传统双面抛光机实验探计分析

随着光电子信息产业的快速发展，对作为光电子器件基片材料的蓝宝石、单晶硅等人工品片的表面粗糙度和平整度的要求越来越高，甚至要求获得纳米级加工精度的超光滑无损伤加工表面。双面抛光加工作为晶片超平滑表面加工最有效的技术手段之一，近年来受到了超精密加工研究领域和光电子材料生产加工企业的广泛关注与重视川。
    双面抛光加工是工件随行星轮做行星式转动的同时，上下表面由上下抛光盘施加压力，依靠抛光液中微小磨粒的划擦作用而微细去除表面材料的一种精密加工方法。传统的双面抛光机由于机床结构和控制系统的不完善，使加工的晶片平整度差，加工效率低，达不到光电子材料晶片苛刻的加工精度和表面质量要求，因此需要改进传统的研磨抛光设备，研制具有高加工精度的超精密双面抛光机以满足要求。本文在分析传统双面抛光机存在问题的基础上，从实现高精度的超精密双面抛光机要求出发，着重在机床结构方面提出了双面抛光机的优化措施。

1传统双面抛光机存在的问题
    国内传统的双面抛光机结构一般采用单电动机或双电动机通过齿轮传动使上下抛光盘、中心轮及齿圈运动.这类抛光机的共同缺点是:这种运动传递方式下抛光盘和工件分别只得到两种或三种速比，难以通过运动参数的调节改善工件运动轨迹的分布来提高加工精度;多级齿轮传动降低主轴系统的回转精度;抛光盘工作转速较低，主轴转速一般为40一60 r/min，加工效率低;控制系统不完善，只能简单地手动控制或半自动控制，不能精密控制加载过程;铸铁结构床身，单立柱结构，刚性相对较差，加工精度达不到品片的加工要求。

2实现超精密抛光的设备条件
    精密加工机床本身应具有高的精度、刚度、稳定性及自动化的性能。因此为获得纳米级精度的超光滑无损伤加工表面.超精密双面抛光机对其本身的精度及系统的性能要求也非常高。总结国外的高精度双面抛光机设备，优化设计后的机床应具有以下性能:(1)高的运动精度和稳定性;(2)有可控的工件运动轨迹，柔性启动、停止;(3)能精密控制加载过程;(4)具有自动化微机控制系统;(5)实现抛光盘的超精密平面修整。

    为使超精密双面抛光机具有以上性能，同时考虑传统双面抛光机存在的问题，从机床结构方面提出了如下的实现方案:(1)采用四个变频电动机分别拖动上下抛光盘、太阳轮、内齿圈，无级调速，软启动、软停止，使加工平稳可靠，冲击小;(2)采用超精密液体静压轴承的回转主轴系统及缩短传动链，提高机床的运动精度;(3)采用球头轴承浮动连接及数字阀控制气动伺服加载系统的上盘结构，保证加载均匀并精密控制加载过程;(4)改进抛光盘的修整方法，提高加工精度;(5)采用花岗岩工作台面及封闭式龙门箱形的主体式结构，提高机床的刚度及稳定性，改善机床工作环境。

3超精密双面抛光机设计中采用的优化措施
3.1采用四变频电动机独立驱动主轴组件
    由于超精密双面抛光机要求达到的加工精度高，要求主轴组件转动平稳、无冲击、刚度好、轴向间隙及径向跳动小，同时为调整运动参数.扩大机床的加工范围，主轴系统应具有变速功能。传统研抛机采用单/双电动机带动，通过齿轮传动系统实现上下抛光盘、太阳轮、内齿圈的转动。上下抛光盘与行星轮只有两种或三种转速比，限制了双面抛光加工运动轨迹的变化，缺乏对速度的精确控制;且转速低，抛光盘转速一般巧一60 r/min，中心轮及齿圈转速一般2一20 r/min，使工件加工效率低。针对以上缺点，采用四个电动机分别拖动上下抛盘、太阳轮、内齿圈，使它们具有独立的运动，设备具有可控的运动轨迹。中心轮、上下抛光盘最高转速为150 r/min，齿圈为75 r/min。机床传动系统的传动链变为电动机一皮带一机床主轴，减少了主轴传动环节上齿轮对主轴平稳运转的影响。另外采用变频调速器来实现电动机在运转中的无级调速，通过调整变频调速器的参数实现加工过程软启动、软停止。采用超精密光栅测控技术，使各主轴抛光转速精度控制在t 0. 1 r/s以内，减小加工过程的冲击与振荡，保证加工过程与加工质量的稳定性。

3.2主轴采用超精密液体静压轴承
    主轴回转系统包括主轴支承及驱动，它不仅要求有很高的回转精度，而且要能保持原精度长期稳定。滚动支承由于误差环节多、精度不高，因此下抛光盘主轴改用了液体静压轴承支撑。液体静压轴承与传统双面抛光机普遍采用的滚动轴承相比，运动精度可以提高一个数量级，从几个微米提高至零点几个微米，并提高机床运动的平稳性，减小振动。大端面静压轴承保证了具有较高的承载能力和刚度，液压油采用精密温控油箱控温，保证机床长时间在恒温的环境中工作。

