專利名稱：一種半導(dǎo)體晶片磨削力在線測量裝置及控制力磨削方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于硬脆半導(dǎo)體晶片超精密加工技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種實(shí)時(shí)測量三向磨削 力并將其值作為控制砂輪進(jìn)給的半導(dǎo)體晶片磨削測力裝置及其控制力磨削方法。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體晶片是目前制造集成電路(IC)中重要的襯底材料，在IC芯片制程中，超 精密磨削技術(shù)主要用于晶片制備中的平整化加工和后道制程中的晶片背面減薄加工。隨 著集成電路芯片不斷向高集成化、高密度化及高性能化方向發(fā)展，半導(dǎo)體晶片直徑不斷 增大、原始厚度不斷增加的同時(shí)，所需晶片的最終厚度卻不斷減小，因此一方面材料的 去除量增大，為節(jié)約后續(xù)拋光加工的時(shí)間，需要增大磨削去除量、提高磨削加工效率； 另一方面在大而薄的晶片的強(qiáng)度大大降低的情況下，避免碎片，需要減小晶片損傷層， 從而獲得超光滑低無損傷的表面。上述加工要求給半導(dǎo)體晶片的超精密磨削提出新的挑 戰(zhàn)。半導(dǎo)體晶片磨床主要用于磨削薄片狀的半導(dǎo)體晶片，在超精密磨削晶片過程 中，磨削力是加工的主要參數(shù)，是評價(jià)晶片磨削性能優(yōu)劣的一個(gè)重要指標(biāo)。磨削力除了 與磨削用量有關(guān)以外，還與砂輪本身的材料和特性(傳統(tǒng)的監(jiān)測砂輪狀況的方法有聲發(fā) 射、聲音和振動(dòng)等方式，但這些方法存在一定的局限性)、被加工工件材料、表面粗糙 度、磨削比，磨削液等因素有關(guān)。在磨削晶片時(shí)，如果采用目前晶片磨床的磨削用量 (磨削量和進(jìn)給速度)恒定方式，產(chǎn)生的磨削力也將不同。這樣，在磨削過程中磨削力 總是處于變化之中的，如果磨削力過小，雖然加工的晶片質(zhì)量會(huì)比較好，但卻降低生產(chǎn) 效率，使得磨床在生產(chǎn)過程中得不到充分利用；反之，若磨削過程中的磨削力過大，對 于屬于硬脆材料的晶片磨削質(zhì)量將產(chǎn)生不良影響，如表面粗糙度增大，引起磨削晶片的 表面和亞表面的損傷，晶片表面會(huì)燒傷，砂輪的磨損加劇，砂輪崩裂，甚至晶片發(fā)生碎 裂，尤其在晶片背面減薄磨削加工中，晶片厚度較小(<150μιη)時(shí)，微小的磨削力沖擊 都將是致命的破壞。以上這些都是在磨削的實(shí)際過程中經(jīng)常出現(xiàn)的問題，因此恒定磨削 用量這種控制方式很難同時(shí)保證半導(dǎo)體晶片表面的磨削精度、效率和成品率。如何解決 高精度磨削和高效率磨削之間的矛盾，是急需解決的問題。目前，生產(chǎn)線上的晶片磨床，如日本DISOC公司DFG8000系列的晶片磨床和日 本Okamoto公司GNX系列的晶片磨床，多采用監(jiān)測驅(qū)動(dòng)砂輪用電主軸的電流的方法來間 接反映磨削力，以此判斷電主軸是否過載。該方法雖然簡單，在磨削較厚晶片時(shí)，晶片 對磨削力還不敏感，也能夠滿足磨削要求；但當(dāng)磨削薄晶片時(shí)，晶片的強(qiáng)度顯著降低， 磨削力對晶片的影響也隨之顯著增大，很難在保證磨削效率的同時(shí)獲得理想的表面精度 和成品率。此外該電流值很難準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地反映磨削力，無法將電流值作為控制力磨削 的輸入信號。JeremiahA等人研發(fā)的研究型晶片磨床中在空氣主軸定子與轉(zhuǎn)子上安裝電容 傳感器，測量定子和轉(zhuǎn)子之間相對位移的方式間接監(jiān)測磨削力變化，但該方法僅適用于 測量微小磨削力情況。Hyunjin Kim等人使用Kistler公司的三向測力儀9257B測量硅片
