桌面级精密平面抛光机转台结构设计*

徐 航 孙应欢 陈圳杰 孙斐源 杨凯涛 吴 喆

(合肥工业大学宣城校区机械工程系，安微 宣城 242000)

随着物联网、车用电子设备、先进医疗器械、智能家居等应用的不断普及，全球相关行业半导体芯片需求正快速增长。芯片的微电子加工工艺均需要在半导体衬底基片上进行，芯片市场需求激增也带动了半导体衬底基片产能的迅速提升[1]。芯片微电子加工工艺对半导体衬底基片表面质量与面型精度有很高要求，目前半导体衬底基片主要通过化学机械抛光(chemical mechanical polishing, CMP)等抛光工艺实现精密平面抛光。

CMP的实现依赖高精度、高旋转稳定性的单平面抛光机。目前的单平面抛光机中，金相抛光机结构简单，但抛光盘运行时不稳定，无法用于超精密抛光；日本HAMAI-HS360等类型的单平面抛光机运行平稳，可实现超精密抛光，但是其转台结构不够紧凑，占用空间大，且价格昂贵；近年来，桌面级设备由于结构紧凑、占用空间小而受到广泛关注[2-4]，因此也出现了桌面级单平面抛光机。目前的桌面级单平面抛光机结构较为紧凑，但是由于转台主轴采用传统的双滚动球轴承加法兰的连接方式[5]，长时间偏载运行后，抛光盘托盘易产生变形，从而使盘面产生倾斜，影响抛光面型精度。

本文研究设计了一种基于圆柱滚子平面推力轴承的新型桌面级精密单平面抛光机转台。阐述了转台的总体结构设计，并根据抛光盘支撑结构对抛光盘运动误差进行了估计。对偏载情况下本文所设计抛光盘支撑结构与传统抛光盘支撑结构的抛光盘变形进行了有限元分析。制作了转台样机并对其空载与偏载时的抛光盘跳动进行了测量与分析。

2 转台结构设计

本文所设计平面抛光机转台整体结构如图1及图2所示，其核心机构为抛光盘支撑装置。抛光盘支撑装置由45钢材质底板及6061铝合金材质垫块进行支撑与固定。转轴通过抛光盘支撑机构与底座轴承实现径向固定，并通过带轮由交流减速电动机驱动。转台整体高度小于300 mm，抛光盘面到基座底面的高度小于 75 mm，实现了低重心设计，提高了整体结构的稳定性。同时，该转台结构设计紧凑，占用空间小，基本实现了桌面级设备的规格要求。

抛光盘支撑装置的结构设计如图3所示，采用了圆柱滚子平面推力轴承。该轴承作为各类高级数控机床精密回转台的重要部件[6]，具有良好的平面度、高回转精度和高抗倾覆能力，且轴承自身的自重将抛光机体的重心大大降低。本文选用型号为89422EM/P4的双列圆柱滚子平面推力轴承，参考转速为650 r/min，可满足精密平面抛光转速需求。

圆柱滚子平面推力轴承需要设置一个预紧力，以保证其在低载、空载运转滚动体和滚道之间不发生相对滑动[7]。圆柱滚子平面推力轴承的最小轴向载荷Famin可表示为：

(1)

式中：Ka为最小载荷系数；C0a为静态额定负载;n为转速。对于89422轴承，Ka值为0.5，C0a为3 400 kN。考虑到典型精密平面抛光(如化学机械抛光)的工况，n值取100 r/min，则由式(1)可知轴承的最小轴向载荷Famin为1 705.8 N。抛光盘通过六个M5螺栓固定在中心盘托上，并向轴承上圈提供预紧力，则单个螺栓需提供的夹紧力为284.3 N。螺栓夹紧力与扭矩之间的关系可由式(2)表示：

T=F0kd

(2)

式中：T为螺栓扭矩；F0为夹紧力；k为扭矩系数，此处取0.2；d为螺栓直径。则由式(2)可知安装螺栓所需扭紧力矩最小为1.42 N·m。

考虑到所选用平面推力轴承上下无滚道，易发生径向滑动而造成精度降低，因此我们采用胀紧套结合盘托和角接触滚珠轴承固定推力圆柱滚子轴承的上圈部分，提高了轴承的同心度，进而提高转台运行精度，同时免去固定轴承的复杂结构，降低整体成本。选用胀紧套型号为Z2，其轴向承载力为132 kN。盘托外圆公差等级为H7，可以满足胀紧套的安装需求。底部采用法兰与垫圈相配合的方式，提高轴承径向定位精度。

