桌面級精密平面拋光機(jī)轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

徐 航 孫應(yīng)歡 陳圳杰 孫斐源 楊凱濤 吳 喆

(合肥工業(yè)大學(xué)宣城校區(qū)機(jī)械工程系，安微 宣城 242000)

隨著物聯(lián)網(wǎng)、車用電子設(shè)備、先進(jìn)醫(yī)療器械、智能家居等應(yīng)用的不斷普及，全球相關(guān)行業(yè)半導(dǎo)體芯片需求正快速增長。芯片的微電子加工工藝均需要在半導(dǎo)體襯底基片上進(jìn)行，芯片市場需求激增也帶動了半導(dǎo)體襯底基片產(chǎn)能的迅速提升[1]。芯片微電子加工工藝對半導(dǎo)體襯底基片表面質(zhì)量與面型精度有很高要求，目前半導(dǎo)體襯底基片主要通過化學(xué)機(jī)械拋光(chemical mechanical polishing, CMP)等拋光工藝實(shí)現(xiàn)精密平面拋光。

CMP的實(shí)現(xiàn)依賴高精度、高旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的單平面拋光機(jī)。目前的單平面拋光機(jī)中，金相拋光機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，但拋光盤運(yùn)行時不穩(wěn)定，無法用于超精密拋光；日本HAMAI-HS360等類型的單平面拋光機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，可實(shí)現(xiàn)超精密拋光，但是其轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)不夠緊湊，占用空間大，且價(jià)格昂貴；近年來，桌面級設(shè)備由于結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間小而受到廣泛關(guān)注[2-4]，因此也出現(xiàn)了桌面級單平面拋光機(jī)。目前的桌面級單平面拋光機(jī)結(jié)構(gòu)較為緊湊，但是由于轉(zhuǎn)臺主軸采用傳統(tǒng)的雙滾動球軸承加法蘭的連接方式[5]，長時間偏載運(yùn)行后，拋光盤托盤易產(chǎn)生變形，從而使盤面產(chǎn)生傾斜，影響拋光面型精度。

本文研究設(shè)計(jì)了一種基于圓柱滾子平面推力軸承的新型桌面級精密單平面拋光機(jī)轉(zhuǎn)臺。闡述了轉(zhuǎn)臺的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并根據(jù)拋光盤支撐結(jié)構(gòu)對拋光盤運(yùn)動誤差進(jìn)行了估計(jì)。對偏載情況下本文所設(shè)計(jì)拋光盤支撐結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)拋光盤支撐結(jié)構(gòu)的拋光盤變形進(jìn)行了有限元分析。制作了轉(zhuǎn)臺樣機(jī)并對其空載與偏載時的拋光盤跳動進(jìn)行了測量與分析。

2 轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)平面拋光機(jī)轉(zhuǎn)臺整體結(jié)構(gòu)如圖1及圖2所示，其核心機(jī)構(gòu)為拋光盤支撐裝置。拋光盤支撐裝置由45鋼材質(zhì)底板及6061鋁合金材質(zhì)墊塊進(jìn)行支撐與固定。轉(zhuǎn)軸通過拋光盤支撐機(jī)構(gòu)與底座軸承實(shí)現(xiàn)徑向固定，并通過帶輪由交流減速電動機(jī)驅(qū)動。轉(zhuǎn)臺整體高度小于300 mm，拋光盤面到基座底面的高度小于 75 mm，實(shí)現(xiàn)了低重心設(shè)計(jì)，提高了整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。同時，該轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，占用空間小，基本實(shí)現(xiàn)了桌面級設(shè)備的規(guī)格要求。

拋光盤支撐裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示，采用了圓柱滾子平面推力軸承。該軸承作為各類高級數(shù)控機(jī)床精密回轉(zhuǎn)臺的重要部件[6]，具有良好的平面度、高回轉(zhuǎn)精度和高抗傾覆能力，且軸承自身的自重將拋光機(jī)體的重心大大降低。本文選用型號為89422EM/P4的雙列圓柱滾子平面推力軸承，參考轉(zhuǎn)速為650 r/min，可滿足精密平面拋光轉(zhuǎn)速需求。

圓柱滾子平面推力軸承需要設(shè)置一個預(yù)緊力，以保證其在低載、空載運(yùn)轉(zhuǎn)滾動體和滾道之間不發(fā)生相對滑動[7]。圓柱滾子平面推力軸承的最小軸向載荷Famin可表示為：

(1)

式中：Ka為最小載荷系數(shù)；C0a為靜態(tài)額定負(fù)載;n為轉(zhuǎn)速。對于89422軸承，Ka值為0.5，C0a為3 400 kN。考慮到典型精密平面拋光(如化學(xué)機(jī)械拋光)的工況，n值取100 r/min，則由式(1)可知軸承的最小軸向載荷Famin為1 705.8 N。拋光盤通過六個M5螺栓固定在中心盤托上，并向軸承上圈提供預(yù)緊力，則單個螺栓需提供的夾緊力為284.3 N。螺栓夾緊力與扭矩之間的關(guān)系可由式(2)表示：

