全自動硅棒滾圓開槽一體機的設計與應用

戴鑫輝，李 林，段景波，喬 石，徐公志，趙 曉

(青島高測科技股份有限公司，山東 青島 266114)

0 引言

半導體產業位于電子產業的最前端，技術密集度高，研發投入比例大。近年來，我國出臺相關大基金等扶持發展政策，極大促進了半導體行業的整體發展[1]。

半導體行業中，硅棒的前道加工過程包含硅棒滾圓、晶向檢測及開槽、切片等多個工序，從而形成硅片雛形，其中滾圓是對硅棒的外圓進行滾圓磨削加工，使硅棒的尺寸公差、形狀公差、表面粗糙度達到一定標準，為后續切片工序做準備。

目前，國內傳統半導體硅棒加工設備存在以下問題：加工硅棒尺寸范圍窄，只能滿足6"、8"半導體硅棒的加工，不具備加工12"硅棒的能力；自動化程度低，導致工人勞動強度高、加工效率低；設備功能單一，硅棒加工過程轉換工序多；設備穩定性差，加工精度低。本文針對半導體硅棒加工存在的上述問題，提出了一種新的全自動半導體硅棒滾圓開槽一體機設計方案，通過實際生產應用，有效解決了上述問題。設備實現了上下料、對中、加工、測量、晶向檢測等功能的全自動化，加工效率、加工精度和設備穩定性均可滿足國內半導體行業的需求。

1 全自動硅棒滾圓開槽一體機的功能及加工精度

滾圓開槽一體機可用來磨削加工長度在80 mm～800 mm范圍內的6"、8"和12"半導體硅棒的外圓面，對硅棒進行晶向定位并根據硅棒尺寸加工OF面(Orientation Face)或開V槽[2]，為下道切片工序做準備。

硅棒磨削直徑精度達±0.05 mm，硅棒圓度誤差小于0.03 mm，圓錐度小于1∶12 500，加工圓面表面粗糙度Ra≤0.4 μm，且表面無亮點、色差等缺陷。

2 全自動硅棒滾圓開槽一體機的總體方案設計

全自動硅棒滾圓開槽一體機總體布局如圖1所示。機床包含自動上下料組件、粗磨組件、開V槽組件、晶向檢測組件、硅棒夾持組件、探針檢測組件、精磨組件、底座組件；另外還包含水路系統、潤滑系統、整機防護等部分。

1-自動上下料組件；2，6-粗磨組件；3-開V槽組件；4-晶向檢測組件；5-硅棒夾持組件；7-探針檢測組件；8-精磨組件；9-底座組件

3 關鍵部件設計

3.1 底座組件

底座組件如圖2所示，它是整機設備的支撐基體。底座組件上設有粗磨組件、精磨組件、開V槽組件、晶向檢測組件的安裝工位；底座上還安裝有滾珠絲杠，用于驅動安裝在底座導軌上的硅棒夾持組件前后移動；底座組件尾部設有污水排水口。

底座采用HT250鑄造，兩次退火處理，以消除絕大部分鑄造內應力。

3.2 自動上下料組件

全自動硅棒滾圓開槽一體機配有上下料機器人和上下料工作臺，上下料過程均在上下料工作臺上操作，通過調整夾爪位置能夠實現6"、8"、12"硅棒的抓取。

自動上下料組件如圖3所示。上下料機器人抓取硅棒送至硅棒夾持區域，由固定夾頭和滑動夾頭夾住并旋轉硅棒；上下料機器人抓手上的探針用于檢測硅棒與夾頭軸線的重合度，并根據檢測結果調整硅棒位置，使硅棒軸線和夾頭軸線滿足同軸度要求。

1-底座；2-導軌滑塊；3-滾珠絲桿；4-晶向檢測組件安裝工位；5-開V槽組件安裝工位；6，7-粗磨組件安裝工位；8-精磨組件安裝工位

1-上下料機器人；2-探針；3-上下料工作臺

3.3 硅棒夾持組件

硅棒夾持組件結構如圖4所示。硅棒夾持組件包含滑動夾頭和固定夾頭，固定夾頭安裝固定在硅棒夾持組件基板上，滑動夾頭在硅棒夾持組件內部的滾珠絲杠驅動下前后移動，改變固定夾頭和滑動夾頭之間的距離，以達到夾持不同長度硅棒的目的。

1-滑動夾頭；2-夾持組件基板；3-固定夾頭

硅棒夾持組件固定夾頭和滑動夾頭內部各含有一個旋轉電機，可在夾緊硅棒后使硅棒以一定角速度進行旋轉，實現對硅棒整個圓面的滾圓磨削。

硅棒夾持組件安裝于底座組件的導軌上，硅棒夾持組件在滾珠絲杠驅動下可在底座上前后移動。

3.4 磨削組件

為了提高磨削效率，本設備設計有兩套粗磨組件，同時為了省略滾圓磨削后硅棒的腐蝕處理，設置了一套精磨組件。精磨組件和粗磨組件結構相同，只有安裝的杯型磨削砂輪目數不同；兩套粗磨組件分別設置在底座組件前端的兩側，兩個粗磨砂輪對半導體硅棒同時進行粗磨削，提高了加工效率；精磨組件設置在底座組件后端的一側，用于對半導體硅棒的精磨削。下面就單套磨削組件進行結構和功能介紹，磨削組件結構如圖5所示。

