CN117283680A - 超长尺寸陶瓷导轨及其制备工艺与在光刻机中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于陶瓷制品的制备技术领域，具体涉及超长尺寸陶瓷导轨及其制备工艺与在光刻机中的应用。所述的超长尺寸陶瓷导轨的制备工艺，首先采用等静压工艺进行压制脱模，雕铣加工，烧制后得到陶瓷件毛坯，然后将毛坯端面进行预处理得到坯体，最后将坯体与坯体的端面通过螺栓进行拼接，经过平面磨削、精密研磨，得到超长尺寸陶瓷导轨。本发明提供的超长尺寸陶瓷导轨的制备方法，工艺简短，操作简单，所制备的陶瓷导轨，长度方向高达3600mm，强度好，满足光刻机用的要求。

Description

超长尺寸陶瓷导轨及其制备工艺与在光刻机中的应用
技术领域
本发明属于陶瓷制品的制备技术领域，具体涉及超长尺寸陶瓷导轨及其制备工艺与在光刻机中的应用。
背景技术
氧化铝陶瓷是目前应用较为广泛的陶瓷材料，它具有耐磨损，耐高温，高强度耐腐蚀等众多的优点。光刻机又名掩模对准曝光机，包括曝光系统和光刻系统，通常用于硅片表面的清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀等工序。在光刻机的应用中，用于承载硅片往复滑动的导轨结构显得尤为重要。现有技术中的光刻机通常采用接触式直线导轨，对于直线导轨的精度要求极高，生产加工困难，成本过大。
现有技术大都通过挤出成型工艺进行制造，挤出成型工艺是将氧化铝粉料、表面活性剂、粘结剂预先进行混合搅拌，再一次加入溶剂、润滑剂、分散剂进行搅拌制备成泥料；将制备好的泥料放入真空练泥机中进行练泥；真空练泥后的泥料放置于恒温恒湿环境下陈腐；将陈腐后的泥料放入挤出成型机中成型；成型后的坯体在恒温恒湿环境下进行干燥，干燥后的坯体进行烧结、尺寸加工得到制品。
挤出成型工艺存在问题：1、挤出成型工艺需要在基体中添加添加剂，并且成型后内部容易出现缺陷，致密度不高。2、成型后需要干燥，需要恒温恒湿环境，对环境要求苛刻，生产周期长。
冷等静压技术是在常温下，以液体为压力介质，将粉体加入到橡胶或聚氨酯类模具材料中，在一定压力下进行成型，为进一步烧结，煅造或热等静压工序提供坯体。已广泛应用于粉末冶金、石墨、陶瓷、塑料、耐火材料、硬质合金等行业。在陶瓷导轨制作过程中采用冷等静压工艺压制陶瓷导轨长度方向尺寸小于2000mm目前可以实现，如果长度方向大于3000mm，该类陶瓷导轨如果采用冷等静压一体成型的方式，对等静压机缸深要求高、在压制成型后脱模过程对厂房的高度要求大，并且在脱模过程比较困难，坯体容易断裂。即使脱模成功，坯体在雕铣加工，装窑搬运过程中也极易发生断裂；并且该类长度的坯体在烧结时对窑炉的长度尺寸要求高。
在“现代技术陶瓷”第37卷第3期，2016年6月公开的“光刻机用精密碳化硅陶瓷部件制备技术，刘海林等”中介绍了一种光刻机用陶瓷导轨，使用材料是碳化硅材料，使用成型方式采用凝胶注模成型的方法，陶瓷导轨的尺寸为440mm×440mm×60mm，该产品不论在成型方面、坯体加工方面、烧制方面、后期加工方面及精度要求方面都可以较为简单的实现。
CN113024229A、CN113829466A中都公开了一种使用冷等静压工艺制备陶瓷导轨的工艺，陶瓷导轨长度方向尺寸较短，直接采用等静压一体成型的方式即可满足长度需求，不涉及粘接工艺，方法简单，难以满足光刻机对超长尺寸的要求。CN102442819A公开的制备陶瓷导轨的方法中坯体成型方式首先使用注浆成型制备坯体，然后在20-30℃下进行干燥，然后在180MPa下使用油压的冷等静压方式进行压制，成型工序繁多，并且需要干燥过程，周期时间长；以上制备的陶瓷导轨在长度方向上尺寸都较小，难以满足光刻机超长尺寸的要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种超长尺寸陶瓷导轨的制备方法，工艺简短，操作简单，所制备的陶瓷导轨，长度方向高达3600mm，强度好，满足光刻机用的要求。
