半導(dǎo)體全自動滾圓開槽成形磨床

胡 苗 徐公志 于秀升

(1.淄博市淄川區(qū)工業(yè)和信息化局 山東淄博255100；2.青島高測科技股份有限公司 山東青島266114)

根據(jù)中國電子材料行業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)顯示， 8"半導(dǎo)體硅片月需求量約80萬片，預(yù)計從2020年開始月需求約為500萬片；12"硅片完全依賴進(jìn)口，目前國內(nèi)的總需求約為50萬片/月，預(yù)計到2020年總需求約為200萬片/月。中國300毫米硅片一直依賴進(jìn)口，主要原因在于國外企業(yè)的技術(shù)封鎖（瓦圣納協(xié)議），同時大尺寸硅片對倒角、精密磨削等加工工藝要求高，國內(nèi)還沒有掌握高良率的技術(shù)能力。

半導(dǎo)體行業(yè)目前是國家重點(diǎn)扶持的行業(yè)，而磨削半導(dǎo)體硅棒外圓、OF面/V槽（notch槽）全自動一體機(jī)磨床目前國內(nèi)無生產(chǎn)廠家，國內(nèi)半導(dǎo)體硅棒磨削主要采用分工序磨削，分別執(zhí)行滾圓、開OF面/V槽（notch槽）操作磨削，質(zhì)量差、效率低，為解決加工關(guān)鍵，國內(nèi)半導(dǎo)體廠家只能依靠進(jìn)口，而價格昂貴的進(jìn)口磨床讓用戶難以接受。因此，半導(dǎo)體全自動滾圓開槽成形磨床對于改變半導(dǎo)體硅棒加工現(xiàn)狀，提高產(chǎn)品質(zhì)量、效率，填補(bǔ)國內(nèi)空白，減少設(shè)備進(jìn)口具有重要意義。

1 機(jī)床基本布局

如圖1所示，機(jī)床采用四個磨頭對稱布局，半導(dǎo)體滾圓機(jī)采用機(jī)械手進(jìn)行上下料，配合頭尾架夾持機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)工件自動對中，主軸單元采用砂輪間距無級可調(diào)，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)閉環(huán)控制，自動修正磨削尺寸；采用兩個粗磨頭、一個精磨頭，同時配備一個V槽砂輪進(jìn)行加工，提升加工效率，配備外徑尺寸檢測、晶向檢測等測量裝置，實(shí)現(xiàn)工件精密加工，各個環(huán)節(jié)的工序?qū)崿F(xiàn)全自動化流轉(zhuǎn)。

圖1 機(jī)床布局圖

設(shè)備關(guān)鍵部件：底座組件、上下料工作臺、自動化機(jī)械手、夾持組件、粗磨進(jìn)給組件（2個）、精磨進(jìn)給組件、V槽開槽組件、工作臺縱向進(jìn)給組件、晶向檢測裝置、尺寸檢測裝置、冷卻系統(tǒng)、設(shè)備防護(hù)罩、電控系統(tǒng)、操控箱等，如圖2、圖3所示。

圖2 滾磨晶棒外圓示意圖

圖3 OF面/V槽磨削示意圖

2 磨削的工件

硅棒要求：半導(dǎo)體硅棒

形狀：外徑D=6"、8"和12" (晶棒最大毛坯直徑為Φ320mm)；長度L=80-800mm

切割面的垂直度：≤1.8mm/Φ12"；晶棒質(zhì)量：150kg（密度2.34 g/cm3），如圖4所示。

圖4 磨削前晶棒簡圖

3 滾圓工藝參數(shù)

工藝參數(shù)：分別以長度300mm的6”以下和8”以上晶棒為例，進(jìn)行上料、夾持、粗磨4刀（深度2mm/刀，移動速度40mm/min）、精磨2刀（深度0.3mm、0.1mm，移動速度25mm/min）、OF面或開槽、檢測、下料等動作；

4 關(guān)鍵技術(shù)

