全自动单晶硅棒滚磨一体设备的制作方法

本实用新型属于单晶硅棒加工设备领域，具体涉及一种全自动单晶硅棒滚磨加工一体设备。

背景技术：

硅单晶作为一种重要的半导体材料，具有良好的电学性能和热稳定性，自上世纪六十年代被人们所发现和利用后，就迅速替代锗单晶成为半导体的主要材料。硅材料因其具有耐高温和抗辐射性能较好，特别适宜制作大功率器件的特性而成为应用最多的一种半导体材料，集成电路半导体器件大多数是用硅材料制造的。制备性能良好的硅单晶方法中，直拉法生长硅单晶具有设备和工艺相对简单、容易实现自动控制。直拉单晶硅棒从单晶炉中拉制出来以后需要继续进行一系列工序，前期包括有截断、开方、圆角研磨和平面研磨等机械加工；后续还需将硅棒粘胶后进行切片、清洗、倒角、研磨、腐蚀和再清洗等；最后将硅片进行制绒、扩散、制结、镀膜和烧结等工序后才能制造半导体器件或者用于光伏发电的太阳能电池片。

目前，大部分国内半导体厂商还是采用将通用磨床改制成外圆滚磨机床，这类机床对单晶硅棒的上料、对中、晶向检测等工序都需要通过人工分多次完成，并且精度不是很高。目前市场上广泛采用的单晶硅棒滚磨机具有以下缺点和不足：单晶硅棒的上料需要靠人工抱上设备，放置在头尾座夹紧工作台中间；单晶硅棒和头尾座夹紧工作台的同轴度通过人工手动敲打来对中，精度较低；单晶硅棒的晶向检测不能集成在滚磨机上，需要将硅棒搬至另外机台检测，检测完成后再放置在滚磨机上磨削V槽或者磨削平边；单晶硅棒的加工尺寸局限性较大，通常只能加工单一固定的外圆和长度尺寸的棒料；由通用机床改制而来的滚磨机自动化程度低，加工能力较小，如想扩大产能只能购置更多的设备，但是效率又无法提高，并且同类产品的进口设备价格昂贵。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是，克服上述现有技术中的不足，提供一种全自动单晶硅棒滚磨加工一体设备。

为解决技术问题，本实用新型的解决方案是：

提供一种全自动单晶硅棒滚磨加工一体设备，包括用于承载的大底架；该大底架呈长条形，在其表面沿长度方向设有两条平行的主导轨；磨削工作台组件活动安装在两根主导轨上，由主驱动电机通过驱动连接机构实现沿主导轨的移动；

在大底架的两侧共设有四个用于承载的平台：两个平台位于大底架的中部且相对布置，其中一个承载粗磨动力头组件，另一个承载精磨动力头组件；另两个平台位于大底架的一端且相对布置，其中一个承载上料机械手组件，另一个承载对中机械手组件；在大底架上，还设有晶向检测装置和半径检测单元。

本实用新型中，还包括外罩钣金组件，外罩钣金组件整体呈倒置的U形结构，其两端固定在大底架上。

本实用新型中，所述磨削工作台组件包括头座、尾座、底座、夹紧气缸、分度直驱电机和对刀传感器组件；其中，底座活动安装于两条主导轨上，其底部通过螺钉固定连接电机安装座，主驱动电机装在电机安装座上；所述驱动连接机构包括固定在大底架上的齿条，以及与齿条相互啮合的齿轮；齿轮固定在主驱动电机的转动轴上；头座和尾座相对地安装于底座的两侧，其对中线垂直于主导轨；底座下方设夹紧气缸，用于驱动头座或尾座以调整相互间距；头座或尾座上设有用于测量基准的对刀传感器组件和基准块，以及用于控制晶棒旋转和角度位置的分度直驱电机。

本实用新型中，所述粗磨动力头组件包括粗磨进给导轨安装座、水平进给组件、水平移动伺服电机、粗磨竖直导轨安装座、竖直进给组件、粗磨变频电机、粗磨砂轮安装座和粗磨砂轮组件；其中，水平进给组件通过粗磨进给导轨安装座固定在大底架上的平台上，且安装方向垂直于主导轨；水平移动伺服电机通过传动部件与水平进给组件连接；竖直进给组件通过粗磨竖直导轨安装座固定在水平进给组件上，粗磨变频电机和粗磨砂轮安装座固定在竖直进给组件上，粗磨砂轮组件装在粗磨砂轮安装座上。

