本發(fā)明屬于拋光裝置，涉及超精密的液相等離子體加工，具體涉及一種基于浮動(dòng)放電工具的液相等離子體加工裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、伴隨著第三代半導(dǎo)體材料碳化硅、氮化鎵在高功率器件領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對(duì)加工設(shè)備和工藝精度提出了更高要求；然而，這些材料具有僅次于金剛石的超高硬度，因此如何在確保超光滑表面質(zhì)量的前提下實(shí)現(xiàn)高效且確定性地材料去除是一項(xiàng)巨大挑戰(zhàn)。

2、非接觸加工方法具有避免接觸引起的缺陷和亞表面損傷的優(yōu)勢(shì)，從而有望實(shí)現(xiàn)原子級(jí)加工精度。其中，浮動(dòng)拋光技術(shù)，通過將工件懸浮于旋轉(zhuǎn)研磨盤的液膜上方，利用工具旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)流體穿過工件表面產(chǎn)生流體動(dòng)壓力，這個(gè)流體動(dòng)壓力會(huì)與施加在反方向的負(fù)載平衡，因此可以通過調(diào)整負(fù)載來控制浮動(dòng)加工流體動(dòng)壓力的大小，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、極小的恒力穩(wěn)定加工，使得工件表面平整度可以低至30納米，但由于其全孔徑拋光的特點(diǎn)，不具備確定性去除能力，加工精度難以進(jìn)一步收斂。常用于硅加工的彈性發(fā)射加工是一種確定性過程，可提供較高的形狀控制精度，但其材料去除率較低，難以滿足硬質(zhì)材料的加工效率需求。近年來，基于噴射的彈性發(fā)射加工方法被提出，通過增加磨粒對(duì)工件的沖擊速度來提升去除效率，但高沖擊力又可能導(dǎo)致表面質(zhì)量下降。

3、部分方法提出先對(duì)工件表面進(jìn)行改性，形成軟化層后再進(jìn)行機(jī)械去除，例如利用氦氣等離子體對(duì)材料表面進(jìn)行氧化處理，隨后通過化學(xué)機(jī)械拋光去除氧化層。雖然這種方法對(duì)材料去除率的提升能夠起到一定效果，但該方法需要兩步工藝，無法實(shí)現(xiàn)改性與去除的同步進(jìn)行。另一部分方法利用特定反應(yīng)氣體的大氣等離子體直接蝕刻材料，以達(dá)到原子級(jí)光滑度，然而其存在熱效應(yīng)和大面積處理帶來的面形控制精度不足的問題。

4、因此，如何在提升材料去除效率的同時(shí)確保超高表面光潔度，仍然是非接觸加工技術(shù)亟需突破的難題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了一種基于浮動(dòng)放電工具的液相等離子體加工裝置及方法，通過在浮動(dòng)放電的研磨工具與工件間的穩(wěn)定液膜內(nèi)實(shí)現(xiàn)液相等離子放電，伴隨光電場(chǎng)作用，激發(fā)催化納米顆粒的協(xié)同效應(yīng)，將工件表面原子限域氧化并降低材料硬度，提升材料去除速率，并結(jié)合氣浮導(dǎo)軌的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，維持液膜的厚度保持不變，實(shí)現(xiàn)亞納米精度的穩(wěn)定材料去除，實(shí)現(xiàn)高效加工與亞納米級(jí)面形精度控制。

2、一種基于浮動(dòng)放電工具的液相等離子體加工裝置，包括浮動(dòng)放電工具、導(dǎo)電軸承、工件底座、工作平臺(tái)、接地電極、工作電極、可調(diào)電源、z軸手調(diào)臺(tái)、氣浮導(dǎo)軌、z軸支架、主軸、y軸位移臺(tái)和x軸位移臺(tái)。

3、所述浮動(dòng)放電工具為柔性導(dǎo)電材料，固定在主軸的一端。主軸的另一端通過z軸支架與氣浮導(dǎo)軌固定。氣浮導(dǎo)軌固定在z軸手調(diào)臺(tái)表面。所述導(dǎo)電軸承套設(shè)在浮動(dòng)放電工具外，通過工作電極與可調(diào)電源電連接。

