半導體全自動滾圓開槽成形磨床

胡 苗 徐公志 于秀升

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

根據中國電子材料行業協會數據顯示， 8"半導體硅片月需求量約80萬片，預計從2020年開始月需求約為500萬片；12"硅片完全依賴進口，目前國內的總需求約為50萬片/月，預計到2020年總需求約為200萬片/月。中國300毫米硅片一直依賴進口，主要原因在于國外企業的技術封鎖（瓦圣納協議），同時大尺寸硅片對倒角、精密磨削等加工工藝要求高，國內還沒有掌握高良率的技術能力。

半導體行業目前是國家重點扶持的行業，而磨削半導體硅棒外圓、OF面/V槽（notch槽）全自動一體機磨床目前國內無生產廠家，國內半導體硅棒磨削主要采用分工序磨削，分別執行滾圓、開OF面/V槽（notch槽）操作磨削，質量差、效率低，為解決加工關鍵，國內半導體廠家只能依靠進口，而價格昂貴的進口磨床讓用戶難以接受。因此，半導體全自動滾圓開槽成形磨床對于改變半導體硅棒加工現狀，提高產品質量、效率，填補國內空白，減少設備進口具有重要意義。

1 機床基本布局

如圖1所示，機床采用四個磨頭對稱布局，半導體滾圓機采用機械手進行上下料，配合頭尾架夾持機構實現工件自動對中，主軸單元采用砂輪間距無級可調，實現大數據閉環控制，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，實現工件精密加工，各個環節的工序實現全自動化流轉。

圖1 機床布局圖

設備關鍵部件：底座組件、上下料工作臺、自動化機械手、夾持組件、粗磨進給組件（2個）、精磨進給組件、V槽開槽組件、工作臺縱向進給組件、晶向檢測裝置、尺寸檢測裝置、冷卻系統、設備防護罩、電控系統、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

工藝參數：分別以長度300mm的6”以下和8”以上晶棒為例，進行上料、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 關鍵技術

1)夾持組件

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

(2)采用固定頭架的設計來夾持硅棒的兩個端面，夾持力可達9000N以上，這種設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槽加工位置準確，也防止硅棒因電力中斷而墜落損壞；

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

(6)在尾架夾緊單元上配備砂輪位置校正傳感器；

(7)機構配有品牌防水穿墻護套利于走線密封。

2） 磨削技術

(1)實現粗、精磨外圓和OF面（或notch）加工；

(2)砂輪選擇采用業內認可的國外品牌；

(3)加工工藝實施與客戶技術共同設定實施，盡可能保證通用性；

(4)主軸電機采用伺服電機，保證磨削過程中的轉速及穩定的要求；

(5)主軸箱上下調整采用氣缸升降，可調硬限位控制位置。

3） 檢測組件

(1)利用X射線衍射原理在線檢測半導體晶棒晶向；

(2)伺服系統驅動技術，加上前后移動高精絲杠和導軌保證移動精度；

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

(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。

上料及下料采用機械人，具備自動對中功能。

5 關鍵部件介紹

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行檢測，探針與硅棒軸線在同一水平面上。當進行外圓檢測時，氣缸驅動硅棒外圓檢測裝置快速到檢測位置，進給機構進給和后退探測圓周上三個均布點，通過探針的反饋值就能夠計算出外圓半徑。（三點位置確定唯一圓，算出中心位置，再或者直接算出三個點上的半徑。）

2） 上下料方式

介紹：晶棒先放置于上料工作臺上，采用自動化機械手進行上下料，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，機械手夾爪能夠實現6"、8"和12"硅棒定心、進行棒料自動對中、上下料的功能；

機械手放置于設備一側，緊靠上料工作臺；具體結構如圖5所示。

圖5 上下料組件結構示意圖

3)分體式上下工作臺結構

介紹：頭尾架機硅棒夾持機構置于工作臺上。

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

圖6 上、下工作臺結構示意圖

6 結語

經過項目組全體員工的不懈努力和以“技術創新、轉型升級”為綱，公司生產的半導體全自動滾圓開槽成形磨床樣機已經試制成功，該機床的價格相對于進口機床很低，性能優于國外機床，今后一定會在用戶中發揮了很大的作用，取得了良好的經濟和社會效益。