T=F0kd

(2)

式中：T為螺栓扭矩；F0為夾緊力；k為扭矩系數(shù)，此處取0.2；d為螺栓直徑。則由式(2)可知安裝螺栓所需扭緊力矩最小為1.42 N·m。

考慮到所選用平面推力軸承上下無滾道，易發(fā)生徑向滑動而造成精度降低，因此我們采用脹緊套結(jié)合盤托和角接觸滾珠軸承固定推力圓柱滾子軸承的上圈部分，提高了軸承的同心度，進(jìn)而提高轉(zhuǎn)臺運(yùn)行精度，同時免去固定軸承的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，降低整體成本。選用脹緊套型號為Z2，其軸向承載力為132 kN。盤托外圓公差等級為H7，可以滿足脹緊套的安裝需求。底部采用法蘭與墊圈相配合的方式，提高軸承徑向定位精度。

由圖3所示的拋光盤支撐結(jié)構(gòu)可見，由于盤托僅與平面推力軸承的環(huán)面接觸，因此拋光盤轉(zhuǎn)動時的盤面跳動幅度ac可以表示為[8]：

ac=a1+a2

(3)

式中：a1為推力圓柱滾子軸承的軸向跳動，a2為零件端面的平行度積累誤差。a2只有平面推力軸承環(huán)面與拋光盤面的面型誤差。所選用推力圓柱滾子軸承的精度為P4級，其軸向跳動約為 6 μm，對拋光盤面造成的軸向跳動約為a1=12 μm。假設(shè)平面推力軸承環(huán)面與拋光盤面的面型誤差分別為10 μm與50 μm，則盤面旋轉(zhuǎn)時的跳動幅度為a1+a2<72 μm。精密平面拋光過程中，拋光盤端跳小于100 μm時，對試樣的拋光效果不產(chǎn)生影響[9]，因此本文所設(shè)計(jì)拋光機(jī)轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)可以滿足精密平面拋光的需求。

2 轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)有限元仿真

在Inventor有限元分析環(huán)境下對本文所設(shè)計(jì)拋光機(jī)轉(zhuǎn)臺的靜態(tài)加載性能進(jìn)行有限元分析。由于拋光機(jī)轉(zhuǎn)臺的完整3D模型較為復(fù)雜，且部分零件在轉(zhuǎn)臺運(yùn)行過程中對于拋光盤的受力影響不大，因此對轉(zhuǎn)臺3D模型進(jìn)行簡化。轉(zhuǎn)臺經(jīng)過簡化后主要分成三部分：拋光盤面、軸承和盤托部分，如圖4a所示。同時與傳統(tǒng)拋光盤支撐結(jié)構(gòu)靜態(tài)加載性能的有限元仿真結(jié)果進(jìn)行對比，兩種拋光機(jī)轉(zhuǎn)臺的仿真結(jié)構(gòu)如圖4所示。

轉(zhuǎn)臺模型中，拋光盤面和支撐底盤的材料為鋁合金6061，圓柱滾子平面推力軸承的材料為軸承鋼GCr15。這兩種材料的主要機(jī)械性能參數(shù)如表1所示。

表1 轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)材料的主要機(jī)械性能參數(shù)

材料物理參數(shù) 鋁6061軸承鋼(GCr15)楊氏模量/GPa68.900210.000泊松比0.3300.280切變模量/MPa25864.00081700.000密度/(g/cm3)2.7007.810屈服強(qiáng)度/(MPa)275.000518.420拉伸強(qiáng)度/(MPa)310.000861.300

分別對本文所設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)的拋光盤進(jìn)行靜態(tài)偏載，部分仿真計(jì)算參數(shù)如表2所示。在拋光盤上偏心距為70 mm、直徑為40 mm的局部區(qū)域分別向下施加30 N、40 N、50 N和60 N的作用力，并添加重力載荷[10]。兩種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)臺在60 N靜態(tài)偏載下沿Z軸方向位移分布如圖5所示。承受不同靜態(tài)偏載時，兩種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)臺沿Z軸方向最大位移量如表3所示。

表2 部分仿真計(jì)算參數(shù)

參數(shù)數(shù)值拋光盤直徑/mm230拋光盤轉(zhuǎn)速/(r/min)60拋光盤厚度/mm13摩擦系數(shù)μ0.4

由有限元分析結(jié)果可知，隨靜態(tài)偏載力的增加，兩種結(jié)構(gòu)的拋光機(jī)轉(zhuǎn)臺在Z軸方向最大位移量均逐漸增大。在相同靜態(tài)偏載力下，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)拋光機(jī)在Z軸方向最大位移量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)拋光機(jī)。因此，本文所設(shè)計(jì)拋光盤支撐結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)拋光盤支撐結(jié)構(gòu)相比，具有更好的偏載穩(wěn)定性，從而有利于保證拋光面型精度。