4、所述工件底座位于浮動(dòng)放電工具側(cè)方，與y軸位移臺(tái)固定，y軸位移臺(tái)與x軸位移臺(tái)固定，從而通過y軸位移臺(tái)與x軸位移臺(tái)控制工件底座在x軸和y軸方向上移動(dòng)。工件底座通過接地電極接地。

5、所述工作平臺(tái)位于工件底座下方。

6、作為優(yōu)選，所述可調(diào)電源為電壓可調(diào)節(jié)的高壓脈沖電源、交流電源或直流電源。

7、作為優(yōu)選，所述工作平臺(tái)為可升降平臺(tái)。

8、一種基于浮動(dòng)放電工具的液相等離子體加工方法，使用上述裝置對(duì)工件進(jìn)行拋光加工，具體包括以下步驟：

9、步驟1、通過導(dǎo)電膠水將待加工的工件固定在工件底座表面。

10、步驟2、通過y軸位移臺(tái)與x軸位移臺(tái)控制工件底座的位置，使工件與浮動(dòng)放電工具表面相互接觸。將裝有拋光液的水缸放置在工作平臺(tái)上，使拋光液浸沒浮動(dòng)放電工具和工件表面，以便產(chǎn)生足夠的動(dòng)壓實(shí)現(xiàn)浮動(dòng)加工。

11、步驟3、控制主軸帶動(dòng)浮動(dòng)放電工具旋轉(zhuǎn)，使氣浮導(dǎo)軌帶動(dòng)浮動(dòng)放電工具離開工件表面，且浮動(dòng)放電工具產(chǎn)生形變，從而在浮動(dòng)放電工具與工件表面之間形成動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的微米級(jí)穩(wěn)定液膜間隙。

12、步驟4、在液膜穩(wěn)定后打開可調(diào)電源開始放電，液相等離子放電會(huì)在放電區(qū)域產(chǎn)生各種活性物質(zhì)，并釋放紫外光和沖擊波，使工件表面轉(zhuǎn)化為氧化層。

13、步驟5、拋光液中的磨粒在流體驅(qū)動(dòng)下以較高線速度通過所述液膜間隙，與工件表面原子發(fā)生接觸并形成化學(xué)鍵，之后隨著流體運(yùn)動(dòng)剝離表面原子，實(shí)現(xiàn)材料的確定性去除。

14、作為優(yōu)選，所述工件為半導(dǎo)體材料或金屬材料。

15、作為優(yōu)選，所述工件為摻雜導(dǎo)電型碳化硅、硅、硫化鋅、氮化鎵、砷化鎵、鋁、鐵或銅。

16、作為優(yōu)選，所述拋光液中的磨粒為硅溶膠、氧化鋁、氧化鈰、金剛石、碳化硅中一種或多種的組合。

17、作為優(yōu)選，所述拋光液中還包括催化顆粒，所述催化顆粒為二氧化鈦、石墨相氮化碳、氧化鋅、二氧化鋯中一種或多種的組合。

18、本發(fā)明具有以下有益效果：

19、1、與傳統(tǒng)浮動(dòng)加工方法相比，通過引入浮動(dòng)放電工具，在浮動(dòng)放電工具與工件間的穩(wěn)定液膜內(nèi)實(shí)現(xiàn)液相等離子放電，同時(shí)伴隨放電產(chǎn)生的光電場(chǎng)作用，激發(fā)催化納米顆粒的協(xié)同效應(yīng)，產(chǎn)生強(qiáng)氧化性自由基團(tuán)，將工件表面原子限域氧化并降低材料硬度，在浮動(dòng)拋光的流場(chǎng)作用下去除材料，使改性與去除同時(shí)進(jìn)行，有效提升加工效率。

20、2、柔性導(dǎo)電橡膠工具在外部負(fù)載作用下壓向工件，主軸旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的流體動(dòng)壓力使工具彈性變形并后退，流體動(dòng)壓力與外部負(fù)載通過在氣浮導(dǎo)軌上的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)相互平衡，氣浮導(dǎo)軌位置動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)并維持液膜的厚度保持不變，實(shí)現(xiàn)亞納米精度的穩(wěn)定材料去除；從而兼具高效加工與亞納米級(jí)面形精度控制能力。

21、3、在拋光液中引入納米催化顆粒，進(jìn)一步提升材料去除速率，由于液相等離子放電產(chǎn)生的光電場(chǎng)，可以作用在二氧化鈦上實(shí)現(xiàn)能級(jí)躍遷，產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)可以進(jìn)一步產(chǎn)生更多的強(qiáng)氧化性活性基團(tuán)，協(xié)同提升碳化硅氧化效率，提升材料去除速率。

