一种大口径石英玻璃基板的复合磨削方法.pdf

本发明公开了一种大口径石英玻璃基板的复合磨削方法，它包括以下步骤：(1)将专用砂轮安装在磨床上对其预磨；(2)将经过粗加工的基板清洗后安装在磨床主轴上；(3)启动磨床主轴带动工件旋转，利用专用磨削液喷射工件表面；(4)启动砂轮轴带动专用砂轮旋转，驱动主轴带动工件进给，同时使砂轮轴作左右往返运动实现对工件整个表面的均匀磨削，磨削过程中保持恒压并用专用磨削液持续喷射工件表面；(5)当整个表面都被磨削到以后，再继续无进给加工后停止加工，然后完成工件另一侧表面的加工；(6)将完成两侧表面加工的工件清洗后进行干燥。采用本方法避免了材料崩碎及亚表面损伤，能够实现大口径玻璃基板的高效高精度加工。

权利要求书
1.  一种大口径石英玻璃基板的复合磨削方法，其特征在于它包括以下步骤：
(1)将专用砂轮安装在立式端面磨床上对其预磨进行精密整形直至专用砂轮的面型精度达到预定的形状精度要求；
(2)将经过粗加工的石英玻璃基板，清洗后安装在立式端面磨床主轴上；
(3)启动立式端面磨床主轴带动工件旋转，利用专用磨削液喷射工件表面，使石英玻璃基板表面和专用磨削液间发生充分的化学反应；
(4)启动砂轮轴带动专用砂轮旋转，驱动主轴带动工件进给，同时使砂轮轴作左右往返运动实现对工件整个表面的均匀磨削，磨削过程中控制工件与专用砂轮间的磨削压力，使专用砂轮以恒压的方式对工件进行材料去除，磨削过程中专用磨削液持续喷射工件表面；
(5)观察工件被加工表面，当整个表面都被磨削到以后，再继续无进给加工至少5min后，按照工件-专用砂轮-专用磨削液的顺序停止加工，将工件卸下来后，重复步骤(2)～(4)完成工件另一侧表面的加工；
(6)将完成两侧表面加工的工件利用乙醇乙醚混合液清洗后，再放入超声波清洗装置清洗；清洗后的工件放入干燥装置进行干燥，完成玻璃基板的加工工序。
所述的专用砂轮以体积百分比计由以下组分组成：磨料20～35％，结合剂40～50％，气孔15～40％，结合剂采用添加了质量百分比为2～10％碳酸盐的酚醛树脂或改性环氧树脂，磨料采用氧化铈。
所述的专用磨削液的组分以重量百分比计由0.5～1.5％的磷酸钠、0.5～2％的三乙醇胺、0.5～1.5％的丙三醇，5～10％的硝酸锌和85～93.5％的纯净水组成。

2.  根据权利要求1所述的大口径石英玻璃基板的复合磨削方法，其特征在于：所述的步骤(4)中以恒压的方式对玻璃基板进行加工，压力的范围控制在30-120kPa。

3.  根据权利要求1所述的大口径石英玻璃基板的复合磨削方法，其特征在于：在所述的步骤(3)中加工前石英玻璃基板表面和专用磨削液间化学反应时间控制在3-10分钟。

说明书一种大口径石英玻璃基板的复合磨削方法
技术领域
本发明涉及一种复合磨削方法，本发明尤其涉及一种基于化学机械复合方式的高表面质量、高精度超精密磨削方法。
背景技术
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。其中光掩模所用的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CMP(Chemical-Mechanical-Polishing，化学机械抛光)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，很好的满足了光掩模设备对玻璃基板的加工质量要求。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，只适合小口径玻璃基板的加工，在加工大口径工件时很难获得高的形状精度(如平坦度等)；并且由于CMP需要多个预备加工阶段，效率比较低并且造成了加工成本偏高；同时使用过的研磨剂的废弃也会对环境造成影响，无法实现可持续生产。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。但是目前常用的传统固定磨粒磨削方式和CMP相比，由于材料去除方式是单一的机械去除，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。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种实现大口径光学元件的高效超精密无损伤加工的一种大口径石英玻璃基板的复合磨削方法。
