自动抛光机的调试与改进

自动抛光机的调试与改进

发表时间：2018-05-22T11:19:02.867Z 来源：《基层建设》2018年第1期作者：袁赛

[导读] 摘要：在各种研磨工艺参数相同的情况下，抛光机在改造前后的去除率差别不大，但改造后抛光机对工件加工的表面粗糙度明显优于改造前的。

深圳深爱半导体股份有限公司 518000

摘要：在各种研磨工艺参数相同的情况下，抛光机在改造前后的去除率差别不大，但改造后抛光机对工件加工的表面粗糙度明显优于改造前的。研究结果表明该设备的改造设计，可以较低的成本加工出高精密度的产品，极大地满足了生产与科研的需要。本文在对自动半导体抛光机的工作原理进行分析，并提出了一些改进及设思。

关键词：半导体、抛光机、改进、调试

前言：抛光机用以消除硅片的表面缺陷，提高硅片表面质量，在硅片生产中起着重要的作用。我们现在使用的抛光机都是非自动型的，依靠操作人员人工完成硅片的抛光工作，劳动强度大、效率低。基于以上原因我们分厂同外单位联合设计并制造了一台自动半导体抛光机。

一、调试中存在的问题

设计两台液压马达的速度调节是靠节流阀，通过分流阀，通过分流阀来控制以保证两台液马达不同步，偏差小于2%制造单位由于种种原因将油马达速度调节改为两个单向节流调速阀分别控制两台油马达。同时将原设计的定量油泵改为变量泵。其目的是用单向节流调速阀控制两台液压马达的同步，而用变量油泵控制液压马达的速度。

二、改进结果

（1）硅片的弯曲问题是原设计油缸活塞杆与撼布轮支架的连接件是刚性的，不能使抛布自动调节适应俐管的弯曲造成硅片弯曲。

（2）对于两台液压马达的速度与同步调整问题，原设计考虑的较为周密且调节操作方便，由分流阀控制两台液压马达的同步，用节流阀控制液压马达的转速，改动后的液压系统从理论上讲是可行的。在实际操上存在诸多的不便因素，如用两个单向节流阀分别调节两台液压马达的转速且要达到不同步偏差小于2%是非常困难的，在调试过程中我们用测速仪来测定液压马达的转速使两台液压转速不同步偏差尽量降低，然后将单向节流阁锁紧防止松动影响液压马达的同步转动，再用变量泵上流量调节螺钉控制油泵的流量输出，以调节液压马达的转速，液压马达转速的快慢也即硅片送进量的大小直接影响硅片的抛光质量，且液压马达转速的快慢还要根据硅片大小来调整。

三、抛光机的主体结构改造设计

（1）原有购买的某型号的研磨抛光机上研磨盘支座采用悬臂式结构。在研磨抛光过程中，由于上研磨盘的之间相对运动，容易导致悬臂结构左右晃动。特别是在研磨高硬度材料时，需要施加较大的加工载荷，这种晃动更加明显，甚至出现了上研磨盘“翻车”现象，造成了不必要的损失。针对研磨抛光机悬臂结构左右晃动的情况，设计将悬臂式结构改为龙门式结构的构建。如果采用硅片，由于其结构不对称，容易产生扭曲；采用工字钢则不够美观大方；为了兼顾稳定性以及美观等因素，拟采用槽钢。龙门结构的两个立柱与床身之间以及立柱与横梁之间都采用焊接方式进行连接，以增加起刚度。考虑到上研磨盘需要进行拆卸和清洗等工作，高度值为900mm。而横梁考虑到要预留一定的操作空间，长度为460mm。经过多次的反复的计算，拟选用20a号热轧普通硅片来搭建龙门结构。

半导体芯片抛光机图

（2）气缸活塞杆与上抛光盘采用刚性连接，则要求上下抛光盘两个加工表面必须有很高的平行度，而且气缸活塞杆中心与带动上抛光盘运转的轴心要求有很高的同轴度，给机床的制造和安装带来许多困难。一旦制造或安装中产生误差，就会引起上抛光盘产生倾斜，最终使上下抛光盘不能很好地贴合，甚至上下抛光盘产生错盘现象，使工件受力不均，产生较大的尺寸误差及平面度误差。调心球轴承外围滚道呈球面，具有调心性能，因此可自动调整因轴或外壳的挠曲或不同心引起的轴心不正。它主要承受径向载荷，同时可承受较小的轴向载荷。轴的轴向位移限制在游隙限度内，具有自动调心性能，允许内、外围相对倾斜不大的条件下正常工作，适用于支座座孔不能严格保证同轴度的部件中。

