CMP設備中拋光盤加工方案

郭忠華

中國電子科技集團公司第四十五研究所 北京 065201

1 序言

CMP化學機械拋光設備是我所承擔的國家重大專項，其設備的核心之一是承載拋光功能的拋光臺單元，拋光臺（見圖1）是CMP設備的重要組成部分，關系到拋光質量。拋光臺上臺面粘貼拋光墊，拋光過程中，拋光臺高速旋轉，在拋光頭壓力的作用和拋光液化學作用下實現晶圓的化學機械拋光，從而達到平坦化的效果。拋光臺單元的核心零件是由拋光臺上盤與下盤組合而成的拋光盤，其中拋光臺下盤是上盤的安裝基準，下盤也充當軸承內圈的壓蓋。由于拋光臺的運轉精度采用P4級的軸承，從而對下盤安裝軸承相關尺寸的幾何公差也提出了很高的要求。由此可見，拋光臺下盤是CMP設備拋光臺單元關鍵核心零件，其加工精度直接影響整個設備的拋光功能與效果。本文就拋光臺下盤的加工制造方案進行了詳細的分析與闡述，希望為今后類似零件的加工提供參考依據。

圖1 拋光臺

2 拋光臺下盤圖樣分析

拋光臺下盤材料采用美鋁6061-T651，采用硬質氧化處理，避免拋光液的腐蝕和增加材料的耐磨性，最大直徑為508mm，最大厚度70mm，整體結構大體為一盤型類零件（見圖2），主要精度指標為A基準面平面度0.006m m、表面粗糙度值R a要求0.8μm及φ250-0.050-0.096m m圓柱度要求0.003m m，止口φ160+0.040+0m m底部平面對A面的平行度0.008m m，70mm頂部平面對A面的平行度0.008mm。零件加工后進行硬質陽極氧化處理，采用硬質陽極氧化處理是為了避免拋光液的腐蝕和增加材料的耐磨性，個別表面噴涂防腐材料特氟龍。圖樣中標注的所有尺寸精度及幾何公差要求均為表面處理后的要求。

圖2 拋光臺下盤

3 工藝流程的制定及難點分析

3.1 工藝流程的制定

零件材料為美鋁6061，其是應用最為廣泛的鋁合金材料，有極為良好的塑性和較高的強度，切削加工性能好，因此毛坯采用75mm厚的鋁板，先粗車外圓φ508mm、外圓φ250-0.050-0.096mm，兩處外圓及總厚度均留單面余量1mm；經人工時效處理，加熱至185～195℃保溫12h，以釋放粗加工所產生的加工應力；處理后，半精車外圓φ5 0 8 m m、外圓φ250-0.050-0.096mm，兩處外圓及總厚度均留精車單面余量0.4mm，并加工所有環槽至圖樣尺寸；經立式加工中心加工所有聯接螺孔后，進行第二次人工時效處理，加熱至185～195℃保溫12h，以釋放半精加工所產生的加工應力；處理后，精車總厚70mm及密封環槽至圖樣尺寸，研磨A基準面至平面度0.006mm，保證表面粗糙度值Ra＝0.8μm；最后以研磨A基準面做基準，上花盤，精車φ250-0.050-0.096mm達圓柱度要求0.003mm，止口φ160+0.040+0mm底部平面達平行度要求0.008mm。所有尺寸公差均留有硬質陽極氧化處理鍍層余量，工藝流程如圖3所示。

圖3 工藝流程

3.2 加工難點分析

1）該件圓柱軸承安裝面φ250-0.050-0.096mm圓柱度要求0.003mm，表面粗糙度值僅為0.4μm，為形狀公差3級精度等級。如果精加工采用磨削加工，由于材料為美鋁6061，屬于有色金屬，易堵塞砂輪，加工較為困難，表面粗糙度及幾何公差都不易達到精度要求，所以該圓柱軸承安裝面只能采用金剛石高速精車方式。另外，由于先前加工的兩道環槽及止口，造成普通三爪裝夾外圓φ5 0 8 m m加工外圓φ250-0.050-0.096mm時極易產生裝夾變形且不容易校正，所以必須先設計工裝墊鐵，精密車削基準面A平面度達到0.006mm，再以A面為基準，通過花盤裝夾，在工件上鉆工藝孔，才能達到φ250-0.050-0.096mm圓柱度要求0.003mm，止口φ160+0.040+0mm底部平面對A面的平行度0.008mm。

2）由于所有尺寸公差及幾何公差均為表面處理后的要求，而該件表面所有面均要求進行硬質陽極氧化處理。硬質陽極氧化處理后，個別表面由于要求特殊，還要進行表面噴涂特氟龍處理，因此所有尺寸公差必須通過公差帶尺寸鏈換算成表面處理前的公差帶，以使硬質陽極氧化處理后達到圖樣尺寸公差要求。進行表面噴涂特氟龍處理后，還要進行局部表面研磨，以使相關表面幾何公差達到圖樣要求。

