CN106670899B - 一种气囊式电化学机械抛光头、抛光装置及抛光方法 - Google Patents

Abstract

一种气囊式电化学机械抛光头、抛光装置及抛光方法，涉及超精密加工技术领域。本发明的抛光头在传统的气囊抛光头材料层间增加了一层导电层，即该抛光头的结构依次为橡胶囊基体、导电层和抛光材料层。本发明的抛光方法按照下述步骤进行：将需要进行抛光处理的硬脆材料工件固定在电解池中；在抛光头与工件表面之间加入电解液；在超声椭圆振动与外加电场的作用下，硬脆材料的被抛光面与气囊式电化学机械抛光头形成摩擦副；摩擦副在电解液、超声振动及外加电场的作用下对工件进行抛光。本发明利用超声椭圆振动提高了电解液的效能，达到改善抛光效果的目的；提高了硬脆材料的表面抛光精度，其加工去除率较传统化学机械抛光有一个量级以上的提高。

Description

一种气囊式电化学机械抛光头、抛光装置及抛光方法

技术领域

本发明属于超精密加工技术领域，是对传统电化学机械抛光技术的改进，涉及一种对陶瓷及金属等硬脆材料进行表面抛光的电化学机械抛光头、抛光装置及抛光方法。

背景技术

随着微电子、光电子、传感器技术和材料科学技术的进步，硬脆材料己成为尖端科学技术中应用最为活跃的先进材料。其中，有代表性的是用作芯片材料的半导体硅、锗、砷化镓晶体，以及常用作基片的氮化硅、氧化铝陶瓷材料和碳化硅、立方氮化硼、金刚石等材料。此类材料硬且脆，加工性极差。

碳化硅因比刚度高、热膨胀系数小、导热性能良好、机械性能各向同性，尺寸稳定，能制成很薄或多孔结构，轻量化效果明显等优良的物理化学性能，已成为空间用大尺寸轻型反射镜的新一代材料。

反射镜表面粗糙度直接关系接收信号的准确性和仪器的精确性。为满足高精度光学系统的成像要求，要求碳化硅反射镜表面超光滑无损伤(表面粗糙度Ra＜1nm，面型精度均方根值仅数个纳米)。但此类材料硬度高、脆性大、对缺陷敏感、抗冲击性能较差，传统的粗、细逐渐研磨抛光(研抛)方法加工效率低、时间长，表层缺陷多。

发明内容

本发明的目的是提供一种气囊式电化学机械抛光头、抛光装置及抛光方法，该装置及方法适合于平面、球面、非球面、甚至任意曲面的抛光。该技术是将超声加工和一种改进型电化学机械抛光综合为一体的新型加工技术。

为解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案来实现：一种气囊式电化学机械抛光头，包括球冠形气囊、外支架、内支架、转轴和垫片，球冠形气囊包括底层的橡胶囊基体和外层的聚氨酯抛光膜，外支架与内支架固定连接，球冠形气囊的开口端套在内支架的底端，外支架与内支架共同支撑固定球冠形气囊，球冠形气囊与外支架的接触部分设置有垫片，内支架与转轴固定连接；在橡胶囊基体与聚氨酯抛光膜之间设有一层导电层，该导电层由导电聚合物粘贴在底层橡胶囊基底的球冠表面上形成，聚氨酯抛光膜胶粘在导电层的外表面。

其中，所述的导电聚合物中镶嵌有磨粒，所述的磨粒为铸铁或者钢。

其中，所述的聚氨酯抛光膜上开有各种孔或者沟槽。

超声振动辅助电化学机械抛光装置，包括超声波发生器、超声振子、电脑、电化学分析仪、气囊式电化学机械抛光头、抛光主轴及其夹持机构、真空吸附夹具和电解池，待抛光处理的工件通过真空吸附夹具固定在电解池中，抛光头安装于抛光主轴上；电化学分析仪的工作电极与工件连接，参比电极设置在电解池边缘，对电极与气囊式电化学机械抛光头的导电层连接；超声波发生器产生高频交流电信号并输出至超声振子；超声振子将高频交流电信号并转化为机械能，将超声振动施加在气囊式电化学机械抛光头上或者通过滚轮将超声振动施加在电解池上。