由图3所示的抛光盘支撑结构可见，由于盘托仅与平面推力轴承的环面接触，因此抛光盘转动时的盘面跳动幅度ac可以表示为[8]：

ac=a1+a2

(3)

式中：a1为推力圆柱滚子轴承的轴向跳动，a2为零件端面的平行度积累误差。a2只有平面推力轴承环面与抛光盘面的面型误差。所选用推力圆柱滚子轴承的精度为P4级，其轴向跳动约为 6 μm，对抛光盘面造成的轴向跳动约为a1=12 μm。假设平面推力轴承环面与抛光盘面的面型误差分别为10 μm与50 μm，则盘面旋转时的跳动幅度为a1+a2<72 μm。精密平面抛光过程中，抛光盘端跳小于100 μm时，对试样的抛光效果不产生影响[9]，因此本文所设计抛光机转台结构可以满足精密平面抛光的需求。

2 转台结构有限元仿真

在Inventor有限元分析环境下对本文所设计抛光机转台的静态加载性能进行有限元分析。由于抛光机转台的完整3D模型较为复杂，且部分零件在转台运行过程中对于抛光盘的受力影响不大，因此对转台3D模型进行简化。转台经过简化后主要分成三部分：抛光盘面、轴承和盘托部分，如图4a所示。同时与传统抛光盘支撑结构静态加载性能的有限元仿真结果进行对比，两种抛光机转台的仿真结构如图4所示。

转台模型中，抛光盘面和支撑底盘的材料为铝合金6061，圆柱滚子平面推力轴承的材料为轴承钢GCr15。这两种材料的主要机械性能参数如表1所示。

表1 转台结构材料的主要机械性能参数

材料物理参数 铝6061轴承钢(GCr15)杨氏模量/GPa68.900210.000泊松比0.3300.280切变模量/MPa25864.00081700.000密度/(g/cm3)2.7007.810屈服强度/(MPa)275.000518.420拉伸强度/(MPa)310.000861.300

分别对本文所设计转台结构和传统转台结构的抛光盘进行静态偏载，部分仿真计算参数如表2所示。在抛光盘上偏心距为70 mm、直径为40 mm的局部区域分别向下施加30 N、40 N、50 N和60 N的作用力，并添加重力载荷[10]。两种结构转台在60 N静态偏载下沿Z轴方向位移分布如图5所示。承受不同静态偏载时，两种结构的转台沿Z轴方向最大位移量如表3所示。

表2 部分仿真计算参数

参数数值抛光盘直径/mm230抛光盘转速/(r/min)60抛光盘厚度/mm13摩擦系数μ0.4

由有限元分析结果可知，随静态偏载力的增加，两种结构的抛光机转台在Z轴方向最大位移量均逐渐增大。在相同静态偏载力下，现有结构抛光机在Z轴方向最大位移量远远小于传统结构抛光机。因此，本文所设计抛光盘支撑结构与传统抛光盘支撑结构相比，具有更好的偏载稳定性，从而有利于保证抛光面型精度。

表3 两种结构在不同静态偏载下沿Z轴方向最大位移量

结构偏载力/N Z轴方向最大位移量/μm本文结构传统结构308.781e-30.6748401.076e-20.8681501.275e-21.062601.476e-21.255

3 抛光盘动态端跳测量实验

基于上述设计，本文加工制作了该抛光机转台的样机，如图6及图7所示。其中图6为未安装抛光盘的支撑结构，图7为安装了抛光盘后的转台整体结构。样机中所使用89422EM/P4型圆柱滚子平面推力轴承的端面跳动实测为26 μm，抛光盘与盘托均为6061铝合金材质的车削加工件，抛光盘的车削加工平面度为50 μm。所使用交流减速电动机功率为160 W。

本文使用Mitutoyo 543-790型数显千分表(重复精度2 μm)对抛光盘的动态偏载性能进行测量，偏载通过砝码加载。空载及偏载时的抛光盘端跳测量场景如图8与图9所示。为减小随机误差的影响，保证测量结果的准确性，本文对相同转速与载荷情况下的抛光盘跳动进行十次测量并取均值作为最终测量结果。

