一种大尺寸石英坩埚非圆曲面化学机械磨抛一体化装备

1.本发明属于机械加工设备技术领域，尤其涉及一种大尺寸石英坩埚非圆曲面化学机械磨抛一体化装备。


背景技术：

2.石英坩埚是拉制大直径单晶硅、发展大规模集成电路必不可少的基础材料，对半导体、光伏产业发展具有重要作用。随着国内光伏行业的快速发展与大尺寸硅片推动的技术升级驱动，对石英坩埚的纯度、精度及表面质量要求日益严格。
3.大尺寸石英坩埚一般尺寸在28英寸以上，这种石英坩埚产出后内壁会不可避免的出现裂纹、掉片、脏污、气泡等现象，由于这些因素的影响，会使得后续的拉晶效果大打折扣，在高温中长时间使用也会增加炸裂的可能性。并且这些缺陷大多是微小缺陷，不容易被发现。当前坩埚会选择镀一层特殊薄层再使用，但这些缺陷的存在不仅会影响特殊镀层镀制，也会为后期拉制硅锭留下潜在危害。因此，石英坩埚内的这些裂纹、掉片等缺陷必须要进行磨抛去除处理。
4.一般机械应力磨抛方法会在表面形成损伤层，对坩埚非圆曲面进行磨抛后注定无法使用。而常规化学机械抛光针对平面材料可以加工出超光滑表面，但大尺寸石英坩埚内壁呈非圆曲面，且由于坩埚硬度较高尺寸较大，目前还未见到能对其进行无损磨抛的装备报道。为此本发明提出了一种可对大尺寸坩埚内壁进行化学机械打磨和抛光的装备，即坩埚非圆曲面化学机械磨抛一体化装备。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种可对石英坩埚尤其是大尺寸坩埚非圆曲面进行高质高效化学机械打磨抛光的装备，为此提出一种大尺寸石英坩埚非圆曲面化学机械磨抛一体化装备。
6.本发明实现上述目的的具体技术方案如下：一种大尺寸石英坩埚非圆曲面化学机械磨抛一体化装备，包括：坩埚固定吸盘夹具、磨抛盘、浮动主轴、法兰盘、主轴旋转系统、主轴组件、主轴上下移动系统、机架、抛光液滴加系统和操作系统。其中所述机架设置有水平隔板、机架壳体和导轨，坩埚固定吸盘夹具与机架壳体底部通过导轨相连，主轴旋转系统组件、主轴上下移动系统组件通过机架水平隔板连接并固定，浮动主轴通过法兰盘与主轴连接并固定于其下方，磨抛盘与浮动主轴连接，磨抛盘包含超声振动模块和液压伸缩模块，超声振动模块设置于磨抛盘内部，液压伸缩模块的伸缩杆组布置于磨抛盘内，液压伸缩模块的液压电机及液压泵等组件布置于磨抛盘上表面，操作系统设置在机架一侧，主轴旋转、主轴上下移动、磨抛盘内超声振动、液压伸缩杆、真空吸盘通过操作系统控制。
7.所述的机架包括隔板、壳体和导轨，其中，隔板呈水平姿态固定于壳体上半部；壳体呈长方形，被水平隔板分成两个部分；导轨设有两道，分别对称分布固定在长方形壳体底部。
8.所述的坩埚固定吸盘夹具包括通气管、挡板、丝杆、第一皮带轮组、齿轮、弧形橡胶垫块(弧形与坩埚外侧壁契合)、吸盘凹面(形状与坩埚底部形状契合)、第一圆锥齿轮组、第二皮带轮组、挡板电机、第三皮带轮组、第二圆锥齿轮组、第四皮带轮组、轴承、抽气系统(抽气泵、联接器、抽气泵电机等)、上坩埚毛坯凹槽。其中通气管分布于吸盘内部，挡板上均匀布置有若干弧形橡胶垫块，挡板在夹具两侧对称分布并与丝杆连接，两侧丝杆与其对应齿轮连接，左侧齿轮与第一皮带轮组连接，右侧齿轮与第四皮带轮组连接，第一皮带轮组通过第一圆锥齿轮组与第二皮带轮组连接，第三皮带轮组通过第二圆锥齿轮组与第四皮带轮组连接，第二及第三皮带轮组均与挡板电机轴连接，轴承在各连接处设置。抽气泵电机的输出端通过联接器与抽气泵相连，抽气泵的输出端与各通气孔相连，用于真空吸取。上坩埚毛坯凹槽居中设置在吸盘凹面前方，方便坩埚毛坯以竖直姿态被送到待加工位置。在挡板电机驱动下，可实现夹具两侧的挡板同时同速向中间运动，同时弧形橡胶垫块弧形面与坩埚外壁贴合并推动坩埚，保证坩埚处于中心位置。在气泵电机的带动下，抽气系统可使吸盘内部通气管处于真空或近似真空状态，将坩埚牢牢吸附紧贴于吸盘凹面，配合挡板及弧形垫块实现坩埚的精确固定以及避免加工时产生微小晃动。
