一种激光系统、激光-CMP复合加工装置及其加工方法
本发明涉及超精密抛光，特别是涉及一种激光系统、激光-cmp复合加工装置及其加工方法。
背景技术：
1、sic作为第三代理想半导体材料之一，因其良好的导热性、大禁带宽度、高临界击穿电场和高热稳定性而应用于汽车工业、电子复合管及航空航天等行业中。但是sic作为一种典型的硬脆材料，相对于其他半导体材料有更高的抗压强度，从而导致sic在加工过程很难获得良好的加工效率及无损表面。
2、超精密抛光技术是目前能够在对能在高材料抛光过程中，还能兼顾表面质量的技术。目前的超精密抛光技术主要包括化学机械抛光(cmp)、电化学抛光(ecmp)、等离子体辅助抛光(pap)、光催化辅助化学机械抛光(pcmp)和磁流变抛光(mrf)。但从适用性来说，目前最适合sic材料抛光的仍是化学机械抛光(cmp)，但单一的化学机械抛光(cmp)的无法达到更高的材料去除率和更好的表面质量。为此，市场上又出现了激光-cmp复合加工过程，能够对待抛光工件进行激光预处理，然后同时进行化学机械抛光(cmp)处理，利用激光预处理的氧化，两者结合后能够获得更好的的材料去除率相和更好的表面质量。但是现有的激光预处理和cmp技术中所采用的激光发射器只能产生一束激光束，只能对材料进行单激光束预处理，效率有一定的限制。
技术实现思路
1、本发明的目的是解决上述技术问题，提供一种激光系统、激光-cmp复合加工装置及其加工方法，可将单束激光，分束成多个区域高密度的多束激光，提高激光照射面积，继而激光利用率、加工效率，实现待加工件表层的改性，降低待加工件表面的硬度，改变表层材料的结构及化学成分，为cmp的去除提供基础，使cmp处理阶段出现的表面损伤、磨粒镶嵌等缺陷可得到氧化、气化处理，提高cmp去除效率，减小表面损伤。
2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明公开了一种激光系统，包括沿同一预设轴线依次排布的激光发射器、第一分束器、聚焦镜、反射镜组以及第二分束器组，所述激光发射器用于沿所述预设轴线发射单束激光，所述第一分束器用于将所述激光发射器的单束激光分束，所述聚焦镜用于将所述第一分束器分束的激光聚焦成多道与所述预设轴线平行的激光束，所述反射镜组用于改变所述聚焦镜导成的激光束与所述预设轴线的夹角，所述第二分束器组在接收到所述反射镜组反射的激光束后将其分束至雾化程度。
3、优选地，所述第一分束器、所述聚焦镜、所述反射镜组均能够沿所述预设轴线移动。
4、优选地，所述第一分束器通过第一驱动机构移动，所述第一驱动机构包括第一驱动电机、第一滚珠丝杠以及第一连杆，所述第一驱动电机的输出轴与所述第一滚珠丝杠的螺杆同轴固定连接，所述第一滚珠丝杠的螺杆的轴线平行于所述预设轴线，所述第一滚珠丝杠的螺母通过所述第一连杆与所述第一分束器固定连接。
5、优选地，所述聚焦镜通过第二驱动机构移动，所述第二驱动机构包括第二驱动电机、第二滚珠丝杠以及第二连杆，所述第二驱动电机的输出轴与所述第二滚珠丝杠的螺杆同轴固定连接，所述第二滚珠丝杠的螺杆的轴线平行于所述预设轴线，所述第二滚珠丝杠的螺母通过所述第二连杆与所述聚焦镜固定连接。
6、优选地，所述反射镜组包括反射镜保持架和反射镜，所述反射镜绕所述预设轴线周向安装在所述反射镜保持架上，所述反射镜组通过第三驱动机构移动，所述第三驱动机构包括第三驱动电机、第三滚珠丝杠以及第三连杆，所述第三驱动电机的输出轴与所述第三滚珠丝杠的螺杆同轴固定连接，所述第三滚珠丝杠的螺杆的轴线平行于所述预设轴线，所述第三滚珠丝杠的螺母通过所述第三连杆与所述反射镜保持架固定连接。
