陳 毓，胡曉珍，李 偉

（1.浙江海洋學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，浙江舟山 316004；2.浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，浙江杭州 310014）

硅是一種很好的半導(dǎo)體材料，構(gòu)成集成電路半導(dǎo)體晶片（芯片）的90%以上都是硅晶片。現(xiàn)今世界上硅晶片生產(chǎn)主要集中分布于美國(guó)、日本、西歐、新加坡等少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)[1]。國(guó)內(nèi)現(xiàn)正處于興建硅晶片加工廠(chǎng)和生產(chǎn)硅晶片的熱潮。隨著IC設(shè)計(jì)技術(shù)和制造技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，集成電路芯片的集成度在不斷提高，芯片密度呈指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，這是硅晶片直徑增大的主要驅(qū)動(dòng)力。從1959年IC紀(jì)元開(kāi)始，硅晶片直徑不斷增大，這一趨勢(shì)仍在繼續(xù)。

現(xiàn)在，Φ 200 mm硅晶片是主流產(chǎn)品，美國(guó)、日本、德國(guó)等國(guó)家加工Φ 200 mm硅晶片的技術(shù)已非常成熟，開(kāi)始普及Φ 300 mm硅晶片的加工技術(shù)，并著手研制Φ 400 mm甚至Φ 450 mm超大規(guī)格硅晶片的加工技術(shù)，預(yù)計(jì)到2013年將采用直徑為Φ 450 mm的硅晶片[2]。這無(wú)疑對(duì)硅晶片的超精密加工提出了更高的要求。

雙面拋光加工作為晶片超平滑表面加工最有效的技術(shù)手段之一，近年來(lái)受到超精密加工研究領(lǐng)域和光電子材料生產(chǎn)企業(yè)的廣泛關(guān)注和重視。雙面拋光加工是工件隨行星輪做行星式轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，上下表面由上下拋光盤(pán)施加壓力，依靠拋光液中微小磨粒的劃擦作用而微細(xì)去除表面材料的一種精密加工方法[3]。單晶硅片厚度薄，在采用行星式轉(zhuǎn)動(dòng)方式研磨拋光時(shí)，要求保持架具有較高精度和剛性，而且晶片尺寸的不斷加大，對(duì)目前國(guó)內(nèi)的一些已經(jīng)投入生產(chǎn)的高精密雙面拋光機(jī)提出了很大的挑戰(zhàn)，面對(duì)直徑達(dá)到200 mm、300 mm、甚至400 mm的大型晶片國(guó)內(nèi)的很多企業(yè)都無(wú)能為力，嚴(yán)重制約著國(guó)內(nèi)很多企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

筆者在分析國(guó)內(nèi)雙面拋光機(jī)典型機(jī)型原理和特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)運(yùn)用于大尺寸甚至是直徑400 mm的硅晶片，提出高精度雙面研磨拋光機(jī)的改進(jìn)措施。

1 雙面研磨拋光機(jī)典型系統(tǒng)的分析

1.1 傳統(tǒng)雙面研磨拋光機(jī)常見(jiàn)系統(tǒng)

傳統(tǒng)雙面研磨拋光機(jī)采用單電機(jī)通過(guò)齒輪傳動(dòng)使上下拋光盤(pán)、內(nèi)齒圈及外齒圈運(yùn)動(dòng)。電動(dòng)機(jī)通過(guò)皮帶傳動(dòng)與蝸輪蝸桿減速器相連進(jìn)行減速，鏈輪的傳動(dòng)帶動(dòng)傳動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)，再通過(guò)齒輪傳動(dòng)分散出各種轉(zhuǎn)速把運(yùn)動(dòng)分別傳遞到上下拋光盤(pán)、外齒圈及內(nèi)齒圈等各個(gè)機(jī)構(gòu)，見(jiàn)圖1。

