随着国内半导体产业的蓬勃发展,半导体材料加工设备需求激增,相应的研究也迅速发展。由于国内研究起步晚、基础差,与国外差距大,差距约20年。高端设备被国外垄断,其中滚磨一体机是半导体硅材料加工的关键设备之一,同样被国外垄断。国产设备采用分体式设计,精度差、效率低、自动化程度低,进口设备性能先进,成本高、产能有限,货期长,严重制约了我国半导体行业的发展。为了解决这一问题,提出了单晶硅棒滚磨一体机的研制。本课题旨在用于半导体行业且具有较高自动化、集成化、兼容性和精度的单晶硅棒滚磨设备的自动定向功能的开发和研磨工艺的研究。研究的重点是使晶棒定向实现在线的自动化定位测量、研究晶棒滚磨质量和效率,为实现晶棒的自动化研磨提供工艺参数和理论依据。围绕这两点,本文设计了在线自动定向装置,并通过磨削理论和实验研究,优化了工艺参数,实现设备批量自动化研磨功能。在线自动定向系统主要由定向装置机械结构、X射线衍射仪、控制系统以及系统软件组成,其核心为X射线衍射仪、软件算法以及精密传动,本文通过设计自动定向系统的机械结构、控制系统、人机界面来进一步方便频率信号的采集、分析,得到可以通过修改滤波系数、晶棒的转速以及基准座与硅棒之间的间隙来提高定向精度的结论。针对自动化磨削工艺参数的研究和优化,从磨削几何学的角度进行分析,得出杯型砂轮端面磨削外圆时的磨削特点;通过利用matlab编程对磨粒轨迹进行仿真,得出了磨削工艺参数对磨削轨迹的影响规律;通过分析磨削表面粗糙度经验公式,得出了磨削工艺参数对表面粗糙度的影响规律;通过考虑单颗磨粒的去除过程,得到磨削工艺参数对单晶硅棒材料去除的影响规律;同时对磨削加工质量和加工效率综合效果加以考虑,对磨削工艺参数进行约束,得到磨削粗糙度和去除效率之间的关系,进而建立了杯型砂轮磨削外圆时的磨削工艺参数优化模型,从而确定杯型砂轮磨削外圆的最优工艺参数组合,保证磨削质量的前提下,实现全自动化,大大提高生产效率。最后基于单晶硅棒滚磨一体机进行自动定向性能测试实验以及磨削质量结果检测实验,在加工效率最大化的情况下,硅棒的定向精度为±3’,表面粗糙度为Ra<11μm,满足半导体材料对滚磨加工设备的要求,提高了滚磨工序的自动化,填补了自动定向滚磨一体机加工设备的空白,缩短了与国际上的差距。