一种电化学机械抛光装置及方法与流程

本技术涉及半导体加工，尤其是涉及一种电化学机械抛光装置及方法。

背景技术：

1、在半导体领域，碳化硅(sic)等硬脆材料因其具有禁带宽度大，被广泛应用于高性能器件；在光学成像领域， sic相比于石英玻璃、金属铍等材料具有更大的比刚度和热稳定性，这使得在实现同样的光学口径和精度要求下，碳化硅反射镜具有更小的重量、更优的热稳定性。

2、然而，sic单晶的硬度非常高，在自然界中仅次于金刚石和立方氮化硼。此外，sic单晶由于其化学惰性，几乎不与酸或碱溶液反应。与传统的金属化学机械抛光相比，电化学机械抛光利用外部电路来氧化材料表面，从而实现低压力、高可控性和良好的材料去除效率，有望消除这些问题。

3、在相关技术中，提出了针对sic、氮化镓(gan)等硬脆材料的电化学机械抛光装置及方法，但其仅限于硬脆材料的平坦化方法，无法对具有球面、非球面特征（回转曲面特征）的硬脆元件进行加工。

4、因此，如何实现对具备回转曲面特征的硬脆材料元件的抛光加工是本领域技术人员目前亟需解决的问题。

技术实现思路

1、为了实现对具备回转曲面特征的硬脆材料元件的抛光加工，本技术提供一种电化学机械抛光装置及方法。

2、本技术提供的一种电化学机械抛光装置及方法采用如下的技术方案：

3、第一方面，一种电化学机械抛光装置，包括：

4、三轴移动机构；

5、a轴摆动单元，所述a轴摆动单元连接在所述三轴移动机构上；

6、c轴旋转单元，所述c轴旋转单元连接在所述三轴移动机构上，所述c轴旋转单元包括导电夹盘，所述导电夹盘下端密封转动连接有储液槽，所述储液槽内部储存有电解液；

7、s轴主轴单元，所述s轴主轴单元连接在所述a轴摆动单元上，所述s轴主轴单元包括抛光头；

8、电化学工作站，所述电化学工作站具有阳极和阴极，所述阳极与所述导电夹盘连接，所述阴极与所述抛光头连接；

9、上位机，所述上位机与所述电化学工作站电性连接；

10、工控机，所述工控机与所述三轴移动机构、a轴摆动单元、c轴旋转单元、s轴主轴单元、上位机电性连接。

11、通过采用上述技术方案，将工件固定安装在导电夹盘上，利用工控机控制c轴旋转单元转动即可带动导电夹盘与工件进行转动，以实现机械抛光回转曲面的主运动。利用工控机控制s轴主轴单元可带动抛光头转动，以实现机械抛光回转曲面的进给运动。利用工控机控制三轴移动机构与a轴摆动单元进行相应的组合运动，可控制s轴主轴单元上的抛光头在具备回转曲面的工件的表面进行机械抛光加工。a轴摆动单元转动后可改变s轴主轴单元的角度，以适应工件回转曲面的曲率变化。电化学工作站通过导电夹盘和抛光头能够给工件通电，工件通电后就会在储液槽内部储存的电解液中发生电解反应，从而确保机械抛光的电化学加工效果，这样即可实现对具备回转曲面特征的硬脆材料元件的抛光加工。

12、可选的，所述三轴移动机构包括底座，所述底座上固定安装有龙门架，所述底座上位于所述龙门架的下方连接有x轴移动单元，所述龙门架上连接有y轴移动单元，所述y轴移动单元上连接有z轴移动单元。

13、通过采用上述技术方案，将x轴移动单元固定安装在底座上位于所述龙门架的下方，将y轴移动单元固定安装在龙门架上，再将z轴移动单元固定安装在y轴移动单元上，利用底座与龙门架的固定连接，可以保证三轴移动机构的移动稳定性和操作便捷性。