這種機(jī)構(gòu)在精密拋光的運(yùn)用中較為常見(jiàn)，每種機(jī)床的結(jié)構(gòu)可以各不一樣，但是總體的傳動(dòng)形式是一樣的。下拋光盤(pán)和工件分別只得到兩種轉(zhuǎn)速，限制了雙面拋光加工運(yùn)動(dòng)軌跡的變化，這樣就難以通過(guò)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的調(diào)節(jié)改善工件運(yùn)動(dòng)軌跡的分布來(lái)提高加工精度。而且拋光盤(pán)的轉(zhuǎn)速比較低，加工效率低。采用單立柱結(jié)構(gòu)，剛性相對(duì)較差。兩組齒輪的上下變換使控制系統(tǒng)變得較為復(fù)雜或者說(shuō)不完善，汽缸的調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)齒輪的嚙合更是增加了很多不確定因素，隨著機(jī)床在使用過(guò)程中的磨損，可能會(huì)引起齒輪傳動(dòng)中的錯(cuò)齒現(xiàn)象。采用簡(jiǎn)單的手動(dòng)控制或半自動(dòng)控制使控制系統(tǒng)不穩(wěn)定。這些都給這類(lèi)拋光機(jī)帶來(lái)不足。

1.2 6B 研磨拋光機(jī)

針對(duì)傳統(tǒng)研拋機(jī)存在問(wèn)題，6B對(duì)雙面拋光機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)做了較大的改變，以四個(gè)變頻電機(jī)分別拖動(dòng)上下拋盤(pán)、太陽(yáng)輪、外齒圈的四動(dòng)拋光原理來(lái)進(jìn)行傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，且采用軸套結(jié)構(gòu)使四軸同心，結(jié)構(gòu)緊湊，見(jiàn)圖2。

6B系統(tǒng)改進(jìn)了原先系統(tǒng)只有兩種轉(zhuǎn)速的缺陷，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速、加工過(guò)程的軟啟動(dòng)和軟停止，使加工過(guò)程的平穩(wěn)性佳，對(duì)工件的沖擊影響小。無(wú)級(jí)調(diào)速的實(shí)現(xiàn)讓拋光過(guò)程更加穩(wěn)定，拋光轉(zhuǎn)速更趨于緩和，晶片的精度也得到很大的提高。上拋光盤(pán)對(duì)晶片的壓力調(diào)整采用汽缸控制，上拋光盤(pán)與氣缸活塞桿采用球軸承浮動(dòng)連接，保證加載均勻，有效防止錯(cuò)盤(pán)。改單立柱結(jié)構(gòu)為龍門(mén)式主體結(jié)構(gòu)，提高了機(jī)床的剛度[4]。

1.3 9B 研磨拋光機(jī)

隨著晶片的尺寸不斷加大，精度的要求也有一些提高，原來(lái)的4英寸（6B）雙面拋光系統(tǒng)已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足市場(chǎng)的需求，這樣就促進(jìn)了對(duì)6英寸（9B）研磨拋光機(jī)的研制。針對(duì)晶片尺寸加大帶來(lái)的直接影響，上下拋光盤(pán)的尺寸是首先要考慮到的。拋光機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)采用兩個(gè)變頻電機(jī)來(lái)帶動(dòng)系統(tǒng)，一個(gè)變頻大電機(jī)帶動(dòng)上下拋光盤(pán)、外齒圈轉(zhuǎn)動(dòng)，剩下的中心輪的轉(zhuǎn)動(dòng)由一個(gè)變頻小電機(jī)帶動(dòng)，見(jiàn)圖3。

圖1 傳統(tǒng)雙面研磨拋光機(jī)系統(tǒng)Fig.1 The original double-sided polishing machine

圖2 6B研磨拋光機(jī)原理圖Fig.2 6B-polishing machine schematic

9B系統(tǒng)無(wú)級(jí)調(diào)速，軟啟動(dòng)、軟停止，使加工平穩(wěn)可靠，沖擊小。主要針對(duì)160～180 mm大小的晶片。采用液壓缸活塞的運(yùn)動(dòng)推動(dòng)大軸的上下移動(dòng)，最終使外齒圈位置可以上下調(diào)整，方便拿取晶片。上拋光盤(pán)對(duì)晶片的壓力調(diào)整采用汽缸控制的上下移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。上拋光盤(pán)的支架，由龍門(mén)結(jié)構(gòu)變成箱體支架結(jié)構(gòu)，下面的鋼鐵箱體整個(gè)采用花崗巖材料，這對(duì)機(jī)床的穩(wěn)定性的提高也起到了很大的作用。9B系統(tǒng)的研制在拋光機(jī)的發(fā)展上起到很大的推動(dòng)作用。