4 加工工藝難點解決方案

4.1 切削工藝參數的確定及相關工裝設計

該拋光臺下盤材料為美鋁6061，該材料具有以下特點：①鋁合金材料熔點低，車削時由于溫度升高，塑性變大，在高溫高壓作用下，切削界面摩擦力很大，容易粘刀，所以不容易獲得理想的表面粗糙度。②鋁合金材質軟，剛性差，彈性模量低，易產生切削變形，影響切削加工性能。基于以上兩個因素，加工該件時，必須選擇合理的最佳刀具切削參數，以保持刀具鋒利，并且粗、精加工分開，通過設計工裝夾具，減小工件變形。

（1）切削刀具及切削參數 粗車刀具材料采用高速鋼，刀具副后角約10°，縱向前角約35°，切削速度約為350m/min，進給量＜1mm/r，切削深度約5mm。

精車刀具材料采用硬質合金，刀具副后角約8°，縱向前角約15°，切削速度約為600m/min，進給量＜0.1mm/r，切削深度約0.3mm，并采用乳液冷卻。

（2）相關工裝設計 基準面A的平面度要求為0.006mm，是整個零件的設計、裝配及工藝基準，其重要性不言而喻。由于粗車時加工的兩道環槽及止口，造成普通三爪裝夾外圓φ508m m加工外圓φ250-0.050-0.096mm時極易產生裝夾變形且不容易校正，所以必須先設計工裝墊鐵，通過花盤裝夾，減小徑向變形來完成，原理如圖4所示。

圖4 花盤車削A面裝置原理

使用時，先用百分表、圓盤及平尺校正精密車床刀架移動對主軸的垂直度在0.008mm以內；然后在主軸上裝上通用花盤夾具，將花盤端面精車，保證平面度在0.008mm以內；在工件φ420mm圓周處做8處M8均布工藝通孔（見圖5），在花盤及支撐定位環φ420mm圓周處做8處φ10mm通孔；下盤工件與車床花盤通過精磨的兩面平行度非常高的支撐定位環聯接，通過8個M8螺栓在花盤里側將工件、支撐定位環及花盤聯接在一起，再高速精車A面。該裝置有效保證了經車削后，A面達到平面度0.01mm，經鉗工修研后，達到圖樣平面度要求的0.006mm。

圖5 工件工藝孔位置

4.2 硬質陽極氧化處理前尺寸的確定

硬質陽極氧化處理前尺寸的確定涉及尺寸鏈的換算，這里用圖解的方式加以說明。假設鍍層厚度在零件表面是均勻分布的，則鍍層對零件尺寸產生的影響為鍍層滲入一半、凸出一半，通過尺寸鏈的換算來求得零件尺寸增量，如圖6所示。

圖6 零件鍍層示意

圖6 中，D1為鍍前軸的直徑，D為鍍后軸的直徑，t為鍍層厚度，ΔD為鍍后軸的尺寸單邊增量，根據圖樣中幾何關系ΔD＝（D－D1）/2＝（D1＋t－D1）/2＝t/2（半個鍍層厚度），則直徑方向雙邊增量為一個鍍層厚度。

由于圖樣要求鍍層厚度為0.03mm，因此可以推算出外圓φ250-0.050-0.096mm的鍍前尺寸為φ250-0.08-0.12mm，同理，其他鍍前尺寸的計算以此類推。

4.3 表面噴涂特氟龍涂層后幾何公差的修復

拋光臺下盤由于長期工作在腐蝕溶液環境中，所以零件局部外圓表面必須噴涂特氟龍涂層用以防腐蝕。另外，由于噴涂過程是在400～450℃的較高溫度環境下進行，勢必會對零件已達到的精度幾何公差產生影響，所以在拋光臺下盤噴涂后，需對所有零件重新進行檢測，對因表面噴涂而產生的幾何公差超差的零件進行鉗工修研，直至達到圖樣要求。圖7所示為修研后的合格零件。

圖7 修研后的合格零件

5 結束語

綜上所述，在拋光臺下盤的工藝設計方案中，作為設計、工藝及安裝基準的A基準面及圓柱軸承安裝面φ250-0.050-0.096mm的精度要求為整個工藝設計方案中的核心，通過設計最優的刀具切削參數、專用的工裝設計、尺寸鏈換算出關鍵尺寸的鍍前尺寸及噴涂后的修研等一系列方案，零件經檢測部門檢測后，全部達到圖樣要求，經客戶安裝使用，完全達到使用要求。本文對毛坯的選擇、工藝路線的制定、難點分析、刀具參數的選擇、工裝的設計、鍍前尺寸的換算等做了簡要闡述，其中噴涂特氟龍涂層后的修研還有待進一步改進。希望本文的加工方案對今后類似拋光盤的加工具有一定的借鑒作用。