一种可自动定中心的碳化硅晶锭粘结加工设备及方法与流程

1.本发明是一种可自动定中心的碳化硅晶锭粘结加工设备及方法，属于碳化硅晶锭粘结技术领域。


背景技术：

2.碳化硅是继第一代半导体si、第二代半导体gaas或inp等之后发展起来的比较重要的第三代半导体材料，具有宽禁带、高热导率、高击穿场强、高载流子饱和迁移速率等的特点，在高温、高频、大功率、微电子器件等方面和航天、军工、核能等极端环境应用有着不可替代的优势，具有巨大的应用潜力。
3.生产出一片完整的碳化硅衬底需要经过很多道工序进行加工，碳化硅晶锭的外径研磨即是众多工序中比较重要的一道，此工序决定了碳化硅晶锭成品的轴向偏移度，而轴向偏移度是碳化硅晶锭产品规范中的一项重要参数，在碳化硅晶锭进行外径研磨前，需要寻找碳化硅晶锭的中心并用粘结蜡（胶水）将外圆磨床上的端面凸台与碳化硅晶锭的端面粘在一起，使端面凸台和碳化硅晶锭具有较好的同心度。
4.现有的寻找碳化硅晶锭中心的方法，主要是将端面凸台放在碳化硅晶锭的端面上，然后采用游标卡尺在不同位置反复测量碳化硅晶锭圆边至贴紧碳化硅端面治具外边缘的距离，再慢慢将端面凸台校正到碳化硅晶锭的中心，或如申请公布号为cn104131355a的发明专利公开的蓝宝石晶棒粘棒工艺中提到的方法，将蓝宝石晶棒与粘棒凸台粘合，但上述过程均存在较多缺点：首先，由于碳化硅晶锭的圆边在外径研磨前呈现不规则的形态，因此采用游标卡尺寻找碳化硅晶锭中心处的方法存在较大的误差，不仅操作不方便，而且由于碳化硅晶锭的上下两个端面均需要粘结端面治具，即使使用了相关的工装也难以实现两个端面凸台和碳化硅晶锭的上下端面分别保持一致的同心度，同心度偏差太大时，外径研磨过程中碳化硅晶锭外径的研磨会不均匀，需多次停机对碳化硅晶锭位置进行重复调整且有加工失败的风险，大大增加了员工的工作量和制程时间；其次，操作人员在粘结和调整端面凸台的过程中很容易磕碰到碳化硅晶锭边缘造成崩边或掉落，造成碳化硅晶锭破裂报废，造成资源成本的浪费。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种可自动定中心的碳化硅晶锭粘结加工设备及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
6.为了实现上述第一个目的，即提供一种碳化硅晶锭粘结加工设备，本发明通过如下技术方案实现。
7.一种可自动定中心的碳化硅晶锭粘结加工设备，包括机台本体，还包括工控机、设置在机台本体上的环状的工作台、滑动连接在机台本体上的伸缩气缸、固定连接在伸缩气缸上的第一夹持机构、与第一夹持机构相连的第一粘结治具、固定在机台本体上的升降模组、与升降模组固定连接的第二夹持机构、安装在第二夹持机构上的定位平板、与第二夹持
机构相连的第二粘结治具、与第一夹持机构固定连接的测距传感器、设置在机台本体上的粘结喷蜡装置。
8.优选的，所述定位平板中央开设有定位圆孔，第二粘结治具套设在定位圆孔中。
9.优选的，所述定位平板以可拆卸的方式设置在安装在第二夹持机构上。
10.优选的，所述测距传感器为tof景深传感器、相机、超声波传感器、红外传感器中的一种。
11.优选的，还包括针状的、与第一夹持机构固定连接的粘结蜡喷头，粘结蜡喷头与粘结喷蜡装置相连，粘结蜡喷头的尖端朝下设置。
12.优选的，还包括水平位移台，水平位移台与伸缩气缸、粘结蜡喷头固定连接。
13.优选的，所述工控机与伸缩气缸、第一夹持机构、升降模组、第二夹持机构、测距传感器和粘结喷蜡装置电连接。
14.为了实现第二个目的，即可应用到上述的可自动定中心的碳化硅晶锭粘结加工设备的一种碳化硅晶锭粘结加工方法，本发明通过下述技术方案实现。
