体材料 的光谱特性，同时计算光子晶体材料的光谱与形变的关系，可以获得光子晶体局部的形 变x；根据光子晶体材料的力学特性得到弹性模量K，利用胡克定律得到局部的受力，
步骤七：计算机根据步骤六的计算结果控制抛光片支持架动力系统的转动速度。
首先将磨料与光子晶体聚合物进行混合，在一定的比例(例如1∶3；1∶2；1∶1) 下进行成型，利用光刻胶制备的工艺，获得磨料与光子晶体材料例如聚苯乙烯、聚二甲基硅 氧烷、聚酰亚胺等抛光片。接着将抛光片在抛光硬件系统I内进行抛光监测实验。利用光 谱检测系统II上的光谱扫描进行检测磨料微区的抛光弹性体的光谱特性，通过光谱特性 与形变的关系研究抛光材料的形变，从而从微区获得磨料的受力。
有益效果：本发明采用上述技术方案，与现有技术相比具有如下优点：
(1)抛光效果好。本发明利用抛光片支持架动力系统带动抛光片转动，利用支持架 动力系统带动基片转动，抛光片与基片在抛光区完成抛光，通过二相色镜和检测电荷耦 合器件能够及时检测到抛光片的光谱特性并显示在计算机上，可以通过计算机来修正抛 光片支持架动力系统的转动速度，从而达到最佳的抛光效果，大大宿短了抛光时间，也 降低了对原材料的浪费。
(2)能够随时监测抛光区内抛光片的光谱特性。抛光区内抛光片在完成抛光时，检 测光源发出的光通过二相色镜和检测电荷耦合器件得到抛光片的光谱特性，并及时显示 在计算机上，实现了同步监测的效果，提高了抛光效果。
(3)能够及时获得抛光片局部形变和受力参数。通过实时显示在计算机上的抛光片 的光谱特性能够分析出抛光片的局部形变，从而得到抛光片的受力参数，为大面积的抛 光提供可参考的数据，提高了超精密加工的抛光效率。
(4)本发明采用上述结构，结构简单，操作方便，实现了自动化操作；同时对原材 料的利用率高，避免了浪费和次品的产生，大大降低了生产成本。
通过监测抛光区抛光光子晶体聚合物磨具的磨料周围聚合物的光谱特性以及形变特 性，可以在线监测工艺参数对于抛光区微区的影响，从而通过参数优化的实验，在线获 得优化参数，并在线检测工艺参数，提供一种基于反馈的在线工艺参数的检测方法和思 路。

附图说明

图1是本发明的结构原理图。
图中：抛光片支持架动力系统1；抛光片2；支持夹具3；抛光脱落磨料5；基片6； 基片支持架7；支持架动力系统8；激光器或者检测光源9；光谱扫描平台10；扫描镜头 11；二相色镜12；检测CCD13；计算机14。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明，如图1所示，本发明的超精密加 工装置包括：本装置包括抛光硬件系统I和光谱检测系统II两部分，所述抛光硬件系统 I包括抛光片支持架动力系统1、抛光片2、支持夹具3、抛光脱落磨料5、基片6、基片 支持架7、基片支持架动力系统8；抛光片支持架动力系统1的下端连接支持夹具3，支 持夹具3的下端连接抛光片2，抛光片2的下端对应设置基片6，基片6的下端连接基片 支持架7，基片支持架7的下端连接基片支持架动力系统8，上述抛光片2与基片6之间 填充有抛光脱落磨料5；上述光谱检测系统II包括检测光源9、光谱扫描平台10、扫描 镜头11、二相色镜12、检测电荷耦合器件13、计算机14，检测光源9发射的检测光通 过二相色镜12反射到光谱扫描平台10上，并传输到设置在光谱扫描平台10上端的扫描 镜头11上，上述检测光经过扫描镜头11到达基片支持架7，基片支持架7反射后传输到 设置在二相色镜12下方的检测电荷耦合器件13上，并传输到计算机14上；上述抛光片 支持架动力系统1、检测光源9、检测电荷耦合器件13分别与计算机14连接；上述抛光 片支持架动力系统1与基片支持架动力系统8的转动方向相反。
本发明利用基于光子晶体材料的超精密加工装置的成像监测方法包括：
步骤一：上述抛光片2是由氧化铝或者立方氮化硼或者金刚石与光子晶体聚合物按照 1∶1或1∶2或1∶3或1∶4的比例混合在一起，并利用聚合物磨具制备工艺加工而成；
步骤二：启动抛光片支持架动力系统1，支持夹具3在抛光片支持架动力系统1的带 动下使得抛光片2转动；启动基片支持架动力系统8，基片支持架7在基片支持架动力系 统8的带动下使得基片6转动；
步骤三：设置在抛光片2与基片6之间的抛光脱落磨料5在抛光硬件系统I内抛光， 同时产生一定的光谱；
步骤四：检测光源9向二相色镜12发射检测光，二相色镜12将检测光反射到光谱 扫描平台10上，并经过扫描镜头11传输到基片支持架7；
步骤五：上述步骤四中传输到基片支持架7上的检测光传输到检测电荷耦合器件13 上，并将信号显示在计算机14的屏幕上；
步骤六：计算机14对检测电荷耦合器件13的信号进行监测，得到抛光片2的光子 晶体材料的光谱特性，同时计算光子晶体材料的光谱与形变的关系，可以获得光子晶体 局部的形变x；根据光子晶体材料的力学特性得到弹性模量K，利用胡克定律得到局部的 受力，
步骤七：计算机14根据步骤六的计算结果控制抛光片支持架动力系统1的转动速度。
本发明的光子晶体聚合物主要使用聚碳酸酯、聚苯乙烯等材料。本发明首先根据光 子晶体聚合物的形变与光谱漂移的关系，建立光子晶体聚合物的光谱曲线与形变的对应 关系。将光子晶体聚合物与氧化铝或者立方氮化硼或者金刚石进行混合，成型。将成型 的抛光磨具固定在磨具夹具抛光片2上，磨具与工件基片6在抛光驱动系统1和基片驱 动系统8的驱动下相对运动，抛光脱落磨料5充满抛光区。检测光源9通过二向色镜12 将激发光源通过镜头11入射到抛光区并激发光子晶体产生发射光，发射光通过镜头11 和二向色镜12将漂移的光谱照射在检测器件13，通过检测平台10的扫描运动，在计算 机上14得到检测图象。通过调节驱动转速等参数，在抛光区得到磨料周围不同的光谱图 象，通过光谱图象和加工表面的测试，我们得到最佳的抛光参数。