其中，所述的参比电极为石墨，放置于电解池边缘5mm位置处。

其中，所述的超声波发生器产生的高频交流电信号频率为24.3kHz，工作电极与对电极间的外加电压小于4V。

其中，所述的工件为非球面的硬脆材料，所述的硬脆材料为陶瓷或金属。

一种超声振动辅助的电化学机械抛光方法，包括以下步骤：

(1)将待抛光处理的工件通过真空吸附夹具固定在电解池中，将气囊式电化学机械抛光头安装于抛光主轴上使气囊形成密闭腔体，在腔体内充入低压气体；

(2)将气囊式电化学机械抛光头趋近工件表面，并在气囊式电化学机械抛光头与工件表面之间加入电解液；

(3)超声波发生器产生高频交流电信号并输出至超声振子；

(4)超声振子将高频交流电信号并转化为机械能，将超声振动施加在气囊式电化学机械抛光头上或者通过滚轮将超声振动施加在电解池上；

(5)在外加电场及超声振动的作用下，工件的被抛光面与气囊式电化学机械抛光头的聚氨酯抛光膜形成摩擦副；

(6)摩擦副在电解液、超声振动及外加电场的作用下对工件进行抛光，获得超精密光滑的工件表面。

其中，所述的超声振动为超声椭圆振动。

其中，所述的外加电场是通过在气囊式电化学机械抛光头的导电层与工件间施加外加电压形成的。

本发明提出的超声振动辅助电化学机械抛光方法，工件的材料去除率与表面质量取决于外加电压与超声振动。该技术的优点在于：

(1)在低压力(小于1.0psi)下进行抛光处理。低压力下的抛光可减少低强度介质的撕裂及过抛，大大降低抛光过程中器件图案的敏感性，同时还能减少研具磨损，延长研具寿命；

(2)以外加电压取代化学机械抛光(CMP)过程中氧化剂的作用，不含或少含氧化剂的电解液对环境有好；

(3)应用电解作用作为材料去除率的主要动力，适当的电压激励程序和电解液添加剂的组合，可正确控制材料的去除率，便于终点检测；

(4)将超声振动施加于电化学机械抛光工具或抛光平台上，利用电化学机械抛光工具或平台产生的超声椭圆振动，提高了电化学机械抛光中所使用电解液的效能，达到改善抛光效果的目的；

(5)本发明具有加工效率高、表面质量好、成本低、自动化程度高、易于操作的优点。

附图说明

图1为传统平面电化学机械抛光的抛光要素及其运动原理示意图；

图2为本发明的超声振动辅助的电化学机械抛光装置的抛光要素及其运动原理示意图；

图3为本发明的气囊式电化学机械抛光头结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

参见图3所示，本发明的气囊式电化学机械抛光头包括球冠形气囊1、外支架2、垫片3、内支架4和转轴5，球冠形气囊1套在内支架4上，其开口端与内支架4的台阶面紧密的贴合；外支架2通过螺纹连接在内支架4上；垫片3设置于外支架2和球冠形气囊1之间；这样，由垫片3的压紧以及内、外支架的支撑实现了球冠形气囊1的定位和装夹。内支架4通过螺纹联接在转轴5上，同时转轴5端部的小锥面与内支架4的内孔锥面形成配合，这样不仅能保证对中性能，还能可靠的密封内部气体。

球冠形气囊1包括基体、中间层和导电聚合物层。基体为球冠状的橡胶囊，内部充有气体；中间层为导电层，采用抗拉强度较高、厚度很薄且导电的导电聚合物粘贴在橡胶囊的球冠表面上，导电聚合物层中可镶嵌含铸铁或钢等磨粒，磨粒的添加除了可增强机械活化作用外，还可以促进SiC等硬脆材料的化学反应；与工件接触的最外层为聚氨脂抛光膜，用胶牢固的粘贴在导电层上。同时该聚氨脂抛光膜上开有各种孔或沟槽，有助于导电层与硬脆材料间电流的流动，同时也可用于储存电解液。

