CN105538110B - 一种用于基片加工的研磨与抛光两用柔性加工装置 - Google Patents

一种用于基片加工的研磨与抛光两用柔性加工装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于基片加工的研磨与抛光两用柔性加工装置，包括加工***主机、工装吸盘工具、气动研磨工具、气动抛光工具，所述的气动研磨工具和气动抛光工具均采用柔软的弹性性能良好的橡胶圈作为柔性支撑，控制调节橡胶圈内部充气压力改变加工工具的硬度，从而可以降低基片加工后的表面残余应力，避免基片加工中常出现的翘曲问题，提高基片研磨与抛光加工成片率，也不会对环境造成污染。同时，将研磨与抛光加工工艺集成于一体，提高加工效率，降低生产成本。

Description

一种用于基片加工的研磨与抛光两用柔性加工装置
技术领域
本发明属于精密加工技术领域，尤其涉及单晶硅片等功能晶体基片的超精密研磨与抛光自动化加工。
背景技术
以单晶硅晶体所制成的功能晶体基片作为集成电路的主要衬底材料，其表面加工工艺代表了超精密加工中最先进的制造技术。目前，通过切片得到的基片需要经过超精密磨削和化学机械抛光方法才能达到所需的精度要求。现有的超精密磨削方法均采用硬质砂轮研磨方法，并且抛光后还需要增加腐蚀去除的步骤，来得到超光滑低损伤的基片表面。由于基片本身具有硬脆的特点，加上加工过程中残余应力的存在，基片很容易出现翘曲变形，极端情况下甚至发生基片崩裂，使得大尺寸晶体基片加工效率、加工质量的进一步提高受到了极大的制约。同时，机械化学抛光时，所使用的化学腐蚀液需要与基片产生相应的化学反应，从而实现材料去除，所以会产生大量的化学废液，也造成严重的环境污染。此外，不同的加工工艺需要多台加工机床相互配合，并需要多次安装与物料输送，增加了时间成本和人力成本。
发明内容
为了克服现有硬式砂轮研磨抛光方法在对晶体基片进行表面加工时的容易翘曲变形、易崩裂等诸多弊端，机械化学抛光对环境造成的污染，并实现高效，低损，清洁的晶体基片超精密加工，本发明提供一种用于基片加工的研磨与抛光两用柔性加工装置，气动研磨工具和气动抛光工具采用柔软的弹性性能良好的橡胶圈作为柔性支撑，并通过控制调节橡胶圈内部充气压力改变加工工具的硬度，从而可以降低基片加工后的表面残余应力，以提高基片研磨与抛光加工成品率。同时，将研磨与抛光两道加工工艺集成于一体，提高加工效率，并且达到绿色环保的加工。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种用于基片加工的研磨与抛光两用柔性加工装置，包括加工***主机1、工装吸盘工具2、气动研磨工具3、气动抛光工具4，其特征在于：所述的加工***主机1，包括机架本体101、轴承座102、电机108、滚珠丝杆103、滑台104、驱动连杆105、转台106、控制箱107、同步带轮109、同步带110和进给驱动电机111，其中，所述的加工***主机1的核心部件是机架本体101，所述的机架本体101顶部安装有进给驱动电机111，所述的进给驱动电机111输出轴上安装同步带轮109和同步带110，所述的机架本体101两侧面安装四个轴承座102，所述的轴承座102上安装滚珠丝杆103，所述的滚珠丝杆103上安装滑台104，所述的滑台104上安装驱动连杆105，所述的驱动连杆105上安装有气动研磨工具3和气动抛光工具4，所述的机架本体101中间位置安装有转台106，所述的机架本体101底部安装有电机108，所述的电机108的输出轴和转台106相连从而能够带动转台106转动，所述的机架本体101底部安装有控制箱107。
所述的工装吸盘工具2安装在加工***主机（1）上的转台106上，所述的转台106上有六个工位用于安装六个工装吸盘工具2，所述的气动研磨工具3安装在加工***主机1上的驱动连杆105上的工位A和工位D，所述的气动抛光工具4安装在加工***主机1上的驱动连杆105上的工位B和工位C。
进一步，所述的工装吸盘工具2，包括吸盘201、定位圈202、旋转电机203，所述的吸盘201上安装所述的定位圈202用于定位待加工的基片，所述的工装吸盘2下侧与旋转电机203的输出轴相连，所述的旋转电机203安装在转台106上，所述的旋转电机203运转时带动吸盘201旋转。