本实用新型中，所述精磨动力头组件包括精磨进给导轨安装座、水平进给组件、精磨竖直导轨安装座、竖直进给组件、水平移动伺服电机、精磨变频电机、精磨砂轮安装座和精磨砂轮组件；其中，水平进给组件通过精磨进给导轨安装座固定在大底架上的平台上，且安装方向垂直于主导轨；水平移动伺服电机通过传动部件与水平进给组件连接；竖直进给组件通过精磨竖直导轨安装座固定在水平进给组件上，精磨变频电机和精磨砂轮安装座固定在竖直进给组件上，精磨砂轮组件装在精磨砂轮安装座上。

本实用新型中，所述上料机械手组件包括送料机械手、导轨安装座、伸缩气缸组件和水平进给组件；其中，上料机械手活动安装于导轨安装座的导轨上，导轨安装座固定在大底架的平台上；伸缩气缸组件通过水平进给组件连接至导轨安装座。

本实用新型中，所述对中机械手组件包括水平导轨安装座、水平移动组件、水平移动伺服电机、对中竖直导轨安装座、对中竖直进给组件、竖直移动电机和对中手抓；其中，水平移动组件通过水平导轨安装座固定在大底架上的平台上，且安装方向垂直于主导轨；水平移动伺服电机通过传动部件与水平移动组件连接；对中竖直进给组件通过对中竖直导轨安装座固定在水平移动组件上，竖直移动电机和对中手抓固定在对中竖直进给组件上。

本实用新型中，所述晶向检测装置包括龙门安装架、激光测距传感器组件、传感器支架、升降气缸组件及罩壳；其中，龙门安装架具有能上下伸缩的支撑腿，横跨主导轨且固定在大底架上；激光测距传感器组件通过传感器支架悬挂固定在龙门安装架上；升降气缸组件安装在龙门安装架上端且由罩壳保护。

本实用新型中，所述半径检测单元包括安装底座、驱动电机、水平直线运动单元、支撑座和接触式传感器单元；其中，水平直线运动单元通过安装底座安装在大底架上；接触式传感器单元通过连接杆装在支撑座上，支撑座则安装在水平直线运动单元的导轨上，驱动电机设于水平直线运动单元的一端。

本实用新型中，所述大底架上还设有供气系统和供水系统和排水系统。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

(1)该单晶硅棒滚磨一体机能加工外径从2英寸到8英寸不等，长度从50mm～1000mm的晶棒，大大提升了晶棒滚磨设备的加工范围和加工能力；

(2)该单晶硅棒滚磨一体机通过对中机械手装置实现硅棒的自动对中，解决了现有晶棒滚磨设备中需要通过人工手动敲打来对中且精度较低的问题；

(3)该单晶硅棒滚磨一体机将晶向检测装置集成在滚磨机上，无需将硅棒搬至另外机台检测，并且可同时满足100、110、111面三种规格的半导体晶棒；晶向检测完后直接进行磨削工序，大大减小工序间的时间，提高了加工效率，节约了人力和物流的成本；

(4)晶棒加工的磨削动力头分为精磨和粗磨动力头，粗磨动力头切削量大且速度快，精磨动力头加工表面光滑，能通过满足不同的工艺需求；

(5)晶棒加工的磨削动力头的水平和竖直进给、工作台的移动等均由伺服电机驱动，且磨削动力头的水平和竖直进给由高精度的滚珠丝杆传动，可保证足够的加工精度；工作台的运动由斜齿轮齿条传动，在保证进给精度的同时，增大了抗弯抗振动的能力；同时大底架、动力头安装座均采用高刚度的部件，能保证设备长久及稳定的高精度运行；

