胡 苗 徐公志 于秀升

(1.淄博市淄川区工业和信息化局 山东淄博255100；2.青岛高测科技股份有限公司 山东青岛266114)

根据中国电子材料行业协会数据显示， 8"半导体硅片月需求量约80万片，预计从2020年开始月需求约为500万片；12"硅片完全依赖进口，目前国内的总需求约为50万片/月，预计到2020年总需求约为200万片/月。中国300毫米硅片一直依赖进口，主要原因在于国外企业的技术封锁（瓦圣纳协议），同时大尺寸硅片对倒角、精密磨削等加工工艺要求高，国内还没有掌握高良率的技术能力。

半导体行业目前是国家重点扶持的行业，而磨削半导体硅棒外圆、OF面/V槽（notch槽）全自动一体机磨床目前国内无生产厂家，国内半导体硅棒磨削主要采用分工序磨削，分别执行滚圆、开OF面/V槽（notch槽）操作磨削，质量差、效率低，为解决加工关键，国内半导体厂家只能依靠进口，而价格昂贵的进口磨床让用户难以接受。因此，半导体全自动滚圆开槽成形磨床对于改变半导体硅棒加工现状，提高产品质量、效率，填补国内空白，减少设备进口具有重要意义。

1 机床基本布局

如图1所示，机床采用四个磨头对称布局，半导体滚圆机采用机械手进行上下料，配合头尾架夹持机构实现工件自动对中，主轴单元采用砂轮间距无级可调，实现大数据闭环控制，自动修正磨削尺寸；采用两个粗磨头、一个精磨头，同时配备一个V槽砂轮进行加工，提升加工效率，配备外径尺寸检测、晶向检测等测量装置，实现工件精密加工，各个环节的工序实现全自动化流转。

图1 机床布局图

设备关键部件：底座组件、上下料工作台、自动化机械手、夹持组件、粗磨进给组件（2个）、精磨进给组件、V槽开槽组件、工作台纵向进给组件、晶向检测装置、尺寸检测装置、冷却系统、设备防护罩、电控系统、操控箱等，如图2、图3所示。

图2 滚磨晶棒外圆示意图

图3 OF面/V槽磨削示意图

2 磨削的工件

硅棒要求：半导体硅棒

形状：外径D=6"、8"和12" (晶棒最大毛坯直径为Φ320mm)；长度L=80-800mm

切割面的垂直度：≤1.8mm/Φ12"；晶棒质量：150kg（密度2.34 g/cm3），如图4所示。

图4 磨削前晶棒简图

3 滚圆工艺参数

工艺参数：分别以长度300mm的6”以下和8”以上晶棒为例，进行上料、夹持、粗磨4刀（深度2mm/刀，移动速度40mm/min）、精磨2刀（深度0.3mm、0.1mm，移动速度25mm/min）、OF面或开槽、检测、下料等动作；

4 关键技术

1)夹持组件

(1)半导体晶棒夹紧的控制采用丝杠传动进行工件的夹紧，夹紧头架固定，尾架由丝杠带动进行左右移动对工件进行夹紧；

(2)采用固定头架的设计来夹持硅棒的两个端面，夹持力可达9000N以上，这种设计可以维持一个精确的夹持位置；

(3)固定夹持头采用球面夹头设计可接受的最大尺寸偏差：1.8mm/12寸；

(4)滚圆和定位面加工在一次夹持过程中完成，夹具单元具备自锁功能，满足OF面和V槽加工位置准确，也防止硅棒因电力中断而坠落损坏；

(5)头架分度应精确可靠，分度采用伺服电机控制，分度角误差应小于0.01°；

(6)在尾架夹紧单元上配备砂轮位置校正传感器；

(7)机构配有品牌防水穿墙护套利于走线密封。

2） 磨削技术

(1)实现粗、精磨外圆和OF面（或notch）加工；

(2)砂轮选择采用业内认可的国外品牌；

(3)加工工艺实施与客户技术共同设定实施，尽可能保证通用性；

(4)主轴电机采用伺服电机，保证磨削过程中的转速及稳定的要求；

(5)主轴箱上下调整采用气缸升降，可调硬限位控制位置。

3） 检测组件

(1)利用X射线衍射原理在线检测半导体晶棒晶向；

(2)伺服系统驱动技术，加上前后移动高精丝杠和导轨保证移动精度；

(3)利用接触式高精探针进行晶棒直径检测，保证加工精度，探头组件由气缸加可调硬限位共同控制；

(4)晶向检测装置采用知名品牌检测；

(5)直径检测探针采用松下等品牌。

上料及下料采用机械人，具备自动对中功能。

5 关键部件介绍

1） 硅棒外圆检测装置工作原理

硅棒外圆检测装置：使用竖直放置的一个探针进行检测，探针与硅棒轴线在同一水平面上。当进行外圆检测时，气缸驱动硅棒外圆检测装置快速到检测位置，进给机构进给和后退探测圆周上三个均布点，通过探针的反馈值就能够计算出外圆半径。（三点位置确定唯一圆，算出中心位置，再或者直接算出三个点上的半径。）

2） 上下料方式

介绍：晶棒先放置于上料工作台上，采用自动化机械手进行上下料，适用于下方夹持工件方式。

功能描述：上料和下料均放置于上料工作台上，机械手夹爪能够实现6"、8"和12"硅棒定心、进行棒料自动对中、上下料的功能；

机械手放置于设备一侧，紧靠上料工作台；具体结构如图5所示。

图5 上下料组件结构示意图

3)分体式上下工作台结构

介绍：头尾架机硅棒夹持机构置于工作台上。

功能描述：工作台由上下工作台组成，中间有一回转轴两端由压板锁紧，当工件磨削圆锥度超出工件公差时，工作台需要调整角度转动工作台，上工作台以转轴为中心在下工作台上作角度位移调整，调整完后两端压板压紧工作台，如图6所示。

图6 上、下工作台结构示意图

6 结语

经过项目组全体员工的不懈努力和以“技术创新、转型升级”为纲，公司生产的半导体全自动滚圆开槽成形磨床样机已经试制成功，该机床的价格相对于进口机床很低，性能优于国外机床，今后一定会在用户中发挥了很大的作用，取得了良好的经济和社会效益。