本发明所述的超长尺寸陶瓷导轨的制备工艺：首先采用等静压工艺进行压制脱模，雕铣加工，烧制后得到陶瓷件毛坯，然后将毛坯端面进行预处理得到坯体，最后将坯体与坯体的端面通过螺栓进行拼接，经过平面磨削、精密研磨，得到超长尺寸陶瓷导轨；所述的超长尺寸陶瓷导轨为长方体。
所述的预处理包括以下步骤：
a.将毛坯在平面磨床上进行平面加工；
b.准备倒角状三角陶瓷块，采用粘结剂将其粘结在毛坯端面E的四个内腔交点处并与端面平齐，固化12-24h；
c.采用端面加工的方式将端面E加工至平面度在0.03mm以下、端面E与相邻四个面A、B、C、D的垂直度在0.03mm以下，然后涂抹研磨膏，继续打表进行精密研磨至平面度在0.005mm以下、端面E与相邻四个面A、B、C、D的垂直度在0.01mm以下，再用四边形罩壳将端面E的四条外棱保护，保护范围为四条棱至向内3-8mm的端面E区域；
d.采用喷砂工艺对端面进行粗糙处理，采用的刚玉砂的目数为100目-200目；
e.在倒角状三角陶瓷块上打通孔，通孔的直径为14mm-15mm，在通孔内涂上粘结剂并镶嵌入与之对应的不锈钢件进行攻丝M12螺纹；
f.对另一毛坯进行a、b、c、d、e同样的处理。
所述的步骤a中加工以后毛坯的尺寸为131mm×141mm×1801mm，毛坯为中空结构，壁厚20.5mm，A、B、C、D四个面平面度在0.05mm以下，相邻面的垂直度在0.05mm以下，对面平行度在0.05mm以下。所述的相邻面则指AB面、BC面、CD面、DA面，所述的对面则指AD面、BC面。
所述的倒角状三角陶瓷块的倒角半径为12mm，边长为40mm×40mm，厚度40mm，三角斜边向外扩，外扩距离5mm。
所述的粘结剂为环氧树脂类粘结剂。
所述的平面磨削的方式：将坯体的四个面A、B、C、D的平面加工至平面度在0.03mm以下，相邻面的垂直度在0.03mm以下；所述的精密研磨的方式：将相邻面的平面度研磨至0.01mm以下，相邻面的垂直度小于0.015mm，相对面的平行度0.015mm以下。
等静压工艺为：将氧化铝粉体倒入等静压成型模具中，在震动平台上震实3-5min，密封，将等静压成型模具放入等静压缸体中，在70-150MPa的压力下进行等静压压制，结束后取出，脱模。
所述的毛坯上靠近端面E距离90mm处有≥2数量的圆通孔，圆通孔的直径为15-70mm。
所述的坯体与坯体的端面E通过螺栓进行拼接为采用扭矩扳手深入圆通孔中紧固拼接。
步骤c所述的研磨膏为金刚石研磨膏。
步骤e所述的通孔数量为每块倒角状三角陶瓷块上1个。
一种超长尺寸陶瓷导轨是由所述的超长尺寸陶瓷导轨的制备工艺制得的。
一种超长尺寸陶瓷导轨的应用，是应用于光刻机中的。
具体的，所述的超长尺寸陶瓷导轨的制备工艺：
（1）将氧化铝粉体倒入等静压成型模具中，在震动平台上震实3-5min，密封，将等静压成型模具放入等静压缸体中，在70-150MPa的压力下进行等静压压制，结束后取出，脱模，烧制得到毛坯，所述的毛坯上靠近端面E的90mm处有≥2数量的圆通孔，圆通孔的直径为15-70mm。
（2）将毛坯的端面进行预处理：
