單晶硅窄縫化學(xué)機(jī)械拋光的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

喬晨翊 王昆

(同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院,上海 201804)

0 概述

單晶硅是具有優(yōu)異的光學(xué)性能、極高的反射率和很高的折射系數(shù)的半導(dǎo)體材料[1]。在室溫時(shí),單晶硅的禁帶寬度為1.12eV,雖然其在可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)是不透明的,但可被接近紅外光譜頻率的光線所穿透,因此單晶硅被廣泛應(yīng)用在制作接近紅外光譜頻率的光學(xué)元件、紅外及γ射線的探測(cè)器和太陽(yáng)能電池等用途上[2]。單晶硅也常被用于制作衍射晶體,在材料化學(xué)、凝聚態(tài)物理、高能物理等不同領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[3]。

適用于單晶硅這類(lèi)硬脆材料的拋光加工技術(shù)主要有離子束拋光(IBF)、磁流變拋光(MRF)、射流拋光、氣囊拋光和化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)[4],其中化學(xué)機(jī)械拋光是唯一能做到全局平坦化的技術(shù)[5]。CMP拋光主要是利用氧化反應(yīng)使得材料原子分子之間的鍵能被削弱,從而形成新的氧化分子層,在拋光磨粒的機(jī)械磨削作用下實(shí)現(xiàn)材料的去除。

圖1 化學(xué)機(jī)械拋光加工示意圖Fig.1 Schematic diagram of chemical mechanical polishing

本文在繼承傳統(tǒng)的化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)的基礎(chǔ)上,如圖1所示,由PC機(jī)+固高GTS-800-PV(G)_PCI系列運(yùn)動(dòng)控制器構(gòu)成的開(kāi)放式控制系統(tǒng),設(shè)計(jì)了化學(xué)機(jī)械拋光控制系統(tǒng),這套控制系統(tǒng)可以針對(duì)不同規(guī)格的單晶硅晶片計(jì)算出最有效的運(yùn)動(dòng)參數(shù),得到符合表面質(zhì)量要求的單晶硅窄縫表面。

1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

單晶硅化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)的主要運(yùn)動(dòng)形式由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)組合而成,因此需要以下控制設(shè)備,如圖2所示。

(1)具有PCI接口的計(jì)算機(jī);

(2)YASKAMA Σ-7伺服電機(jī);

(3)YASKAMA Σ-7伺服單元;

(4)+24V直流電源(用于接口板電源);

(5)固高運(yùn)動(dòng)控制器。

圖2 單晶硅化學(xué)機(jī)械拋光控制系統(tǒng)組成Fig.2 Composition of single crystal silicon chemical mechanical polishing control system

伺服電機(jī)有兩種選擇:(1)交流伺服電機(jī);(2)直流伺服電機(jī)。在本系統(tǒng)中,將具有PCI接口的計(jì)算機(jī)設(shè)置為上位機(jī),下位機(jī)為固高運(yùn)動(dòng)控制器的PCI串口通訊。通過(guò)連接電纜將上、下位機(jī)連接在一起。運(yùn)動(dòng)控制器由24V直流電源供電。運(yùn)動(dòng)控制器正常工作時(shí),控制模式為開(kāi)環(huán)控制能,并能提供兩種不同的信號(hào)(正脈沖/負(fù)脈沖和脈沖+方向)。

圖3 拋光設(shè)備工作流程圖Fig.3 Work flow chart of polishing equipment

拋光的工作流程可以概括為:單晶硅片固定在X軸電動(dòng)平移臺(tái)上,平移臺(tái)上有Y向與Z向的平移臺(tái),可調(diào)節(jié)硅片與拋光墊的相對(duì)位置。電動(dòng)平移臺(tái)使硅片做X方向的水平往復(fù)運(yùn)動(dòng),同時(shí)拋光板兩端分別連接一個(gè)旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī),通過(guò)固高運(yùn)動(dòng)控制器使兩電機(jī)做同向同步旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)速度可通過(guò)程序進(jìn)行設(shè)置調(diào)整,使拋光板在XY平面內(nèi)做平行四邊形運(yùn)動(dòng)。完成單晶硅的化學(xué)機(jī)械拋光。

