低摆动瞬心式抛光头.pdf

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资源描述
机械工程师
MECHANICAL ENGINEER
低摆动瞬心式抛光头
戴智弘
(大连理工大学,辽宁大连116024
摘要:针对典型抛光头的结对工质的影响,分析了其结构缺陷,设计了一种新型低摆动瞬心的抱光头。它利用同心
双球面滚动副结构,可以使抛光头的摆动瞬心降低到加工平面上,从而彻底消除了?楞动瞬心过高而产生的倾覆力矩对加
工质量的影响,试验结果证明这种低摆动瞬心抛光头使用效果良好。
关键词:抛光头;平面度:瞬心:CMP
中图分类号:TH122
文献标志码:B
文章编号:1002-23332016)09-0107-02
引宫
对瞬心O较高,在向
化学机械抛光(CMP)方法是基于机械作用和化学作下铅垂力P的作用
用相互促进原理,利用混有极小研磨颗粒的化学溶液同要下,研磨盘与工件之
平整化的工件表面发生化学反应,再用机械研抛的方式去间的摩擦力F会形成
除反应生成物以获得工件表面平坦化叩。CMP装备主要由一定的倾覆力矩M
抛光头、抛光盘、修整器、抛光液输送系统等部分组成,而这会造成旋转的研
抛光头及其压力控制系统是其中最关鍵、最复杂的部件。磨盘与工件的接触
加T时,抛光盘作旋转运动,工件通过背膜粘接在抛光头压力不均匀,图4所
的夹持头下抛光头以一定平稳的压力将工件压在旋转的示为接触压力分布图3关节轴承式抛光头受力分析
抛光盘上,工件可以通过摩擦力作用随着抛光垫的旋转有限元仿真结果,可以看出A点的接触压力最大,B点的接
而被动旋转。也可以通过机床主轴主动旋转,抛光液输送触压力很小,加上エ件中心与边象的角速度差别,这些压
装置将含有磨粒的抛光液输送到抛光盘上,抱光液中的成强分布形态会使工件在抛光过程中边缘材料去除量大于
分与工件材料发生化学反应,在工件表面形成的反应生成中心部分的去除量,从而使工件产生凸状平面度误差門和
物由磨粒和抛光盘的机械作用去除,在化学成膜和机械去塌边现象。有时加工表面出现划痕,降低了工件表面的
膜的交替过程中实现超精密平面加T門。
平面精度。为解决上述缺陷冋题,研制一种新型低摆动瞬
为保证抛光盘平面始终平行于工件加工面,避免机心抛光头。
床主轴与加工面之间的垂直度误差对加工质量的影响,1新抛光头设计
对于主动旋转的抛光头,机床的主轴与抛光头之间的连
为了能达到降低抛光头的摆动瞬心的目的,同时考
接通常设计成浮动结构,常见的浮动结构有簧片式和关虑到回转工作及外形紧凑的使用要求,新型低瞬心浮动
节轴承式两种,如图1及图2所示。
抛光头决定采用摆动球面约束加连杆结构,以同心双球
面滚动副结构取代普通的关节轴承结构。通过设计合理
夹持轴
销轴
球面半径可以随意降低抛光头的摆动瞬心,消除由于
拨又
销轴
拨销
性簧片进给阻力产生倾覆力矩,从而有利于改善工件的加工平
螺钉
关节轴承
螺钉
自度
夹持头
夹持头
图5为该抛光头的具体结构,图中d=51mm,d41=10
背膜
背膜
mm,h=90mm,其零部件包括夹持轴、上盖、球面盖、上钢
珠、下钢珠、上保持架、下保持架、夹持头、拉条、紧固螺钉
图2关节轴承式抛光头
图1簧片式抛光头
和橡胶护套等。夹持轴由上部的连接段、中部螺纹段与底
无论是簧片式还是关节轴承式连接结构,其抛光头部支撑滚动钢珠的球面头部构成,上部的连接段有一处
的摆动瞬心都在加工面之上,如图3所示,对于关节轴承平面缺口以便于抛光头的安装夹紧,使机床主轴带动抛