(6)密闭的钣金罩壳能将设备生产过程中产生的硅粉通过抽气管道排出，又能显著降低生产噪声，有效减少加工污染和噪声对车间环境的影响；

(7)设备加工时除消耗水、电、气外，加工辅料仅有砂轮，相比单体加工设备无需砂浆、钢线等，不产生有机物排放，废弃物也更少，保护生态环境。

附图说明

图1为本实用新型的外形示意图；

图2为本实用新型去除罩壳钣金组件后的俯视图；

图3为本实用新型大底架示意图；

图4为本实用新型磨削工作台组件示意图；

图5为本实用新型粗磨动力头示意图；

图6为本实用新型精磨动力头示意图；

图7为本实用新型上料机械手组件示意图；

图8为本实用新型对中机械手组件示意图；

图9为本实用新型晶向检测装置示意图；

图10为本实用新型半径检测单元示意图。

附图标记为：100大底架；200磨削工作台组件；300粗磨动力头组件；400精磨动力头组件；500上料机械手组件；600对中机械手组件；700晶向检测装置；800半径检测单元；900外罩钣金组件；101大底架本体；102主导轨；103齿轮齿条组件；104主驱动电机；105电机安装座；201头座；202尾座；203底座；204夹紧气缸；205分度直驱电机；206对刀传感器组件；301粗磨变频电机；302粗磨进给导轨安装座；303水平移动伺服电机；304水平进给组件；305粗磨竖直导轨安装座；306竖直进给组件；307粗磨砂轮安装座；308粗磨砂轮组件；401精磨变频电机；402精磨进给导轨安装座,；403水平移动伺服电机；404水平进给组件；405精磨竖直导轨安装座；406竖直进给组件；407晶磨砂轮安装座；408精磨砂轮组件；501送料机械手；502导轨安装座；503伸缩气缸组件；504水平进给组件；601竖直移动电机；602对中竖直导轨安装座；603对中竖直进给组件；604水平移动伺服电机；605水平导轨安装座；606水平移动组件；607对中手抓；701龙门安装架；702激光测距传感器组件；703升降气缸组件；801安装底座；802驱动电机；803水平直线运动单元；804支撑座；805接触式传感器单元。

具体实施方式

以下的实施例可以使本专业技术领域的技术人员更全面的了解本实用新型，但不以任何方式限制本实用新型。

本实用新型所述全自动单晶硅棒滚磨加工一体设备，包括用于承载的大底架100；大底架100呈长条形，在其表面沿长度方向设有两条平行的主导轨102；磨削工作台组件200活动安装在两根主导轨102上，由主驱动电机104通过驱动连接机构实现沿主导轨102的移动；在大底架100的两侧共设有四个用于承载的平台：两个平台位于大底架100的中部且相对布置，其中一个承载粗磨动力头组件300，另一个承载精磨动力头组件400；另两个平台位于大底架100的一端且相对布置，其中一个承载上料机械手组件500，另一个承载对中机械手组件600；在大底架上100还设有晶向检测装置700和半径检测单元800。

大底架本体101由Q235钢板焊接而成，保证了大底架的强度和刚度；还包括一个整体呈倒置U形结构的外罩钣金组件900，其两端固定在大底架100上，用于保护整个设备。大底架上还设有供气系统、供水系统和排水系统。排水系统能有效地排出晶棒加工过程中混合有硅粉的冷却水。

磨削工作台组件200包括头座201、尾座202、底座203、夹紧气缸204、分度直驱电机205和对刀传感器组件206；其中，底座203活动安装于两条主导轨102上，其底部通过螺钉固定连接电机安装座105，主驱动电机104装在电机安装座105上；所述驱动连接机构是齿轮齿条组件103，包括固定在大底架100上的齿条，以及与齿条相互啮合的齿轮；齿轮固定在主驱动电机104的转动轴上；头座201和尾座202相对地安装于底座203的两侧，其对中线垂直于主导轨102；头座201在夹紧气缸204的驱动下向尾座202靠拢或远离，从而实现晶棒的夹紧和放松；头座201前端两侧对称安装有对刀传感器组件206和基准块，用于晶棒磨削前的测量基准；头座201另一端设有分度直驱电机205；头座201和尾座202的回转中心位于同一轴线上；头座201和尾座202能够安装不同尺寸的万向夹头，适用于不同尺寸的晶棒(2英寸～8英寸)；在晶棒夹紧时，通过分度直驱电机205精确控制晶棒旋转和角度位置。主驱动电机104带动齿轮沿着齿条运动，从而带动磨削工作台组件200在两条对称的主导轨上行进，从而平稳并精确地移动于底架上各工位之间；