进一步，所述的气动研磨工具3，包括研磨底座301、研磨转盘302、研磨环形橡胶圈303、软固结磨粒层304和研磨电机305，所述的研磨底座301上部安装研磨电机305，所述的研磨电机305驱动所述的研磨转盘302，所述的研磨环形橡胶圈303安装在转盘上，研磨环形橡胶圈303内部有空腔从而可以充入气压P以达到调控功能，所述的研磨环形橡胶圈303外侧通过强力粘结剂将所述的软固结磨粒层304固着在研磨环形橡胶圈303上，所述的软固结磨粒层304是由金刚石磨粒和玻璃胶混合而压制成的，具有一定的柔性。
再进一步，所述的气动抛光工具4，包括抛光底座401、抛光转盘402、抛光环形橡胶圈403、纤维层406、喷管404和抛光电机405，所述的抛光底座401上部安装抛光电机405，所述的抛光电机405驱动所述的抛光转盘402，所述的抛光环形橡胶圈403安装在转盘上，抛光环形橡胶圈403内部通过所述的抛光转盘402可以充入气压P，所述的抛光环形橡胶圈403外侧通过强力粘结剂将所述的纤维层406固着在抛光橡胶圈403上，纤维层用于附着研磨抛光液407，所述的喷管404安装在机架本体101上，喷管404喷出抛光所需的研磨抛光液407。
本发明的技术构思为：
本发明是根据基片加工中容易出现翘曲变形，极端情况下甚至发生基片崩裂的问题而提出的。在研磨加工阶段，通过利用柔软的弹性性能良好的橡胶圈作为支撑，并在橡胶圈表面利用粘结剂固结上磨粒层，因此磨粒在弹性支撑的作用下表现出一定的柔软性，能够减小研磨过程中基片的残余应力。通过控制橡胶圈内部的充入气压P，又可以调节橡胶圈的软硬，从而实现研磨加工的压力可控，进一步改善加工的条件。在抛光加工阶段，所用的是气动抛光工具，喷管喷出研磨抛光液至气动抛光工具的纤维层上，附着在纤维层上的抛光液对基片进行抛光加工。此外，由于都是橡胶圈支撑结构，提高了加工接触面，有利于提高加工效率。由于两个加工阶段是在一套加工***内完成的，因此减少了基片安装次数和时间，提高了安装精度，也提高了加工效率。
本发明的有益效果体现在：
采用橡胶作为研磨和抛光加工的基体材料，利用其柔性和内部气压调控，实现与单晶硅基片的柔性接触，有效降低晶体基片表面残余应力，减少基片翘曲、崩裂的几率，提高成品率。
通过对柔性气动抛光盘内部的气场调控，可以实现与基片的大面积接触，增加加工接触面积，提高抛光加工效率。
抛光加工中省去了腐蚀去除的步骤，有效避免了化学废液的产生，实现了绿色清洁的基片表面超精密加工。
附图说明
图1是本发明的整体加工装置结构示意图
图2是本发明的气动研磨工具和气动抛光工具的工位分布示意图
图3是本发明的工装吸盘工具结构示意图
图4是本发明的气动研磨工具结构示意图
图5是本发明的气动抛光工具结构示意图
图6是本发明的气动研磨工具或气动抛光工具与工装吸盘工具的位置示意图
图中：1.加工***主机，101.机架本体，102.轴承座，103.滚珠丝杆，104.滑台，105.驱动连杆，106.转台，107.控制箱，108.电机，109.同步带轮，110.同步带，111.进给驱动电机，2.工装吸盘工具，201.吸盘，202.定位圈，203.旋转电机，3.气动研磨工具，301.研磨底座，302.研磨转盘，303.研磨环形橡胶圈，304.软固结磨粒层，305.研磨电机，4.气动抛光工具，401.抛光底座，402.抛光转盘，403.抛光环形橡胶圈，404.喷管，405.抛光电机，406.纤维层，407.研磨抛光液。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