3.3上盘采用球头轴承浮动连接
    如果气缸活塞杆与上抛光盘采用刚性连接，则要求上下抛光盘两个加工表面必须有很高的平行度，而且气缸活塞杆中心与带动上抛光盘运转的轴心要求有很高的同轴度，给机床的制造和安装带来许多困难。一旦制造或安装中产生误差，就会引起上抛光盘产生倾斜，最终使上下抛光盘不能很好地贴合，甚至上下抛光盘产生错盘现象，使工件受力不均，产生较大的尺寸误差及平面度误差。同时考虑上抛光盘工作时不仅要加载荷而且需要高速转动，一般的浮动接头结构达不到要求。因此，上抛光盘与气缸活塞杆采用球弧面的球轴承浮动连接，以吸收活塞杆和负载的偏心或不平行对活塞杆产生的偏心负载和横向负载，并允许上抛光盘X , Y,7,方向在+-30以内的摆动。上抛光盘运转轴心可作微量偏心滑移，使上下抛光盘能很好地贴合，保证抛光盘上的受力均匀及工件两个面的平行度。

3.4上盘采用数字阀控制气动伺服加载系统
    上抛光盘结构特别，非接触抛光时，要将上抛光盘相对工件(在下抛光盘上)浮起数微米;而在接触抛光时要对上抛光盘加载，最人载荷要达1 kN以上;停止抛光时，则又要将上抛光盘抬起一定高度。为实现该功能，上抛光盘采用静压气缸加载。同时为保证抛光时的压力调整要求，采用静压活塞。径向精度由气缸缸筒内表面保证，轴向精度由气缸下端面的精度来保证，调试以后使上抛光盘达到很高的径向定位精度和轴向定位精度。
    通过控制工件所受的加工压力来控制材料的去除，最终达到弱力乃至微力加工，是提高超光滑表面加工质量的重要途径之一。由于传统的减压阀控制的气动加载系统控制特性较差，不能精密地控制抛光压力，双而抛光机气动伺服加载系统。该系统由低摩擦双作用气缸、拉压两用S型载荷传感器、气动数字伺服阀、数字阀控制器,A/D,D/A、工控机、信号转换器等环节组成。由于采用了新型气压直接数字驱动技术，利用载荷传感器与高精密的气动控制系统联合实现压力闭环反馈控制，能精确控制抛光载荷。

3.5抛光盘的超精密研抛修整
    为了保证在加工过程中抛光盘具有较好的刚性，同时具有较好的抛光液吸附效果，选用不锈钢材料制作的抛光盘粘贴聚氨脂的类弹性抛光盘，保证抛光液分布均匀，达到稳定抛光效果。
    加工过程中，由于行星轮作自转运动的上、下抛光盘上，内外缘形成不同的相对抛光速度而引起抛光盘伞状变形。如果行星轮转向与抛光盘相同(顺向模式)，晶片上表面与上抛光盘外缘相对速度较小，而与‘F抛光盘的相对速度较大，因此上抛光垫表面材料去除较少，下抛光垫表面材料去除较多，形成中心凸起的“顺向模式”表面磨损变形;相反形成“逆向模式”的表面磨损变形。由于是采用聚氨脂抛光垫，不宜采用传统抛光盘磨削或梢车方式进行修整。改用竹制行星轮定期进行反向抛光研修或采用在加工过程中周期变向补偿等工艺方法，来减小或避免这一原因造成的加工表面变形。为优化机床采用的抛光加工工艺，在粗抛阶段可调速改变行星轮的转向，实现正反转要求，行星轮转速与变向周期取决于晶片表面材料去除状态变化。

3.6花岗岩工作台面及封闭式龙门箱形的主体结构
    为保证工件的平面度，抛光盘除了自身的平面度要保证外，抛光盘相对床身的工作台面的平行度也要保证。而抛光盘及与之相连的主轴组件都放在工作台面上，所以工作台面要求保持高的平面精度稳定性，否则工作台面变形会使得下抛光盘倾斜，最终使上下抛光盘不能很好地贴合，工件受力不均，产生较大的尺寸误差及平面度误差。必须采用尺寸稳定性好的材料作为工作台面的材料。花岗石比铸铁长期尺寸稳定性好，热膨胀系数低，对振动的衰减能力强，硬度高，耐磨且不生锈。因此改原来的铸铁床身为花岗石工作台面的床身，使机床具有较高的精度保持性。
    考虑到超精密加工中外界微小的变化对加工质量有较大的影响，同时在高速抛光加工时抛光液会由于离心作用而向外甩，所以改开式为封闭式的外壳罩来保证较洁净的加工环境;同时为提高机床的刚度，改一单立柱结构为龙门式主体结构。

4机床主要参数与实验结果
4.1机床主要参数
    改进设计后的MS -26BC型精密双面抛光机的主要参数如下:

    上下抛光盘尺寸分别为:380 mm x25 mm,140mm x25 mm
    上下抛光盘转速:0一150 r/min
    加工工件:4英寸晶片，每盘5片
    最小抛光厚度:0.3 mm
    加工表面精度:R, < 1 nm, Tlr < 2 um
    加工效率:5 5um/h4.2工艺试验
    在该机床上采用抛光加工工艺对4英寸(厚度0. 5 mm)单晶硅片进行了初步的工艺试验，

获得了表面粗糙度值为0. 533 nm、平面度小于+-2.58A(A=0.63 5m)的高精度硅晶片抛光表面，实现了硅片超光滑表而的加工。

5结语
    针对传统双面抛光机存在的缺陷，通过对机床传动系统、主轴支撑结构、上抛光盘加载系统、抛光盘修正、床身等结构优化设计，提高’了机床的梢度、刚度、稳定性及自动化的性能。研制开发的MS -26BC型超精密双面抛光机具有先进的机械结构，可实现蓝宝石、单晶硅等光电子材料品片的高效率、超光滑表面加工。达到国外同类双面抛光机的纳米级加工水平，可替代昂贵的进口设备。