一种大口径石英玻璃基板的复合磨削方法，它包括以下步骤：
(1)将专用砂轮安装在立式端面磨床上对其预磨进行精密整形直至专用砂轮的面型精度达到预定的形状精度要求；
(2)将经过粗加工的石英玻璃基板，清洗后安装在立式端面磨床主轴上；
(3)启动立式端面磨床主轴带动工件旋转，利用专用磨削液喷射工件表面，使石英玻璃基板表面和专用磨削液间发生充分的化学反应；
(4)启动砂轮轴带动专用砂轮旋转，驱动主轴带动工件进给，同时使砂轮轴作左右往返运动实现对工件整个表面的均匀磨削，磨削过程中控制工件与专用砂轮间的磨削压力，使专用砂轮以恒压的方式对工件进行材料去除，磨削过程中专用磨削液持续喷射工件表面；
(5)观察工件被加工表面，当整个表面都被磨削到以后，再继续无进给加工至少5min后，按照工件-专用砂轮-专用磨削液的顺序停止加工，将工件卸下来后，重复步骤(2)～(4)完成工件另一侧表面的加工；
(6)将完成两侧表面加工的工件利用乙醇乙醚混合液清洗后，再放入超声波清洗装置清洗；清洗后的工件放入干燥装置进行干燥，完成玻璃基板的加工工序。
所述的专用砂轮以体积百分比计由以下组分组成：磨料20～35％，结合剂40～50％，气孔15～40％，结合剂采用添加了质量百分比为2～10％碳酸盐的酚醛树脂或改性环氧树脂，磨料采用氧化铈。
所述的专用磨削液的组分以重量百分比计由0.5～1.5％的磷酸钠、0.5～2％的三乙醇胺、0.5～1.5％的丙三醇，5～10％的硝酸锌和85～93.5％的纯净水组成。
采用本发明方法的有益效果是：
采用本发明方法加工克服了目前国际上通用的玻璃基板加工方法加工面型精度低、无法制造大口径基板及加工废弃物严重影响环境的的缺点，通过利用专用固结磨料磨具(砂轮)定压磨削的方法提高大口径光学基板的面型精度和加工效率，并利用促进砂轮(结合剂、磨粒)与工件、磨削液与工件之间的化学反应弱化工件分子之间的结合强度，实现砂轮对工件材料的塑性去除，避免了原有的脆性去除方式导致的工件表面崩碎及亚表面损伤，提高了工件表面质量。同时，磨削过程中的磨削液等能够循环利用，解决了加工废弃物污染环境的问题。
与传统的磨削和机械化学抛光方法相比，本发明方法的主要优点有：在保证了固结磨料磨削对工件材料的高效、高精度的去除加工的同时，通过改变磨料的类型，砂轮结合剂和磨削液的成分等手段，促进磨削过程中的化学反应的发生，并使磨料对工件的机械去除作用和化学反应形成动态平衡状态，从而避免了由脆性材料去除方式造成的材料崩碎及亚表面损伤，能够实现大口径玻璃基板的高效高精度加工。同时固结磨料磨具(砂轮)的磨损率极低，而且磨削液可以循环利用，因此不会产生加工废弃物，避免了对环境造成污染。
附图说明
图1是大口径石英玻璃基板复合加工装置示意图；
图2是石英玻璃基板加工过程示意图；
图3是石英玻璃基板复合加工原理示意图；
图4是采用本发明方法加工获得的石英玻璃基板的表面微观形态照片(采用白光干涉仪测量)。放大倍数＝10，Ra＝0.79nm；
附图标记：1定压进给电机；2定压装置；3主轴；4工件；5专用砂轮；6专用磨削液；7主轴电机；8砂轮轴；9硅胶层；10磨粒(CeO2)；11结合剂
具体实施方式
下面结合具体的实施例，并参照附图，对本发明做进一步的说明：