1)夾持組件

(1)半導(dǎo)體晶棒夾緊的控制采用絲杠傳動進(jìn)行工件的夾緊，夾緊頭架固定，尾架由絲杠帶動進(jìn)行左右移動對工件進(jìn)行夾緊；

(2)采用固定頭架的設(shè)計來夾持硅棒的兩個端面，夾持力可達(dá)9000N以上，這種設(shè)計可以維持一個精確的夾持位置；

(3)固定夾持頭采用球面夾頭設(shè)計可接受的最大尺寸偏差：1.8mm/12寸；

(4)滾圓和定位面加工在一次夾持過程中完成，夾具單元具備自鎖功能，滿足OF面和V槽加工位置準(zhǔn)確，也防止硅棒因電力中斷而墜落損壞；

(5)頭架分度應(yīng)精確可靠，分度采用伺服電機(jī)控制，分度角誤差應(yīng)小于0.01°；

(6)在尾架夾緊單元上配備砂輪位置校正傳感器；

(7)機(jī)構(gòu)配有品牌防水穿墻護(hù)套利于走線密封。

2） 磨削技術(shù)

(1)實(shí)現(xiàn)粗、精磨外圓和OF面（或notch）加工；

(2)砂輪選擇采用業(yè)內(nèi)認(rèn)可的國外品牌；

(3)加工工藝實(shí)施與客戶技術(shù)共同設(shè)定實(shí)施，盡可能保證通用性；

(4)主軸電機(jī)采用伺服電機(jī)，保證磨削過程中的轉(zhuǎn)速及穩(wěn)定的要求；

(5)主軸箱上下調(diào)整采用氣缸升降，可調(diào)硬限位控制位置。

3） 檢測組件

(1)利用X射線衍射原理在線檢測半導(dǎo)體晶棒晶向；

(2)伺服系統(tǒng)驅(qū)動技術(shù)，加上前后移動高精絲杠和導(dǎo)軌保證移動精度；

(3)利用接觸式高精探針進(jìn)行晶棒直徑檢測，保證加工精度，探頭組件由氣缸加可調(diào)硬限位共同控制；

(4)晶向檢測裝置采用知名品牌檢測；

(5)直徑檢測探針采用松下等品牌。

上料及下料采用機(jī)械人，具備自動對中功能。

5 關(guān)鍵部件介紹

1） 硅棒外圓檢測裝置工作原理

硅棒外圓檢測裝置：使用豎直放置的一個探針進(jìn)行檢測，探針與硅棒軸線在同一水平面上。當(dāng)進(jìn)行外圓檢測時，氣缸驅(qū)動硅棒外圓檢測裝置快速到檢測位置，進(jìn)給機(jī)構(gòu)進(jìn)給和后退探測圓周上三個均布點(diǎn)，通過探針的反饋值就能夠計算出外圓半徑。（三點(diǎn)位置確定唯一圓，算出中心位置，再或者直接算出三個點(diǎn)上的半徑。）

2） 上下料方式

介紹：晶棒先放置于上料工作臺上，采用自動化機(jī)械手進(jìn)行上下料，適用于下方夾持工件方式。

功能描述：上料和下料均放置于上料工作臺上，機(jī)械手夾爪能夠?qū)崿F(xiàn)6"、8"和12"硅棒定心、進(jìn)行棒料自動對中、上下料的功能；

機(jī)械手放置于設(shè)備一側(cè)，緊靠上料工作臺；具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 上下料組件結(jié)構(gòu)示意圖

3)分體式上下工作臺結(jié)構(gòu)

介紹：頭尾架機(jī)硅棒夾持機(jī)構(gòu)置于工作臺上。

功能描述：工作臺由上下工作臺組成，中間有一回轉(zhuǎn)軸兩端由壓板鎖緊，當(dāng)工件磨削圓錐度超出工件公差時，工作臺需要調(diào)整角度轉(zhuǎn)動工作臺，上工作臺以轉(zhuǎn)軸為中心在下工作臺上作角度位移調(diào)整，調(diào)整完后兩端壓板壓緊工作臺，如圖6所示。

圖6 上、下工作臺結(jié)構(gòu)示意圖

6 結(jié)語

經(jīng)過項(xiàng)目組全體員工的不懈努力和以“技術(shù)創(chuàng)新、轉(zhuǎn)型升級”為綱，公司生產(chǎn)的半導(dǎo)體全自動滾圓開槽成形磨床樣機(jī)已經(jīng)試制成功，該機(jī)床的價格相對于進(jìn)口機(jī)床很低，性能優(yōu)于國外機(jī)床，今后一定會在用戶中發(fā)揮了很大的作用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。