粗磨动力头组件300包括粗磨变频电机301、粗磨进给导轨安装座302、水平移动伺服电机303、水平进给组件304、粗磨竖直导轨安装座305、竖直进给组件306、粗磨砂轮安装座307和粗磨砂轮组件308；其中，水平进给组件304通过粗磨进给导轨安装座302固定在大底架100上的平台上，且安装方向垂直于主导轨102；水平移动伺服电机303通过传动部件与水平进给组件304连接；竖直进给组件306通过粗磨竖直导轨安装座305固定在水平进给组件304上，粗磨变频电机301和粗磨砂轮安装座307固定在竖直进给组件306上，粗磨砂轮组件308装在粗磨砂轮安装座307上。粗磨变频电机301驱动粗磨砂轮308旋转，实现晶棒工件的磨削；粗磨砂轮308的颗粒度为100～200目，用于晶棒粗磨工序。

精磨动力头组件400包括精磨变频电机401、精磨进给导轨安装座402、水平移动伺服电机403、水平进给组件404、精磨竖直导轨安装座405、竖直进给组件406、精磨砂轮安装座407和精磨砂轮组件408；其中，水平进给组件404通过精磨进给导轨安装座402固定在大底架100上的平台上，且安装方向垂直于主导轨102；水平移动伺服电机403通过传动部件与水平进给组件404连接；竖直进给组件406通过精磨竖直导轨安装座405固定在水平进给组件404上，精磨变频电机401和精磨砂轮安装座407固定在竖直进给组件406上，精磨砂轮组件408装在精磨砂轮安装座407上。精磨变频电机401驱动精磨砂轮408旋转，实现工件的磨削；所述精磨砂轮407的颗粒度为400～600目，用于晶棒精磨工序。

上料机械手组件500包括送料机械手501、导轨安装座502、伸缩气缸组件503和水平进给组件504；其中，上料机械手501活动安装于导轨安装座502的导轨上，导轨安装座502固定在大底架100的平台上；伸缩气缸组件503通过水平进给组件504连接至导轨安装座502。上料机械手组件500用于将待加工的晶棒托起，并送入对中机械手600前。

对中机械手组件600包括水平导轨安装座605、水平移动组件606、水平移动伺服电机604、对中竖直导轨安装座602、对中竖直进给组件603、竖直移动电机601和对中手抓607；其中，水平移动组件606通过水平导轨安装座605固定在大底架100上的平台上，且安装方向垂直于主导轨102；水平移动伺服电机604通过传动部件与水平移动组件606连接；对中竖直进给组件603通过对中竖直导轨安装座602安装座固定在水平移动组件606上，竖直移动电机601和对中手抓607固定在对中竖直进给组件603上。上料机械手组件600的对中手抓607设计有两个V型槽，大V型槽适用于尺寸大的硅棒(6～8英寸)，小V型槽适用于尺寸小的硅棒(2～4英寸)；对中机械手组件600将上料机械手组件500上的晶棒托起并夹紧，并通过水平移动伺服电机604精确控制大小晶棒的位置，使其轴心线与磨削工作台组件200的轴心线一致，实现晶棒对中。

晶向检测装置700包括龙门安装架701、激光测距传感器组件702、传感器支架、升降气缸组件703及罩壳；其中，龙门安装架701具有能上下伸缩的支撑腿，横跨主导轨102且固定在大底架100上；激光测距传感器组件702通过传感器支架悬挂固定在龙门安装架701上；升降气缸组件703安装在龙门安装架701上端且由罩壳保护。晶向检测装置700可通过激光测距传感器组件702进行非接触检测，从而确定晶棒的棱线位置。

所述半径检测单元800包括安装底座801、驱动电机802、水平直线运动单元803、支撑座804和接触式传感器单元805；其中，水平直线运动单元803通过安装底座801安装在大底架100上；接触式传感器单元805通过连接杆装在支撑座804上，支撑座804则安装在水平直线运动单元803的导轨上，驱动电机802设于水平直线运动单元803的一端。驱动电机802驱动水平直线运动单元，带动接触式传感器单元805运动，接触晶棒后检测晶棒半径，一般沿晶棒轴线方向，检测3到5个位置。