14、可选的，所述a轴摆动单元连接在所述z轴移动单元上，所述c轴旋转单元连接在x轴移动单元上，所述工控机与所述x轴移动单元、y轴移动单元、z轴移动单元电性连接。

15、通过采用上述技术方案，利用工控机可以稳定的控制x轴移动单元、y轴移动单元、z轴移动单元进行移动，通过x轴移动单元可以调整c轴旋转单元的位置，通过z轴移动单元可以调整a轴摆动单元的高度，这样进一步保证了在对工件进行机械电化学抛光加工过程中的可靠性和稳定性。

16、可选的，所述c轴旋转单元包括转动座，转动座上固定安装有c轴电机，c轴电机与工控机电性连接，所述c轴电机的输出轴上固定连接有主动锥齿轮，所述导电夹盘的下端固定连接有驱动轴，所述驱动轴的下端固定连有从动齿轮，所述主动锥齿轮的外侧啮合连接有从动锥齿轮，所述从动锥齿轮上设有与之同轴固定连接的主动齿轮，所述从动锥齿轮与所述主动齿轮同轴转动连接在所述转动座上，所述主动齿轮与所述从动齿轮啮合。

17、通过采用上述技术方案，利用工控机可控制c轴电机进行旋转运动，c轴电机可带动主动锥齿轮和从动锥齿轮与主动齿轮转动，主动齿轮就会带动从动齿轮和驱动轴转动，驱动轴就会带动导电夹盘和工件转动，从而实现了在电化学机械抛光作业过程中工件的主运动。

18、可选的，所述驱动轴为空心轴，所述从动齿轮的下端面开设有与所述驱动轴内部连通的液流通道，所述从动齿轮的下端面同轴固定连接有叶轮轴，所述叶轮轴的外侧固定连接有叶轮，所述叶轮的外侧固定连接有叶轮箱，所述叶轮箱与所述从动齿轮的下端面密封转动连接，所述叶轮箱的侧壁密封固定连通有排液管，所述排液管的外端密封连接有喷液管，所述喷液管密封贯穿所述储液槽的侧壁。

19、通过采用上述技术方案，在电化学机械抛光作业过程中，电解液就会从电夹盘的缝隙中流入空心的驱动轴中，驱动轴中的电解液通过液流通道就会进入叶轮箱中，当电夹盘带动工件进行转动时，叶轮轴和叶轮会与从动齿轮同步转动，叶轮在转动时就会将电解液泵送至排液管和喷液管，喷液管再将电解液输送至储液槽内部，从而促进电解液在工作过程中的流动性，可以避免局部不流动的电解液在加工过程中夹杂工件的切屑而影响电解效果，进而保证了电解反应的稳定性，有利于保证加工质量。

20、可选的，所述排液管与所述喷液管之间连接有过滤器，所述喷液管密封贯穿所述储液槽侧壁的一端连接有蛇形管，所述蛇形管的末端连接有喷嘴。

21、通过采用上述技术方案，利用过滤器可以对循环的电解液进行过滤，以便于将电解液在加工过程中夹杂工件的切屑过滤掉，并利用蛇形管和喷嘴将过滤后的电解液输送至工件的加工表面，可进一步保证电解反应的稳定性，有利于提高对工件的加工质量。

22、可选的，所述导电夹盘具有三个中心对称的卡爪，所述卡爪的工作面上固定嵌装有导电块，所述导电块与所述阳极连接，所述导电块采用铜材制作。

23、通过采用上述技术方案，利用三个中心对称的卡爪可以稳定的对工件进行固定，并且在卡爪的工作面上固定嵌装导电块，通过导电块与工件的直接接触形成导电连接既可以增加工件与所述阳极之间的连接强度和可靠性，还可以通过三个中心对称的导电块保证工件的通电后电场的稳定性和均衡性，因此保证工件在加工过程中进行电解反应的稳定性，从而提高对工件表面进行电化学机械抛光的质量。

24、可选的，所述a轴摆动单元包括与工控机电性连接的a轴电机，所述a轴电机上连接有摆动架，所述s轴主轴单元包括与工控机电性连接的s轴电机，所述s轴电机安装在所述摆动架上，所述s轴电机上传动连接有导电轴，所述导电轴上转动连接有导电滑环，所述导电滑环与所述阴极连接，所述抛光头固定连接在所述导电轴上。