一种用于基片加工的研磨与抛光两用柔性加工装置，包括加工***主机1、工装吸盘工具2、气动研磨工具3、气动抛光工具4，其特征在于：所述的加工***主机1，包括机架本体101、轴承座102、电机108、滚珠丝杆103、滑台104、驱动连杆105、转台106、控制箱107、同步带轮109、同步带110和进给驱动电机111，其中，所述的加工***主机1的核心部件是机架本体101，所述的机架本体101顶部安装有进给驱动电机111，所述的进给驱动电机111输出轴上安装同步带轮109和同步带110，所述的机架本体101两侧面安装四个轴承座102，所述的轴承座102上安装滚珠丝杆103，所述的滚珠丝杆103上安装滑台104，所述的滑台104上安装驱动连杆105，所述的驱动连杆105上安装有气动研磨工具3和气动抛光工具4，所述的机架本体101中间位置安装有转台106，所述的机架本体101底部安装有电机108，所述的电机108的输出轴和转台106相连从而能够带动转台106转动，所述的机架本体101底部安装有控制箱107。
所述的工装吸盘工具2安装在加工***主机（1）上的转台106上，所述的转台106上有六个工位用于安装六个工装吸盘工具2，所述的工装吸盘工具2用于装夹待加工的单晶硅基片，其中工位A、D为研磨加工工位，工位B、C为抛光加工工位，其余两个为基片安装工位，所述的气动研磨工具3安装在加工***主机1上的驱动连杆105上的工位A和工位D，所述的气动抛光工具4安装在加工***主机1上的驱动连杆105上的工位B和工位C。所述的电机108控制转台106，使工装吸盘工具2在完成一个加工工艺后转过60°，完成不同工位的切换。
所述的工装吸盘工具2，包括吸盘201、定位圈202、旋转电机203，其特征在于：所述的吸盘201上安装所述的定位圈202用于快速定位待加工的单晶硅基片，所述的定位圈202是圆环型的，圆环内径与基片尺寸一致，因此基片每次都能够高精度的固定安装在吸盘内。所述的吸盘201下侧与旋转电机203的输出轴相连，旋转电机203驱动吸盘201旋转。完成安装基片后，转台106逆时针转过60°，使基片进入研磨工位。
再进一步，所述的气动研磨工具3安装在加工***主机1上的驱动连杆105上，对应工装吸盘工具2的工位A和D，所述的气动抛光工具4安装在加工***主机1上的驱动连杆105上，对应工装吸盘工具2的工位B和C。通过控制所述的进给驱动电机111经过同步带轮109和同步带110的运动传递驱动滚珠丝杆103转动，实现滑台104的上下移动完成气动研磨工具3和气动抛光工具4同时进给功能。
所述的气动研磨工具3，包括研磨底座301、研磨转盘302、研磨环形橡胶圈303、软固结磨粒层304和研磨电机305，所述的研磨底座301上部安装研磨电机305，所述的研磨电机305驱动所述的研磨转盘302，所述的研磨环形橡胶圈303安装在转盘上，研磨环形橡胶圈303内部有空腔从而可以充入气压P以达到调控功能，所述的研磨环形橡胶圈303外侧通过强力粘结剂将所述的软固结磨粒层304固着在研磨环形橡胶圈303上，所述的软固结磨粒层304是由金刚石磨粒和玻璃胶混合而压制成的，具有一定的柔性。为了保证基片能被全面加工，要求环形橡胶圈303的截面的圆心穿过工装吸盘工具2的回转轴线。完成研磨加工后，所述的滑台104上升，转台106逆时针转过60°，使基片进入抛光加工工位。
所述的气动抛光工具4，包括抛光底座401、抛光转盘402、抛光环形橡胶圈403、纤维层406、喷管404和抛光电机405，所述的抛光底座401上部安装抛光电机405，所述的抛光电机405驱动所述的抛光转盘402，所述的抛光环形橡胶圈403安装在转盘上，抛光环形橡胶圈403内部通过所述的抛光转盘402可以充入气压P，所述的抛光环形橡胶圈403外侧通过强力粘结剂将所述的纤维层406固着在抛光橡胶圈403上，纤维层用于附着研磨抛光液407，所述的喷管404安装在机架本体101上，喷管404喷出抛光所需的研磨抛光液407。
为了保证基片能被全面加工，也要求环形橡胶圈403的截面的圆心穿过工装吸盘工具2的回转轴线。完成抛光加工后，所述的滑台104上升，大转台106再次逆时针转过60°，使基片进入抛光安装工位，卸下加工完成的基片，装上新的基片，完成一次循环。
由于加工***具有对称结构，一次循环能够同时完成两片基片的加工。
本发明是根据基片加工中容易出现翘曲变形，极端情况下甚至发生基片崩裂的问题而提出的。在研磨加工阶段，通过利用柔软的弹性性能良好的橡胶圈作为支撑，并在橡胶圈表面利用粘结剂固结上磨粒层，因此磨粒表现出一定的柔软性，能够减小研磨过程中基片的残余应力。通过控制橡胶圈内部的充气压力，又可以调节橡胶圈的软硬，从而实现研磨加工的压力可控，进一步改善加工的条件。在抛光加工阶段，所用的是气动抛光工具，喷管喷出研磨抛光液至气动抛光工具的纤维层上，附着在纤维层上的抛光液对基片进行抛光加工。此外，由于都是橡胶圈支撑结构，提高了加工接触面，有利于提高加工效率。由于两个加工阶段是在一套加工***内完成的，因此减少了基片安装次数和时间，提高了安装精度。

