利用液體傳遞兆赫級振動的超聲拋光方法及其拋光裝置制造方法
【專利摘要】利用液體傳遞兆赫級振動的超聲拋光方法及其拋光裝置，涉及一種拋光方法及其裝置，該方法通過柔性的耦合劑傳遞振動，將振子的高頻超聲振動傳遞到振動拋光工具上；實現(xiàn)了不依賴于整體模態(tài)分析與模態(tài)設計的振動拋光工具。并將該方法應用在硅片拋光領域，設計了一套利用液體傳遞兆赫級振動的超聲拋光裝置，對振子上的壓電陶瓷片施加適宜頻率的交變電壓的激勵，振子將在設計的模態(tài)下共振，高頻的振動通過耦合劑傳輸?shù)秸駝訏伖夤ぞ?，最終將兆聲振動傳輸至拋光液，使拋光液顆粒有效發(fā)揮作用，從而獲得被拋光硅片完整的表面晶格、超高形面精度以及極低的粗糙度。此利用液體傳遞振動的方法，使振動的附加具有更強的靈活性，拓展了振動利用的范圍。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種超聲拋光方法及其裝置，特別是涉及一種利用液體傳遞兆赫級振 動的超聲拋光方法及其拋光裝置。 利用液體傳遞兆赫級振動的超聲拋光方法及其拋光裝置

【背景技術】
[0002] 超精密加工是現(xiàn)代高科技產(chǎn)業(yè)和科學技術的發(fā)展基礎，作為超精密加工重要領域 之一的超精密拋光是一種利用微細磨粒的機械與化學作用來獲得光滑或超光滑表面質(zhì)量 的加工方法。近年來，針對硅片等脆硬材料的精密化學機械拋光，附加超聲振動來輔助拋光 已成為一個熱點研究問題。傳統(tǒng)超聲振動的附加方式都是依賴于整體模態(tài)分析與模態(tài)設計 的振動拋光工具，振動的加載起到一定的作用，但這種附加方式有很大的局限性，當外界條 件變化時，很有可能會引起共振頻率的改變，很難保證振子始終處于良好的共振模態(tài)下工 作。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種利用液體傳遞兆赫級振動的超聲拋光方法及其拋光 裝置，該方法通過液體耦合劑傳遞振動，利用振動拋光工具的非共振模態(tài)振動來輔助化學 機械拋光，其超聲振動裝置將振子的高頻超聲振動通過耦合劑傳遞到振動拋光工具上，振 子與振動拋光工具獨立，從而使振動的加載具有更強的靈活性，大大拓展了振動利用的范 圍。
[0004] 本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的： 利用液體傳遞兆赫級振動的超聲拋光方法，所述方法通過柔性的耦合劑傳遞振動，將 振子的高頻超聲振動傳遞到振動拋光工具上；振子與振動拋光工具獨立，振源產(chǎn)生高頻的 超聲波，經(jīng)選定的耦合劑傳輸?shù)秸駝訏伖夤ぞ呱希⒅苯訉⒄駝蛹虞d到被加工工件上，最終 將兆聲振動傳輸至與工件緊密接觸的拋光液，使拋光顆粒有效的發(fā)揮作用，獲得被拋光硅 片完整的表面晶格、超高形面精度以及極低的粗糙度；振子處于共振模式，耦合劑傳遞振 動，振動拋光工具處于強迫振動、非共振模式，振動直接加載到了被加工工件上，振動拋光 工具磨損后可獨立更換。
[0005] 所述的利用液體傳遞兆赫級振動的超聲拋光方法，所述振源為圓片狀的兆聲壓電 振子，振子工作頻率在1MHz以上。
[0006] 所述的利用液體傳遞兆赫級振動的超聲拋光方法，所述振源的要求，頻率要1MHz 以上。