本发明的工作原理如下：本发明采用石英玻璃化学机械复合磨削的加工方法，在固结磨料磨削过程中通过选用磨料类型，改变砂轮结合剂和磨削液的成分等措施主动增强化学反应(磨粒与工件、结合剂与工件、磨削液与工件等)，弱化石英玻璃材料分子间的结合势能，保证能够以很小的去除力打破材料分子结合，并使其与磨料对工件材料的机械去除作用达到动态平衡，消除因脆性去除而造成的表面损伤等，从而实现大口径光学工件的无损伤石英玻璃表面加工，获得高精度、高表面质量的大口径光学表面。
本发明方法采用的带有定压装置2的立式端面磨床如图1所示。该设备目前在市场有售(如日本的NAGASE公司生产的型号为KTC-1的产品等)。其具体结构包括在电机驱动下可以转动的砂轮轴8，砂轮安装在砂轮轴8上，同时砂轮轴可以沿底部导轨左右移动；工件4安装在主轴3上，主轴电机7通过带传动方式带动主轴3及工件4旋转，主轴及工件的进给通过定压进给电机1实现。定压进给电机1的输出轴与定压装置2相连，定压装置2上装有传感器。
基于上述工作原理并采用上述设备，本发明方法包括以下步骤：(1)将专用砂轮5安装在立式端面磨床上对其预磨进行精密整形直至专用砂轮的面型精度达到预定的形状精度要求，所述的专用砂轮以体积百分比计由以下组分组成：磨料20～35％，结合剂40～50％，气孔15～40％。所述的结合剂11采用添加了质量百分比为2～10％碳酸盐的酚醛树脂或改性环氧树脂，磨料10采用氧化铈。碳酸盐可以为碳酸钠和碳酸钾等。所述的专用砂轮的制备方法如下：将以体积百分比计的磨料20～35％，结合剂40～50％充分混合后在180～200℃条件下采用热压成型方法制成。(2)将经过粗加工的石英玻璃基板，清洗后安装在立式端面磨床主轴上。(3)启动立式端面磨床主轴带动工件旋转，利用专用磨削液喷射工件表面，使石英玻璃基板表面和专用磨削液间发生充分的化学反应；所述的专用磨削液6的组分以重量百分比计由0.5～1.5％的磷酸钠、0.5～2％的三乙醇胺、0.5～1.5％的丙三醇，5～10％的硝酸锌和85～93.5％的纯净水组成。所述的专用磨削液的制备方法如下：将以重量百分比计为0.5～1.5％的磷酸钠、0.5～2％的三乙醇胺、0.5～1.5％的丙三醇，5～10％的硝酸锌和85～93.5％的纯净水中均匀搅拌充分溶解后即可制成专用磨削液。加工前通常控制石英玻璃基板表面和专用磨削液间化学反应时间在3-10分钟。(4)启动砂轮轴8带动专用砂轮旋转，驱动主轴3带动工件进给，同时使砂轮轴作左右往返运动实现对工件整个表面的均匀磨削，磨削过程中根据磨削效率和表面质量要求控制工件与砂轮间的磨削压力通常稳定在30-120kPa，使砂轮以恒压的方式对工件进行材料去除；磨削过程中专用磨削液6持续喷射工件表面，喷射流量可以根据需要达到的去除效率及工件表面粗糙度调节，喷射流量选择原则如下：需要高质量表面时尽量选择大流量的喷射，以提高水解反应的质量，需要高效率加工时尽量选择偏低的流量，以提高水解反应和机械去除的速度。喷射流量通常可以选择50～500ml/min。(5)观察工件被加工表面，当整个表面都被磨削到以后，再继续无进给加工至少5min后，按照工件-砂轮-磨削液的顺序停止加工，将工件卸下来后，重复步骤(2)～(4)完成工件另一侧表面的加工。(6)将完成两侧表面加工的工件利用乙醇乙醚混合液清洗后，再放入超声波清洗装置清洗；清洗后的工件放入干燥装置进行干燥，完成玻璃基板的加工工序。
在本发明方法中：
(a)加工过程中采用添加了各种添加剂(如润滑剂，防腐剂等)的水基磨削液。磨削液中的水分子可以和光学玻璃发生水解反应，形成胶体硅酸吸附在玻璃表面上，当该硅胶层达到一定程度后，能够阻止水解反应的继续进行。同时添加到磨削液中的Zn2+可以和砂轮结合剂中释放出来的碳酸盐发生反应，产生可以调节磨削液中OH-浓度的两性化合物，保证水解反应顺利进行；
