纳米级超精密双面抛光机系统设计及制造原理

0引言
    随着微电子技术和信息技术的发展，各种光电子元件得到快速的发展并趋于高性能化。对光电子元件的关键零件—基片的材料的表面光洁度和平整度等加工精度提出了越来越高的要求，有的甚至要求达到纳米级或更高的加工精度和无损伤的表面加工质量面。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，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。
 目前我国超精密加工研究与应用水平还落后于工业技术发达国家，我国虽有众多光电子材料晶片生产企业，但多数工厂只能完成研磨加工及少量产品的单面抛光加工，尚存在工件加工表面平整度差、加工效率低等诸多间题，这一现象严重制约着生产企业的发展。国际上只有美国、日本、英国等少数工业发达国家能够生产双面抛光机产品，且价格昂贵。因此开展双面控制系统的研究，研制出具有自主产权的纳米级超精密双面抛光机，对提高我国光电子元件产品的加工水平具有重要意义。
 1 纳米抛光机的工作原理
 纳米级超精密双面抛光机的结构整个系统是由一个旋转的晶片夹持器、加载的上抛光盘、承载下抛光垫的工作台和抛光液供给装置4个部分组成。抛光机中4个电机分别控制上、下抛光盘，内齿圈和外齿圈。上抛光盘和下抛光盘通过电机带动，做反向旋转，承放工件的行星轮由中心轮和外齿圈带动，做缓慢的旋转以改变切削方向。抛光过程中，旋转上抛光盘以一定的压力压在旋转的工件和抛光垫上，而由亚微米或纳米磨粒和化学溶液组成的抛光液在工件与抛光垫之间流动，并产生化学反应，工件表面形成的化学反应物由磨粒的机械作用去除，即在化学成膜和机械去膜的交替过程中实现超精密表面加工。
 1.2纳米级超精密抛光机控制要求
 超精密双面抛光精度及效率与加工环境、抛光转速、抛光运行模式、抛光压力、抛光液温度、流量等情况有着直接关系。为真正实现晶片的纳米级超精密表面加工，对控制系统提出的主要要求有:(1)必须将各主轴抛光转速精度控制在+-0.1r/s以内，使工件加工总误差在1nm以内，以保证加工余量去除的一致性;(2)必须采用合理的“低速起动一无级提速—恒速加工—无级降速—低速停止”的抛光盘速度控制模式，避免加工速度变化过大对工件造成冲击损伤，以获得完美的加工质量和1nm以下(最高可达0. 12nm)的表面粗糙度;(3)必须控制加工环境的温度，设置高精度的抛光液温度检测补偿，以减少加工过程中所产生的热量对工件及机床本身的不利影响;(4)必须实现汽缸压力的精确控制，以精密控制抛光加工过程，实现平稳、高精度、高效率的抛光加工;(5)必须采用微机自动控制设备操作的模式，以排除操作人员人为因素对加工质量的影响，保证高水平、稳定一致的加工质量。
 1.3实现控制要求的关健因素及方案
 不同加工晶片材质的加工机理，抛光机的各项运动参数都有所不同，对控制系统提出了很高的技术要求，总结上述控制要求，其关键性因索有:(1)抛光盘压力精确控制;(2)抛光盘穗态运行的平稳度:(3)抛光盘运行模式控制;(4)抛光液温度的实时检测和流量的模糊控制;(5)微机自动控制模式的实现。针对以上技术难点，提出了如下的实现方案:采用Windows CE软件平台、图形化界面功能指示、高可靠性的实时操作系统、高精度光栅传感器、压力传感器、数字阀组成电气联合控制的控制系统，应用新型电气直接数字控制技术实现该机的自动加工。
 2纳米级超精密双面抛光机控制系统硬件设计
 纳米级超精密双面抛光机控制系统的原理主要包括电器控制系统和气动控制系统。电器控制系统主要由工控机、变频器、D/A接口、转速传感器组成;气动控制系统主要由储气罐、数字伺服阀、位移及压力传感器、气缸组成;其他还有抛光液流量控制系统和抛光液温度控制系统.

2.1抛光盘的稳态运行控制
 抛光盘的运行由电器系统控制，装置电器控制设计手动和自动两种方式，手动控制是考虑到在加工过程中出现意外时能及时控制设备，同时方便调试。电器自动控制主要是对4个电机的控制。由于变频器可以通过改变供电电源的频率来改变电动机的转速，可以实现抛光加工时软启动，软停止，且在加工不同阶段的无级变速，因此4个电机采用4个变频器来控制, 4个电机连接4个变频器，再通过D/A转换由1台工控机统一控制，通过工控机设定程序控制电机的转动。在工控机中拥有一套专家数据库，按照专家数据库提供的信息，对电机达到最优控制，完成对各种材料的抛光加工。同时在和4个电机相连的4根主轴上分别装有4个转速传感器，把主轴的转速信息反馈到工控机中，形成一个闭环控制，达到精密控制抛光盘以及行星轮匀速运动。
 2.2抛光盘压力的精确控制
 抛光盘压力的精确控制由气动控制系统实现，主要通过气缸活塞杆的位置变化实现载荷的精确控制。用软件编写定时器来控制气动系统实现抛光过程所需要的高、低压加压时间，由微机通过编好的程序控制数字伺服阀，数字伺服阀再控制气缸，同时在气缸与抛光盘连接处装有一个载荷传感器，通过A/D转换.把气缸的压力信号反馈到工控机中，通过一个位移传感器检查抛光盘位置，同样通过A/D转换.把抛光盘的位置信号反馈到工控机中，形成一个二环闭环控制，从而实现对抛光盘压力的精确控制。气动系统气源由小型空压机提供，压缩空气经过储气管和过滤器供给系统，系统压力由数字伺服阀调定，通过微机设置调节电压信号给数字伺服阀的步进电机，步进电机的转动带动偏心机构的转动.再由偏心机构的转动带动阀芯的移动，控制阀芯在阀套中的位置，从而控制气缸的压力要求，实现气缸的精确运动和抛光盘压力的精确控制.

