光学石英玻璃的化学机械磨削加工(K9光学玻璃同理)
作者:管理员    发布于:2018-11-29 22:56:38    文字:【】【】【
摘要:光学石英玻璃的化学机械磨削加工(K9光学玻璃同理)
1 引 言
  近年来,随着高集成度半导体工艺技术的发展,其尖端工艺用光掩模技术的需求也越来越迫切,早日开发能够适应目前芯片制造要求的光掩模技术及装备也已经成为摆在研究者面前的紧迫课题。由于光掩模所用的光学石英玻璃基板的加工质量直接决定着掩模设备的加工能力和性能,因此,光掩模用玻璃基板的加工在下一代光掩模技术中有着至关重要的作用。目前,光掩模用玻璃基板的加工主要是采用化学机械抛光(ChemicalMechanicalPolishing,CMP)方法。CMP采用游离磨粒和研磨盘通过化学和机械复合的去除方式,能够获得具有无变质层、低表面粗糙度的表面,很好地满足了光掩模设备对玻璃基板加工质量的要求。但是由于游离磨粒加工无法稳定实现形状精度的精密控制,在加工大口径工件时很难获得高的形状精度(如平坦度等);另外,CMP需要多个预备加工阶段,造成了加工成本偏高,而且使用过的研磨剂的废弃也会对环境造成影响。和CMP等游离磨粒方式相比,采用砂轮等固定磨粒加工的方式由于磨粒被结合剂所固定,工件的形状精度可以通过加工设备的精度进行控制,加工大口径工件时更容
易获得高的形状精度。但是和CMP相比,传统的固定磨粒磨削方式的材料去除是单一的机械去除,故存在着表面粗糙度差,易产生加工变质层等缺点,容易造成玻璃基板透光性、折射率等光学性能变差,影响掩模质量。本项研究结合传统磨削方式和CMP的优点,提出了化学机械磨削(ChemicalMechanicalGrinding,CMG)的加工方法。在磨削过程中主动增强化学反应(磨粒与工件、结合剂与工件、磨削液与工件等),并使其与材料的机械去除达到动态平衡,消除因脆性去除而造成的表面损伤等,从而实现了大口径工件的高表面质量、高形状精度的加工。本论文将CMG应用于光掩模用光学石英玻璃的加工,讨论了磨削压力、磨削速度等因素对磨削质量的影响,并进行了加工工艺参数的优化,实现了光掩模用玻璃基板的高品质加工。
2 光学石英玻璃CMG加工机理
  光学石英玻璃加工过程中的材料去除机理十分复杂,其本质可以被认为是机械磨削去除,化学作用和热的表面流动3种过程综合作用的结果:(1)机械磨削去除是通过坚硬的磨料颗粒对玻璃表面进行微小切削作用,在磨削过程中如果能够控制磨粒的切削深度在一个很小的值,对于光学石英玻璃等硬脆材料也会实现塑性去除,从而实现高质量的光学表面;(2)光学石英玻璃磨削过程中的化学作用是指玻璃表层在磨粒、结合剂和水的作用下发生的错综复杂的化学过程,主要是由于玻璃表面的水解,大量SiO2转入磨削液中。同时不同的结合剂材料、磨粒也可以和玻璃表面发生化学反应,增强玻璃的去除效果;(3)表面流动作用是指在玻璃加工时由于摩擦热使玻璃表面产生塑性变形和流动,或者是热软化以至熔融而产生流动,凸起的地方将凹陷填平,在这种作用下有利于实现玻璃表面分子重新分布而形成平整表面。从微观角度来说,在光学石英玻璃加工过程中,为了实现光学石英玻璃的材料去除,至少需要对材料施加能够破坏SiO结合势能的能量。而结合势能的大小宏观上受到温度、化学平衡温度以及反应速度等的影响,因此如果能够将适当的主动化学反应引入到传统的磨削过程中,弱化光学石英玻璃材料分子的结合势能,就能够实现以很小的去除力打破分子结合,实现无损伤光学石英玻璃表面加工。因此,CMG磨削过程中,通过在磨削液、砂轮结合剂中添加适当的化学成分和选择磨粒种类,促进砂轮、磨削液与玻璃表面的硅酸盐发生化学反应,在玻璃表面形成硅酸凝胶薄膜,会减缓了化学作用的进一步进行。但是由于硅胶层往往是多孔的或因龟裂而产生裂纹,于是溶液中的碱性离子OH-会进一步侵蚀玻璃的网络内体,使玻璃主体遭致破坏,同时抛光颗粒不断地刮除、吸附胶态硅酸保护层,露出的玻璃表面又不断地发生化学反应,如此循环往复,构成了材料的去除过程。
3 光学石英玻璃CMG加工专用装置