15.一种可自动定中心的碳化硅晶锭粘结加工方法，包括如下步骤：s1.组装并检查碳化硅晶锭粘结加工设备组装并检查碳化硅晶锭粘结加工设备，预先在工控机上设定粘结程序，将碳化硅晶锭搭放在工作台上，准备进行碳化硅晶锭的粘结；s2.碳化硅晶锭上端面粘结启动工控机，通过测距传感器测定碳化硅晶锭的二维轮廓及坐标，利用工控机内预先设定的算法程序碳化硅晶锭的上端面上进行喷蜡动作，启动伸缩气缸并完成第一粘结治具与碳化硅晶锭的上端面的粘结操作；s3.碳化硅晶锭下端面粘结伸缩气缸归位，将粘结在一起的第一粘结治具与碳化硅晶锭带动上移；升降模组带动第二粘结治具抬升并在第二粘结治具的端面上进行喷蜡动作，再启动伸缩气缸，带动碳化硅晶锭下移直至碳化硅晶锭的下端面接触第二粘结治具的表面并维持一定保压时间，完成碳化硅晶锭的下端面与第二粘结治具的粘结操作；s4.取下碳化硅晶锭第一夹持机构解除对第一粘结治具的夹持，伸缩气缸归位，第二夹持机构解除对第二粘结治具的夹持，碳化硅晶锭的粘结结束。
16.本发明的有益效果：（1）本发明涉及一种可自动定中心的碳化硅晶锭粘结加工设备，该设备包括测距传感器，测距传感器对端面研磨后的碳化硅晶锭的中心和边缘轮廓进行测量和二维曲线建模，自动、快速、准确的寻找碳化硅晶锭的中心，并能进行粘结所需尺寸圆的拟合计算。
17.（2）本发明涉及一种可自动定中心的碳化硅晶锭粘结加工设备，该设备包括水平位移台，结合工控机和测距传感器，水平位移台能够实现碳化硅晶锭的端面和粘结治具中心位置的快速精准定位，提高碳化硅晶体与粘结治具的端面粘合效率，水平位移台还可带动喷蜡头移动，保证喷蜡头按照自定义的喷蜡轨迹在特定端面上进行喷蜡作业，以保证碳化硅晶锭的端面和粘结治具的粘结强度。
18.（3）本发明涉及一种可自动定中心的碳化硅晶锭粘结加工设备，该设备包括伸缩
气缸和升降模组，二者可与其他部件相互配合，带动碳化硅晶锭上下移动，实现碳化硅晶锭的两个端面与第一粘结治具和第二粘结治具的自动粘结，并辅助碳化硅晶锭的上下两个端面与粘结治具进行粘结，避免由于人工操作测量以及碳化硅晶锭圆边不规则导致作业和测量存在较大误差，进而影响产品重要参数，提高碳化硅晶锭的粘结效率。
19.（4）本发明涉及一种可自动定中心的碳化硅晶锭粘结加工方法，该方法应用工控机，提前设定有自动化程序，操作人员只需放置粘结治具以及碳化硅晶锭至相应位置即可实现碳化硅晶锭的两个端面分别与第一粘结治具和第二粘结治具的自动粘结，解决现有技术中存在的问题，提高碳化硅晶锭的粘结效率和成功率。
附图说明
20.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为本发明可自动定中心的碳化硅晶锭粘结加工设备的结构示意图；图2为本发明三种喷蜡轨迹曲线示意图。
21.图中：1机台本体，2工控机，3工作台，4伸缩气缸，5第一夹持机构，6第一粘结治具，7升降模组，8第二夹持机构，9定位平板，10第二粘结治具，11测距传感器，12粘结喷蜡装置，13定位圆孔，14粘结蜡喷头，15水平位移台，16橡胶软管。
具体实施方式
22.为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
23.实施例1如图1所示，一种可自动定中心的碳化硅晶锭粘结加工设备，包括机台本体1、工控机2、固定在机台本体1上的环状的工作台3、滑动连接在机台本体1上的伸缩气缸4、固定连接在伸缩气缸4上的第一夹持机构5、与第一夹持机构5相连的第一粘结治具6、固定在机台本体1上的升降模组7、与升降模组7固定连接的第二夹持机构8、安装在第二夹持机构8上的定位平板9、与第二夹持机构8相连的第二粘结治具10、与第一夹持机构5固定连接的测距传感器11、设置在机台本体1上的粘结喷蜡装置12、针状的且与第一夹持机构5固定连接的粘结蜡喷头14、水平位移台15。
24.工控机2与伸缩气缸4、第一夹持机构5、升降模组7、第二夹持机构8、测距传感器11和粘结喷蜡装置12电连接。
25.工作台3以焊接或螺纹连接的方式固定在机台本体1上，且工作台3的中心处允许第二粘结治具10通过，以便于升降模组7带动第二粘结治具10上下移动。