7、还公开了一种激光-cmp复合加工装置，包括内设有安装腔的加工平台和上述的激光系统，所述预设轴线竖向设置，所述激光系统中的激光发射器、第一分束器、聚焦镜、反射镜组由下到上安装在所述安装腔内，所述加工平台的台面上转动连接有抛光盘，所述抛光盘的抛光面水平设置，所述抛光盘的抛光面上周向布设有供所述第二分束器组的各第二分束器分别嵌装的安装孔，所述安装孔与所述安装腔连通，所述安装孔在其旋转路径上能够经过所述反射镜组的反射激光束，所述加工平台安装有能够升降的支架，所述支架上安装有能够旋转的载物盘，所述载物盘的载物面正对所述抛光盘的抛光面。
8、优选地，所述支架上设有保持环，所述保持环上安装有第四驱动电机，所述第四驱动电机的输出轴与所述载物盘同轴固定连接。
9、优选地，所述第四驱动电机的输出轴与所述载物盘之间设有压力传感器。
10、优选地，所述安装腔内安装有用于驱动所述抛光盘旋转的旋转驱动机构，所述旋转驱动机构包括第一锥齿轮、第二锥齿轮以及第五驱动电机，所述第一锥齿轮与所述抛光盘同轴固定连接，所述第一锥齿轮和所述第二锥齿轮相互啮合，所述第五驱动电机的输出轴通过减速装置与所述第二锥齿轮同轴固定连接。
11、还公开了一种激光-cmp复合加工方法，采用了上述的激光-cmp复合加工装置，包括以下步骤：
12、s1、在载物盘的载物面上安装待加工件，调节支架高度，使待加工件与抛光盘的抛光面安预设压力接触；
13、s2、启动激光发射器，激光发射器竖直向上发射单束激光，第一分束器将所述激光发射器发射的单束激光进行分束，聚焦镜将分束后的激光聚焦至竖直向上，反射镜组反射所述聚焦镜的激光束，使激光束与预设轴线具有预设夹角的竖直向上；
14、s3、同向但不同速的转动所述抛光盘和所述载物盘，对待加工件进行磨削抛光，所述抛光盘转动过程中，所述抛光盘的安装孔内的第二分束器会将经过的反射后的激光束分束至雾化程度，对待加工件进行辐照，直至抛光完成。
15、本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
16、本发明中，利用激光系统可将激光发射器发射出的单束激光，分束成多个区域高密度的多束激光，当应用于cmp(化学机械抛光)中时，多区域高密度激光束，相较单束激光，可显著提高激光照射面积，继而提高激光利用率，提高加工效率，而高密度激光束可对待加工件进行均匀的微区辐照，实现待加工件表层的改性，降低待加工件表面的硬度，改变表层材料的结构及化学成分，为cmp的高效去除提供基础，并在cmp处理阶段所出现的表面损伤、磨粒镶嵌等缺陷，可在激光辐照过程中的氧化、气化处理，提高再次进入cmp处理阶段的去除效率，减小表面损伤。
技术特征：
1.一种激光系统，其特征在于，包括沿同一预设轴线依次排布的激光发射器、第一分束器、聚焦镜、反射镜组以及第二分束器组，所述激光发射器用于沿所述预设轴线发射单束激光，所述第一分束器用于将所述激光发射器的单束激光分束，所述聚焦镜用于将所述第一分束器分束的激光聚焦成多道与所述预设轴线平行的激光束，所述反射镜组用于改变所述聚焦镜导成的激光束与所述预设轴线的夹角，所述第二分束器组在接收到所述反射镜组反射的激光束后将其分束至雾化程度。
2.根据权利要求1所述的一种激光系统，其特征在于，所述第一分束器、所述聚焦镜、所述反射镜组均能够沿所述预设轴线移动。
