桌面級精密平面拋光機轉臺結構設計*

徐 航 孫應歡 陳圳杰 孫斐源 楊凱濤 吳 喆

(合肥工業大學宣城校區機械工程系，安微 宣城 242000)

隨著物聯網、車用電子設備、先進醫療器械、智能家居等應用的不斷普及，全球相關行業半導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體襯底基片上進行，芯片市場需求激增也帶動了半導體襯底基片產能的迅速提升[1]。芯片微電子加工工藝對半導體襯底基片表面質量與面型精度有很高要求，目前半導體襯底基片主要通過化學機械拋光(chemical mechanical polishing, CMP)等拋光工藝實現精密平面拋光。

CMP的實現依賴高精度、高旋轉穩定性的單平面拋光機。目前的單平面拋光機中，金相拋光機結構簡單，但拋光盤運行時不穩定，無法用于超精密拋光；日本HAMAI-HS360等類型的單平面拋光機運行平穩，可實現超精密拋光，但是其轉臺結構不夠緊湊，占用空間大，且價格昂貴；近年來，桌面級設備由于結構緊湊、占用空間小而受到廣泛關注[2-4]，因此也出現了桌面級單平面拋光機。目前的桌面級單平面拋光機結構較為緊湊，但是由于轉臺主軸采用傳統的雙滾動球軸承加法蘭的連接方式[5]，長時間偏載運行后，拋光盤托盤易產生變形，從而使盤面產生傾斜，影響拋光面型精度。

本文研究設計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轉臺。闡述了轉臺的總體結構設計，并根據拋光盤支撐結構對拋光盤運動誤差進行了估計。對偏載情況下本文所設計拋光盤支撐結構與傳統拋光盤支撐結構的拋光盤變形進行了有限元分析。制作了轉臺樣機并對其空載與偏載時的拋光盤跳動進行了測量與分析。

2 轉臺結構設計

本文所設計平面拋光機轉臺整體結構如圖1及圖2所示，其核心機構為拋光盤支撐裝置。拋光盤支撐裝置由45鋼材質底板及6061鋁合金材質墊塊進行支撐與固定。轉軸通過拋光盤支撐機構與底座軸承實現徑向固定，并通過帶輪由交流減速電動機驅動。轉臺整體高度小于300 mm，拋光盤面到基座底面的高度小于 75 mm，實現了低重心設計，提高了整體結構的穩定性。同時，該轉臺結構設計緊湊，占用空間小，基本實現了桌面級設備的規格要求。

拋光盤支撐裝置的結構設計如圖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控機床精密回轉臺的重要部件[6]，具有良好的平面度、高回轉精度和高抗傾覆能力，且軸承自身的自重將拋光機體的重心大大降低。本文選用型號為89422EM/P4的雙列圓柱滾子平面推力軸承，參考轉速為650 r/min，可滿足精密平面拋光轉速需求。

圓柱滾子平面推力軸承需要設置一個預緊力，以保證其在低載、空載運轉滾動體和滾道之間不發生相對滑動[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；C0a為靜態額定負載;n為轉速。對于89422軸承，Ka值為0.5，C0a為3 400 kN?？紤]到典型精密平面拋光(如化學機械拋光)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，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，易發生徑向滑動而造成精度降低，因此我們采用脹緊套結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，進而提高轉臺運行精度，同時免去固定軸承的復雜結構，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構可見，由于盤托僅與平面推力軸承的環面接觸，因此拋光盤轉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。假設平面推力軸承環面與拋光盤面的面型誤差分別為10 μm與50 μm，則盤面旋轉時的跳動幅度為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生影響[9]，因此本文所設計拋光機轉臺結構可以滿足精密平面拋光的需求。

2 轉臺結構有限元仿真

在Inventor有限元分析環境下對本文所設計拋光機轉臺的靜態加載性能進行有限元分析。由于拋光機轉臺的完整3D模型較為復雜，且部分零件在轉臺運行過程中對于拋光盤的受力影響不大，因此對轉臺3D模型進行簡化。轉臺經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。同時與傳統拋光盤支撐結構靜態加載性能的有限元仿真結果進行對比，兩種拋光機轉臺的仿真結構如圖4所示。

轉臺模型中，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械性能參數如表1所示。

表1 轉臺結構材料的主要機械性能參數

材料物理參數 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屈服強度/(MPa)275.000518.420拉伸強度/(MPa)310.000861.300

分別對本文所設計轉臺結構和傳統轉臺結構的拋光盤進行靜態偏載，部分仿真計算參數如表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]。兩種結構轉臺在60 N靜態偏載下沿Z軸方向位移分布如圖5所示。承受不同靜態偏載時，兩種結構的轉臺沿Z軸方向最大位移量如表3所示。

表2 部分仿真計算參數

參數數值拋光盤直徑/mm230拋光盤轉速/(r/min)60拋光盤厚度/mm13摩擦系數μ0.4

由有限元分析結果可知，隨靜態偏載力的增加，兩種結構的拋光機轉臺在Z軸方向最大位移量均逐漸增大。在相同靜態偏載力下，現有結構拋光機在Z軸方向最大位移量遠遠小于傳統結構拋光機。因此，本文所設計拋光盤支撐結構與傳統拋光盤支撐結構相比，具有更好的偏載穩定性，從而有利于保證拋光面型精度。

表3 兩種結構在不同靜態偏載下沿Z軸方向最大位移量

結構偏載力/N Z軸方向最大位移量/μm本文結構傳統結構308.781e-30.6748401.076e-20.8681501.275e-21.062601.476e-21.255

3 拋光盤動態端跳測量實驗

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

本文使用Mitutoyo 543-790型數顯千分表(重復精度2 μm)對拋光盤的動態偏載性能進行測量，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。為減小隨機誤差的影響，保證測量結果的準確性，本文對相同轉速與載荷情況下的拋光盤跳動進行十次測量并取均值作為最終測量結果。

在不同轉速下，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，這是因為轉速越高，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，這是由于轉臺樣機下部的墊塊與底座均為鋁合金材質，在高轉速下剛度不夠，振動較大。后續研究中將采用鑄鐵材質的機體與底座，進一步提高偏載時拋光盤運行的穩定性。

拋光盤轉速為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增大趨勢，而是在62 μm附近波動，不會對試件的拋光產生影響。因此，本文所設計轉臺由于采用了平面推力軸承作為拋光盤的支撐結構，其拋光盤端跳值對于偏載的變化不敏感。在實際拋光加工過程中，根據材料去除效率(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；v為拋光顆粒與工件的相對運動速度；p為拋光載荷。提高拋光盤轉速與增大拋光載荷均可提高拋光的材料去除效率。但當拋光盤轉速過高時，拋光液會因為離心作用而飛出盤面，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。本文所設計拋光機轉臺結構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定性。

4 結語

本文設計了一種新型桌面級精密單平面拋光機的轉臺結構，并對轉臺的偏載性能進行了仿真與實驗，結論如下：

(1)有限元分析結果表明，與傳統拋光盤支撐結構相比，基于圓柱滾子平面推力軸承的拋光盤支撐結構具有更高的偏載穩定性能。新型拋光盤支撐結構可以降低轉臺整體結構重心，提高轉臺的運行穩定性。

(2) 拋光盤動態端跳測量實驗結果表明，當盤面偏載逐漸增大時，拋光盤端跳值在62 μm處基本保持穩定。因此，本文所設計拋光機轉臺結構對偏載不敏感，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定性。

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