2 大尺寸硅晶片的雙面研磨拋光機(jī)改進(jìn)設(shè)計(jì)

此次設(shè)計(jì)雙面研磨拋光機(jī)主要用于單晶硅、光學(xué)玻璃、寶石片、陶瓷片等金屬或非金屬片狀硬脆材料的高精度雙面拋光。適用于16英寸（Φ 400 mm）以下及同規(guī)格尺寸異型平行平面的雙面高精度拋光。

通過(guò)對(duì)先前的幾個(gè)規(guī)格的雙面研拋機(jī)的比較和分析研究，對(duì)研磨拋光機(jī)重新設(shè)計(jì)和改進(jìn)，來(lái)達(dá)到更大的加工尺寸、更高加工精度和穩(wěn)定性。主要是針對(duì)9B研磨拋光機(jī)的改進(jìn)，延續(xù)了其優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)行部分修改。改進(jìn)后的研磨拋光機(jī)是二電機(jī)同步拖動(dòng)、行星式高精度研磨拋光機(jī)，機(jī)型為18B。該機(jī)的太陽(yáng)輪和下拋光盤(pán)的速度是以特定的比例進(jìn)行設(shè)定，外齒圈和上拋光盤(pán)的速度是按下拋光盤(pán)的速度變化而變化的。另外配有單獨(dú)的電機(jī)抬升外齒圈。

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)改進(jìn)

2.1.1 傳動(dòng)系統(tǒng)改變

9B的傳動(dòng)系統(tǒng)中上拋光盤(pán)旋轉(zhuǎn)采用“大電機(jī)—蝸輪蝸桿減速器—鏈傳動(dòng)—同步帶—長(zhǎng)軸”方式。18B的系統(tǒng)中電機(jī)上皮帶輪帶出經(jīng)過(guò)蝸輪蝸桿減速器減速后取消鏈傳動(dòng)以及皮帶傳動(dòng)，改為齒輪傳動(dòng)。如圖4所示，變頻大電機(jī)1通過(guò)皮帶傳動(dòng)至蝸輪蝸桿減速箱，完成了電機(jī)的一級(jí)減速，之后蝸輪蝸桿減速箱末端的齒輪和副軸齒輪2配合，帶動(dòng)副軸轉(zhuǎn)動(dòng)，副軸帶動(dòng)副軸齒輪3旋轉(zhuǎn)，副軸齒輪3與長(zhǎng)軸齒輪連接中間插入一個(gè)過(guò)橋齒輪，傳動(dòng)更趨于緩和，它帶動(dòng)的是長(zhǎng)軸，并將運(yùn)動(dòng)傳遞到上拋光盤(pán)使之轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.1.2 主軸支承系統(tǒng)改變

取消了先前9B系統(tǒng)的小的軸承座，大軸承座的使用使整個(gè)拋光機(jī)由先前的懸掛式轉(zhuǎn)變成為底座的支撐方式。結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定性得到很大的提升。

另外將9B系統(tǒng)的滾針軸承改為了含油軸承，因?yàn)榻?jīng)過(guò)大量試驗(yàn)證明整個(gè)裝置的改變對(duì)拋光過(guò)程的實(shí)現(xiàn)并沒(méi)有太大影響，而且價(jià)格減低了一半。經(jīng)濟(jì)性更好，而且后期還發(fā)現(xiàn)含油軸承的使用使兩軸之間的間隙大大減小，精度得到提高，耐磨性也增強(qiáng)了，加油周期由兩周變?yōu)榘肽辍?/p>

2.1.3 齒圈上升下降系統(tǒng)改進(jìn)

取消了原先采用氣油轉(zhuǎn)換缸提升裝置，而采用單獨(dú)電機(jī)和矩形螺紋傳動(dòng)的齒圈抬升裝置，可在總行程范圍內(nèi)隨意停留，齒圈得到平穩(wěn)升降，滿(mǎn)足了取放工件及調(diào)整游星輪嚙合位置的要求，控制更加精確簡(jiǎn)便。