9.所述的主轴旋转系统包括主轴旋转电机、轴承、第六皮带轮组。其中，轴承安装在水平隔板的通孔中，旋转电机通过轴承垂直安装在隔板下方，电机轴在隔板上方与第六皮带轮组一端相连，第六皮带轮组另一端与主轴组件相连接。在主轴旋转电机带动下，主轴可实现自转运动。
10.所述的主轴组件包括空心转轴、轴承、套筒、导轨块、主轴保持架、主轴连接口。其中，转轴为中空结构，通过轴承穿过机架水平隔板，隔板上方的转轴上端连接固定于第六皮带轮组，套筒连接在下方转轴上，导轨块固定在套筒一侧，保持架一端穿过导轨与其配合，另一端连接并固定在机架水平隔板上，呈牢固垂直状态，当主轴发生上下移动时，导轨块可随着套筒沿保持架进行平稳的上下移动。主轴连接口在转轴的最下方，连接不同尺寸的法兰盘配合使用。
11.所述的主轴上下移动系统包括连接轴组件和主轴上下移动电机。其中，连接轴组件通过轴承贯穿在机架水平隔板两侧，连接轴组件下端与套筒一侧连接固定，连接轴组件上端与控制主轴上下移动的电机相连接，主轴上下移动电机水平安装在隔板上方。启动主轴上下移动电机，可实现主轴的上下移动。
12.所述的浮动主轴通过法兰盘垂直连接在旋转主轴下方，用于减轻下方连接件产生的径向碰撞力。
13.所述的磨抛盘包括磨抛轮组、第五皮带轮组、磨抛轮组电机、液压伸缩模块、超声振动模块。其中，液压伸缩模块有包括弹簧、液压伸缩杆、液压泵、液压泵电机、液压阀、联接器；超声振动模块有包括超声波聚能器、超声振动子。磨抛盘外壳由两个半径不同的半圆形空心壳体组成，半径较大的半圆壳体边缘以45度为间隔分别设置有三个u形槽。磨抛轮组设置为三组磨抛轮，分别是一组磨轮和两组抛光轮，三组磨抛轮以打磨轮-抛光轮-抛光轮的次序分布在u形槽处，磨抛轮柄中部穿过轴承，上部连接固定于第五皮带轮组；第五皮带轮组设置有三组，各皮带轮组一端分别与三组磨抛轮柄连接，另一端与磨抛轮组电机连接，磨抛轮组电机垂直固定在两相邻的液压伸缩杆之间；液压伸缩杆设置有三组，以45度间隔水平安装在半径较大的半圆壳体内部，可实现0～3mm的轴向伸缩，液压伸缩杆的一端与贯穿
磨抛轮柄的轴承相连接，液压伸缩杆中部设置有弹簧，液压伸缩杆另一端连接固定在中心轴上，液压泵、液压泵电机、液压阀、联接器组合布置在半径较小的半圆壳体表面，组合后与液压伸缩杆连接，启动液压泵电机可控制液压伸缩杆进行微小伸缩，实现对磨抛轮组变化施力，从而控制磨抛压力。超声振动模块水平安装固定在半径较小的半圆壳体内部，其中超声振动子和中心轴相接触，启动超声波聚能器时，超声振动子可对中心轴进行超声振动，继而对磨抛轮形成超声振动，实现超声辅助化学机械先磨后抛的工作。
14.所述的抛光液滴加系统包括抛光液容器、可调温磁力搅拌器、蠕动泵、橡胶管。其中，抛光液滴加系统分两组分别布置在设备内部两侧，可调温磁力搅拌器和蠕动泵设置于抛光液滴加系统平台上，蠕动泵输入端和输出端分别连接橡胶管，输入端连接的橡胶管另一端伸入抛光液容器中，输出端连接的橡胶管伸入在坩埚口并紧贴内壁，抛光液容器放置在可调温磁力搅拌器载物台上。工作时，可调温磁力搅拌器调控抛光液恒温，并能不断搅拌抛光液，防止抛光液沉淀，蠕动泵定量滴加抛光液。
15.所述的操作系统包括开关和操作面板。通过操作面板，可以实现坩埚的精确固定装夹，控制磨抛轮组与坩埚内壁的接触位置及状态，调节超声振动功率和液压杆伸缩度，配合外部沿坩埚内壁滴加的抛光液，实现超声辅助下可变力的大尺寸石英坩埚的化学机械磨抛。