Claims (4)

1.一种用于基片加工的研磨与抛光两用柔性加工装置，包括加工***主机（1）、工装吸盘工具（2）、气动研磨工具（3）、气动抛光工具（4），其特征在于：所述的加工***主机（1），包括机架本体（101）、轴承座（102）、电机（108）、滚珠丝杆（103）、滑台（104）、驱动连杆（105）、转台（106）、控制箱（107）、同步带轮（109）、同步带（110）和进给驱动电机（111），其中，所述的加工***主机（1）的核心部件是机架本体（101），所述的机架本体（101）顶部安装有进给驱动电机（111），所述的进给驱动电机（111）输出轴上安装同步带轮（109）和同步带（110），所述的机架本体（101）两侧面安装四个轴承座（102），所述的轴承座（102）上安装滚珠丝杆（103），所述的滚珠丝杆（103）上安装滑台（104），所述的滑台（104）上安装驱动连杆（105），所述的驱动连杆（105）上安装有气动研磨工具（3）和气动抛光工具（4），所述的机架本体（101）中间位置安装有转台（106），所述的机架本体（101）底部安装有电机（108），所述的电机（108）的输出轴和转台（106）相连从而能够带动转台（106）转动，所述的机架本体（101）底部安装有控制箱（107）；
所述的工装吸盘工具（2）安装在加工***主机（1）上的转台（106）上，所述的转台（106）上有六个工位用于安装六个工装吸盘工具（2），所述的气动研磨工具（3）安装在加工***主机（1）上的驱动连杆（105）上的工位A和工位D，所述的气动抛光工具（4）安装在加工***主机（1）上的驱动连杆（105）上的工位B和工位C。
2.根据权利要求1所述的一种用于基片加工的研磨与抛光两用柔性加工装置，其特征在于：所述的工装吸盘工具（2），包括吸盘（201）、定位圈（202）、旋转电机（203），所述的吸盘（201）上安装所述的定位圈（202）用于定位待加工的基片，所述的工装吸盘（2）下侧与旋转电机（203）的输出轴相连，所述的旋转电机（203）安装在转台（106）上，所述的旋转电机（203）运转时带动吸盘（201）旋转。
3.根据权利要求1所述的一种用于基片加工的研磨与抛光两用柔性加工装置，其特征在于：所述的气动研磨工具（3），包括研磨底座（301）、研磨转盘（302）、研磨环形橡胶圈（303）、软固结磨粒层（304）和研磨电机（305），所述的研磨底座（301）上部安装研磨电机（305），所述的研磨电机（305）驱动所述的研磨转盘（302），所述的研磨环形橡胶圈（303）安装在转盘上，研磨环形橡胶圈（303）内部有空腔从而可以充入气压（P）以达到调控功能，所述的研磨环形橡胶圈（303）外侧通过强力粘结剂将所述的软固结磨粒层（304）固着在研磨环形橡胶圈（303）上，所述的软固结磨粒层（304）是由金刚石磨粒和玻璃胶混合而压制成的，具有一定的柔性。
4.根据权利要求1所述的一种用于基片加工的研磨与抛光两用柔性加工装置，其特征在于：所述的气动抛光工具（4），包括抛光底座（401）、抛光转盘（402）、抛光环形橡胶圈（403）、纤维层（406）、喷管（404）和抛光电机（405），所述的抛光底座（401）上部安装抛光电机（405），所述的抛光电机（405）驱动所述的抛光转盘（402），所述的抛光环形橡胶圈（403）安装在转盘上，抛光环形橡胶圈（403）内部通过所述的抛光转盘（402）可以充入气压（P），所述的抛光环形橡胶圈（403）外侧通过强力粘结剂将所述的纤维层（406）固着在抛光橡胶圈（403）上，纤维层用于附着研磨抛光液（407），所述的喷管（404）安装在机架本体（101）上，喷管（404）喷出抛光所需的研磨抛光液（407）。
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