26.定位平板9中央开设有定位圆孔13，第二粘结治具10套设在定位圆孔13中；定位平板9以可拆卸的方式设置在安装在第二夹持机构8上，定位平板9包括不同的型号，不同型号的定位平板9上开设的定位圆孔13尺寸不同，用以固定不同尺寸的碳化硅晶锭，碳化硅晶锭为薄板状，尺寸一般为4寸（φ100*l20-40mm）或6寸（φ150*l15-30mm）；本实施例选用4寸的定位平板9，其上开设的定位圆孔13的尺寸为φ80mm，用于支撑4寸的碳化硅晶锭。
27.测距传感器11为tof景深传感器、相机、超声波传感器、红外传感器中的一种。
28.粘结蜡喷头14与粘结喷蜡装置12通过橡胶软管16相连，粘结蜡喷头14的尖端朝下设置。
29.水平位移台15与伸缩气缸4、粘结蜡喷头14固定连接。
30.实施例2不同于实施例1，机台本体1的中心处可开设有梯台状的搭建槽，工作台3以搭放的方式固定在机台本体1上，便于升降模组7带动第二粘结治具10透过工作台3上下移动，且可以根据碳化硅晶锭的尺寸更换不同尺寸的工作台3，工作台3使不同尺寸的碳化硅晶锭平稳搭放在机台本体1上，本实施例中选用6寸的定位平板9，其上开设的定位圆孔13的尺寸为130mm，用于支撑6寸的碳化硅晶锭。
31.第一夹持机构5和第二夹持机构8为定心式卡盘，可以为气动三爪或四爪卡盘，用于夹持第一粘结治具6或第二粘结治具10的末端。
32.伸缩气缸4和升降模组7均为配置有电磁阀和延时阀的气缸，可分别由工控机2控制其内的压缩空气含量及压力值。
33.实施例3一种可自动定中心的碳化硅晶锭粘结加工方法，采用实施例2中的设备，包括如下步骤：s1.组装并检查碳化硅晶锭粘结加工设备s11.检查伸缩气缸4、第一夹持机构5、升降模组7、第二夹持机构8是否正常运转；s12.将第一粘结治具6与第一夹持机构5固定，相当于将第一粘结治具6与伸缩气缸4固定；s13.选择6寸的定位平板9安装在第二夹持机构8上，将第二粘结治具10的端部套设在定位圆孔13中，实现第二粘结治具10中心的固定，再用第二夹持机构8夹持住第二粘结治具10；s14.检查碳化硅晶锭粘结加工设备是否正常运转，具体需要检查的部件包括测距传感器11、粘结喷蜡装置12、粘结蜡喷头14以及水平位移台15；s15.预先在工控机2上设定粘结程序粘结程序包括：（1）预先设定的坐标原点（x0,y0）及坐标轴，每次操作工控机2开机后自动复位；（2）预先设定4寸和6寸的碳化硅晶锭的拟合圆尺寸，并设置手动输入拟合圆尺寸的程序；（3）预先设定伸缩气缸4和升降模组7内气缸的压缩空气含量以及压力值的可调节模式，用于控制碳化硅晶锭粘结操作中伸缩气缸4和升降模组7的往复运动；（4）预先设定三种喷蜡轨迹曲线，即螺旋型曲线、点状涂布曲线、直线涂布曲线；（5）预先设定或设置手动输入粘结蜡的型号及相关理化性质，设定程序自动根据粘结蜡的型号判断喷蜡轨迹曲线的选择、相应的线间距或点间距以及粘结蜡喷头14的移动速度和喷蜡覆盖面积等相关参数；s16.将碳化硅晶锭搭放在工作台3上；s2.碳化硅晶锭上端面粘结s21.定义伸缩气缸4和升降模组7做往复运动伸长至最远端时为终止端，伸缩气缸4和升降模组7做往复运动压缩至最小值时为归为端；启动工控机2，确保伸缩气缸4处于归位端，保证第一粘结治具6不与碳化硅晶锭的上端面接触；s22.工控机2通过控制水平位移台15移动带动测距传感器11移动，测距传感器11
对碳化硅晶锭进行扫描，得到碳化硅晶锭的二维轮廓和轮廓坐标；s23.利用工控机2内预先设定的算法程序、对碳化硅晶锭的扫描结计算出拟合圆圆心处坐标（xa,ya）；s24.工控机2通过控制水平位移台15带动粘结蜡喷头14移动，实现在碳化硅晶锭的上端面进行喷蜡动作，由于伸缩气缸4的中心处与粘结蜡喷头14的尖端具有一定的相对距离，当伸缩气缸4的中心处与碳化硅晶锭的圆心处重合时，两坐标同记为（xa,ya），粘结蜡喷头14与伸缩气缸4的中心处的相对距离差为（d
x
,dy），则粘结蜡喷头14的轨迹覆盖圆的中心值为（xa d
x