在不同转速下，抛光盘在空载和3 kg偏载情况下的端跳值变化如图10所示，可见随着抛光盘转速的增大，抛光盘在空载与偏载时的端跳值均有所增加，这是因为转速越高，抛光盘与滚柱轴承的径向跳动越大。在偏载情况下，抛光盘端跳值较空载时平均增加了4.25 μm，这是由于转台样机下部的垫块与底座均为铝合金材质，在高转速下刚度不够，振动较大。后续研究中将采用铸铁材质的机体与底座，进一步提高偏载时抛光盘运行的稳定性。

抛光盘转速为60 r/min时，抛光盘在不同偏载下的端跳值变化如图11所示。由图11可见随着载荷值的增大，抛光盘端跳值未呈现增大趋势，而是在62 μm附近波动，不会对试件的抛光产生影响。因此，本文所设计转台由于采用了平面推力轴承作为抛光盘的支撑结构，其抛光盘端跳值对于偏载的变化不敏感。在实际抛光加工过程中，根据材料去除效率(material removal rate，MRR)的Preston方程：

(4)

式中：Δz为抛光材料去除量；k为Preston系数；v为抛光颗粒与工件的相对运动速度；p为抛光载荷。提高抛光盘转速与增大抛光载荷均可提高抛光的材料去除效率。但当抛光盘转速过高时，抛光液会因为离心作用而飞出盘面，从而影响抛光效率。因此，增大抛光载荷是提高抛光效率的有效手段。本文所设计抛光机转台结构对抛光载荷的提高不敏感，从而可以在提高抛光效率的同时保证抛光面型精度的稳定性。

4 结语

本文设计了一种新型桌面级精密单平面抛光机的转台结构，并对转台的偏载性能进行了仿真与实验，结论如下：

(1)有限元分析结果表明，与传统抛光盘支撑结构相比，基于圆柱滚子平面推力轴承的抛光盘支撑结构具有更高的偏载稳定性能。新型抛光盘支撑结构可以降低转台整体结构重心，提高转台的运行稳定性。

(2) 抛光盘动态端跳测量实验结果表明，当盘面偏载逐渐增大时，抛光盘端跳值在62 μm处基本保持稳定。因此，本文所设计抛光机转台结构对偏载不敏感，可在增大抛光载荷、提高抛光效率的同时保证抛光面型精度的稳定性。

[1]KulKarni M, Gao F Liang H. Chemical-mechanical polishing (CMP): a controlled tribocorrosion process[J]. Tribocorrosion of Passive Metals & Coatings, 2011, 57(4):498-516.

[2]Tanaka M. Development of desktop machiningmicrofactory[J]. Riken Review, 2001(34):46-49.

[3]Pérez R, Davila O, Molina A, et al.Reconfigurable micro-machine tool design for desktop machining micro-factories[C]. 2013 IFAC Conference on Manufacturing Modelling Managment (MIM 2013), 2013, 46:1417-1422.

[4]Mishima N. From microfactory towards minimal manufacturing: Development of precise desktop machining[J]. Journal of the Japan Society for Precision Engineering, 2011, 77:245-248.

[5]刘涛, 高慧莹, 罗杨,等.PG-510 型单面抛光机的研制[J]. 电子工业专用设备,2010,39(8):11-15.

[6]张佳,吕国庆,周琳. 高速高精度特大型推力圆柱滚子轴承保持架[J]. 轴承, 2011(12):15-16.

[7]李杰,梁晓慧,李海玄,等. 推力圆柱滚子轴承预紧力的测量和计算[J]. 制造技术与机床, 2011(11):121-122.

[8]陈波, 徐存良. CMP大盘结构研究[J]. 电子工业专用设备, 2013,217:33-37.

[9]马纲, 赵永武, 顾坚. 超精密 CMP 电化学抛光试验台关键部件的设计[J]. 润滑与密封, 2010, 35(11): 107-110.

[10]赵则祥, 何鑫, 于贺春,等. 大口径平面抛光机精密转台设计[J]. 机械科学与技术, 2016(12):101-104.