参见图2所示，本发明的超声振动辅助的电化学机械抛光装置包括超声波发生器、超声振子、电脑、电化学分析仪、气囊式电化学机械抛光头、抛光主轴及其夹持机构、真空吸附夹具和电解池等。待抛光处理的工件通过真空吸附夹具固定在电解池中，抛光头安装于抛光主轴上；电脑与电化学分析仪连接，前者向后者输入电源信号指令，后者接受前者指令进行工作；电化学分析仪的工作电极与工件连接，参比电极设置在电解池边缘，对电极与气囊式电化学机械抛光头的中间导电层连接；超声波发生器与超声振子连接，组成完整的超声振动系统。

在电化学机械抛光装置上施加超声椭圆振动有两种方法，一种为将超声椭圆振动施加在电化学机械抛光头上，一种为将超声椭圆振动施加在电解池上，超声振子与电解池通过旋转的滚轮接触。超声发生器将动力电源转化为超声椭圆机械波，推动着电化学机械抛光头或电解池完成超声椭圆振动，提高了电化学机械抛光中所使用电解液的效能，达到改善抛光效果的目的。

实施例：将需要进行抛光处理的SiC固定在电解池上，SiC的被抛光面与气囊式电化学机械抛光头形成摩擦副；电解液分别采用去离子水、3％NaOH；采用石墨作为参比电极，参比电极放置于电解池边缘5mm左右；SiC与对电极间所加外加电压控制在4V以下；抛光主轴的转速为200rpm/min；电解池静止，抛光过程中使用的超声电源频率为24.3kHz。摩擦副在电解液且在外加电压与超声椭圆振动的工况下实现对SiC的材料去除和精密抛光。

加电大小和方式对抛光效率和质量有明显的影响，即对SiC施加负向电压时可使其去除率有明显的增大，摩擦系数略微增加；施加反向电压可使SiC的去除率有明显减小。在+4V的外加电压下，非球面SiC在超声辅助的电化学机械抛光技术下获得了光滑的抛光表面(本发明中非球面SiC表面粗糙度值低于1nm)。

一种超声振动辅助的电化学机械抛光方法，包括以下步骤：

(1)将待抛光处理的非球面硬脆材料通过真空吸附夹具固定在电解池上，将气囊式电化学机械抛光头安装于抛光主轴上使气囊形成密闭腔体，在腔体内充入低压气体；

腔内气体的压力可以实时调节。这样，作为抛光工具的气囊本身不仅有很好的柔性，还有一定的强度，具有良好的抵抗变形的能力。

(2)将气囊式电化学机械抛光头趋近非球面硬脆材料表面，并在气囊式电化学机械抛光头与工件表面之间加入电解液；

抛光时，以一定的趋近距离将抛光头作用在工件表面，这样球冠状的气囊将发生一定的变形，并与被加工工件的表面紧密贴合，形成抛光接触区。

(3)超声波发生器产生高频交流电信号并输出至超声振子；超声振子将高频交流电信号并转化为机械能，将超声振动施加在气囊式电化学机械抛光头上或者通过滚轮将超声振动施加在电解池上；

超声辅助-电化学机械抛光系统是一典型的摩擦电化学系统，其理论涉及到机械学、材料学、摩擦学、控制学、物理化学、流体动力学和化学反应动力学等多个学科领域。

(4)在外加电场及超声振动的作用下，非球面硬脆材料的被抛光面与聚氨酯抛光膜形成摩擦副；

外加电场是通过在气囊式电化学机械抛光头的导电层(对电极)与工件(工作电极)间施加外加电压形成的。

(5)摩擦副在电解液、超声振动及外加电场的作用下对工件进行抛光，获得超精密光滑的工件表面。

电化学机械抛光过程中工件表面电化学氧化形成一层柔软的不溶复合层或钝化层，该不溶层则通过在抛光头弹性粗糙峰的接触摩擦过程中机械性的去除，裸漏出的工件表面则在外加电势的作用下又重复被电化学氧化去除，可对硬脆等难加工材料进行高效去除，并实现无损伤表面加工，是一种可实现无损伤非球面加工的新方法。