技術(shù)特征：

1.一種基于浮動(dòng)放電工具的液相等離子體加工裝置，包括用于固定待加工工件的工件底座(104)、用于放置拋光液的工作平臺(tái)（106）、驅(qū)動(dòng)浮動(dòng)工具(101)旋轉(zhuǎn)的主軸(115)、裝配有負(fù)載且用于固定主軸(115)的氣浮導(dǎo)軌(112)、用于固定氣浮導(dǎo)軌(112)的z軸手調(diào)臺(tái)(111)、用于調(diào)整工件底座(104)位置的y軸位移臺(tái)(117)和x軸位移臺(tái)(118)，其特征在于：

2.如權(quán)利要求1所述一種基于浮動(dòng)放電工具的液相等離子體加工裝置，其特征在于：所浮動(dòng)工具(101)固定在主軸(115)的一端；主軸(115)的另一端通過z軸支架(113)與氣浮導(dǎo)軌(112)固定。

3.如權(quán)利要求1所述一種基于浮動(dòng)放電工具的液相等離子體加工裝置，其特征在于：所述可調(diào)電源(109)為電壓可調(diào)節(jié)的高壓脈沖電源、交流電源或直流電源。

4.如權(quán)利要求1所述一種基于浮動(dòng)放電工具的液相等離子體加工裝置，其特征在于：所述工作平臺(tái)（106）為可升降平臺(tái)。

5.一種基于浮動(dòng)放電工具的液相等離子體加工方法，其特征在于：使用如權(quán)利要求1~4任一所述的裝置對(duì)工件進(jìn)行拋光加工，具體包括以下步驟：

6.如權(quán)利要求5所述一種基于浮動(dòng)放電工具的液相等離子體加工方法，其特征在于：所述工件(102)為半導(dǎo)體材料或金屬材料。

7.如權(quán)利要求5所述一種基于浮動(dòng)放電工具的液相等離子體加工方法，其特征在于：所述工件(102)為摻雜導(dǎo)電型碳化硅、硅、硫化鋅、氮化鎵、砷化鎵、鋁、鐵或銅。

8.如權(quán)利要求5所述一種基于浮動(dòng)放電工具的液相等離子體加工方法，其特征在于：所述拋光液中的磨粒為硅溶膠、氧化鋁、氧化鈰、金剛石、碳化硅中一種或多種的組合。

9.如權(quán)利要求5所述一種基于浮動(dòng)放電工具的液相等離子體加工方法，其特征在于：所述拋光液中還包括催化顆粒。

10.如權(quán)利要求9所述一種基于浮動(dòng)放電工具的液相等離子體加工方法，其特征在于：所述催化顆粒為二氧化鈦、石墨相氮化碳、氧化鋅、二氧化鋯中一種或多種的組合。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于浮動(dòng)放電工具的液相等離子體加工裝置及方法。使用柔性導(dǎo)電材料制備浮動(dòng)工具，并通過導(dǎo)電軸承與可調(diào)電壓源電連接。將待加工工件固定在工件底座上，然后通過可調(diào)電壓源接地，令浮動(dòng)放電工具與工件之間形成回路。通過主軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的流體動(dòng)壓力使浮動(dòng)放電工具彈性變形并后退，氣浮導(dǎo)軌位置動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)并維持液膜的厚度保持不變，實(shí)現(xiàn)亞納米精度的穩(wěn)定材料去除。再利用可調(diào)電壓源使浮動(dòng)放電工具在液膜間隙內(nèi)限域等離子放電，伴隨放電產(chǎn)生的光電場(chǎng)作用，激發(fā)拋光液中催化納米顆粒的協(xié)同效應(yīng)，產(chǎn)生強(qiáng)氧化性自由基團(tuán)，將工件表面原子限域氧化并降低材料硬度，提升材料去除速率，從而兼具高效加工與亞納米級(jí)面形精度控制能力。

技術(shù)研發(fā)人員：朱吳樂,韓放,王靖遠(yuǎn),張偉建,高威,薛曹陽,吳科佚,居冰峰
受保護(hù)的技術(shù)使用者：浙江大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15