陳 毓，胡曉珍，李 偉

（1.浙江海洋學(xué)院機電工程學(xué)院，浙江舟山 316004；2.浙江工業(yè)大學(xué)機械工程學(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?，F(xiàn)今世界上硅晶片生產(chǎn)主要集中分布于美國、日本、西歐、新加坡等少數(shù)發(fā)達(dá)國家和地區(qū)[1]。國內(nèi)現(xiàn)正處于興建硅晶片加工廠和生產(chǎn)硅晶片的熱潮。隨著IC設(shè)計技術(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)增長趨勢，這是硅晶片直徑增大的主要驅(qū)動力。從1959年IC紀(jì)元開始，硅晶片直徑不斷增大，這一趨勢仍在繼續(xù)。

現(xiàn)在，Φ 200 mm硅晶片是主流產(chǎn)品，美國、日本、德國等國家加工Φ 200 mm硅晶片的技術(shù)已非常成熟，開始普及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)計到2013年將采用直徑為Φ 450 mm的硅晶片[2]。這無疑對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)動的同時，上下表面由上下拋光盤施加壓力，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)動方式研磨拋光時，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，對目前國內(nèi)的一些已經(jīng)投入生產(chǎn)的高精密雙面拋光機提出了很大的挑戰(zhàn)，面對直徑達(dá)到200 mm、300 mm、甚至400 mm的大型晶片國內(nèi)的很多企業(yè)都無能為力，嚴(yán)重制約著國內(nèi)很多企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

筆者在分析國內(nèi)雙面拋光機典型機型原理和特點的基礎(chǔ)上，針對運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的改進(jìn)措施。

1 雙面研磨拋光機典型系統(tǒng)的分析

1.1 傳統(tǒng)雙面研磨拋光機常見系統(tǒng)

傳統(tǒng)雙面研磨拋光機采用單電機通過齒輪傳動使上下拋光盤、內(nèi)齒圈及外齒圈運動。電動機通過皮帶傳動與蝸輪蝸桿減速器相連進(jìn)行減速，鏈輪的傳動帶動傳動軸運動，再通過齒輪傳動分散出各種轉(zhuǎn)速把運動分別傳遞到上下拋光盤、外齒圈及內(nèi)齒圈等各個機構(gòu)，見圖1。

這種機構(gòu)在精密拋光的運用中較為常見，每種機床的結(jié)構(gòu)可以各不一樣，但是總體的傳動形式是一樣的。下拋光盤和工件分別只得到兩種轉(zhuǎn)速，限制了雙面拋光加工運動軌跡的變化，這樣就難以通過運動參數(shù)的調(diào)節(jié)改善工件運動軌跡的分布來提高加工精度。而且拋光盤的轉(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)雜或者說不完善，汽缸的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)齒輪的嚙合更是增加了很多不確定因素，隨著機床在使用過程中的磨損，可能會引起齒輪傳動中的錯齒現(xiàn)象。采用簡單的手動控制或半自動控制使控制系統(tǒng)不穩(wěn)定。這些都給這類拋光機帶來不足。

1.2 6B 研磨拋光機

針對傳統(tǒng)研拋機存在問題，6B對雙面拋光機的傳動系統(tǒng)做了較大的改變，以四個變頻電機分別拖動上下拋盤、太陽輪、外齒圈的四動拋光原理來進(jìn)行傳動系統(tǒng)的設(shè)計，且采用軸套結(jié)構(gòu)使四軸同心，結(jié)構(gòu)緊湊，見圖2。

6B系統(tǒng)改進(jìn)了原先系統(tǒng)只有兩種轉(zhuǎn)速的缺陷，實現(xiàn)無級調(diào)速、加工過程的軟啟動和軟停止，使加工過程的平穩(wěn)性佳，對工件的沖擊影響小。無級調(diào)速的實現(xiàn)讓拋光過程更加穩(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。上拋光盤對晶片的壓力調(diào)整采用汽缸控制，上拋光盤與氣缸活塞桿采用球軸承浮動連接，保證加載均勻，有效防止錯盤。改單立柱結(jié)構(gòu)為龍門式主體結(jié)構(gòu)，提高了機床的剛度[4]。