a.将毛坯在平面磨床上进行平面加工，加工以后的尺寸为131mm×141mm×1801mm，为中空结构，壁厚20.5mm，A、B、C、D四个面平面度在0.05mm以下，相邻面的垂直度在0.05mm以下，对面平行度在0.05mm以下。
b.准备倒角状三角陶瓷块，采用环氧树脂类粘结剂将其粘结在毛坯端面的四个内腔交点处并与端面E平齐，固化12-24h；所述的倒角状三角陶瓷块的倒角半径为12mm，边长为40mm×40mm，厚度40mm，三角斜边向外扩，外扩距离5mm。
c.采用端面加工的方式将端面E加工至平面度在0.03mm以下、端面E与相邻四个面A、B、C、D的垂直度在0.03mm以下，然后涂抹金刚石研磨膏，继续打表进行精密研磨至平面度在0.005mm以下、端面E与相邻四个面A、B、C、D的垂直度在0.01mm以下，再用四边形罩壳将端面E的四条外棱保护，保护范围为四条棱至向内3-8mm的端面E区域。
d.采用喷砂工艺对端面E进行粗糙处理，采用的刚玉砂的目数为100目-200目。
e.在倒角状三角陶瓷块上打通孔，通孔的直径为14mm-15mm，通孔数量为每块倒角状三角陶瓷块上1个，在通孔内涂上粘结剂并镶嵌入与之对应的不锈钢件进行攻丝M12螺纹。
f.对另一毛坯进行a、b、c、d、e同样的处理。
（3）将坯体与坯体的端面E通过螺栓进行拼接为采用扭矩扳手深入圆通孔中紧固拼接，并进行平面磨削，坯体的四个面A、B、C、D的平面加工至平面度在0.03mm以下，四个面A、B、C、D相邻面的垂直度在0.03mm以下，然后进行精密研磨，将A、B、C、D相邻面的平面度研磨至0.01mm以下，A、B、C、D相邻面的垂直度小于0.015mm，A、B、C、D相对面的平行度0.015mm以下，A、D面的宽度为130mm（公差范围±0.2mm），B、C面的宽度尺寸为140mm（公差范围±0.2mm），然后进行端面加工将长度方向尺寸加工至3600mm，得到140×130mm×3600mm超长尺寸陶瓷导轨。
本发明采用了等静压成型和拼接的工艺方法，先制备较短的两条导轨131mm×141mm×1801mm，然后通过拼接工艺制备了超长尺寸陶瓷导轨，尺寸为130mm×140mm×3600mm。采用一定结构的陶瓷三角块，使用高强度环氧树脂粘接在陶瓷导轨端面内腔，高强度环氧树脂固化后，将端面加工平整，然后进行精密研磨处理，采用150目的刚玉砂进行端面喷砂处理，增大端面的粗糙度。在端面三角块处进行定位打孔，然后镶嵌不锈钢螺纹通道，然后使用螺栓固定完成导轨的拼接。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
（1）本发明的超长尺寸陶瓷导轨的制备工艺，相比较挤出成型，采用等静压成型工艺制作毛坯，制作时间短，从加料到脱模仅仅需要几十分钟的时间，并且脱模后不需干燥就可以进行雕铣加工，有效缩短了产品制备周期。
（2）本发明的超长尺寸陶瓷导轨的制备工艺，采用等静压成型和拼接的方式制备的该陶瓷导轨强度高、致密均匀，经过精密研磨处理平面度、平行度、垂直度均达到使用要求，A、B、C、D面的平面度研磨至0.01mm以下，A、B、C、D相邻面的垂直度小于0.015mm，A、B、C、D相对面的平行度0.015mm以下。
（3）本发明的超长尺寸陶瓷导轨的制备工艺，采用等静压工艺结合拼接工艺，实现了超长尺寸陶瓷导轨（长度大于3000mm）制备从无到有的突破。
附图说明
图1为本发明的单条坯体的示意图。
图2为本发明所述的倒角状三角陶瓷块的截面图。
图3为本发明所述的端面内腔粘接倒角状三角陶瓷块的截面图。
图4为本发明制备的超长尺寸陶瓷导轨的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
