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超精密磨床监控系统的设计与开发

李伟健  
【摘要】:硅片超精密磨床是半导体集成电路(IC)制造中的关键设备,主要应用在大直径硅片制造和背面减薄加工中。在硅片超精密磨削加工中,为提高硅片的磨削加工精度,对磨削加工的过程进行动态监控是硅片超精密磨削技术发展的趋势之一。 在硅片磨削过程中,磨削力是综合反映工件材料性质和状况、砂轮特性和磨损状态、加工用量和工艺系统参数等因素的一个重要物理参量。通过在磨削加工过程中在线检测磨削力,并根据检测结果进行加工参数的自适应调整,是实现可控制超精密磨削的有效技术途径。为了保证硅片加工精度和厚度尺寸的一致性,还必须对硅片的厚度进行在线测量,并根据其检测结果实时控制磨床进给运动。此外,硅片通过真空吸盘夹紧,真空吸盘的夹紧力不仅要保证硅片可靠夹紧,而且对硅片加工面形精度有影响。根据这些要求,自行设计和开发了了硅片超精密磨床监控系统,主要实现磨削力在线监测、真空吸盘的真空度实时监测、硅片厚度在线测量以及机床运动和动作控制等功能。 所设计的接触式硅片厚度在线测量装置使用两个差动变压器式位移传感器的测头,利用台阶式测量原理,实时测量出硅片的厚度值。磨削力的测量使用石英压电力传感器,可以测量出磨削过程中三个方向的磨削力的大小,并通过实时与阈值的比较,监控磨削过程。真空吸盘真空度的测量使用扩散硅压力传感器,实时测量出真空度的大小,保证硅片在加工过程中可靠夹紧。 所研制的磨床监控系统硬件构成以PC机为主机。数据采集卡和数字输入输出卡作为过程输入通道和过程输出通道,实现测量信号的输入与控制信号的输出。 本系统是实时监控系统,采用Visual C++作为软件开发语言,实现对硅片厚度、磨削力和真空压力信号的采集、数据处理、实时监测,超出阈值报警并采取保护措施;通过输出开关量控制电磁阀和继电器的通断来实现对磨床设备的动作控制;还可以通过对加工不同阶段的硅片厚度值的检测发出控制信号来调节砂轮进给速度。 经实验测试,所研制的硅片厚度测量装置可以较为精确的检测硅片厚度,监控系统能够实现高速实时磨削力信号检测,可以监测并显示真空度的大小。系统设计合理、性能可靠,实现了预期的设计目标,为超精密磨床的研制和开发以及硅片超精密磨削工艺的研究提供了技术支持。


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