2.1.4 太陽(yáng)輪和齒圈的翻面設(shè)計(jì)

圖3 9B研磨拋光機(jī)原理圖Fig.3 9B-polishing machine schematic

圖4 18B研磨拋光機(jī)原理圖Fig.4 18B-polishing machine schematic

采用太陽(yáng)輪和齒圈均能翻面使用的設(shè)計(jì)，從而獲得了全齒面上的工作狀態(tài)，太陽(yáng)輪和內(nèi)齒圈得到充分利用。另外還通過(guò)調(diào)節(jié)太陽(yáng)輪座上的三組不同厚度的太陽(yáng)輪墊片改變太陽(yáng)輪高度，調(diào)整方法簡(jiǎn)便。太陽(yáng)輪的高度調(diào)整是取決于游星輪的厚度、下磨盤(pán)和太陽(yáng)輪齒部的磨損狀態(tài)，調(diào)整高度主要是調(diào)整太陽(yáng)輪墊片或太陽(yáng)輪正反面的更換，使太陽(yáng)輪的利用率成倍增加。

2.1.5 上下拋光盤(pán)速比改進(jìn)

在原來(lái)的系統(tǒng)中下拋光盤(pán)的轉(zhuǎn)速與上拋光盤(pán)的轉(zhuǎn)速之比V下∶V上=6∶1，現(xiàn)在改進(jìn)后為V下∶V上=3∶1。這樣更改的原因是速比過(guò)大會(huì)使加工過(guò)程中工件受到的上下摩擦不一樣，穩(wěn)定性不好，振動(dòng)明顯，影響加工精度，甚至使加工過(guò)程中的晶片容易破碎。降低速比后加工情況會(huì)有明顯好轉(zhuǎn)，而且對(duì)加工的生產(chǎn)率并沒(méi)有明顯的影響。

2.1.6 超大型的尺寸

18B系列，被加工物最大直徑Φ 400 mm，實(shí)際加工尺寸達(dá)到Ф 200 mm，機(jī)構(gòu)本身的尺寸上下磨盤(pán)尺寸達(dá)到了Ф 1 234 mm×Ф 404 mm×50 mm的規(guī)格，機(jī)器外形大小為2 500 mm×1 650 mm×3 000 mm，這些都使拋光機(jī)的零件相應(yīng)的成倍增加。相比9B系統(tǒng)的被加工物最大直徑Φ 180 mm，實(shí)際加工尺寸達(dá)到Ф 100 mm來(lái)說(shuō)18B的大尺寸是其的一大亮點(diǎn)。

2.1.7 先進(jìn)的防腐技術(shù)

采用國(guó)內(nèi)先進(jìn)的防腐技術(shù)對(duì)齒圈座和下磨盤(pán)座進(jìn)行處理，大大提高其耐蝕性，繼而也提高并能長(zhǎng)期保證底座的安裝精度。

2.1.8 游星輪自轉(zhuǎn)方向可控

通過(guò)調(diào)節(jié)太陽(yáng)輪和外齒圈轉(zhuǎn)速變化的設(shè)定來(lái)調(diào)整最適合加工工藝要求的游星輪自公轉(zhuǎn)比，使游星輪自轉(zhuǎn)可實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)修正上下研磨盤(pán)平面度誤差。

2.2 控制系統(tǒng)改進(jìn)

2.2.1 電機(jī)控制

采用變頻調(diào)速，電機(jī)速度由外設(shè)電位器手動(dòng)隨時(shí)調(diào)節(jié)；速度由預(yù)設(shè)的四段速度因運(yùn)行時(shí)間而自動(dòng)改變，四段速度的運(yùn)行時(shí)間與四段壓力時(shí)間相對(duì)應(yīng)。這個(gè)過(guò)程主要是通過(guò)光柵測(cè)速傳感器的反饋來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.2.2 壓力控制

上拋光盤(pán)壓力調(diào)整采用高動(dòng)態(tài)特性的進(jìn)口電氣比例閥與拉力傳感器實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋控制，其靜態(tài)調(diào)整精度<2 kg，動(dòng)態(tài)壓力波動(dòng)<30 kg，可提高工件尤其是薄形工件的加工穩(wěn)定性，進(jìn)而確保提高元件的加工精度及合格率。