以下实施例采用的环氧树脂类粘结剂和金刚石研磨膏均为市售产品。
实施例1
所述的超长尺寸陶瓷导轨的制备工艺：
（1）将氧化铝粉体倒入等静压成型模具中，在震动平台上震实4min，密封，将等静压成型模具放入等静压缸体中，在100MPa的压力下进行等静压压制，结束后取出，脱模，烧制得到毛坯，所述的毛坯上靠近端面E的90mm处有2个圆通孔，圆通孔的直径为60mm。
（2）将毛坯的端面进行预处理：
a.将毛坯在平面磨床上进行平面加工，加工以后的尺寸为131mm×141mm×1801mm，为中空结构，壁厚20.5mm，A、B、C、D四个面平面度在0.05mm以下，相邻面的垂直度在0.05mm以下，对面平行度在0.05mm以下，如图1所示。
b.准备倒角状三角陶瓷块，采用环氧树脂类粘结剂将其粘结在毛坯端面的四个内腔交点处并与端面E平齐，固化18h；所述的倒角状三角陶瓷块的倒角半径为12mm，边长为40mm×40mm，厚度40mm，三角斜边向外扩，外扩距离5mm，如图2所示。
c.采用端面加工的方式将端面E加工至平面度在0.03mm以下、端面E与相邻四个面A、B、C、D的垂直度在0.03mm以下，然后涂抹金刚石研磨膏，继续打表进行精密研磨至平面度在0.005mm以下、端面E与相邻四个面A、B、C、D的垂直度在0.01mm以下，再用四边形罩壳将端面E的四条外棱保护，保护范围为四条棱至向内5mm的端面区域，如图3所示。
d.采用喷砂工艺对端面E进行粗糙处理，采用的刚玉砂的目数为150目。
e.在倒角状三角陶瓷块上打通孔，通孔的直径为14mm，通孔数量为每块倒角状三角陶瓷块上1个，在通孔内涂上粘结剂并镶嵌入与之对应的不锈钢件进行攻丝M12螺纹。
f.对另一毛坯进行a、b、c、d、e同样的处理。
（3）将坯体与坯体的端面E通过螺栓进行拼接为采用扭矩扳手深入圆通孔中紧固拼接，并进行平面磨削，坯体的四个面A、B、C、D的平面加工至平面度在0.03mm以下，四个面A、B、C、D相邻面的垂直度在0.03mm以下，然后进行精密研磨，将A、B、C、D相邻面的平面度研磨至0.01mm以下，A、B、C、D相邻面的垂直度小于0.015mm，A、B、C、D相对面的平行度0.015mm以下，A、D面的宽度为130mm（公差范围±0.2mm），B、C面的宽度尺寸为140mm（公差范围±0.2mm），然后进行端面加工将长度方向尺寸加工至3600mm，得到140mm×130mm×3600mm超长尺寸陶瓷导轨，如图4所示。
实施例2
所述的超长尺寸陶瓷导轨的制备工艺：
（1）将氧化铝粉体倒入等静压成型模具中，在震动平台上震实5min，密封，将等静压成型模具放入等静压缸体中，在150MPa的压力下进行等静压压制，结束后取出，脱模，烧制得到毛坯，所述的毛坯上靠近端面E的90mm处有3个圆通孔，圆通孔的直径为70mm。
（2）将毛坯的端面进行预处理：
a.将毛坯在平面磨床上进行平面加工，加工以后的尺寸为131mm×141mm×1801mm，为中空结构，壁厚20.5mm，A、B、C、D四个面平面度在0.05mm以下，相邻面的垂直度在0.05mm以下，对面平行度在0.05mm以下，如图1所示。
b.准备倒角状三角陶瓷块，采用环氧树脂类粘结剂将其粘结在毛坯端面E的四个内腔交点处并与端面E平齐，固化24h；所述的倒角状三角陶瓷块的倒角半径为12mm，边长为40mm×40mm，厚度40mm，三角斜边向外扩，外扩距离5mm，如图2所示。