3的磨削力，并實(shí)現(xiàn)恒力磨削，但該測力儀為獨(dú)立結(jié)構(gòu)，未與磨床完全集成，同樣不適用 于產(chǎn)業(yè)化晶片磨床。美國Strasbaugh公司7AF/7AG晶片磨床配備軸向力測量系統(tǒng)，壓力 傳感器安裝在砂輪齒上，可進(jìn)行磨削力自適應(yīng)磨削，其所測磨削力僅為軸向力，沒有對 其他兩個(gè)方向的磨削力進(jìn)行測量。在晶片磨削過程中產(chǎn)生的磨削力分解為三個(gè)方向的力軸向力Fz，影響磨削表 面精度和表面粗糙度；切向力Ft，影響磨削時(shí)所消耗的功率，反映砂輪磨削狀態(tài)；徑向 力Fr，影響晶片磨削后殘余應(yīng)力。三個(gè)方向力對磨削效率及磨削質(zhì)量的影響各不同，只 有全面監(jiān)測才能更好地反映磨削狀況，為優(yōu)化半導(dǎo)體晶片的磨削參數(shù)提供依據(jù)。能夠?qū)?時(shí)在線測量三向磨削力，并實(shí)現(xiàn)基于控制磨削力的高效高質(zhì)量的超精密加工成為急需解 決的技術(shù)問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對半導(dǎo)體晶片在超精密磨削過程中存在加工效率與表面質(zhì)量間的矛盾 及如何獲得高精度晶片表面的問題，結(jié)合研發(fā)的晶片磨床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及磨削加工中砂 輪與晶片相互間作用力的分布狀況，提出利用一種壓電式磨削力在線測量裝置來動(dòng)態(tài)實(shí) 時(shí)監(jiān)測三向磨削力，并通過測量值反饋控制進(jìn)給速度和進(jìn)給量的晶片磨削方法及實(shí)現(xiàn)裝 置，以實(shí)現(xiàn)高效磨削和恒力磨削半導(dǎo)體晶片。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種磨削半導(dǎo)體晶片的磨削力在線測量裝置，并作為控制力磨削的反饋元件。 該磨削力在線測量裝置采用壓電式測量原理，包括磨削力測量裝置和數(shù)據(jù)處理單元。傳 感器單元為圓環(huán)式結(jié)構(gòu)，包括4組壓電石英力傳感器、上蓋板、下蓋板和連接螺釘，4組 壓電石英力傳感器由可測量徑向力Fr、切向力Ft和軸向力Fz三個(gè)方向力的三組石英晶組 組成的，其中一組承受拉壓效應(yīng)的X0°切型，兩組承受剪切效應(yīng)的Y0°切型，每組石英 晶片表面貼有電極，石英晶片并聯(lián)連接后，通過導(dǎo)線經(jīng)空心螺釘引出。壓電石英力傳感 器為中空結(jié)構(gòu)，周圍用密封膠密封，均勻分布在底座的上表面的等半徑分布圓上，連接 螺釘將底座、上蓋板以及4組壓電石英力傳感器剛性連接在一起。該磨削力測量裝置安 裝在砂輪主軸和主軸座之間，即砂輪主軸的法蘭上表面與磨削力測量裝置下表面通過 螺釘連接，主軸座的下表面與磨削力檢測裝置上表面通過螺釘連接。數(shù)據(jù)處理單元包括 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)，分析處理磨削力測量裝置輸出的磨削力值。利用所述的半導(dǎo)體晶片磨削力在線測量裝置進(jìn)行控制力磨削的方法是在磨削晶片過程中產(chǎn)生的靜態(tài)力、動(dòng)態(tài)力和瞬時(shí)力，作用在4組壓電石英力傳 感器上，壓電石英力傳感器輸出與磨削力Fx、Fy和Fz同向且與磨削力對應(yīng)的電荷量，數(shù) 據(jù)采集系統(tǒng)接收4個(gè)壓電石英力傳感器的電荷信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換、濾波處理，根據(jù)磨削力與 電壓成線性關(guān)系，計(jì)算出磨削力Fx、Fy和Fz，處理后的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng) 將用戶預(yù)設(shè)參數(shù)于接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，然后根據(jù)比較結(jié)果反饋控制伺服系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)整 砂輪進(jìn)給速度和進(jìn)給量。