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光學石英玻璃的化學機械磨削加工(K9光學玻璃同理)
作者:管理員    發布于:2018-11-29 22:56:38    文字:【】【】【
摘要:光學石英玻璃的化學機械磨削加工(K9光學玻璃同理)
1 引 言
  近年來,隨著高集成度半導體工藝技術的發展,其尖端工藝用光掩模技術的需求也越來越迫切,早日開發能夠適應目前芯片制造要求的光掩模技術及裝備也已經成為擺在研究者面前的緊迫課題。由于光掩模所用的光學石英玻璃基板的加工質量直接決定著掩模設備的加工能力和性能,因此,光掩模用玻璃基板的加工在下一代光掩模技術中有著至關重要的作用。目前,光掩模用玻璃基板的加工主要是采用化學機械拋光(ChemicalMechanicalPolishing,CMP)方法。CMP采用游離磨粒和研磨盤通過化學和機械復合的去除方式,能夠獲得具有無變質層、低表面粗糙度的表面,很好地滿足了光掩模設備對玻璃基板加工質量的要求。但是由于游離磨粒加工無法穩定實現形狀精度的精密控制,在加工大口徑工件時很難獲得高的形狀精度(如平坦度等);另外,CMP需要多個預備加工階段,造成了加工成本偏高,而且使用過的研磨劑的廢棄也會對環境造成影響。和CMP等游離磨粒方式相比,采用砂輪等固定磨粒加工的方式由于磨粒被結合劑所固定,工件的形狀精度可以通過加工設備的精度進行控制,加工大口徑工件時更容
易獲得高的形狀精度。但是和CMP相比,傳統的固定磨粒磨削方式的材料去除是單一的機械去除,故存在著表面粗糙度差,易產生加工變質層等缺點,容易造成玻璃基板透光性、折射率等光學性能變差,影響掩模質量。本項研究結合傳統磨削方式和CMP的優點,提出了化學機械磨削(ChemicalMechanicalGrinding,CMG)的加工方法。在磨削過程中主動增強化學反應(磨粒與工件、結合劑與工件、磨削液與工件等),并使其與材料的機械去除達到動態平衡,消除因脆性去除而造成的表面損傷等,從而實現了大口徑工件的高表面質量、高形狀精度的加工。本論文將CMG應用于光掩模用光學石英玻璃的加工,討論了磨削壓力、磨削速度等因素對磨削質量的影響,并進行了加工工藝參數的優化,實現了光掩模用玻璃基板的高品質加工。
2 光學石英玻璃CMG加工機理
  光學石英玻璃加工過程中的材料去除機理十分復雜,其本質可以被認為是機械磨削去除,化學作用和熱的表面流動3種過程綜合作用的結果:(1)機械磨削去除是通過堅硬的磨料顆粒對玻璃表面進行微小切削作用,在磨削過程中如果能夠控制磨粒的切削深度在一個很小的值,對于光學石英玻璃等硬脆材料也會實現塑性去除,從而實現高質量的光學表面;(2)光學石英玻璃磨削過程中的化學作用是指玻璃表層在磨粒、結合劑和水的作用下發生的錯綜復雜的化學過程,主要是由于玻璃表面的水解,大量SiO2轉入磨削液中。同時不同的結合劑材料、磨粒也可以和玻璃表面發生化學反應,增強玻璃的去除效果;(3)表面流動作用是指在玻璃加工時由于摩擦熱使玻璃表面產生塑性變形和流動,或者是熱軟化以至熔融而產生流動,凸起的地方將凹陷填平,在這種作用下有利于實現玻璃表面分子重新分布而形成平整表面。從微觀角度來說,在光學石英玻璃加工過程中,為了實現光學石英玻璃的材料去除,至少需要對材料施加能夠破壞SiO結合勢能的能量。而結合勢能的大小宏觀上受到溫度、化學平衡溫度以及反應速度等的影響,因此如果能夠將適當的主動化學反應引入到傳統的磨削過程中,弱化光學石英玻璃材料分子的結合勢能,就能夠實現以很小的去除力打破分子結合,實現無損傷光學石英玻璃表面加工。因此,CMG磨削過程中,通過在磨削液、砂輪結合劑中添加適當的化學成分和選擇磨粒種類,促進砂輪、磨削液與玻璃表面的硅酸鹽發生化學反應,在玻璃表面形成硅酸凝膠薄膜,會減緩了化學作用的進一步進行。但是由于硅膠層往往是多孔的或因龜裂而產生裂紋,于是溶液中的堿性離子OH-會進一步侵蝕玻璃的網絡內體,使玻璃主體遭致破壞,同時拋光顆粒不斷地刮除、吸附膠態硅酸保護層,露出的玻璃表面又不斷地發生化學反應,如此循環往復,構成了材料的去除過程。
3 光學石英玻璃CMG加工專用裝置