c.采用端面加工的方式将端面E加工至平面度在0.03mm以下、端面E与相邻四个面A、B、C、D的垂直度在0.03mm以下，然后涂抹金刚石研磨膏，继续打表进行精密研磨至平面度在0.005mm以下、端面E与相邻四个面A、B、C、D的垂直度在0.01mm以下，再用四边形罩壳将端面E的四条外棱保护，保护范围为四条棱至向内8mm的端面区域，如图3所示。
d.采用喷砂工艺对端面E进行粗糙处理，采用的刚玉砂的目数为200目。
e.在倒角状三角陶瓷块上打通孔，通孔的直径为15mm，通孔数量为每块倒角状三角陶瓷块上1个，在通孔内涂上粘结剂并镶嵌入与之对应的不锈钢件进行攻丝M12螺纹。
f.对另一毛坯进行a、b、c、d、e同样的处理。
（3）将坯体与坯体的端面E通过螺栓进行拼接为采用扭矩扳手深入圆通孔中紧固拼接，并进行平面磨削，坯体的四个面A、B、C、D的平面加工至平面度在0.03mm以下，四个面A、B、C、D相邻面的垂直度在0.03mm以下，然后进行精密研磨，将A、B、C、D相邻面的平面度研磨至0.01mm以下，A、B、C、D相邻面的垂直度小于0.015mm，A、B、C、D相对面的平行度0.015mm以下，A、D面的宽度为130mm（公差范围±0.2mm），B、C面的宽度尺寸为140mm（公差范围±0.2mm），然后进行端面加工将长度方向尺寸加工至3600mm，得到140mm×130mm×3600mm超长尺寸陶瓷导轨，如图4所示。
实施例3
所述的超长尺寸陶瓷导轨的制备工艺：
（1）将氧化铝粉体倒入等静压成型模具中，在震动平台上震实3-5min，密封，将等静压成型模具放入等静压缸体中，在70MPa的压力下进行等静压压制，结束后取出，脱模，烧制得到毛坯，所述的毛坯上靠近端面E的90mm处有2个圆通孔，圆通孔的直径为15mm。
（2）将毛坯的端面进行预处理：
a.将毛坯在平面磨床上进行平面加工，加工以后的尺寸为131mm×141mm×1801mm，为中空结构，壁厚20.5mm，A、B、C、D四个面平面度在0.05mm以下，相邻面的垂直度在0.05mm以下，对面平行度在0.05mm以下，如图1所示。
b.准备倒角状三角陶瓷块，采用环氧树脂类粘结剂将其粘结在毛坯端面E的四个内腔交点处并与端面平齐，固化12h；所述的倒角状三角陶瓷块的倒角半径为12mm，边长为40mm×40mm，厚度40mm，三角斜边向外扩，外扩距离5mm，如图2所示。
c.采用端面加工的方式将端面E加工至平面度在0.03mm以下、端面E与相邻四个面A、B、C、D的垂直度在0.03mm以下，然后涂抹金刚石研磨膏，继续打表进行精密研磨至平面度在0.005mm以下、端面E与相邻四个面A、B、C、D的垂直度在0.01mm以下，再用四边形罩壳将端面E的四条外棱保护，保护范围为四条棱至向内3mm的端面区域，如图3所示。
d.采用喷砂工艺对端面E进行粗糙处理，采用的刚玉砂的目数为100目。
e.在倒角状三角陶瓷块上打通孔，通孔的直径为14mm，通孔数量为每块倒角状三角陶瓷块上1个，在通孔内涂上粘结剂并镶嵌入与之对应的不锈钢件进行攻丝M12螺纹。
f.对另一毛坯进行a、b、c、d、e同样的处理。
（3）将坯体与坯体的端面E通过螺栓进行拼接为采用扭矩扳手深入圆通孔中紧固拼接，并进行平面磨削，坯体的四个面A、B、C、D的平面加工至平面度在0.03mm以下，四个面A、B、C、D相邻面的垂直度在0.03mm以下，然后进行精密研磨，将A、B、C、D相邻面的平面度研磨至0.01mm以下，A、B、C、D相邻面的垂直度小于0.015mm，A、B、C、D相对面的平行度0.015mm以下，A、D面的宽度为130mm（公差范围±0.2mm），B、C面的宽度尺寸为140mm（公差范围±0.2mm），然后进行端面加工将长度方向尺寸加工至3600mm，得到140mm×130mm×3600mm超长尺寸陶瓷导轨，如图4所示。