1.3 9B 研磨拋光機

隨著晶片的尺寸不斷加大，精度的要求也有一些提高，原來的4英寸（6B）雙面拋光系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足市場的需求，這樣就促進(jìn)了對6英寸（9B）研磨拋光機的研制。針對晶片尺寸加大帶來的直接影響，上下拋光盤的尺寸是首先要考慮到的。拋光機的傳動系統(tǒng)采用兩個變頻電機來帶動系統(tǒng)，一個變頻大電機帶動上下拋光盤、外齒圈轉(zhuǎn)動，剩下的中心輪的轉(zhuǎn)動由一個變頻小電機帶動，見圖3。

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

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

9B系統(tǒng)無級調(diào)速，軟啟動、軟停止，使加工平穩(wěn)可靠，沖擊小。主要針對160～180 mm大小的晶片。采用液壓缸活塞的運動推動大軸的上下移動，最終使外齒圈位置可以上下調(diào)整，方便拿取晶片。上拋光盤對晶片的壓力調(diào)整采用汽缸控制的上下移動來實現(xiàn)。上拋光盤的支架，由龍門結(jié)構(gòu)變成箱體支架結(jié)構(gòu)，下面的鋼鐵箱體整個采用花崗巖材料，這對機床的穩(wěn)定性的提高也起到了很大的作用。9B系統(tǒng)的研制在拋光機的發(fā)展上起到很大的推動作用。

2 大尺寸硅晶片的雙面研磨拋光機改進(jìn)設(shè)計

此次設(shè)計雙面研磨拋光機主要用于單晶硅、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。

通過對先前的幾個規(guī)格的雙面研拋機的比較和分析研究，對研磨拋光機重新設(shè)計和改進(jìn)，來達(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9B研磨拋光機的改進(jìn)，延續(xù)了其優(yōu)點，進(jìn)行部分修改。改進(jìn)后的研磨拋光機是二電機同步拖動、行星式高精度研磨拋光機，機型為18B。該機的太陽輪和下拋光盤的速度是以特定的比例進(jìn)行設(shè)定，外齒圈和上拋光盤的速度是按下拋光盤的速度變化而變化的。另外配有單獨的電機抬升外齒圈。

2.1 機械結(jié)構(gòu)改進(jìn)

2.1.1 傳動系統(tǒng)改變

9B的傳動系統(tǒng)中上拋光盤旋轉(zhuǎn)采用“大電機—蝸輪蝸桿減速器—鏈傳動—同步帶—長軸”方式。18B的系統(tǒng)中電機上皮帶輪帶出經(jīng)過蝸輪蝸桿減速器減速后取消鏈傳動以及皮帶傳動，改為齒輪傳動。如圖4所示，變頻大電機1通過皮帶傳動至蝸輪蝸桿減速箱，完成了電機的一級減速，之后蝸輪蝸桿減速箱末端的齒輪和副軸齒輪2配合，帶動副軸轉(zhuǎn)動，副軸帶動副軸齒輪3旋轉(zhuǎn)，副軸齒輪3與長軸齒輪連接中間插入一個過橋齒輪，傳動更趨于緩和，它帶動的是長軸，并將運動傳遞到上拋光盤使之轉(zhuǎn)動。

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拋光機由先前的懸掛式轉(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，因為經(jīng)過大量試驗證明整個裝置的改變對拋光過程的實現(xiàn)并沒有太大影響，而且價格減低了一半。經(jīng)濟性更好，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，而采用單獨電機和矩形螺紋傳動的齒圈抬升裝置，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，控制更加精確簡便。

2.1.4 太陽輪和齒圈的翻面設(shè)計

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

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

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

2.1.5 上下拋光盤速比改進(jìn)