  從光學石英玻璃CMG加工的原理可知,在加工過程中,能夠發生化學反應的過程主要集中在以下幾方面:工件與磨削液;工件與結合劑;工件與磨粒。因此,基于以上CMG加工機理,本研究開發了一種能夠適用于光學石英玻璃加工的CMG專用砂輪。由于氧化鈰具有比較理想的晶格類型(面心立方體),較大的比表面等優點,磨粒選用粒度為2.3μm的氧化鈰(CeO2)。該磨粒不僅能夠和玻璃發生適當的化學反應,同時對SiO鍵具有很好的切斷作用,并且易于從加工表面脫離開,不會對工件表面造成損傷和污染。采用添加了檸檬酸或者Na2CO3的樹脂作為結合劑。由于光學石英玻璃CMG程是機械去除和化學等共同作用的結果,從促進磨料、結合劑和工件的化學作用效果考慮,開發的CMG砂輪的結合劑選用環氧樹脂,磨料選用氧化鈰。同時由于磨削過程中,砂輪的磨削能力是由砂輪與工件接觸面上存在的磨粒數及其狀態決定的,因此砂輪的組織(磨料、結合劑、氣孔三者間的體積比)對磨削性能有著很大影響。為了確定光學石英玻璃CMG加工過程中砂輪組織對磨削性能的影響,本實驗進行了不同CMG砂輪組織的磨削性能實驗。一般來說,砂輪按照組織的不同可以有無氣孔低磨粒率、無氣孔高磨粒率、有氣孔高磨粒率、有氣孔低磨粒率等規格。理論上無氣孔低磨粒率砂輪不利于磨削過程中磨屑的排出、吸附和化學過程的進行,容易造成磨削表面質量的惡化,因此在本實驗中只是試制了其他3種砂輪進行光學石英玻璃的磨削實驗。利用3種砂輪能夠實現等壓控制的立式磨床上分別對光學石英玻璃進行CMG加工。實驗過程中通過觀察光學石英玻璃的表面發現,有氣孔高磨粒率的砂輪在相同的工藝條件下,磨削表面很快就發生了燒傷現象。這主要是由于砂輪氣孔和磨粒在砂輪組織中所占比例高于80%,造成砂輪結合劑的比例比較低,影響了結合劑和光學石英玻璃間的化學反應速度,在干式磨削(無磨削液)方式下,使材料的去除更多地依靠磨粒的機械去除,因此更容易造成工件的表面燒傷。切削過程表面燒傷會對玻璃的后續加工及光學性能產生嚴重的影響,所以有氣孔高磨粒率的砂輪不符合光學石英玻璃的CMG加工。分別使用余下的兩種類型砂輪對光學石英玻璃進行CMG加工。為了便于比較,選取初始粗糙度、表面狀態大致相同的工件進行磨削。在相同加工工藝條件下,兩種類型砂輪的加工表面都沒有出現燒傷現象,并且獲得了很好的表面粗糙度。
4 光學石英玻璃CMG加工實驗及結果分析
4.1 光學石英玻璃犆犕犌加工實驗及工藝參數優化
      光學石英玻璃CMG加工效果受到多種因素及其耦合作用的影響,對于這些參數很難定量地去分析,只能通過實驗進行定性分析。磨削過程中由于影響磨削效果的因素比較多,如果一一進行單因素實驗,需要進行大量的實驗,還要有足夠的時間和成本。為了通過有限的實驗,高效、準確地進行各因素對磨削效果的定性定量分析,優化加工工藝,本實驗采用了正交試驗設計的方法,希望利用該方法合理地安排實驗,從大量的實驗數據中挑選適量的、有代表性的點來確定光學石英玻璃CMG加工的最佳工藝參數組合,從而實現最佳的磨削效果。根據立式磨床進行定壓CMG加工的特點,從機械去除和化學作用兩個方面確定影響磨削效果的有磨削壓力、砂輪的轉速、磨削液的pH值、磨削液的流量等4個因素。本文通過預備實驗分別確定了每組因素的范圍,并在范圍內取3個數值(水平)。磨削效果的表征則采用磨削效率(材料去除效率)和表面粗糙度犚a。實驗按照4因素3水平(L9(34))正交表進行設計。按照表中各號實驗方案分別進行實驗。實驗中材料的去除率利用電子天平(新光電子SH200)測出加工前后的質量差,然后通過密度換算得到去除效率的結果。表面粗糙度采用ZYGONewView200白光干涉儀進行測量。
5 結 論
  本研究進行了光學石英玻璃CMG加工方法的研究。通過在磨削過程中主動增強化學反應,弱化光學石英玻璃的結合勢能,消除因脆性去除而造成的表面損傷,實現了大口徑工件的高表面質量、高形狀精度的加工。根據CMG加工的原理,開發了專用砂輪(氣孔33:磨粒25)及水基磨削液,對影響加工效率及加工質量的工藝參數進行了研究,闡明了在CMG加工過程中對加工效率和加工質量產生影響的因素,順序分別是:砂輪轉速>磨削壓力>磨削液pH值>磨削液流量。基于正交實驗法進行了CMG加工工藝參數優化實驗,利用優化后的工藝參數進行大口徑光學石英玻璃的CMG加工,獲得了等同于CMP加工表面粗糙度犚a為0.795nm,光學透過率≥93%,反射率≤7%的加工表面。加工結果表明,CMG加工的光學石英玻璃基板在表面質量和光學性能上基本能夠滿足光掩模設備的性能需求。

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