将以上实施例制备的超长尺寸陶瓷导轨，利用三坐标测量机，进行产品尺寸及形位公差的检测，其检测结果如表1所示。
表1 检测结果
由表1可以看出，通过本发明的制备工艺制得的超长尺寸陶瓷导轨，采用等静压工艺结合拼接工艺，实现了超长尺寸陶瓷导轨（长度大于3000mm）制备从无到有的突破，其平面度、平行度、垂直度都满足要求，实现了在光刻机中的广泛应用。

Claims (10)

1.一种超长尺寸陶瓷导轨的制备工艺，其特征在于：首先采用等静压工艺进行压制脱模，雕铣加工，烧制后得到陶瓷件毛坯，然后将毛坯端面进行预处理得到坯体，最后将坯体与坯体的端面通过螺栓进行拼接，经过平面磨削、精密研磨，得到超长尺寸陶瓷导轨；
所述的预处理，包括以下步骤：
a.将毛坯在平面磨床上进行平面加工；
b.准备倒角状三角陶瓷块，采用粘结剂将其粘结在毛坯端面的四个内腔交点处并与端面平齐，固化12-24h；
c.采用端面加工的方式将端面加工至平面度在0.03mm以下、端面与相邻四个面的垂直度在0.03mm以下，然后涂抹研磨膏，继续打表进行精密研磨至平面度在0.005mm以下、端面与相邻四个面的垂直度在0.01mm以下，再用四边形罩壳将端面的四条外棱保护，保护范围为四条棱至向内3-8mm的端面区域；
d.采用喷砂工艺对端面进行粗糙处理，采用的刚玉砂的目数为100目-200目；
e.在倒角状三角陶瓷块上打通孔，通孔的直径为14mm-15mm，在通孔内涂上粘结剂并镶嵌入与之对应的不锈钢件进行攻丝；
f.对另一毛坯进行a、b、c、d、e同样的处理。
2.根据权利要求1所述的超长尺寸陶瓷导轨的制备工艺，其特征在于：所述的步骤a中加工以后毛坯的尺寸为131mm×141mm×1801mm，毛坯为中空结构，壁厚20.5mm，四个面平面度在0.05mm以下，相邻面的垂直度在0.05mm以下，对面平行度在0.05mm以下。
3.根据权利要求1所述的超长尺寸陶瓷导轨的制备工艺，其特征在于：所述的倒角状三角陶瓷块的倒角半径为12mm，边长为40mm×40mm，厚度40mm，三角斜边向外扩，外扩距离5mm。
4.根据权利要求1所述的超长尺寸陶瓷导轨的制备工艺，其特征在于：所述的粘结剂为环氧树脂类粘结剂。
5.根据权利要求1所述的超长尺寸陶瓷导轨的制备工艺，其特征在于：所述的平面磨削的方式：将坯体的四个面的平面加工至平面度在0.03mm以下，相邻面的垂直度在0.03mm以下；所述的精密研磨的方式：将相邻面的平面度研磨至0.01mm以下，相邻面的垂直度小于0.015mm，相对面的平行度0.015mm以下。
6.根据权利要求1所述的超长尺寸陶瓷导轨的制备工艺，其特征在于：等静压工艺为：将氧化铝粉体倒入等静压成型模具中，在震动平台上震实3-5min，密封，将橡胶模具放入等静压缸体中，在70-150MPa的压力下进行等静压压制，结束后取出，脱模。
7.根据权利要求1所述的超长尺寸陶瓷导轨的制备工艺，其特征在于：所述的毛坯上靠近端面距离90mm处有≥2数量的圆通孔，圆通孔的直径为15-70mm。
8.根据权利要求7所述的超长尺寸陶瓷导轨的制备工艺，其特征在于：所述的坯体与坯体的端面通过螺栓进行拼接为采用扭矩扳手深入圆通孔中紧固拼接。
9.一种超长尺寸陶瓷导轨，其特征在于：是由权利要求1-8任一项所述的超长尺寸陶瓷导轨的制备工艺制得的。
10.一种权利要求9所述的超长尺寸陶瓷导轨的应用，其特征在于：应用于光刻机中。
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