,ya dy），喷蜡轨迹曲线如图2所示，其中a所示为螺旋型曲线、b所示为点状涂布曲线、c所示为直线涂布曲线；s25.工控机2控制水平位移台15带动第一粘结治具6移动，使第一粘结治具6的中心处与碳化硅晶锭的圆心重合，启动伸缩气缸4，伸缩气缸4带动第一粘结治具6下移直至接触到碳化硅晶锭的上端面后停止移动，此时伸缩气缸4内的压力值达到最大，延时阀启动，开始实施保压过程，通过控制延时阀将保压时间控制在15-40min范围内，保证第一粘结治具6与碳化硅晶锭的上端面相互粘结；s3.碳化硅晶锭下端面粘结s31. 工控机2控制伸缩气缸4做压缩运动，带动第一粘结治具6与碳化硅晶锭同步上移，使碳化硅晶锭不与工作台3接触；s32. 工控机2控制升降模组7带动第二粘结治具10抬升，直至粘结蜡喷头14喷出的粘结蜡能够稳定的附着在第二粘结治具10的上端面；s33.工控机2控制水平位移台15移动，进一步带动粘结蜡喷头14移动，粘结蜡喷头14在第二粘结治具10的上表面进行喷蜡动作，粘结蜡喷头14的运动轨迹按照工控机2内预先设定的算法程序、对碳化硅晶锭的扫描结果、预先选定的喷蜡轨迹曲线综合计算得出，与步骤s24中粘结蜡喷头14的轨迹曲线坐标为（xa d
x
,ya dy）相同；s34.工控机2控制水平位移台15移动，带动第一粘结治具6与碳化硅晶锭同步移动，使碳化硅晶锭的圆心与第二粘结治具10的中心处重合；s35. 工控机2控制伸缩气缸4移动，伸缩气缸4带动碳化硅晶锭下移直至碳化硅晶锭的下端面接触第二粘结治具10的上表面，启动延时阀，开始实施保压过程，通过控制延时阀将保压时间控制在15-40min范围内，保证碳化硅晶锭的下端面与第二粘结治具10相互粘结；s4.取下碳化硅晶锭s41.第一夹持机构5解除对第一粘结治具6的夹持，伸缩气缸4归位；s42.第二夹持机构8解除对第二粘结治具10的夹持，升降模组7归位；s43.取下粘结在一起的第一粘结治具6、碳化硅晶锭和第二粘结治具10，碳化硅晶锭的粘结结束。
34.对比例1采用申请公布号为cn104131355a的发明专利公开的蓝宝石晶棒粘棒工艺中提到的方法，将蓝宝石晶棒与粘棒凸台粘合，作为实施例3的对照。
35.试验例1为进一步验证本发明涉及的碳化硅晶锭粘结加工方法的高效性，对实施例3和对
比例1的碳化硅晶锭粘结加工的效果进行比较，测量碳化硅晶锭研磨后的圆度误差、并测评碳化硅晶锭与两个粘结治具的拆卸难度，圆度误差的测量结果以及粘结治具的拆卸难度测评结果如表1所示。
36.表1 碳化硅晶锭粘结加工效果 圆度误差（mm）拆卸难度实施例3（平行1）0.037mm易实施例3（平行2）0.031mm易实施例3（平行3）0.034mm易对比例1（平行1）0.23mm难对比例1（平行2）0.31mm难对比例1（平行3）0.29mm难由具体测评和上述表格可以看出：对比例1中蓝宝石晶棒钻取完成后的圆度误差在0.2mm-0.4mm范围内，误差值较小时，蓝宝石圆棒和粘棒凸台的拆卸难度非常大，进一步导致粘棒凸台使用几次过后表面出现较严重的磨损，而圆度误差较大时，更是无法出现其所描述的≤0.04mm的同心度误差，不论圆度误差的大小，都会出现粘棒凸台涂胶不均匀、粘棒凸台与蓝宝石圆棒粘结不牢固、纯铝压头下压时将多余的胶挤到蓝宝石圆棒和粘棒凸台间隙等状况，进一步造成后续蓝宝石圆棒研磨效果不好或无法与粘棒凸台分离等情况发生：而采用本发明涉及的碳化硅晶锭粘结加工方法时，碳化硅晶锭的圆度误差在0.02mm以下，且第一夹持机构5和第二夹持机构8的定心式卡盘的夹持误差在0.01mm之内，水平位移台15的误差也在0.01mm之内，装配完成后的碳化硅晶锭的圆度误差整体控制在0.04mm以下，整个过程中，并不存在刚性装配，拆装简单易行，能够进一步保证各部件的精度进而确保装配后的误差在可控范围内，提高碳化硅晶锭的粘结效率和成功率。
37.以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
38.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。