戴鑫輝，李 林，段景波，喬 石，徐公志，趙 曉

(青島高測科技股份有限公司，山東 青島 266114)

0 引言

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)位于電子產(chǎn)業(yè)的最前端，技術(shù)密集度高，研發(fā)投入比例大。近年來，我國出臺(tái)相關(guān)大基金等扶持發(fā)展政策，極大促進(jìn)了半導(dǎo)體行業(yè)的整體發(fā)展[1]。

半導(dǎo)體行業(yè)中，硅棒的前道加工過程包含硅棒滾圓、晶向檢測及開槽、切片等多個(gè)工序，從而形成硅片雛形，其中滾圓是對硅棒的外圓進(jìn)行滾圓磨削加工，使硅棒的尺寸公差、形狀公差、表面粗糙度達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)，為后續(xù)切片工序做準(zhǔn)備。

目前，國內(nèi)傳統(tǒng)半導(dǎo)體硅棒加工設(shè)備存在以下問題：加工硅棒尺寸范圍窄，只能滿足6"、8"半導(dǎo)體硅棒的加工，不具備加工12"硅棒的能力；自動(dòng)化程度低，導(dǎo)致工人勞動(dòng)強(qiáng)度高、加工效率低；設(shè)備功能單一，硅棒加工過程轉(zhuǎn)換工序多；設(shè)備穩(wěn)定性差，加工精度低。本文針對半導(dǎo)體硅棒加工存在的上述問題，提出了一種新的全自動(dòng)半導(dǎo)體硅棒滾圓開槽一體機(jī)設(shè)計(jì)方案，通過實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用，有效解決了上述問題。設(shè)備實(shí)現(xiàn)了上下料、對中、加工、測量、晶向檢測等功能的全自動(dòng)化，加工效率、加工精度和設(shè)備穩(wěn)定性均可滿足國內(nèi)半導(dǎo)體行業(yè)的需求。

1 全自動(dòng)硅棒滾圓開槽一體機(jī)的功能及加工精度

滾圓開槽一體機(jī)可用來磨削加工長度在80 mm～800 mm范圍內(nèi)的6"、8"和12"半導(dǎo)體硅棒的外圓面，對硅棒進(jìn)行晶向定位并根據(jù)硅棒尺寸加工OF面(Orientation Face)或開V槽[2]，為下道切片工序做準(zhǔn)備。

硅棒磨削直徑精度達(dá)±0.05 mm，硅棒圓度誤差小于0.03 mm，圓錐度小于1∶12 500，加工圓面表面粗糙度Ra≤0.4 μm，且表面無亮點(diǎn)、色差等缺陷。

2 全自動(dòng)硅棒滾圓開槽一體機(jī)的總體方案設(shè)計(jì)

全自動(dòng)硅棒滾圓開槽一體機(jī)總體布局如圖1所示。機(jī)床包含自動(dòng)上下料組件、粗磨組件、開V槽組件、晶向檢測組件、硅棒夾持組件、探針檢測組件、精磨組件、底座組件；另外還包含水路系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、整機(jī)防護(hù)等部分。

1-自動(dòng)上下料組件；2，6-粗磨組件；3-開V槽組件；4-晶向檢測組件；5-硅棒夾持組件；7-探針檢測組件；8-精磨組件；9-底座組件

3 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

3.1 底座組件

底座組件如圖2所示，它是整機(jī)設(shè)備的支撐基體。底座組件上設(shè)有粗磨組件、精磨組件、開V槽組件、晶向檢測組件的安裝工位；底座上還安裝有滾珠絲杠，用于驅(qū)動(dòng)安裝在底座導(dǎo)軌上的硅棒夾持組件前后移動(dòng)；底座組件尾部設(shè)有污水排水口。

底座采用HT250鑄造，兩次退火處理，以消除絕大部分鑄造內(nèi)應(yīng)力。

3.2 自動(dòng)上下料組件

全自動(dòng)硅棒滾圓開槽一體機(jī)配有上下料機(jī)器人和上下料工作臺(tái)，上下料過程均在上下料工作臺(tái)上操作，通過調(diào)整夾爪位置能夠?qū)崿F(xiàn)6"、8"、12"硅棒的抓取。

自動(dòng)上下料組件如圖3所示。上下料機(jī)器人抓取硅棒送至硅棒夾持區(qū)域，由固定夾頭和滑動(dòng)夾頭夾住并旋轉(zhuǎn)硅棒；上下料機(jī)器人抓手上的探針用于檢測硅棒與夾頭軸線的重合度，并根據(jù)檢測結(jié)果調(diào)整硅棒位置，使硅棒軸線和夾頭軸線滿足同軸度要求。