[0007] 所述的利用液體傳遞兆赫級振動的超聲拋光方法，所述耦合劑的選擇，根據(jù)兩種 介質(zhì)的聲阻抗率來選擇耦合劑。
[0008] 所述的利用液體傳遞兆赫級振動的超聲拋光方法，所述振動拋光工具和被加工工 件之間不能有氣體隔層，用液體排出空氣，使被加工對象吸附在振動拋光工具上。 利用液體傳遞兆赫級振動的超聲拋光裝置，所述裝置由超聲振動附加系統(tǒng)和拋光機工 具兩部分組成，超聲振動附加系統(tǒng)包括振子及密封裝置、耦合劑、振動拋光工具三個總成， 包括壓緊裝置上片、壓緊裝置下片、通電導線、密封圈、圓片壓電振子、水平懸臂支撐、耦合 齊U、振動拋光工具、硅片、拋光墊、拋光盤；振子為激勵電壓頻率在1MHz以上的壓電片振 子，振子對應的設有密封裝置，振子及其密封裝置置于外接可調(diào)高度的水平懸臂支撐上，振 子浸潤在耦合劑中，硅片吸附在振動拋光工具，整個裝置坐落于貼有拋光墊的拋光盤上，振 動拋光工具設有卡槽結(jié)構。
[0009] 所述的利用液體傳遞兆赫級振動的超聲拋光裝置，所述一種利用液體傳遞兆赫級 振動的超聲拋光裝置包括圓片壓電振子、水平夾具，密封圈、通電導線、壓緊裝置上片、壓緊 裝置下片、耦合劑、振動拋光工具、被拋光對象、拋光液、拋光墊、拋光盤；水平懸臂支撐為 一四桿機構的一個懸臂，振動拋光工具卡坐落在拋光盤上，并用拋光機的三角爪定位。
[0010] 所述的利用液體傳遞兆赫級振動的超聲拋光裝置，所述振動拋光工具呈圓柱桶 形，振動拋光工具卡裝硅片、傳遞振動、儲存耦合劑。
[0011] 所述的利用液體傳遞兆赫級振動的超聲拋光裝置，所述振動拋光工具卡裝卡硅 片，振動拋光工具桶底統(tǒng)有與被拋光娃片形狀一樣、深度為半個娃片厚度的槽對娃片定位 裝卡娃片。
[0012] 所述的利用液體傳遞兆赫級振動的超聲拋光裝置，所述拋光盤坐落在拋光機上， 振動拋光工具與拋光盤有一定偏心距。
[0013] 本發(fā)明的優(yōu)點與效果是： 1.本發(fā)明通過柔性的耦合劑傳遞振動，將振子的高頻超聲振動傳遞到振動拋光工具 上，使振子與振動拋光工具分離，振子處于共振模式，振動拋光工具是處于強迫振動、非共 振模式，打破了振動拋光工具共振模式的束縛，實現(xiàn)了不依賴于整體模態(tài)分析與模態(tài)設計 的振動拋光工具，從而使振動的加載具有更強的靈活性，拓展了振動利用的范圍。
[0014] 2.本發(fā)明兆聲作用：振子工作頻率為1MHz以上，兆聲具有能量密度大，穿透能力 強，直線性好，能量的利用率更高，等優(yōu)點，同時亦屬于高頻超聲振動，無噪音。
[0015] 3.本發(fā)明振動能量利用率高：現(xiàn)有的超聲振動輔助拋光，都是將振動傳遞到拋光 墊上，再將振動傳輸至拋光液，使拋光液顆粒發(fā)揮作用，拋光墊有很強的振動吸收特性，振 動能量損耗大，而本發(fā)明將振動直接加載到硅片上，振動的能量利用效率高。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖1是本發(fā)明振子密封裝置圖； 圖2是本發(fā)明利用液體傳遞兆赫級振動的超聲拋光裝置。

【具體實施方式】
[0017] 下面結(jié)合附圖所示實施例，對本發(fā)明作進一步詳述。