四、抛光机设备及工艺流程

4.1抛光机机械部分全自动抛光机主要结构及功能如下:(1)皮带输送与定位机构:将物料自动输送至指定位置并定位好。(2)夹杯旋转机构:夹持物料转动90°，使杯子变成水平布置，以利于杯子夹持装置取料。(3)十字滑台:可作同一水平面上的两个方向往返运动，从而带动安装在其上的夹持机构进行取料、抛光、落料等动作，是抛光机的核心部件。(4)回转式夹持装置:夹紧杯子，模拟操作工人人手的作用，在十字滑台的带动下，可作纵向往返运动从而达到抛光的效果。(5)落料装置:夹持装置转过90°，其夹芯卡于落料装置的半圆弧内，当夹持装置往前移动时，杯子在半圆弧板的阻挡下脱离夹持装置，落在落料槽内沿斜面滑出。(6)砂轮机:抛光的工作设备，麻轮(或棉布轮)安装其上，

作高速旋转，从而达到抛光工件的目的。(7)机架:整个设备的支撑件。

4.2半导体材料的抛光

（1）硅衬底的抛光是在研磨和磨削之后，为了除去其表面层中的缺陷，并且为了以后的抛光实现了完美的反射面。通常，一层大约5-30微米厚度被除去。

（2）在每个光刻步骤和蚀刻工艺之后氧化物结构的流平性。

（3）化合物半导体的衬底材料的抛光是特别重要的，因为它们不表现出硬而脆的特性的材料特性，却是柔软而脆的。虽然基底材料包括，例如砷化镓和磷化铟在内化合物的仅占市场的2％（而硅占98％），将这些材料变得越来越重要。一个特殊的抛光工艺可用于上面列出的每一项任务。尽管这是一个由IBM公司推广的生产的半导体处理中使用的64Mbit的DRAM芯片的相对较新的技术—化学-机械抛光将会起着主导作用。

抛光半导体硅片

五、半导体抛光机技术完善

（1）机械原理半导体抛光机在半机械化抛光机的基础上，取消回转臂，并进一步改造完善而成，分为行走小车、抛光机和辅助机构三部分，抛光机装在行走小车上。行走小车上由电动机驱动，经齿轮、蜗杆、蜗轮传动，使机体沿弯曲半径为R的弯曲中心线作转向运动。但是电动机既可安装在行走小车上，由小车带动回转臂转动，也可安装在回转臂上推动小车行走，两种方案各有优缺点。平稳的弯曲行程有两个调整控制方案，一是小车底部的4个轮子中主动轮安装于靠近弯管外拱，被动轮安装于靠近弯管内拱，利用轮子的动力差及其与管壁的摩擦力差来形成速度差，另一种方案是在小车底部中间设计1个主动轮，底部的另外4个轮子均为被动轮。无论哪一种方案，小车顶部设置有调紧弹簧，其作用是使底部的4个轮子与经过抛光的光滑表面能产生足够的摩擦力，避免行走打滑。抛光头是一组旋转机构，与小车一起在弯管内行走，抛光轮装在旋转架的辐臂上，3个抛光轮相当于行星轮，由电动机经带轮调速传动使抛光轮高速旋转，并在摩擦力作用下自转，实现半导体抛光。只有定制的粗抛光轮才具备正反双向抛光的性能。辅助机构包括操作平台，控制箱，机体上的行距测示、机构风冷保护、皮带传动吹扫，抛光效果观察系统，弯管出口端的小车接收段及吸尘抽风及机体后对精抛光表面保护的涂敷等。观察系统可由内窥镜或视频固定跟踪例如纵焊缝等特别部位的抛光效果，以便操作者在弯管外及时调整操作。

（2）控制流程及电气原理抛光工艺虽然可以相对固定，但是由于大弯管由钢板卷圆组焊后弯制而成，管壁上存在的纵向焊缝致使该处局部圆度偏大，抛光轮需要具备正转和反转才能使纵焊缝两侧内壁抛光均匀，因此，操作系统要同时协调控制行走小车的速度和抛光头的旋向，当抛光头需要反向旋转时，行走小车应停下。抛光机控制流程和电气系统图分别如图5和图6所示。抛光机主要通过变频器来控制电机的转速和方向，让小车的行走速度与抛光头的旋转速度相互匹配。其工作原理为：当合上开关QS，两台变频器同时得电，分别闭合开关S11、S12、S21或S22，可以控制小车的前进或后退，抛光头的正转或反转。调节电位器a、b，可以改变变频器的输出频率，从而改变小车的行走速度和抛光头的旋转速度。安全起见，正确的开车操作应该时抛光头先转动、小车才行走，正确的停车操作应该时抛光头已停下、小车还行走。如果小车停止前进超时，抛光头应停下，以免局部内壁抛光过度。

结束语：

半导体抛光装置设计合理，操作方便，性能可靠，能满大弯管内壁的粗糙度要求。降低了劳动强度及生产成本，提高了生产效率。工艺成熟后，弯管内壁的初抛光、粗抛光和精抛光可同步顺次跟进，两台小车接连行进，进一步可把装置改造成一车多机，把3头改成5头，多头多用，一次性操作完成抛光，缩短工期。希望这种新型的变频器，在实际应用中能发挥更大的作用。

参考文献：

[1]龚幼民.现弯管内表面的抛光处理方法.2006.9

[2]张一工.环管反应器内表面半导体抛光机设计应用.2015.7

[3]胡崇岳.现代交流调速技术.2003.5