1-底座；2-導(dǎo)軌滑塊；3-滾珠絲桿；4-晶向檢測組件安裝工位；5-開V槽組件安裝工位；6，7-粗磨組件安裝工位；8-精磨組件安裝工位

1-上下料機(jī)器人；2-探針；3-上下料工作臺(tái)

3.3 硅棒夾持組件

硅棒夾持組件結(jié)構(gòu)如圖4所示。硅棒夾持組件包含滑動(dòng)夾頭和固定夾頭，固定夾頭安裝固定在硅棒夾持組件基板上，滑動(dòng)夾頭在硅棒夾持組件內(nèi)部的滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)下前后移動(dòng)，改變固定夾頭和滑動(dòng)夾頭之間的距離，以達(dá)到夾持不同長度硅棒的目的。

1-滑動(dòng)夾頭；2-夾持組件基板；3-固定夾頭

硅棒夾持組件固定夾頭和滑動(dòng)夾頭內(nèi)部各含有一個(gè)旋轉(zhuǎn)電機(jī)，可在夾緊硅棒后使硅棒以一定角速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對硅棒整個(gè)圓面的滾圓磨削。

硅棒夾持組件安裝于底座組件的導(dǎo)軌上，硅棒夾持組件在滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)下可在底座上前后移動(dòng)。

3.4 磨削組件

為了提高磨削效率，本設(shè)備設(shè)計(jì)有兩套粗磨組件，同時(shí)為了省略滾圓磨削后硅棒的腐蝕處理，設(shè)置了一套精磨組件。精磨組件和粗磨組件結(jié)構(gòu)相同，只有安裝的杯型磨削砂輪目數(shù)不同；兩套粗磨組件分別設(shè)置在底座組件前端的兩側(cè)，兩個(gè)粗磨砂輪對半導(dǎo)體硅棒同時(shí)進(jìn)行粗磨削，提高了加工效率；精磨組件設(shè)置在底座組件后端的一側(cè)，用于對半導(dǎo)體硅棒的精磨削。下面就單套磨削組件進(jìn)行結(jié)構(gòu)和功能介紹，磨削組件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

單套磨削組件包含垂直運(yùn)動(dòng)組件、旋轉(zhuǎn)組件和水平運(yùn)動(dòng)組件。

(1) 旋轉(zhuǎn)組件：旋轉(zhuǎn)電機(jī)通過聯(lián)軸器與軸承箱相連，帶動(dòng)與軸承箱端部相連的杯型砂輪進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，軸承箱安裝在滑動(dòng)支座內(nèi)部。

(2) 垂直運(yùn)動(dòng)組件：氣缸固定在進(jìn)給基座上且其伸縮軸和軸承箱外殼相連，旋轉(zhuǎn)組件隨氣缸伸縮可沿豎直導(dǎo)軌方向到達(dá)上下兩個(gè)極限位置。對硅棒進(jìn)行滾圓磨削和OF面磨削時(shí)使用的砂輪磨削位置不同。當(dāng)進(jìn)行滾圓磨削時(shí)，氣缸伸縮軸伸長，旋轉(zhuǎn)組件位置下降，使用砂輪上邊緣對硅棒進(jìn)行滾圓磨削；進(jìn)行OF面磨削時(shí)，氣缸伸縮軸收縮，旋轉(zhuǎn)組件位置上升，使用砂輪中心邊緣位置對硅棒進(jìn)行OF面磨削。

(3) 水平運(yùn)動(dòng)組件：硅棒每次磨削時(shí)砂輪所處的水平位置不同，伺服電機(jī)通過驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠使進(jìn)給基座沿水平導(dǎo)軌方向前后運(yùn)動(dòng)，由此可實(shí)現(xiàn)磨削量的調(diào)整，并決定硅棒的最終磨削尺寸。

1-垂直運(yùn)動(dòng)組件；2-杯型砂輪；3-水平運(yùn)動(dòng)組件；4-旋轉(zhuǎn)組件

在其中一套粗磨組件的進(jìn)給基座上安裝有一套探針檢測組件，探針檢測組件用于測量硅棒的直徑尺寸。實(shí)際磨削時(shí)，在粗磨削前，探針檢測組件測量未磨削硅棒直徑尺寸，自動(dòng)計(jì)算單次粗磨量和粗磨次數(shù)并保留精磨余量；粗磨削結(jié)束后，探針檢測硅棒尺寸，計(jì)算單次精磨量和精磨次數(shù)；精磨削結(jié)束后，探針檢測硅棒最終直徑尺寸。