25、通过采用上述技术方案，利用工控机控制a轴电机带动摆动架进行摆动，可以带动s轴主轴单元平稳的摆动。工控机控制s轴电机转动即可带动导电轴转动，导电滑环可以在导电轴转动过程中与导电轴和抛光头形成导电连接，从而保证了阴极连接与抛光头之间的连接可靠。

26、第二方面，一种电化学机械抛光方法，包括以下步骤：

27、s1、设置电化学机械抛光工艺的参数，电化学机械抛光工艺的参数包括电化学工作站的输出电压、c轴旋转单元和s轴主轴单元的转速、抛光头在z轴方向的下压量；

28、s2、计算并评估单位时间内工件的材料去除量与工件抛光完成所需要的时间；

29、s3、电化学工作站按照电压线性变化的规律开始输出电压，上位机检测电化学工作站输出的电压；

30、s4、上位机判断电化学工作站输出的电压是否达到进行电化学反应的工艺条件，并根据电化学工作站输出的电压调整抛光头在z轴方向的下压量；

31、s5、调整抛光头在z轴方向的下压量之后，重新判断电化学工作站输出的电压是否达到进行电化学反应的工艺条件，如此循环直至电化学工作站输出的电压满足电化学反应要求；

32、s6、通过工控机控制c轴旋转单元和s轴主轴单元旋转，s轴主轴单元带动抛光头对工件的表面进行机械抛光；

33、s7、通过工控机控制a轴摆动单元根据工件表面的曲率变化进行摆动，并通过工控机控制三轴移动机构相应的移动，实现去除工件表面的电化学反应生成的氧化物；

34、s8、判断工件是否达到工艺要求，若满足则结束流程；若不满足则继续进行s1至s8，循环直至工件满足工艺要求。

35、通过采用上述技术方案，计算并评估单位时间内工件的材料去除量与工件抛光完成所需要的时间，可以有效的实现工件在进行抛光加工时的进度管理，有利于保证对工件进行抛光加工的效率。

36、具体的，所述步骤s4包括：

37、s41、若电压大于预定值，则通过工控机调小抛光头在z轴方向的下压量；

38、s42、若电压小于预定值，则通过工控机调大抛光头在z轴方向的下压量。

39、通过采用上述技术方案，可以在抛光工艺过程中自动调整抛光头在z轴方向的高度，从而实现对抛光头的磨损补偿，既有利于提高电解效果，也有利于保证抛光加工的精度。

40、综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：

41、1.本技术利用工控机控制c轴旋转单元转动即可带动导电夹盘与工件进行转动，以实现机械抛光回转曲面的主运动；利用工控机控制s轴主轴单元可带动抛光头转动，以实现机械抛光回转曲面的进给运动；利用工控机控制三轴移动机构与a轴摆动单元进行相应的组合运动，可控制s轴主轴单元上的抛光头在具备回转曲面的工件的表面进行机械抛光加工，a轴摆动单元转动后可改变s轴主轴单元的角度，以适应工件回转曲面的曲率变化；

42、2.本技术利用电化学工作站通过导电夹盘和抛光头能够给工件通电，工件通电后就会在储液槽内部储存的电解液中发生电解反应，从而确保机械抛光的电化学加工效果，这样即可实现对具备回转曲面特征的小口径硬脆材料元件的抛光加工；

43、3.本技术利用叶轮轴和叶轮与从动齿轮进行同步转动，可将电解液泵送至排液管和喷液管，喷液管再将电解液输送至储液槽内部，从而促进电解液在工作过程中的流动性，可以避免局部不流动的电解液在加工过程中夹杂工件的切屑而影响电解效果，进而保证了电解反应的稳定性，有利于保证加工质量

44、4.本技术利用三个中心对称的卡爪可以稳定的对工件进行固定，并且在卡爪的工作面上固定嵌装导电块，通过导电块与工件的直接接触形成导电连接既可以增加工件与所述阳极之间的连接强度和可靠性，还可以通过三个中心对称的导电块保证工件的通电后电场的稳定性和均衡性，因此保证工件在加工过程中进行电解反应的稳定性，从而提高对工件表面进行电化学机械抛光的质量。