(b)磨具(砂轮)的结合剂选用添加了碳酸盐的树脂；一方面树脂中的羟基团能够参与水解过程，促进水解的进行；另一方面碳酸盐可以释放到磨削液中和Zn2+发生反应，调节水解过程中磨削液的OH浓度；
(c)固结磨具(砂轮)的磨料10选用氧化铈颗粒；一方面利用氧化铈颗粒的坚硬特性刮削由于水解作用吸附在玻璃表面的硅胶层9；另一方面利用氧化铈颗粒的吸附特性吸附去除玻璃表面的硅胶层，使玻璃表面保持和水基磨削液接触，继续进行水解反应；
(d)石英玻璃基板加工过程中，采用定压端面磨削的方法，使加工过程中能够使整个被加工表面均匀去除，保证(a)(b)和(c)形成一个动态平衡，实现无损伤石英玻璃表面加工。
上述大口径石英玻璃基板的制造方法可在能够实现定压磨削的立式端面磨床上进行。工件的面型精度由磨床工作台的精度，主轴进给精度(压力控制精度)以及工件的装夹精度来决定。而工件的表面加工质量由砂轮对工件的机械去除效果，砂轮(结合剂、磨粒)与工件及磨削液与工件的化学反应效果所决定。该方法适用于使用石英玻璃、光学玻璃等材料进行高精度、高表面质量的大口径基板的生产加工。在采用本方法进行基板加工前，可以采用普通磨削进行前期的预加工(粗加工)，以提高整个基板生产的效率。
实施例1
(1)将专用砂轮安装在立式端面磨床上对其预磨进行精密整形直至专用砂轮的面型精度达到预定的形状精度要求，所述的专用砂轮以体积百分比计由以下组分组成：磨料20％，结合剂40％，气孔40％，所述的结合剂采用添加了质量百分比为2％碳酸钠的酚醛树脂，磨料采用氧化铈；
(2)将经过粗加工的石英玻璃基板，清洗后安装在立式端面磨床主轴上；
(3)启动立式端面磨床主轴带动工件旋转，利用专用磨削液喷射工件表面，使石英玻璃表面和专用磨削液间发生充分的化学反应3分钟。所述的专用磨削液的组分以重量百分比计由0.5％的磷酸钠、1％的三乙醇胺、1％的丙三醇、5.5％的硝酸锌和92％的纯净水组成；
(4)启动砂轮轴带动专用砂轮旋转，驱动主轴带动工件进给，同时使砂轮轴作左右往返运动实现对工件整个表面的均匀磨削，磨削过程中控制工件与砂轮间的磨削压力恒定为30kPa，使砂轮以恒压的方式对工件进行材料去除，磨削过程中专用磨削液持续喷射工件表面；专用磨削液的喷射流量为100ml/min。
(5)观察工件被加工表面，当整个表面都被磨削到以后，再继续无进给加工至少5min后，按照工件-砂轮-磨削液的顺序停止加工，将工件卸下来后，重复步骤(2)～(4)完成工件另一侧表面的加工。
(6)将完成两侧表面加工的工件利用乙醇乙醚混合液清洗后，再放入超声波清洗装置清洗；清洗后的工件放入干燥装置进行干燥，完成玻璃基板的加工工序。
其中步骤(1)中的专用砂轮采用氧化铈磨料，添加了碳酸盐的结合剂，利用气流搅拌装置充分混合后在180-200℃条件下采用热压成型方法制得。(以下实施例相同)
步骤(3)中的专用磨削液制备方法如下：将以重量百分比计的磷酸钠、三乙醇胺、硝酸锌在纯净水中按预定比例均匀搅拌充分溶解后即可制成专用磨削液。(以下实施例相同)
对加工的工件进行检测，检测结果为：表面粗糙度Ra0.69nm，透射率大于93％。
实施例2
(1)将专用砂轮安装在立式端面磨床上对其预磨进行精密整形直至专用砂轮的面型精度达到预定的形状精度要求，所述的专用砂轮以体积百分比计由以下组分组成：磨料25％，结合剂45％，气孔30％，所述的结合剂采用添加了质量百分比为8％碳酸钠的酚醛树脂，磨料采用氧化铈；
(2)将经过粗加工的石英玻璃基板，清洗后安装在立式端面磨床主轴上；
(3)启动立式端面磨床主轴带动工件旋转，利用专用磨削液喷射工件表面，使石英玻璃表面和专用磨削液间发生充分的化学反应5分钟；所述的专用磨削液的组分以重量百分比计由1.5％的磷酸钠、2％的三乙醇胺、1.5％的丙三醇、10％的硝酸锌和85％的纯净水组成；