16.本发明具有以下优点：
17.1、本发明通过设计坩埚固定吸盘夹具、主轴旋转系统、主轴组件、主轴上下移动系统、浮动主轴、磨抛盘，可保证的坩埚的定位精度，可实现磨抛盘上下和旋转运动，实现了对坩埚内壁侧面的循环磨抛，保证了坩埚的磨抛精度，解决了大尺寸坩埚非圆曲面难以高质高效自动化机械磨抛的难题。
18.2、本发明设计有一组打磨轮和两组抛光轮，工作时打磨轮先对既定区域进行打磨，紧接着两组抛光轮对打磨完的区域进行抛光，节省了更换磨轮的过程，实现了大尺寸坩埚非圆曲面便捷高效的化学机械磨抛。
19.3、本发明设计有液压伸缩模块和超声振动模块，磨抛时可调整磨抛轮和坩埚内壁之间的挤压作用力，配合超声辅助磨抛，提高了坩埚的加工质量和效率。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为本磨抛装备正视图。
22.图2为坩埚固定吸盘夹具俯视图。
23.图3为磨抛盘俯视图。
24.图4为磨抛盘正视图。
25.图中：1.坩埚固定吸盘夹具、2.坩埚、3.磨抛盘、4.浮动主轴、5.法兰盘、 6.主轴旋转系统、7.主轴组件、8.上下移动系统、9.机架、10.操作系统、11抛光液滴加系统；
26.1-1.通气管、1-2.挡板、1-3.丝杆、1-4.第一皮带轮组、1-5.齿轮、1-6.弧形橡胶垫
块、1-7.吸盘凹面、1-8.第一圆锥齿轮组、1-9.第二皮带轮组、1-10.挡板电机、1-11.第三皮带轮组、1-12.第二圆锥齿轮组、1-13.第四皮带轮组、1-14. 轴承、1-15.抽气泵、1-16.联接器、1-17.抽气泵电机、1-18.上坩埚毛坯凹槽； 3-1.磨抛轮组、3-1-1、打磨轮；3-1-2、第一抛光轮；3-1-3、第二抛光轮；3-2. 弹簧、3-3.液压伸缩杆、3-4.第五皮带轮组、3-4-1、第五皮带轮a；3-4-2、第五皮带轮b；3-4-3、第五皮带轮c；3-5.磨抛轮组电机、3-6.液压泵、3-7.液压泵电机、3-8.超声波聚能器、3-9.超声振动子、3-10.液压阀、3-11.联接器、 3-12.磨抛盘中心轴；6-1.主轴旋转电机、6-2.轴承、6-3.第六皮带轮组；7-1. 导轨块、7-2.主轴保持架、7-3.轴承、7-4.套筒、7-5.主轴连接口、7-6.转轴； 8-1.连接轴组件、8-2.主轴上下移动电机；9-1.水平隔板、9-2.方框壳体、9-3. 导轨；10-1.操作面板、10-2.操作面板开关；11-1.抛光液容器、11-2.可调温磁力搅拌器、11-3.抛光液滴加系统平台、11-4.蠕动泵、11-5.橡胶管。
具体实施方式
27.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.下面结合附图1～4，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
29.如图1-4所示，本发明实施例公开了一种大尺寸石英坩埚非圆曲面化学机械磨抛一体化装备，包括：坩埚固定吸盘夹具1、磨抛盘3、浮动主轴4、法兰盘5、主轴旋转系统6、主轴组件7、上下移动系统8、机架9、操作系统10。