[0018] 本發(fā)明提出機加工中一種新的超聲振動方法，通過柔性的耦合劑傳遞振動，將振 子的1?頻超聲振動傳遞到振動拋光工具上；振子與振動拋光工具獨立，打破現(xiàn)有振子和振 動拋光工具共振模式的束縛，達到振子的獨立設計目的，實現(xiàn)了不依賴于整體模態(tài)分析與 模態(tài)設計的振動拋光工具，使振動的附加具有更強的靈活性，拓展了振動利用的范圍。將該 振動附加方法應用在硅片拋光上，設計了一套利用液體傳遞兆赫級振動的超聲拋光裝置， 本裝置由超聲振動附加系統(tǒng)和拋光機系統(tǒng)兩部分組成，超聲振動附加系統(tǒng)包括振子及密封 裝置、耦合劑、振動拋光工具三個總成，振子為激勵電壓頻率在1MHz以上的壓電片振子，由 于振子的工作面浸在水中，對其設計了對應的密封裝置，振子及其密封裝置放置在外接可 調(diào)高度的水平懸臂支撐7上，調(diào)節(jié)7的高度，可以實現(xiàn)調(diào)整振子與振動拋光工具的距離。振 子浸潤在耦合劑中，產(chǎn)生的高頻振動直接通過耦合劑8傳輸?shù)秸駝訏伖夤ぞ?上，振動拋光 工具9上，硅片吸附在振動拋光工具上，整個裝置坐落于貼有拋光墊的拋光盤上，振動拋光 工具的卡槽結(jié)構保證了硅片和振動拋光工具的一起運轉(zhuǎn)，拋光盤圍繞拋光機的主軸旋轉(zhuǎn)， 同時拋光機的噴嘴噴射拋光液，完成拋光工藝。振子的設計無需考慮外界環(huán)境對其固有頻 率的影響，振子產(chǎn)生的高頻振動通過與之接觸的耦合劑傳遞到振動拋光工具，最終將兆聲 振動傳輸至拋光液，使拋光液顆粒有效發(fā)揮作用，從而獲得被拋光硅片完整的表面晶格、超 高形面精度以及極低的粗糙度。振子的設計和工作相對振動拋光工具是獨立的，振子處于 共振模式，耦合劑傳遞振動，振動拋光工具是處于強迫振動、非共振模式，打破了振動拋光 工具共振模式的制約，實現(xiàn)了振子的獨立設計，振動拋光工具磨損后可獨立更換，振子仍可 循環(huán)利用。
[0019] 超聲振動化學機械復合拋光工具，由超聲振子、耦合劑、振動拋光工具三部分組 成，其部件包括圓片壓電振子、水平夾具，密封圈、通電導線、振子夾具上片、振子夾具下片、 耦合劑、振動拋光工具、被拋光對象、拋光液、拋光墊、拋光盤；振源為圓片狀的兆聲壓電振 子，振子工作頻率在1MHZ以上，兆聲具有能量密度大，穿透能力強，直線性好等優(yōu)點；振源 產(chǎn)生的兆聲振動傳遞到柔性的耦合劑，避免了振源與振動拋光工具的接觸磨損，同時耦合 劑可以減少振動在傳遞介質(zhì)界面上的損失；振動拋光工具具有傳遞振動、裝卡硅片、儲存耦 合劑等多個功能，振動拋光工具作為卡具裝卡硅片，即將硅片吸附在振動拋光工具上，卡槽 結(jié)構使娃片隨振動拋光工具一起轉(zhuǎn)動，振動拋光工具和拋光盤有一定的偏心距，使振動拋 光工具既繞拋光盤軸線公轉(zhuǎn)，又圍繞自己軸線自轉(zhuǎn)，并且振動拋光工具為浮動式，使拋光更 加的均勻，避免了硅片的翹曲等問題。最終將兆聲振動傳輸至拋光液，使拋光液顆粒有效發(fā) 揮作用，從而獲得被拋光硅片完整的表面晶格、超高形面精度以及極低的粗糙度。