(4)启动砂轮轴带动专用砂轮旋转，驱动主轴带动工件进给，同时使砂轮轴作左右往返运动实现对工件整个表面的均匀磨削，磨削过程中控制工件与砂轮间的磨削压力50kpa，使砂轮以恒压的方式对工件进行材料去除，磨削过程中专用磨削液持续喷射工件表面；专用磨削液的喷射流量为100ml/min。
(5)观察工件被加工表面，当整个表面都被磨削到以后，再继续无进给加工至少5min后，按照工件-砂轮-磨削液的顺序停止加工，将工件卸下来后，重复步骤(2)～(4)完成工件另一侧表面的加工。
(6)将完成两侧表面加工的工件利用乙醇乙醚混合液清洗后，再放入超声波清洗装置清洗；清洗后的工件放入干燥装置进行干燥，完成玻璃基板的加工工序。
对加工的工件进行检测，检测结果为：表面粗糙速度Ra1.115nm，透射率大于90％。
实施例3
(1)将专用砂轮安装在立式端面磨床上对其预磨进行精密整形直至专用砂轮的面型精度达到预定的形状精度要求，所述的专用砂轮以体积百分比计由以下组分组成：磨料35％，结合剂50％，气孔15％，所述的结合剂采用添加了质量百分比为5％碳酸钠的改性环氧树脂，磨料采用氧化铈；
(2)将经过粗加工的石英玻璃基板，清洗后安装在立式端面磨床主轴上；
(3)启动立式端面磨床主轴带动工件旋转，利用专用磨削液喷射工件表面，使石英玻璃表面和专用磨削液间发生充分的化学反应10分钟；所述的专用磨削液的组分以重量百分比计由1％的磷酸钠、0.5％的三乙醇胺、1％的丙三醇、8％的硝酸锌和89.5％的纯净水组成；
(4)启动砂轮轴带动专用砂轮旋转，驱动主轴带动工件进给，同时使砂轮轴作左右往返运动实现对工件整个表面的均匀磨削，磨削过程中控制工件与砂轮间的磨削压力120kPa，使砂轮以恒压的方式对工件进行材料去除，磨削过程中专用磨削液持续喷射工件表面；专用磨削液的喷射流量为500ml/min。
(5)观察工件被加工表面，当整个表面都被磨削到以后，再继续无进给加工至少5min后，按照工件-砂轮-磨削液的顺序停止加工，将工件卸下来后，重复步骤(2)～(4)完成工件另一侧表面的加工。
(6)将完成两侧表面加工的工件利用乙醇乙醚混合液清洗后，再放入超声波清洗装置清洗；清洗后的工件放入干燥装置进行干燥，完成玻璃基板的加工工序。
对加工的工件进行检测，检测结果为：表面粗糙度Ra0.795nm，透射率大于93％。
实施例4
(1)将专用砂轮安装在立式端面磨床上对其预磨进行精密整形直至专用砂轮的面型精度达到预定的形状精度要求，所述的专用砂轮以体积百分比计由以下组分组成：磨料28％，结合剂42％，气孔30％，所述的结合剂采用添加了质量百分比为10％碳酸钾的改性环氧树脂，磨料采用氧化铈；
(2)将经过粗加工的石英玻璃基板，清洗后安装在立式端面磨床主轴上；
(3)启动立式端面磨床主轴带动工件旋转，利用专用磨削液喷射工件表面，使石英玻璃表面和专用磨削液间发生充分的化学反应12分钟；所述的专用磨削液的组分以重量百分比计由0.5％的磷酸钠、0.5％的三乙醇胺、0.5％的丙三醇、5％的硝酸锌和93.5％的纯净水组成；
(4)启动砂轮轴带动专用砂轮旋转，驱动主轴带动工件进给，同时使砂轮轴作左右往返运动实现对工件整个表面的均匀磨削，磨削过程中控制工件与砂轮间的磨削压力为130kpa，使砂轮以恒压的方式对工件进行材料去除，磨削过程中专用磨削液持续喷射工件表面；专用磨削液的喷射流量为500ml/min。
(5)观察工件被加工表面，当整个表面都被磨削到以后，再继续无进给加工至少5min后，按照工件-砂轮-磨削液的顺序停止加工，将工件卸下来后，重复步骤(2)～(4)完成工件另一侧表面的加工。
(6)将完成两侧表面加工的工件利用乙醇乙醚混合液清洗后，再放入超声波清洗装置清洗；清洗后的工件放入干燥装置进行干燥，完成玻璃基板的加工工序。
对加工的工件进行检测，检测结果为：表面粗糙度Ra1.573nm，透射率大于90％。