環拋機薄片工件可調式承載器的設計與制造

趙思龍，朱楠楠，唐 磊，王 寧，陶 純，丁 度，朱林偉

(南京工業職業技術大學，江蘇 南京210023)

隨著信息化社會的發展，半導體材料已經滲透到國計民生的各個方面，其作為尖端技術和高附加值產業發展的基礎材料而備受各國關注。近幾年在5G和新能源汽車等新市場需求的驅動下，第三代半導體材料迎來了飛速發展。典型的第三代半導體材料碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氮化鋁（AlN）、氧化鋅（ZnO）[1-4]因具有更寬的禁帶寬度、更高的擊穿電場和更高的熱導率、更高的抗輻射能力、更大的電子飽和漂移速率等優異特性在光電子和微電子領域成為研究熱點。目前，極具市場前景的5G基站、新能源汽車和快充、軌道交通、光伏發電等都是第三代半導體的重要應用領域，如圖1所示。

圖1 第三代半導體材料的部分應用

與第一代、第二代半導體材料相比，第三代半導體材料具有良好的力學、化學、熱學性能，包括低密度、高比剛度、良好的熱穩定性和導熱性等優良性能，具有良好的光學性能和加工特性，無毒性，通過坯體工藝能實現復雜形狀的近尺寸成型，不但減輕器件質量，還能簡化加工工序，成為高頻化、輕薄化應用的首選。由于多用于功率器件和襯底材料，高精度、低損傷的加工表面是半導體器件保持優良特性的前提，因此對其加工精度和表面質量有著非常嚴格的要求。但第三代半導體材料多為具有高硬脆性（如SiC莫氏硬度9.5、AlN莫氏硬度9等）與強化學惰性特點，導致其晶片加工過程效率低、表面質量差，高效超精密加工成為迫切需要攻克的難題。

目前廣泛應用的半導體晶片表面加工方法是研磨拋光技術。其中化學機械拋光技術（CMP）[5，6]主要用于全局平坦化，如圖2（a）所示，結合化學作用及機械作用對工件進行研磨拋光，獲得超光滑表面，但其研磨拋光過程中磨料是添加在研磨液中的，這就導致磨粒運動軌跡不確定、加工效率低、磨粒利用率低、廢液對環境不友好等缺陷；固結磨料研磨拋光技術（FAP）[7-9]將磨粒固結在研拋墊基體中，研拋液中不含磨粒，只添加必要的化學試劑如氧化劑、潤濕劑、pH值調節劑等，工作原理如圖2（b）所示。相對于傳統CMP技術，FAP技術由于磨料顆粒固定在研拋墊基體表面，研磨亞表面損傷小，同時工件表面一致性好，加工效率高，磨粒利用率高，因此受到了眾多研究人員的關注。

在晶片實際加工過程中多采用環拋機加工薄片工件，由電動機帶動安裝在環拋機主軸上的研磨盤旋轉，研磨墊、工件、研磨液在載荷的作用下產生摩擦、犁削，從而實現去除材料、光滑表面的目的，工件在相對運動中由承載器固定在工作面上，載荷由承載器上方疊加的一定質量的砝碼提供（如圖2所示）。薄片工件與承載器的裝載多采用粘結方式[10]，即加熱使石蠟融化做粘結劑，將工件粘貼在承載器上，石蠟冷卻后形成可靠裝載，如圖3所示；待加工完成后再次加熱融化石蠟，卸載工件。這種方式雖然裝載可靠，但操作比較繁瑣耗時，不僅要反復刮蠟清洗，而且對于方形薄片工件容易導致邊角受力不均、甚至磕碰損傷。

圖2 研磨拋光加工示意圖

圖3 石蠟粘結裝載工件

針對工件裝載卸載存在的問題，通過常用機構設計一種適用于環拋機且便于操作的薄片工件可調式承載器，實現薄片工件快速裝載、卸載，達到提高加工效率的同時保證裝載可靠性的目的。本次設計的試制過程采用具有節省材料、個性化設計、研發周期短等優點的3D打印增材制造技術[11-13]來實現。

1 可調式承載器結構設計

本設計通過齒輪齒條機構帶動兩對卡爪移動，實現薄片工件的快速裝卸、裝載工件尺寸形狀可調節等目標，制備一種適用于環拋機的便于裝卸薄片工件的可調式承載器，達到提高加工輔助效率同時保證裝載可靠性的目的。本文以100 mm（4英寸）圓形環拋機調整環為例描述可調式承載器機械結構，工件最大尺寸為60 mm×60 mm，厚度為0.5 mm（當晶片的厚度改變時，更換對應的卡爪規格尺寸即可實現相同功能）。