3.根据权利要求2所述的一种激光系统，其特征在于，所述第一分束器通过第一驱动机构移动，所述第一驱动机构包括第一驱动电机、第一滚珠丝杠以及第一连杆，所述第一驱动电机的输出轴与所述第一滚珠丝杠的螺杆同轴固定连接，所述第一滚珠丝杠的螺杆的轴线平行于所述预设轴线，所述第一滚珠丝杠的螺母通过所述第一连杆与所述第一分束器固定连接。
4.根据权利要求2所述的一种激光系统，其特征在于，所述聚焦镜通过第二驱动机构移动，所述第二驱动机构包括第二驱动电机、第二滚珠丝杠以及第二连杆，所述第二驱动电机的输出轴与所述第二滚珠丝杠的螺杆同轴固定连接，所述第二滚珠丝杠的螺杆的轴线平行于所述预设轴线，所述第二滚珠丝杠的螺母通过所述第二连杆与所述聚焦镜固定连接。
5.根据权利要求2所述的一种激光系统，其特征在于，所述反射镜组包括反射镜保持架和反射镜，所述反射镜绕所述预设轴线周向安装在所述反射镜保持架上，所述反射镜组通过第三驱动机构移动，所述第三驱动机构包括第三驱动电机、第三滚珠丝杠以及第三连杆，所述第三驱动电机的输出轴与所述第三滚珠丝杠的螺杆同轴固定连接，所述第三滚珠丝杠的螺杆的轴线平行于所述预设轴线，所述第三滚珠丝杠的螺母通过所述第三连杆与所述反射镜保持架固定连接。
6.一种激光-cmp复合加工装置，其特征在于，包括内设有安装腔的加工平台和如权利要求1至5任意一项所述的激光系统，所述预设轴线竖向设置，所述激光系统中的激光发射器、第一分束器、聚焦镜、反射镜组由下到上安装在所述安装腔内，所述加工平台的台面上转动连接有抛光盘，所述抛光盘的抛光面水平设置，所述抛光盘的抛光面上周向布设有供所述第二分束器组的各第二分束器分别嵌装的安装孔，所述安装孔与所述安装腔连通，所述安装孔在其旋转路径上能够经过所述反射镜组的反射激光束，所述加工平台安装有能够升降的支架，所述支架上安装有能够旋转的载物盘，所述载物盘的载物面正对所述抛光盘的抛光面。
7.根据权利要求6所述的一种激光-cmp复合加工装置，其特征在于，所述支架上设有保持环，所述保持环上安装有第四驱动电机，所述第四驱动电机的输出轴与所述载物盘同轴固定连接。
8.根据权利要求7所述的一种激光-cmp复合加工装置，其特征在于，所述第四驱动电机的输出轴与所述载物盘之间设有压力传感器。
9.根据权利要求8所述的一种激光-cmp复合加工装置，其特征在于，所述安装腔内安装有用于驱动所述抛光盘旋转的旋转驱动机构，所述旋转驱动机构包括第一锥齿轮、第二锥齿轮以及第五驱动电机，所述第一锥齿轮与所述抛光盘同轴固定连接，所述第一锥齿轮和所述第二锥齿轮相互啮合，所述第五驱动电机的输出轴通过减速装置与所述第二锥齿轮同轴固定连接。
10.一种激光-cmp复合加工方法，其特征在于，采用了如权利要求6-9任意一项所述的一种激光-cmp复合加工装置，包括以下步骤：
技术总结
本发明公开了一种激光系统、激光‑CMP复合加工装置及其加工方法，属于超精密抛光技术领域，包括沿同一预设轴线依次排布的激光发射器、第一分束器、聚焦镜、反射镜组以及第二分束器组，激光发射器用于沿预设轴线发射单束激光，第一分束器用于将激光发射器的单束激光分束，聚焦镜用于将第一分束器分束的激光聚焦成多道与预设轴线平行的激光束，反射镜组用于改变聚焦镜导成的激光束与预设轴线的夹角，第二分束器组在接收到反射镜组反射的激光束后将其分束至雾化程度。将单束激光分束成多个区域高密度的多束激光，提高激光利用率，以提高加工效率，并实现待加工件表层的改性，为CMP的去除提供基础，提高CMP去除效率，减小表面损伤。
技术研发人员：李志鹏,刘海旭,田地,左敦稳
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23