表3 兩種結(jié)構(gòu)在不同靜態(tài)偏載下沿Z軸方向最大位移量

結(jié)構(gòu)偏載力/N Z軸方向最大位移量/μm本文結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)308.781e-30.6748401.076e-20.8681501.275e-21.062601.476e-21.255

3 拋光盤動態(tài)端跳測量實(shí)驗(yàn)

基于上述設(shè)計(jì)，本文加工制作了該拋光機(jī)轉(zhuǎn)臺的樣機(jī)，如圖6及圖7所示。其中圖6為未安裝拋光盤的支撐結(jié)構(gòu)，圖7為安裝了拋光盤后的轉(zhuǎn)臺整體結(jié)構(gòu)。樣機(jī)中所使用89422EM/P4型圓柱滾子平面推力軸承的端面跳動實(shí)測為26 μm，拋光盤與盤托均為6061鋁合金材質(zhì)的車削加工件，拋光盤的車削加工平面度為50 μm。所使用交流減速電動機(jī)功率為160 W。

本文使用Mitutoyo 543-790型數(shù)顯千分表(重復(fù)精度2 μm)對拋光盤的動態(tài)偏載性能進(jìn)行測量，偏載通過砝碼加載?？蛰d及偏載時的拋光盤端跳測量場景如圖8與圖9所示。為減小隨機(jī)誤差的影響，保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文對相同轉(zhuǎn)速與載荷情況下的拋光盤跳動進(jìn)行十次測量并取均值作為最終測量結(jié)果。

在不同轉(zhuǎn)速下，拋光盤在空載和3 kg偏載情況下的端跳值變化如圖10所示，可見隨著拋光盤轉(zhuǎn)速的增大，拋光盤在空載與偏載時的端跳值均有所增加，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)速越高，拋光盤與滾柱軸承的徑向跳動越大。在偏載情況下，拋光盤端跳值較空載時平均增加了4.25 μm，這是由于轉(zhuǎn)臺樣機(jī)下部的墊塊與底座均為鋁合金材質(zhì)，在高轉(zhuǎn)速下剛度不夠，振動較大。后續(xù)研究中將采用鑄鐵材質(zhì)的機(jī)體與底座，進(jìn)一步提高偏載時拋光盤運(yùn)行的穩(wěn)定性。

拋光盤轉(zhuǎn)速為60 r/min時，拋光盤在不同偏載下的端跳值變化如圖11所示。由圖11可見隨著載荷值的增大，拋光盤端跳值未呈現(xiàn)增大趨勢，而是在62 μm附近波動，不會對試件的拋光產(chǎn)生影響。因此，本文所設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)臺由于采用了平面推力軸承作為拋光盤的支撐結(jié)構(gòu)，其拋光盤端跳值對于偏載的變化不敏感。在實(shí)際拋光加工過程中，根據(jù)材料去除效率(material removal rate，MRR)的Preston方程：

(4)

式中：Δz為拋光材料去除量；k為Preston系數(shù)；v為拋光顆粒與工件的相對運(yùn)動速度；p為拋光載荷。提高拋光盤轉(zhuǎn)速與增大拋光載荷均可提高拋光的材料去除效率。但當(dāng)拋光盤轉(zhuǎn)速過高時，拋光液會因?yàn)殡x心作用而飛出盤面，從而影響拋光效率。因此，增大拋光載荷是提高拋光效率的有效手段。本文所設(shè)計(jì)拋光機(jī)轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)對拋光載荷的提高不敏感，從而可以在提高拋光效率的同時保證拋光面型精度的穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種新型桌面級精密單平面拋光機(jī)的轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)，并對轉(zhuǎn)臺的偏載性能進(jìn)行了仿真與實(shí)驗(yàn)，結(jié)論如下：

(1)有限元分析結(jié)果表明，與傳統(tǒng)拋光盤支撐結(jié)構(gòu)相比，基于圓柱滾子平面推力軸承的拋光盤支撐結(jié)構(gòu)具有更高的偏載穩(wěn)定性能。新型拋光盤支撐結(jié)構(gòu)可以降低轉(zhuǎn)臺整體結(jié)構(gòu)重心，提高轉(zhuǎn)臺的運(yùn)行穩(wěn)定性。

(2) 拋光盤動態(tài)端跳測量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)盤面偏載逐漸增大時，拋光盤端跳值在62 μm處基本保持穩(wěn)定。因此，本文所設(shè)計(jì)拋光機(jī)轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)對偏載不敏感，可在增大拋光載荷、提高拋光效率的同時保證拋光面型精度的穩(wěn)定性。

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