式连接结构,当抛光头的直径D较小时,由于该结构的相光头转动工作。
常维护和保养往往被操作人员忽视,以致于故障由小到
(编辑浩然
大,最终造成机床设备无法使用。如果定期对刀架保养,
清理刀架周围油污,及时通过注油孔或卸下刀架上盖向作者简介:杨应坡(1983-),男,一级实习指导教师,从事數控技术应
刀架内部加注润滑油,使刀架内部润滑充分,也可使内部
用研究
产生的油污通过缝隙排出,从而降低故障率。
收稿日期:2016-06-13
网址:www.jxgcs.com电邮:hrbengineer@163com2016年第9期1107
方数据
机械工程师
MECHANICAL ENGINEER
力对抛光头摆动瞬心的力臂为零,从而达到彻底消除倾
覆力矩的作用。这样也就保证了工件加工表面受到均匀
的接触压力,提高了加工质量。
为了将机床主轴的转动传递到夹持头下的工件上,
又不影响其摆动自由度,设计两个拉条,轴对称分布,通
过螺钉斜拉于上盖和夹持头的圆柱面上,螺钉与拉条的
两端圆孔留有配合间隙,夹持轴及上盖的动力带动夹持
头转动。针对化学机械抛光的加工环境、在上盖与夹持头
图4关节轴承式抛光头接触压力
外侧装有柔韧性
25-20-/04硅片平面轮年m
010
很好的橡胶护套,
鞋片半径/ml
夹持轴
防止抛光液等腐
上紧定螺钉
上盖
蚀抛光头的内部
上钢珠
结构。抛光头的实
低瞬心式抛光头
上保持架
物如图6所示。
一关节轴承式抛光头
下钢珠
螺钉
橡胶护套
图7两种抛光头得到平面度对比
2使用效果
下保持

球面盖
为验证新型抛光头的实际效果,将本抛光头安装在
下紧定螺
夹持头
专用抛光机上与已有的关节轴承式抛光头进行对比试
背膜
工件
验,选用初始平面度不大于3um的2in硅片和相同的背
摆动瞬心
膜,使用直径300mm和厚度1mm的聚氨脂抛光垫,SiO2
KOH抛光液,工作台转速60r/min,硅片转速20r/min
图5低摆动瞬心抛光头机构
时,加载压强为4kPa,经过1h的试验后,采用100mm的
与夹持轴的中部螺纹段旋合的零件是上盖,上盖的1级平晶在纳光下获得干涉条纹分布,经数据处理后获得
底面为四球面,侧面还有两个M4的螺孔,通过两个上紧如图7所示的硅片地光面轮廓。从图中看出,相比原来的
定螺钉锁定位置,使其与夹持轴固定在一起。球面盖的上关节轴承式抛光头,用低摆动瞬心式抛光头研抛出的硅
度大于夹持轴的中段外径,下部为带有内螺纹的圆筒状,3结·平面度更好。
部为帯中孔的等厚度球壳,中孔的口径根据设计摆动角片塌边现象减轻
其内螺纹与下面的夹持头的外螺纹旋合连接,通过下紧
针对典型抛光头的结构对加工质量的影响,分析了
定螺钉固定。
其结构缺陷,设计了一种新型低摆动瞬心的抛光头。它利
球面盖凸球面(SR,=35m)与上盖的凹球面(SR,=用同心双球面滚动副结构,可以使抛光头的摆动瞬心降
40m)相对,球面盖内部的凹球面与夹持轴下头部的球低到加工平面上,从而彻底消除了因摆动瞬心过高而产
面相对,在球面盖凸球面与上盖底面凹球面之间安装一生的倾覆力矩对加工质量的影响,试验结果证明了新型
组15个圆周分布、直径が5的上钢珠及上保持架,在球面盖低摆动瞬心的抛光头的有效性。
凹球面(SR3=25mm)与夹持轴下部球形端面(SR。=2
参考文献
mm)之间也安装一组10个圆周分布、直径小4的下钢珠及
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