Claims (10)

1.一种气囊式电化学机械抛光头，包括球冠形气囊、外支架、内支架、转轴和垫片，球冠形气囊包括底层的橡胶囊基体和外层的聚氨酯抛光膜，外支架与内支架固定连接，球冠形气囊的开口端套在内支架的底端，外支架与内支架共同支撑固定球冠形气囊，球冠形气囊与外支架的接触部分设置有垫片，内支架与转轴固定连接；其特征在于，在橡胶囊基体与聚氨酯抛光膜之间设有一层导电层，该导电层由导电聚合物粘贴在底层橡胶囊基底的球冠表面上形成，聚氨酯抛光膜胶粘在导电层的外表面。

2.根据权利要求1所述的一种气囊式电化学机械抛光头，其特征在于，所述的导电聚合物中镶嵌有磨粒，所述的磨粒为铸铁或者钢。

3.根据权利要求1或2所述的一种气囊式电化学机械抛光头，其特征在于，所述的聚氨酯抛光膜上开有各种孔或者沟槽。

4.超声振动辅助电化学机械抛光装置，包括电脑、电化学分析仪、抛光头、抛光主轴及其夹持机构、真空吸附夹具和电解池，待抛光处理的工件通过真空吸附夹具固定在电解池中，抛光头安装于抛光主轴上；电化学分析仪的工作电极与工件连接，参比电极设置在电解池边缘，对电极与气囊式电化学机械抛光头的导电层连接；其特征在于，还包括超声波发生器和超声振子，所述的抛光头为如权利要求1或2所述的气囊式电化学机械抛光头，超声波发生器产生高频交流电信号并输出至超声振子；超声振子将高频交流电信号转化为机械能，将超声振动施加在气囊式电化学机械抛光头上或者通过滚轮将超声振动施加在电解池上。

5.根据权利要求4所述的超声振动辅助电化学机械抛光装置，其特征在于，所述的参比电极为石墨，放置于电解池边缘5mm位置处。

6.根据权利要求4所述的超声振动辅助电化学机械抛光装置，其特征在于，所述的超声波发生器产生的高频交流电信号频率为24.3kHz，工作电极与对电极间的外加电压小于4V。

7.根据权利要求4或6任一所述的超声振动辅助电化学机械抛光装置，其特征在于，所述的工件为非球面的硬脆材料，所述的硬脆材料为陶瓷或金属。

8.一种超声振动辅助的电化学机械抛光方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将待抛光处理的工件通过真空吸附夹具固定在电解池中，将如权利要求1或2所述的气囊式电化学机械抛光头安装于抛光主轴上使气囊形成密闭腔体，在腔体内充入低压气体；

(2)将气囊式电化学机械抛光头趋近工件表面，并在气囊式电化学机械抛光头与工件表面之间加入电解液；

(3)超声波发生器产生高频交流电信号并输出至超声振子；

(4)超声振子将高频交流电信号转化为机械能，将超声振动施加在气囊式电化学机械抛光头上或者通过滚轮将超声振动施加在电解池上；

(5)在外加电场及超声振动的作用下，工件的被抛光面与气囊式电化学机械抛光头的聚氨酯抛光膜形成摩擦副；

(6)摩擦副在电解液、超声振动及外加电场的作用下对工件进行抛光，获得超精密光滑的工件表面。

9.根据权利要求8所述的一种超声振动辅助的电化学机械抛光方法，其特征在于，所述的超声振动为超声椭圆振动。

10.根据权利要求8所述的一种超声振动辅助的电化学机械抛光方法，其特征在于，所述的外加电场是通过在气囊式电化学机械抛光头的导电层与工件间施加外加电压形成的。