2.2.3 拋光液的循環(huán)系統(tǒng)

在拋光液控制方面系統(tǒng)采用了氣動(dòng)式管夾閥可以實(shí)現(xiàn)拋光液的進(jìn)出口控制（流量控制），采用氣動(dòng)式排水排砂切換裝置自動(dòng)實(shí)現(xiàn)工作時(shí)拋光液的循環(huán)及清洗時(shí)污水的排出。

2.2.4 上磨盤(pán)安全裝置

系統(tǒng)改進(jìn)了氣動(dòng)式上磨盤(pán)安全裝置，上磨盤(pán)在上限位時(shí)為防止落下用安全裝置鎖定，操作面板上的安全指示燈亮起。在確認(rèn)安全裝置為鎖住，齒圈上升到上限位時(shí)才可放置游星輪，再在游星輪上放工件。在氣動(dòng)的基礎(chǔ)上還增加了手動(dòng)的控制，相當(dāng)于增加了一道保險(xiǎn)，提高了上磨盤(pán)控制的安全性。

2.2.5 自動(dòng)潤(rùn)滑裝置

采用PLC電腦控制的間歇式潤(rùn)滑油泵形成了集中潤(rùn)滑系統(tǒng)，可根據(jù)使用情況，設(shè)定自動(dòng)潤(rùn)滑時(shí)間，使機(jī)器的各相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面、各齒輪嚙合部位得到充分潤(rùn)滑，大大提高了整機(jī)的使用壽命。

2.2.6 配置高精度測(cè)厚裝置

系統(tǒng)配置了高精度的測(cè)厚裝置，對(duì)拋光過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，控制研磨量，工件加工時(shí)的動(dòng)態(tài)情況都可以通過(guò)HMI隨時(shí)可見(jiàn)。

2.2.7 操作的人性化

操作的人性化主要體現(xiàn)在系統(tǒng)采用了可靠性高的PLC自動(dòng)控制、觸摸屏參數(shù)輸入，人機(jī)界面HMI圖形顯示各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)。可實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程的自動(dòng)運(yùn)行。

3 機(jī)床主要參數(shù)和加工精度

3.1 機(jī)床主要參數(shù)

改進(jìn)設(shè)計(jì)后的18B型高精度研磨拋光機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如下：

上磨盤(pán)尺寸：Ф 1 234×Ф 404×50 mm；下磨盤(pán)尺寸：Ф 1234×Ф 404×50 mm；拋光盤(pán)轉(zhuǎn)速：0～60 r/min；游星輪數(shù)量：5個(gè)；最小研磨厚度：0.5/Ф 200 mm，0.4/Ф 150 mm；最大可控研磨厚度：20 mm；最大研磨直徑：Ф 400 mm；外型尺寸：2 500 mm×1 650 mm×3 000 mm；主機(jī)精度：下研磨盤(pán)端面跳動(dòng)0.08 mm；研磨面平面度0.02 mm；太陽(yáng)輪徑向跳動(dòng)0.20 mm；齒圈徑向跳動(dòng)0.25 mm。

3.2 加工精度

在4個(gè)修正輪研修后加工精度為：一致性為0.008 mm；平面度為0.005 mm；平行度為0.006 mm。

4 結(jié)語(yǔ)

18B型高精度雙面研磨拋光機(jī)采用二電機(jī)同步拖動(dòng)研磨拋光主體，可選擇游星輪的變速范圍更廣，能適用不同的研磨材料及研磨工藝的要求。進(jìn)口變頻器配合變頻電機(jī)拖動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)，軟停止，調(diào)速穩(wěn)定，沖擊小。設(shè)備的研制及實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明本文進(jìn)行的18B系統(tǒng)的改進(jìn)，很好的解決了國(guó)內(nèi)目前對(duì)大尺寸硅晶片加工難、加工精度低等瓶頸，完成超大尺寸甚至是Ф 400 mm尺寸的硅晶片技術(shù)也更趨于完善。

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