  从光学石英玻璃CMG加工的原理可知,在加工过程中,能够发生化学反应的过程主要集中在以下几方面:工件与磨削液;工件与结合剂;工件与磨粒。因此,基于以上CMG加工机理,本研究开发了一种能够适用于光学石英玻璃加工的CMG专用砂轮。由于氧化铈具有比较理想的晶格类型(面心立方体),较大的比表面等优点,磨粒选用粒度为2.3μm的氧化铈(CeO2)。该磨粒不仅能够和玻璃发生适当的化学反应,同时对SiO键具有很好的切断作用,并且易于从加工表面脱离开,不会对工件表面造成损伤和污染。采用添加了柠檬酸或者Na2CO3的树脂作为结合剂。由于光学石英玻璃CMG程是机械去除和化学等共同作用的结果,从促进磨料、结合剂和工件的化学作用效果考虑,开发的CMG砂轮的结合剂选用环氧树脂,磨料选用氧化铈。同时由于磨削过程中,砂轮的磨削能力是由砂轮与工件接触面上存在的磨粒数及其状态决定的,因此砂轮的组织(磨料、结合剂、气孔三者间的体积比)对磨削性能有着很大影响。为了确定光学石英玻璃CMG加工过程中砂轮组织对磨削性能的影响,本实验进行了不同CMG砂轮组织的磨削性能实验。一般来说,砂轮按照组织的不同可以有无气孔低磨粒率、无气孔高磨粒率、有气孔高磨粒率、有气孔低磨粒率等规格。理论上无气孔低磨粒率砂轮不利于磨削过程中磨屑的排出、吸附和化学过程的进行,容易造成磨削表面质量的恶化,因此在本实验中只是试制了其他3种砂轮进行光学石英玻璃的磨削实验。利用3种砂轮能够实现等压控制的立式磨床上分别对光学石英玻璃进行CMG加工。实验过程中通过观察光学石英玻璃的表面发现,有气孔高磨粒率的砂轮在相同的工艺条件下,磨削表面很快就发生了烧伤现象。这主要是由于砂轮气孔和磨粒在砂轮组织中所占比例高于80%,造成砂轮结合剂的比例比较低,影响了结合剂和光学石英玻璃间的化学反应速度,在干式磨削(无磨削液)方式下,使材料的去除更多地依靠磨粒的机械去除,因此更容易造成工件的表面烧伤。切削过程表面烧伤会对玻璃的后续加工及光学性能产生严重的影响,所以有气孔高磨粒率的砂轮不符合光学石英玻璃的CMG加工。分别使用余下的两种类型砂轮对光学石英玻璃进行CMG加工。为了便于比较,选取初始粗糙度、表面状态大致相同的工件进行磨削。在相同加工工艺条件下,两种类型砂轮的加工表面都没有出现烧伤现象,并且获得了很好的表面粗糙度。
4 光学石英玻璃CMG加工实验及结果分析
4.1 光学石英玻璃犆犕犌加工实验及工艺参数优化
      光学石英玻璃CMG加工效果受到多种因素及其耦合作用的影响,对于这些参数很难定量地去分析,只能通过实验进行定性分析。磨削过程中由于影响磨削效果的因素比较多,如果一一进行单因素实验,需要进行大量的实验,还要有足够的时间和成本。为了通过有限的实验,高效、准确地进行各因素对磨削效果的定性定量分析,优化加工工艺,本实验采用了正交试验设计的方法,希望利用该方法合理地安排实验,从大量的实验数据中挑选适量的、有代表性的点来确定光学石英玻璃CMG加工的最佳工艺参数组合,从而实现最佳的磨削效果。根据立式磨床进行定压CMG加工的特点,从机械去除和化学作用两个方面确定影响磨削效果的有磨削压力、砂轮的转速、磨削液的pH值、磨削液的流量等4个因素。本文通过预备实验分别确定了每组因素的范围,并在范围内取3个数值(水平)。磨削效果的表征则采用磨削效率(材料去除效率)和表面粗糙度犚a。实验按照4因素3水平(L9(34))正交表进行设计。按照表中各号实验方案分别进行实验。实验中材料的去除率利用电子天平(新光电子SH200)测出加工前后的质量差,然后通过密度换算得到去除效率的结果。表面粗糙度采用ZYGONewView200白光干涉仪进行测量。
5 结 论
  本研究进行了光学石英玻璃CMG加工方法的研究。通过在磨削过程中主动增强化学反应,弱化光学石英玻璃的结合势能,消除因脆性去除而造成的表面损伤,实现了大口径工件的高表面质量、高形状精度的加工。根据CMG加工的原理,开发了专用砂轮(气孔33:磨粒25)及水基磨削液,对影响加工效率及加工质量的工艺参数进行了研究,阐明了在CMG加工过程中对加工效率和加工质量产生影响的因素,顺序分别是:砂轮转速>磨削压力>磨削液pH值>磨削液流量。基于正交实验法进行了CMG加工工艺参数优化实验,利用优化后的工艺参数进行大口径光学石英玻璃的CMG加工,获得了等同于CMP加工表面粗糙度犚a为0.795nm,光学透过率≥93%,反射率≤7%的加工表面。加工结果表明,CMG加工的光学石英玻璃基板在表面质量和光学性能上基本能够满足光掩模设备的性能需求。

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脚注信息
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