2.3抛光盘运行模式控制
    由于四变频电机能在加工过程快速改变抛光盘和工件的相对转速，同时也可通过数字阀调节气缸位置改变加工过程中的抛光压力，所以可以突破传统的抛光工艺中抛光压力、抛光速差的限制，设计抛光盘运行模式，它分为启动、预抛、粗抛、精抛、光抛、制动及变速阶段。运行模式中分阶段精确变化的压力对易碎的工件的直接作用力是很温和的，它作用一个“轻触”的载荷在较厚的工件上，使工件厚度开始变化。可编程的软起动速度控制可以防止易碎的工件摇晃，减少边缘的破碎。软停止的排序使上抛光盘脱离来减少或消除一直黏在上抛光盘上工件的残余量。
 根据抛光盘运行曲线的不同阶段，建立了一套适合不同情况的控制规则，编写成运行软件控制抛光盘的运行。抛光盘转速采用软件预计算，在制动前抛光盘的速度降速为0. 42rad/s,最终位置采用12位绝对值光栅精确检测，临近终点时，让抛光盘处于惯性运行，进一步降低抛光盘转速，到达终点位置时迅速制动电机。此时抛光盘的转速已很低，不会对工件造成大的冲击。
 2.4抛光液流全的模糊控制
    抛光液流最供给的流速及供给的稳定程度对磨粒在抛光盘表面均布、工件表面温度及加工质量有着至关重要的影响作用。抛光液的供给方式为由液压泵产生恒压，由微机控制阀门的开度，达到对流量的精确控制。由于抛光液流量大小与管径内的压力、阀门开度等有着复杂的藕合关系，而不同的加工工件对抛光液流量的需求又有所不同，在大多数情况下依靠人们的经验进行操作，所以采用模糊控制方式实现对阀门流量特性的补偿，以达到控制精度要求。压力检测及抛光盘温度信号的输人为参考输人信号，执行机构为电动机，通过减速机构控制阀门开度。

3纳米级超精密双面抛光机自动加工控制软件设计
为实现抛光机自动加工,大致上可以看出控制软件要求能不断地得到加工时转速、压力、位置、抛光液流量等状态，这就要求控制软件不停地下发加工的状态查询指令。这个功能通过在程序里设定了一个计时器SetTimer (1, 10 000, NULL)完成。定时器使控制软件每0. 1s对加工状态进行1次状态查询，检查加工状态是否正常，如果不正常就会有相应的提示信息显示。系统软件用 Microsoft Visual C十十6.0编写，采用多级下拉式和弹出式菜单相结合的交互式莱单操作界面。系统分5个功能模块:用户管理、工艺管理、系统调试、数据管理、帮助。在各个功能模块中，又有一些具体的子功能模块。

4结论
    纳米级超精密双面抛光机已研制成功，控制系统的主要性能指标如下:抛光盘稳态速度范围为2-150r/min;抛光盘稳态速度误差小于5%6;抛光盘定位误差小于+-0.50;抛光液温度范围为20-60c;抛光液温度误差小于+-01590 ;抛光盘定位精度小于+-0.50;抛光液稳态流量精度为10.02 L/ min,抛光液温度控制精度为+-1. 5C.
    采用抛光机进行抛光实验，条件如下:101.6mm单晶硅，3片同时加工，无花纹聚氨醋抛光垫，上、下抛光盘预抛、粗抛、精抛、光抛转速(反向)分别为15r/min, 60r/min, 95r/min, 50r/min;启动、预抛、粗抛、精抛、光抛各抛光压力分别为80N,80N, 120N, 160N, 80N;启动、变速、预抛、粗抛、精抛、光抛各抛光时间分别为0.2min, 1min, 5min,24min、一0min, 3min。在采用20% FA/0抛光液抛光情况下，单晶硅的材料去除率1. 39nm/s，已达到原子单位级的加工。采用美国Digital Instrument公司生产的扫描探针显微镜Nanoscope E进行测量，测得的最大表面粗糙度为0.4nm.

    控制系统作为纳米级超梢密双面抛光机的配套产品，可广泛用于大规模集成电路的硅片、水晶振子基片、妮酸锉基片、担酸锉基片、计算机硬盘等基片的加工，必将在信息、机械、航空航天和光学等行业发挥重要作用。