在原來的系統(tǒng)中下拋光盤的轉(zhuǎn)速與上拋光盤的轉(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大會使加工過程中工件受到的上下摩擦不一樣，穩(wěn)定性不好，振動明顯，影響加工精度，甚至使加工過程中的晶片容易破碎。降低速比后加工情況會有明顯好轉(zhuǎn)，而且對加工的生產(chǎn)率并沒有明顯的影響。

2.1.6 超大型的尺寸

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

2.1.7 先進(jìn)的防腐技術(shù)

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

2.1.8 游星輪自轉(zhuǎn)方向可控

通過調(diào)節(jié)太陽輪和外齒圈轉(zhuǎn)速變化的設(shè)定來調(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)可實現(xiàn)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)了自動修正上下研磨盤平面度誤差。

2.2 控制系統(tǒng)改進(jìn)

2.2.1 電機控制

采用變頻調(diào)速，電機速度由外設(shè)電位器手動隨時調(diào)節(jié)；速度由預(yù)設(shè)的四段速度因運行時間而自動改變，四段速度的運行時間與四段壓力時間相對應(yīng)。這個過程主要是通過光柵測速傳感器的反饋來實現(xiàn)。

2.2.2 壓力控制

上拋光盤壓力調(diào)整采用高動態(tài)特性的進(jìn)口電氣比例閥與拉力傳感器實現(xiàn)閉環(huán)反饋控制，其靜態(tài)調(diào)整精度<2 kg，動態(tài)壓力波動<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)采用了氣動式管夾閥可以實現(xiàn)拋光液的進(jìn)出口控制（流量控制），采用氣動式排水排砂切換裝置自動實現(xiàn)工作時拋光液的循環(huán)及清洗時污水的排出。

2.2.4 上磨盤安全裝置

系統(tǒng)改進(jìn)了氣動式上磨盤安全裝置，上磨盤在上限位時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才可放置游星輪，再在游星輪上放工件。在氣動的基礎(chǔ)上還增加了手動的控制，相當(dāng)于增加了一道保險，提高了上磨盤控制的安全性。

2.2.5 自動潤滑裝置

采用PLC電腦控制的間歇式潤滑油泵形成了集中潤滑系統(tǒng)，可根據(jù)使用情況，設(shè)定自動潤滑時間，使機器的各相對運動表面、各齒輪嚙合部位得到充分潤滑，大大提高了整機的使用壽命。

2.2.6 配置高精度測厚裝置

系統(tǒng)配置了高精度的測厚裝置，對拋光過程進(jìn)行實時監(jiān)控，控制研磨量，工件加工時的動態(tài)情況都可以通過HMI隨時可見。

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自動控制、觸摸屏參數(shù)輸入，人機界面HMI圖形顯示各項運行參數(shù)?？蓪崿F(xiàn)加工過程的自動運行。

3 機床主要參數(shù)和加工精度

3.1 機床主要參數(shù)

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

上磨盤尺寸：Ф 1 234×Ф 404×50 mm；下磨盤尺寸：Ф 1234×Ф 404×50 mm；拋光盤轉(zhuǎn)速：0～60 r/min；游星輪數(shù)量：5個；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；主機精度：下研磨盤端面跳動0.08 mm；研磨面平面度0.02 mm；太陽輪徑向跳動0.20 mm；齒圈徑向跳動0.25 mm。

3.2 加工精度

在4個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

18B型高精度雙面研磨拋光機采用二電機同步拖動研磨拋光主體，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拖動，實現(xiàn)了軟啟動，軟停止，調(diào)速穩(wěn)定，沖擊小。設(shè)備的研制及實際運行結(jié)果表明本文進(jìn)行的18B系統(tǒng)的改進(jìn)，很好的解決了國內(nèi)目前對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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[2]廖建勇.硅片精密加工技術(shù)發(fā)展概述[J].科技風(fēng)，2008（20）：53-55.

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[4]胡曉珍，李 偉.超精密雙面拋光機結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計[J].制造技術(shù)與機床，2009（3）：54-57.

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