3.5 開V槽組件

開V槽組件結(jié)構(gòu)如圖6所示。開V槽組件包含旋轉(zhuǎn)組件、進(jìn)給基座、水平運(yùn)動(dòng)組件等。V型砂輪在旋轉(zhuǎn)組件電機(jī)驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，對硅棒進(jìn)行開V槽加工，水平運(yùn)動(dòng)組件用于調(diào)整進(jìn)給基座的水平方向位置，以控制V型砂輪距離硅棒的距離，從而控制硅棒開V槽的深度。

1-旋轉(zhuǎn)組件；2-V型砂輪；3-進(jìn)給基座；4-水平運(yùn)動(dòng)組件

4 其他部件

4.1 晶向檢測組件

晶向檢測組件是利用X射線定向裝置檢測硅棒的晶向，確定硅棒V槽或OF面的位置；晶向檢測組件的前后進(jìn)給采用伺服電機(jī)控制。

4.2 潤滑系統(tǒng)

設(shè)備配有自動(dòng)潤滑系統(tǒng)，由潤滑泵對機(jī)床各潤滑點(diǎn)間歇性供油潤滑。潤滑系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)油壓調(diào)節(jié)、堵塞報(bào)警，潤滑周期和單次注油量由系統(tǒng)自動(dòng)控制。

4.3 水路系統(tǒng)

采用水泵加壓供水，在粗磨組件、精磨組件、開V槽組件砂輪磨削處設(shè)有噴水口，用于對砂輪冷卻降溫，同時(shí)沖洗磨削時(shí)產(chǎn)生的硅粉，沖屑水沿機(jī)床底座上的排水口排出并集中處理。

4.4 機(jī)床防護(hù)

機(jī)床采用全封閉式防護(hù)，機(jī)床上下料通道的防護(hù)門由電控系統(tǒng)自動(dòng)控制，保證生產(chǎn)人員的安全。

5 全自動(dòng)硅棒滾圓開槽一體機(jī)工作過程及優(yōu)勢

該硅棒滾圓開槽一體機(jī)的工作過程如下：上下料機(jī)器人抓取半導(dǎo)體硅棒送至硅棒夾持區(qū)域，由固定夾頭和滑動(dòng)夾頭夾緊硅棒，固定夾頭和滑動(dòng)夾頭上的旋轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)硅棒，上下料機(jī)器人探針檢測硅棒與夾頭軸線的重合度，并根據(jù)檢測結(jié)果調(diào)整硅棒位置；硅棒夾持組件夾持硅棒運(yùn)行至磨削區(qū)域，兩組粗磨組件對硅棒進(jìn)行滾圓粗磨削，精磨組件對硅棒進(jìn)行滾圓精磨削；晶向檢測組件對硅棒晶向進(jìn)行檢測定位，并根據(jù)檢測結(jié)果使用粗磨組件和精磨組件對6"硅棒進(jìn)行粗磨和精磨OF面，或使用開V槽組件對8"或12"硅棒開V槽；硅棒夾持組件夾持硅棒退回至原位，并由上下料機(jī)器人取走已磨削完成的硅棒。

該設(shè)備可實(shí)現(xiàn)從上料、磨削、檢測、下料的全自動(dòng)化運(yùn)行，無需人工參與；設(shè)置兩套粗磨組件和一套精磨組件，兼顧了滾圓磨削效率和滾圓磨削精度，大大提高了生產(chǎn)能力。

該機(jī)床可加工長度為80 mm～800 mm的6"、8"或12"半導(dǎo)體硅棒，磨削OF面深度誤差為±0.06 mm，OF面表面粗糙度Ra≤1 μm，開V槽深度誤差為±0.05 mm，V型槽角度為89°～91°。經(jīng)實(shí)際滾圓磨削驗(yàn)證，和傳統(tǒng)半導(dǎo)體硅棒加工設(shè)備相比，硅棒加工效率和精度有極大提高，得到半導(dǎo)體行業(yè)的相關(guān)企業(yè)認(rèn)可。

6 結(jié)語

全自動(dòng)硅棒滾圓開槽一體機(jī)的設(shè)計(jì)，提高了國內(nèi)半導(dǎo)體行業(yè)硅棒滾圓開槽加工技術(shù)水平，可滿足國內(nèi)半導(dǎo)體行業(yè)對于滾圓高精度及高效率的迫切需求，為半導(dǎo)體行業(yè)專用機(jī)床的設(shè)計(jì)提供參考。