單套磨削組件包含垂直運動組件、旋轉組件和水平運動組件。

(1) 旋轉組件：旋轉電機通過聯軸器與軸承箱相連，帶動與軸承箱端部相連的杯型砂輪進行旋轉，軸承箱安裝在滑動支座內部。

(2) 垂直運動組件：氣缸固定在進給基座上且其伸縮軸和軸承箱外殼相連，旋轉組件隨氣缸伸縮可沿豎直導軌方向到達上下兩個極限位置。對硅棒進行滾圓磨削和OF面磨削時使用的砂輪磨削位置不同。當進行滾圓磨削時，氣缸伸縮軸伸長，旋轉組件位置下降，使用砂輪上邊緣對硅棒進行滾圓磨削；進行OF面磨削時，氣缸伸縮軸收縮，旋轉組件位置上升，使用砂輪中心邊緣位置對硅棒進行OF面磨削。

(3) 水平運動組件：硅棒每次磨削時砂輪所處的水平位置不同，伺服電機通過驅動滾珠絲杠使進給基座沿水平導軌方向前后運動，由此可實現磨削量的調整，并決定硅棒的最終磨削尺寸。

1-垂直運動組件；2-杯型砂輪；3-水平運動組件；4-旋轉組件

在其中一套粗磨組件的進給基座上安裝有一套探針檢測組件，探針檢測組件用于測量硅棒的直徑尺寸。實際磨削時，在粗磨削前，探針檢測組件測量未磨削硅棒直徑尺寸，自動計算單次粗磨量和粗磨次數并保留精磨余量；粗磨削結束后，探針檢測硅棒尺寸，計算單次精磨量和精磨次數；精磨削結束后，探針檢測硅棒最終直徑尺寸。

3.5 開V槽組件

開V槽組件結構如圖6所示。開V槽組件包含旋轉組件、進給基座、水平運動組件等。V型砂輪在旋轉組件電機驅動下旋轉，對硅棒進行開V槽加工，水平運動組件用于調整進給基座的水平方向位置，以控制V型砂輪距離硅棒的距離，從而控制硅棒開V槽的深度。

1-旋轉組件；2-V型砂輪；3-進給基座；4-水平運動組件

4 其他部件

4.1 晶向檢測組件

晶向檢測組件是利用X射線定向裝置檢測硅棒的晶向，確定硅棒V槽或OF面的位置；晶向檢測組件的前后進給采用伺服電機控制。

4.2 潤滑系統

設備配有自動潤滑系統，由潤滑泵對機床各潤滑點間歇性供油潤滑。潤滑系統可實現油壓調節、堵塞報警，潤滑周期和單次注油量由系統自動控制。

4.3 水路系統

采用水泵加壓供水，在粗磨組件、精磨組件、開V槽組件砂輪磨削處設有噴水口，用于對砂輪冷卻降溫，同時沖洗磨削時產生的硅粉，沖屑水沿機床底座上的排水口排出并集中處理。

4.4 機床防護

機床采用全封閉式防護，機床上下料通道的防護門由電控系統自動控制，保證生產人員的安全。

5 全自動硅棒滾圓開槽一體機工作過程及優勢

該硅棒滾圓開槽一體機的工作過程如下：上下料機器人抓取半導體硅棒送至硅棒夾持區域，由固定夾頭和滑動夾頭夾緊硅棒，固定夾頭和滑動夾頭上的旋轉電機轉動硅棒，上下料機器人探針檢測硅棒與夾頭軸線的重合度，并根據檢測結果調整硅棒位置；硅棒夾持組件夾持硅棒運行至磨削區域，兩組粗磨組件對硅棒進行滾圓粗磨削，精磨組件對硅棒進行滾圓精磨削；晶向檢測組件對硅棒晶向進行檢測定位，并根據檢測結果使用粗磨組件和精磨組件對6"硅棒進行粗磨和精磨OF面，或使用開V槽組件對8"或12"硅棒開V槽；硅棒夾持組件夾持硅棒退回至原位，并由上下料機器人取走已磨削完成的硅棒。

該設備可實現從上料、磨削、檢測、下料的全自動化運行，無需人工參與；設置兩套粗磨組件和一套精磨組件，兼顧了滾圓磨削效率和滾圓磨削精度，大大提高了生產能力。

該機床可加工長度為80 mm～800 mm的6"、8"或12"半導體硅棒，磨削OF面深度誤差為±0.06 mm，OF面表面粗糙度Ra≤1 μm，開V槽深度誤差為±0.05 mm，V型槽角度為89°～91°。經實際滾圓磨削驗證，和傳統半導體硅棒加工設備相比，硅棒加工效率和精度有極大提高，得到半導體行業的相關企業認可。

6 結語

全自動硅棒滾圓開槽一體機的設計，提高了國內半導體行業硅棒滾圓開槽加工技術水平，可滿足國內半導體行業對于滾圓高精度及高效率的迫切需求，為半導體行業專用機床的設計提供參考。