其中所述机架9设置有水平隔板9-1、机架壳体9-2和导轨9-3，坩埚固定吸盘夹具1的本体与机架壳体9-2通过导轨9-3相连，其用于夹持待磨抛的坩埚，坩埚坐落在坩埚固定吸盘夹具1上表面开设的吸盘凹面1-7内(其中吸盘凹面形状与坩埚底部形状契合)，主轴旋转系统6组件、主轴上下移动系统8组件通过机架水平隔板9-1连接并固定，浮动主轴4通过法兰盘5 与主轴组件7连接并固定于其下方，磨抛盘3与浮动主轴4连接，磨抛盘3 包含超声振动模块和液压伸缩模块，所述超声振动模块包括超声波聚能器3-8、超声振动子3-9，所述液压伸缩模块包括弹簧3-2、液压伸缩杆3-3、液压泵 3-6、液压泵电机3-7、液压阀3-10、联接器3-11，超声波聚能器3-8、超声振动子3-9设置于磨抛盘3内部，弹簧3-2、液压伸缩杆3-3布置于磨抛盘3内，液压泵3-6及液压电机3-7、联接器3-11、液压阀3-10等组件布置于磨抛盘3 上表面，操作系统10设置在机架9一侧，主轴旋转、主轴上下移动、磨抛盘内超声振动、液压伸缩杆、真空吸盘通过操作系统10控制。
30.所述的机架9包括隔板9-1、方形壳体9-2和导轨9-3，其中，隔板9-1 呈水平姿态固定于壳体9-2上半部；壳体9-2呈长方形，被水平隔板9-1分成两个部分；导轨9-3设有两道，分别对称固定分布在长方形壳体9-2底部。
31.所述的坩埚固定吸盘夹具1包括通气管1-1、挡板1-2、丝杆1-3、第一皮带轮组1-4、齿轮1-5、弧形橡胶垫块1-6、吸盘凹面1-7(形状与坩埚底部形状契合)、第一圆锥齿轮组1-8、第二皮带轮组1-9、挡板电机1-10、第三皮带轮组1-11、第二圆锥齿轮组1-12、第四皮带轮组1-13、轴承1-14、抽气系统(抽气泵1-15、联接器1-16、抽气泵电机1-17)、上坩埚凹槽1-18。其中通气管1-1分布于吸盘夹具1内部，挡板1-2上均匀布置有若干弧形橡胶垫块1-6，挡
板1-2设有两组，二者在夹具1两侧对称分布并与对应的丝杆1-3 连接，两侧丝杆1-3与其对应齿轮1-5连接，左侧齿轮1-5与第一皮带轮组 1-4连接，右侧齿轮与第四皮带轮组1-13连接，第一皮带轮组1-4通过第一圆锥齿轮组1-8与第二皮带轮组1-9连接，第三皮带轮组1-11通过第二圆锥齿轮组1-12与第四皮带轮组1-13连接，第二皮带轮组1-9和第三皮带轮组 1-11都连接于挡板电机1-10轴上，轴承1-14在各连接处设置。抽气泵电机 1-17的输出端通过联接器1-16与抽气泵1-15相连，抽气泵1-15的输出端与各通气孔相连，用于吸盘内部通气管1-1的真空吸取。上坩埚毛坯凹槽1-18 居中在吸盘凹面1-7前方设置，可实现上坩埚2毛坯料时以竖直姿态进入到吸盘凹面1-7内。在挡板电机1-10驱动下，可实现夹具两侧的挡板1-2同时同速向中间运动，同时弧形橡胶垫块1-6弧形面与坩埚2外壁贴合并推动坩埚2运动，保证坩埚2处于竖直状态且在中心位置。在气泵电机1-15的带动下，抽气系统可使吸盘内部通气管1-1处于真空或近似真空状态，从而将坩埚2吸附紧贴于吸盘凹面1-7，配合挡板1-2及弧形垫块1-6实现坩埚2的精确固定以及避免加工时产生微小晃动。
32.所述的主轴旋转系统6包括主轴旋转电机6-1、轴承6-2、第六皮带轮组 6-3。其中，轴承6-2安装在水平隔板9-1的通孔中，旋转电机6-1通过轴承 6-2垂直安装在隔板9-1下方，电机6-1轴在隔板9-1上方与第六皮带轮组6-3 一端相连，第六皮带轮组6-3另一端与主轴组件7相连接。在主轴旋转电机6-1带动下，主轴可实现自转运动。
33.所述的主轴组件7包括导轨块7-1、主轴保持架7-2、轴承7-3、套筒7-4、主轴连接口7-5、空心转轴7-6。其中，转轴7-6为中空结构，轴承7-3安装在水平隔板9-1的通孔中，隔板上方的转轴7-6上端连接固定于第六皮带轮组 6-3，套筒7-4连接在下方转轴7-6上，导轨块7-1固定在套筒7-4一侧，主轴保持架7-2一端穿过导轨块7-1并与其配合，另一端连接并固定在机架水平隔板9-1上，呈牢固垂直状态，当主轴发生上下移动时，导轨块7-1可随着套筒 7-4沿保持架7-2进行平稳的上下移动。主轴连接口在转轴7-6的最下方，连接不同尺寸的法兰盘配合使用。
