CMP设备抛光头压力自动加载系统设计与研究

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1、广东工业大学硕士学位论文（工学硕士）CMP设备抛光头压力自动加载系统设计与研究薛超二○一八年五月分类号：学校代号：118451UDC：密级：学号：2111501085广东工业大学硕士学位论文（工学硕士）CMP设备抛光头压力自动加载系统设计与研究薛超指导教师姓名、职称：魏昕教授企业导师姓名、职称：无专业或领域名称：机械工程学生所属学院：机电工程学院论文答辩日期：2018年5月ADissertationSubmittedtoGuangdongUniversityofTechnologyfortheDegreeofMaster(MasterofEngineeringScienc

2、e)DESIGNANDSTUDYOFAUTOMATICPRESSURELOADINGSYSTEMFORPOLISHINGHEADOFCMPMACHINECandidate：XueChaoSupervisor：Prof.WeiXinMay2018FacultyofElectromechanicalEngineeringGuangdongUniversityofTechnologyGuangzhou，Guangdong，P.R.China，510006摘要摘要随着平板显示器向薄型化、弯曲化方向发展，柔性显示逐渐成为显示器行业发展的趋势。超薄不锈钢基板是下一代柔性显示器基板的理

3、想材料，化学机械抛光（ChemicalMechanicalPolishing,CMP）以其高质量、低损伤的良好表面加工效果在显示器基板表面平整化中得到了广泛应用。旋转摆动重力式抛光机具有结构简单、精度高等特点，通过重力加压的方式可以使抛光压力稳定均匀的施加在工件表面，并能够获得复杂的抛光轨迹。但是采用重力加压的方式无法实现抛光过程中压力的自动加载与连续加载，影响了工件加工效率及加工质量。随着气动技术的发展，气动技术以其结构简单、工作可靠、无污染等优点在工业控制领域得到了广泛的应用。然而，气体的可压缩性、非线性和系统参数容易受到环境影响等特点，增加了气动力控系统的难度，难以

4、获得满意的性能。针对以上问题，在旋转摆动重力式抛光机的基础上，应用气动比例控制技术，设计了基于嵌入式ARM微处理器和Linux操作系统的抛光压力自动加载系统，该系统实现了抛光过程抛光压力的自动化控制与CMP控制参数的数字化显示。系统以ARM控制器为控制核心，在PC端开发了测控界面，实现了抛光过程中抛光参数的显示和在线控制。其次，本文还建立了抛光压力自动加载系统的数学模型，设计了模糊PID控制器。最后，在现有ZPY200重力式旋转摆动研磨抛光机基础上搭建压力加载系统实验平台，对自动加载系统各个功能模块进行了调试，设计了抛光压力加载闭环实验及超薄不锈钢基板抛光实验，检测了抛光

5、后的不锈钢表面质量，验证了加载系统的有效性能。本文的主要研究方法及结论如下：（1）通过分析超薄不锈钢基板CMP过程CMP设备压力控制要求，基于气动比例力控系统，设计了CMP设备抛光头压力自动加载系统。主要设计了自动加载系统气动控制回路及系统控制器。针对气动控制回路，对电气比例阀、双作用气缸及气源等部件机型分析与选型。针对自动加载系统控制器，对控制器微处理器、压力传感器、超声波传感器、A/D转换器、D/A转换器、串口等进行了分析与选型。I广东工业大学硕士学位论文（2）对压力自动加载系统进行了数学建模，分析了气缸压力微分方程、比例阀压力-流量方程、气缸活塞力平衡方程，得出了系

6、统传递函数传递函数。分析了压力加载系统响应特性，响应曲线表明系统是稳定的，但是响应较慢。根据气动系统的特点，分析了经典PID控制和现代智能控制理论的优缺点，设计了适用于气动比例力控系统的模糊PID控制器。（3）针对控制器系统功能需求，开发了系统控制器软件。基于ARM-Linux平台，搭建了交叉编译环境，针对ARM端S5PV210微处理对嵌入式BootLoader、Linux操作系统进行了裁剪和移植，在此基础上完成了测控软件各部分功能的设计、开发和调试，主要有：温度测量，超声波距离检测，D/A转换、A/D转换，模糊PID算法，滤波算法等功能模块，并设计了压力控制整体程序流程

7、。为了便于监测，基于Qt平台开发了上位机测控界面，实现了控制过程的在线调试与监控。（4）在现有的重力式抛光机的基础上搭建了自动加载系统实验平台，对控制器软硬件进行了在线调试，主要有：串口通信、A/D模块、D/A模块。通过压力加载闭环实验得出压力响应曲线，系统压力加载偏差在10N以内，满足CMP抛光机控制需求；同时针对0.1mm304不锈钢基板设计了抛光实验，对抛光后的不锈钢基板表面形貌及表面粗糙度进行了检测，检测结果表明抛光后不锈钢基板表面形貌得到有效改善，表面粗糙度Ra<5nm，符合CMP抛光机设计要求，验证了压力自动加载系