[0020] 本發(fā)明由振源產(chǎn)生兆赫級的超聲波，經(jīng)選定的耦合劑傳輸?shù)秸駝訏伖夤ぞ呱?，?而給振動拋光工具附加超聲振動。這種方法利用的是振動的傳輸特性，為了減少振動在傳 遞過程中的衰減，要注意三點：一、振源的要求，振源的振動頻率相對要高(頻率要1MHz以 上)，這是由于，在振幅一定的情況下，頻率越高能量密度越大，振動附加的效果越好，并且 在同一介質(zhì)中，振動的頻率越高，波長越短，方向性越好；二、耦合劑的選擇，振動是通過柔 性的耦合劑由振源傳遞到振動拋光工具，就存在兩個界面，由于高頻超聲的直線型好，很容 易在兩種介質(zhì)的交界面處產(chǎn)生反射而導致能量的損失，這就要根據(jù)兩種介質(zhì)的聲阻抗率來 選擇適當?shù)鸟詈蟿?，以減少能量的損失；三、由于高頻超聲的波長很短，在氣體環(huán)境中衰減 的特別快，因此振動拋光工具和被加工工件之間不能有氣體隔層，要用液體排出空氣，使被 加工對象吸附在振動拋光工具上。 本超聲振動附加方法及裝置可以應用在多種機加工工藝中，現(xiàn)將本發(fā)明應用在了拋光 工藝中，針對硅片的拋光，設計了 一套利用液體傳遞兆赫級振動的超聲拋光裝置。
[0021] 實施例： 本利用液體傳遞兆赫級振動的超聲拋光裝置由超聲振動附加系統(tǒng)和拋光機系統(tǒng)兩部 分組成，振動附加系統(tǒng)包括振子及密封裝置、耦合劑、振動拋光工具三個總成，其中振子及 密封裝置又有六部分組成(見圖1);拋光機系統(tǒng)又由被拋光對象(硅片)、拋光液、拋光墊、拋 光盤組成(見圖2)。
[0022] 圖中：1_螺釘；2-壓緊裝置上片；3-壓緊裝置下片；4-通電導線；5-密封圈；6-圓 片壓電振子；7-水平懸臂支撐；8-稱合劑；9-振動拋光工具；10-娃片；11-拋光墊； 12-拋光液；13-拋光盤。
[0023] 本發(fā)明的圓片壓電振子的工作面浸潤在液體環(huán)境中，為防止液體滲透到電極面造 成短路，設計了密封裝置對其進行密封處理，通過螺栓1將上片2和下片3緊固，使密封圈 5擠壓變形，達到密封的效果。對壓電陶瓷片施加適宜頻率的交變電壓的激勵(激勵電壓頻 率為1MHz以上)，振子將在設計的模態(tài)下共振，產(chǎn)生高頻振動。高頻振動傳遞到與之接觸的 耦合劑，兆聲振動在耦合劑7中就以縱波的形式行前傳播，振動經(jīng)耦合劑傳遞到振動拋光 工具，振動拋光工具9設計成圓柱桶形，桶底銑有與被拋光硅片形狀一樣，深度為半個硅片 厚度的槽對硅片進行對位，具有傳遞振動、裝卡硅片、儲存耦合劑等多個功能，振動拋光工 具作為卡具裝卡硅片，在裝卡時要先涂一層水，然后將硅片貼在上面，并擠壓，排除里面的 空氣，使硅片吸附在振動拋光工具上，卡槽結(jié)構使硅片隨振動拋光工具一起轉(zhuǎn)動。為避免振 子和振動拋光工具之間的直接接觸，減少沒必要的磨損，振子及密封裝置坐落于外接水平 懸臂支撐7上，水平支撐7為一四桿機構的一個懸臂，通調(diào)節(jié)水平懸臂支撐的高度，達到調(diào) 節(jié)振子與振動拋光工具之間的距離的目的；振動拋光工具卡坐落在拋光盤上，并用拋光機 的三角爪定位，拋光盤坐落在拋光機上，圍繞拋光機的主軸旋轉(zhuǎn)，振動拋光工具與拋光盤有 一定的偏心距，使振動拋光工具既繞拋光盤軸線公轉(zhuǎn)，又圍繞自己軸線自轉(zhuǎn)，并且振動拋光 工具為浮動式，使拋光更加的均勻，避免了硅片的翹曲等問題。振動經(jīng)由振動拋光工具、硅 片，最終將兆聲振動傳輸至拋光液，使拋光液顆粒有效發(fā)揮作用，從而獲得被拋光硅片完整 的表面晶格、超高形面精度以及極低的粗糙度。
【權利要求】