34.所述的主轴上下移动系统8包括连接轴组件8-1和主轴上下移动电机8-2。其中，连接轴组件8-1通过轴承贯穿在机架水平隔板9-1两侧，下端与套筒 7-4一侧连接固定，上端与控制主轴上下移动的电机8-2相连接，主轴上下移动电机8-2水平安装在隔板上方。启动主轴上下移动电机8-2，可实现主轴的上下移动。
35.所述的浮动主轴4通过法兰盘5垂直连接在旋转主轴7下方，用于减轻下方连接件产生的径向碰撞力。
36.所述的磨抛盘3包括磨抛轮组3-1、第五皮带轮组3-4、磨抛轮组电机3-5 和所述液压伸缩模块、超声振动模块。磨抛盘3外壳由两个半径不同的半圆形空心壳体组成，半径较大的半圆壳体边缘以45度为间隔分别设置有三个u 形槽。磨抛轮组3-1设置为三组磨抛轮，分别是一组磨轮和两组抛光轮，三组磨抛轮以打磨轮3-1-1-第一抛光轮3-1-2-第二抛光轮3-1-3的次序分布在u 形槽处，磨抛轮柄中部穿过轴承，上部连接固定于第五皮带轮组3-4；第五皮带轮组3-4设置有三组，第五皮带轮a3-4-1、第五皮带轮b3-4-2、第五皮带轮c3-4-3一端分别与三组磨抛轮柄连接，另一端与磨抛轮组电机3-5连接，磨抛轮组电机3-5垂直固定在两相邻的液压伸缩杆3-3之间；液压伸缩杆3-3 设置有三组，以45度间隔水平安装在半径较大的半圆壳体内部，可实现0～3 mm的轴向伸缩，液压伸缩杆的一端与贯穿磨抛轮柄的轴承相连接，中部设置有弹簧3-2，液压伸缩杆3-3另一端连接固定在磨抛盘中心轴上，液压
泵3-6、液压泵电机3-7、液压阀3-10、联接器3-11组合布置在半径较小的半圆壳体表面，组合后与液压伸缩杆3-3连接，启动液压泵电机3-7可调节液压伸缩杆 3-3进行微小伸缩，实现对磨抛轮组3-1变化施力，从而控制磨抛压力。超声振动模块水平安装固定在半径较小的半圆壳体内部，其中超声振动子3-9和中心轴相接触，启动超声波聚能器3-8时，超声振动子3-9可进行对中心轴超声振动，从而对磨抛轮3-1形成超声振动，实现超声辅助化学机械磨抛工作。
37.所述的抛光液滴加系统11包括抛光液容器11-1、可调温磁力搅拌器11-2、抛光液滴加系统平台11-3、蠕动泵11-4、橡胶管44-5。其中，抛光液滴加系统11分两组分别布置在设备内部两侧，可调温磁力搅拌器11-2和蠕动泵11-4 设置于的抛光液滴加系统平台11-3上，蠕动泵11-4输入端和输出端分别连接橡胶管11-5，输入端连接的橡胶管另一端伸入抛光液容器11-1中，输出端连接的橡胶管伸入在坩埚2口端并紧贴内壁，抛光液容器11-1放置在可调温磁力搅拌器11-2载物台上。工作时，可调温磁力搅拌器11-2调控抛光液恒温，并能不断搅拌抛光液，防止抛光液沉淀，蠕动泵11-4定量滴加抛光液。
38.所述的操作系统10包括操作面板10-1和开关10-2。通过操作面板10-1，可以实现坩埚的精确固定装夹，控制磨抛轮组在坩埚内的磨抛位置及施力状态，调节超声振动功率和液压杆伸缩度，配合抛光液滴加系统沿坩埚内壁滴加的抛光液，实现超声辅助下可变力的大尺寸石英坩埚的化学机械磨抛。
39.综上所述，本大尺寸石英坩埚非圆曲面化学机械磨抛一体化装备通过坩埚固定吸盘夹具保证坩埚的定位精度，通过主轴旋转和上下移动实现磨抛盘进行上下和旋转运动，实现了对坩埚内壁同时进行的高精度打磨和抛光，同时通过液压伸缩模块调整磨抛轮和坩埚内壁之间的挤压作用力，配合超声辅助，解决了坩埚内壁尤其是大尺寸坩埚非圆曲面内壁高质高效化学机械磨抛的难题。
40.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。