可調式承載器通過齒輪齒條帶動兩對邊卡爪對稱移動，保證工件裝夾位置處于承載器正中，使工件受力均勻，如圖4所示。通過齒輪軸和齒輪的間隙配合（如圖5所示的裝配關系），分別調整齒輪軸和齒輪即可實現兩對卡爪（如圖6所示）的單動，同時結構緊湊、便于操作。可調式承載器配套有調整扳手（如圖7所示），扳手一端與齒輪端部的兩個小孔配合旋轉，另一端為一字型，與齒輪軸端部的一字槽配合。分別旋轉齒輪軸和齒輪，調整兩對移動卡爪至合適位置，可適應不同尺寸、不同形狀的工件。

圖4 整體結構

圖5 齒輪軸和齒輪裝配關系

圖6 卡爪-齒條結構

圖7 配套調整扳手

采用真空吸附墊（如圖4黑色區域）實現承載器工作面對薄片工件的吸附作用，其獨特的孔隙結構吸附工件時性能如真空狀態吸附一樣可靠，薄片工件貼在吸附墊上，用手緩慢扭轉擠壓排出多余空氣，即可牢固裝載；加工完成后只要輕輕扭動或撬動工件，使少量空氣進入貼合面破壞真空環境，工件即可迅速從吸附墊表面卸載下來，操作簡單方便，省去了反復加熱融蠟清洗等步驟，縮短了加工輔助時間，提高了加工效率。

承載器通過螺釘連接下蓋板和上蓋板，當卡爪調整到合適位置后，擰緊螺釘。其中彈性墊片選用聚氨酯、絨布等彈性大、表面粗糙的材料，在上下蓋板的擠壓下，齒輪軸、彈性墊片和齒輪表面貼緊，在摩擦力作用下齒輪齒條處于鎖緊狀態。與機械防松結構相比，通過摩擦防松實現卡爪與齒輪鎖死，不僅簡單而且結構緊湊，節省了設計空間。

2 產品試制

本設計制備材料選用PLA塑料材質，此類材料表面硬度不高、質量輕，同時具有一定的強度。卡爪端面距離研磨墊較近時，即使卡爪出現輕微磨損，低硬度的塑料磨屑也不會劃傷工件表面；塑料整體質量輕，在組合砝碼加載時不會影響到載荷的計算，有利于精確加載。

可調承載器基于3D打印技術試制，先通過UG快速建模造型，直觀感受產品各個零件的裝配關系，并做干涉檢查，及時優化各部分的結構與尺寸，為3D打印試制提供模型文件。在3D打印過程中，參數的合理設置極為重要，本設計的試制主要體現在卡爪的打印成型上。卡爪卡口厚度僅為0.4 mm，若打印參數設置不合理，則會出現卡爪卡口強度不足造成翹曲（如圖8所示）。經過多次實驗，當參數設置為：層高0.05 mm，壁厚0.8 mm，底層/頂層厚度0.05 mm，填充密度50%，打印速度50 mm/s，支撐類型：全部支撐；平臺附著類型：底層邊線（如圖9、10所示），在此參數下，3D打印的卡爪卡口處強度足夠，無翹曲現象。

圖8 卡口發生翹曲

圖9 卡口3D打印參數設置

圖10 卡口3D打印仿真圖

可調承載器采用3D打印技術試制，縮短產品生產制造周期，制造效率顯著提高，打印產品質量好、制造成本低。經測試，工件粘貼至可調式承載器工作面上時裝載可靠，操作簡便，如圖11所示

圖11 3D打印實物圖

。相比石蠟粘結方式，采用可調式承載器不僅裝載可靠，而且大大縮短了加工輔助時間。

3 結束語

與石蠟粘結方式相比，可調式承載器的結構簡單，操作便捷，提高加工輔助效率的同時能保證裝載可靠性；制造選用PLA塑料材質，不僅質量較輕，整體結構質量對研磨加載載荷的影響可忽略不計，而且材料表面硬度不高，細小磨屑不會劃傷工件表面，有利于研磨拋光加工的精確加載和表面質量提升；采用3D打印技術試制，制造時間短，試制效率高，質量好，制備成本低。