1. 利用液體傳遞兆赫級振動的超聲拋光方法，其特征在于，所述方法通過柔性的耦合 劑傳遞振動，將振子的高頻超聲振動傳遞到振動拋光工具上；振子與振動拋光工具獨立，振 源產(chǎn)生高頻的超聲波，經(jīng)選定的耦合劑傳輸?shù)秸駝訏伖夤ぞ呱?，并直接將振動加載到被加 工工件上，最終將兆聲振動傳輸至與工件緊密接觸的拋光液，使拋光顆粒有效的發(fā)揮作用， 獲得被拋光硅片完整的表面晶格、超高形面精度以及極低的粗糙度；振子處于共振模式， 耦合劑傳遞振動，振動拋光工具處于強迫振動、非共振模式，振動直接加載到了被加工工件 上，振動拋光工具磨損后可獨立更換。
2. 根據(jù)權利要求1所述的利用液體傳遞兆赫級振動的超聲拋光方法，其特征在于，所 述振源為圓片狀的兆聲壓電振子，振子工作頻率在1MHz以上。
3. 根據(jù)權利要求2所述的利用液體傳遞兆赫級振動的超聲拋光方法，其特征在于，所 述振源的要求，頻率要1MHz以上。
4. 根據(jù)權利要求1所述的利用液體傳遞兆赫級振動的超聲拋光方法，其特征在于，所 述耦合劑的選擇，根據(jù)兩種介質(zhì)的聲阻抗率來選擇耦合劑。
5. 根據(jù)權利要求1所述的利用液體傳遞兆赫級振動的超聲拋光方法，其特征在于，所 述振動拋光工具和被加工工件之間不能有氣體隔層，用液體排出空氣，使被加工對象吸附 在振動拋光工具上。
6. 利用液體傳遞兆赫級振動的超聲拋光裝置，其特征在于，所述裝置由超聲振動附加 系統(tǒng)和拋光機工具兩部分組成，超聲振動附加系統(tǒng)包括振子及密封裝置、耦合劑、振動拋光 工具三個總成，包括壓緊裝置上片、壓緊裝置下片、通電導線、密封圈、圓片壓電振子、水平 懸臂支撐、耦合劑、振動拋光工具、硅片、拋光墊、拋光盤；振子為激勵電壓頻率在1MHz以 上的壓電片振子，振子對應的設有密封裝置，振子及其密封裝置置于外接可調(diào)高度的水平 懸臂支撐（7)上，振子浸潤在耦合劑中，硅片吸附在振動拋光工具，整個裝置坐落于貼有拋 光墊的拋光盤上，振動拋光工具設有卡槽結(jié)構。
7. 根據(jù)權利要求6所述的利用液體傳遞兆赫級振動的超聲拋光裝置，其特征在于，所 述一種利用液體傳遞兆赫級振動的超聲拋光裝置包括圓片壓電振子、水平夾具，密封圈、通 電導線、壓緊裝置上片、壓緊裝置下片、耦合劑、振動拋光工具、被拋光對象、拋光液、拋光 墊、拋光盤；水平懸臂支撐（7)為一四桿機構的一個懸臂，振動拋光工具卡坐落在拋光盤 上，并用拋光機的三角爪定位。
8. 根據(jù)權利要求6所述的利用液體傳遞兆赫級振動的超聲拋光裝置，其特征在于，所 述振動拋光工具（9)呈圓柱桶形，振動拋光工具卡裝硅片、傳遞振動、儲存耦合劑。
9. 根據(jù)權利要求8所述的利用液體傳遞兆赫級振動的超聲拋光裝置，其特征在于，所 述振動拋光工具卡裝卡硅片，振動拋光工具桶底銑有與被拋光硅片形狀一樣、深度為半個 娃片厚度的槽對娃片定位裝卡娃片。
10. 根據(jù)權利要求6所述的利用液體傳遞兆赫級振動的超聲拋光裝置，其特征在于，所 述拋光盤坐落在拋光機上，振動拋光工具與拋光盤有一定偏心距。
【文檔編號】B24B1/04GK104117878SQ201410360884
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年7月28日 優(yōu)先權日:2014年7月28日
【發(fā)明者】何勍, 張玉成 申請人:遼寧工業(yè)大學