2 控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

拋光工程流程可簡(jiǎn)化為如圖3所示的流程圖。

影響表面粗糙度的關(guān)鍵因素分別是拋光板和工件的速度、兩者的運(yùn)動(dòng)軌跡[6]。水平電動(dòng)平移臺(tái)通過(guò)USB接口將伺服單元直接連接至電腦,再運(yùn)用YASKAMA公司的軟件Sigma Win+,進(jìn)入“JOG程序運(yùn)行”。“JOG程序運(yùn)行”是指以事先設(shè)定的運(yùn)動(dòng)模式(移動(dòng)距離、移動(dòng)速度、加減速時(shí)間、等待時(shí)間、移動(dòng)次數(shù))執(zhí)行連續(xù)運(yùn)行的功能,在設(shè)定時(shí)不連接上位機(jī),可以確認(rèn)伺服電機(jī)的動(dòng)作,執(zhí)行簡(jiǎn)單的定位動(dòng)作[7]。參數(shù)設(shè)置界面如圖4所示。將JOG運(yùn)行模式設(shè)置成Pn4或者Pn5模式,即(等待時(shí)間正傳移動(dòng)等待時(shí)間反轉(zhuǎn)移動(dòng))×移動(dòng)次數(shù),完成水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

圖5 旋轉(zhuǎn)電機(jī)控制主界面圖Fig.5 Rotating motor control main interface diagram

圖4 Sigma Win+Jog程序運(yùn)行界面Fig.4 Sigma Win+Jog program running interface

圖6 單晶硅拋光樣件Fig.6 Monocrystalline silicon polishing sample

兩旋轉(zhuǎn)電機(jī)通過(guò)固高運(yùn)動(dòng)控制器實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動(dòng)。固高運(yùn)動(dòng)控制器可以通過(guò)支持動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的開(kāi)發(fā)工具來(lái)開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序從而控制電機(jī)達(dá)到變速的效果。目前較為便捷的可視化編程軟件中,C++Builder應(yīng)用較為廣泛。本文運(yùn)用Borland公司的C++Builder對(duì)兩個(gè)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的同步變速運(yùn)動(dòng)進(jìn)行編程。程序分為三個(gè)部分:創(chuàng)造主界面、主程序的編寫(xiě)、電機(jī)同步可變速運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)。

首先要建立上位機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制卡之間的通訊。調(diào)用GT_Open()函數(shù)打開(kāi)運(yùn)動(dòng)控制卡。隨后,調(diào)用GT_Reset()將運(yùn)動(dòng)控制卡的所有寄存器恢復(fù)到初始狀態(tài)。接下來(lái)需要調(diào)用GT_LoadConfig()函數(shù)配置運(yùn)動(dòng)控制器,此時(shí)配置文件取消了各軸的報(bào)警和限位。通過(guò)GT_ClrStr(1,8)清除各軸的報(bào)警和限位[8]。

接下來(lái)簡(jiǎn)單介紹兩軸的運(yùn)動(dòng)模式的編寫(xiě)。因?yàn)橛袃蓚€(gè)旋轉(zhuǎn)電機(jī),因此引入兩個(gè)變量分別是AXIS1和AXIS2。可以實(shí)現(xiàn)兩軸同步旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)模式有兩種:(1)兩軸分別設(shè)置JOG模式,但需要保證兩軸初始位置相同;(2)電子齒輪模式,但從動(dòng)軸的傳動(dòng)比從0逐漸增大到設(shè)定的傳動(dòng)比需要一段離合區(qū)。離合區(qū)越大,從動(dòng)軸傳動(dòng)比的變化過(guò)程越平穩(wěn)。因?yàn)閮蓚€(gè)軸之間有一塊拋光板連接,需要保證兩軸始終同步且平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng),因此選用JOG模式比較合適。

調(diào)用GT_PrfJog(AXIS)函數(shù)將兩個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)形式定義為JOG模式。建立一個(gè)Form,可在框內(nèi)輸入速度值,如圖5所示。在所有工序都完成后,需調(diào)用GT_Stop(),使電機(jī)以0.0625脈沖/毫秒2的減速度平緩的停止。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用本文設(shè)計(jì)的單晶硅化學(xué)機(jī)械拋光系統(tǒng),按照規(guī)定方法對(duì)120mm×55mm×6mm的單晶硅晶片進(jìn)行拋光,可得到如圖6所示單晶硅樣本,表面粗糙度可達(dá)到1nm左右,滿足表面粗糙度要求。