利用所述的半導(dǎo)體晶片磨削力在線測量裝置，在加工過程中對磨削力進(jìn)行實(shí)時(shí) 監(jiān)控，根據(jù)磨削力值反饋對磨削用量的合理控制，以保證加工質(zhì)量和加工過程的安全。 本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)控制力磨削，包括高效磨削和恒力磨削兩種方式。其中高效磨削的方法是，在粗磨晶片時(shí)，在保證最高磨削效率的前提下，控制磨削力在最大值狀態(tài)下磨削， 盡量提高磨削速度和進(jìn)給量以快速去除晶片的余量；恒力磨削的方法是，在精磨晶片 時(shí)，需要提高磨削精度，控制磨削力確保磨削過程在延性域下進(jìn)行，即控制磨削力維持 在最小值狀態(tài)下磨削或最佳磨削工藝條件下的磨削，實(shí)時(shí)調(diào)整砂輪進(jìn)給速度和進(jìn)給量， 從而保證晶片的最佳加工質(zhì)量。在不同的磨削階段，需要采用不同的磨削用量，如在初 始時(shí)快速進(jìn)給磨削，終了磨削前低速進(jìn)給磨削。本發(fā)明的有益效果是實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地檢測晶片磨削過程中三個(gè)方向磨削力，并根 據(jù)磨削力大小對砂輪進(jìn)給速度和進(jìn)給量進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)磨削過程的監(jiān)控，提高加工 過程的可靠性和生產(chǎn)效率。對于提高晶片加工精度和表面質(zhì)量，保證晶片的成品率具有
重要意義。所用壓電式磨削力測量裝置具有剛度高、線性好、靈敏度高、遲滯小、固有頻 率高等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于動(dòng)態(tài)磨削力的測量。將該測量裝置應(yīng)用于晶片磨床，具有結(jié)構(gòu) 緊湊、測力中間環(huán)節(jié)少，且對原有磨床結(jié)構(gòu)改動(dòng)小的特點(diǎn)。此外，對于多工位多主軸結(jié) 構(gòu)的磨床，主軸數(shù)量一般少于工作臺(tái)數(shù)量，因此將磨削力檢測裝置安裝于主軸上的結(jié)構(gòu) 可以減少磨削力檢測裝置的數(shù)量，節(jié)省成本。磨削力在線測量環(huán)節(jié)少、響應(yīng)速度快、精 度高；可提高半導(dǎo)體晶片的磨削效率，降低損傷層厚度。


圖1半導(dǎo)體晶片磨床結(jié)構(gòu)示意圖。圖2磨削力測量裝置安裝位置示意圖。圖3壓電石英力傳感器信號接線示意圖。圖4控制力磨削系統(tǒng)示意圖。圖5控制力磨削系統(tǒng)的控制流程圖。圖6砂輪進(jìn)給曲線圖。圖中1半導(dǎo)體晶片磨床；2床身；3立柱；4伺服電機(jī)；5絲杠機(jī)構(gòu)；6直線導(dǎo) 軌機(jī)構(gòu)；7溜板；8砂輪主軸；9主軸座；10砂輪；11吸盤；12工作臺(tái)；13連接螺釘； 14連接螺釘；15磨削力檢測裝置；151壓電石英力傳感器；152連接螺釘；153上蓋板； 154下蓋板；半導(dǎo)體晶片W ； 16數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；17數(shù)控系統(tǒng)；18伺服系統(tǒng)
具體實(shí)施例方式
結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的具體實(shí)施例。如圖1所示，半導(dǎo)體晶片磨床1的結(jié)構(gòu)采用立式結(jié)構(gòu)，具有臺(tái)階狀的床身2，在 床身2的右上端，直立設(shè)置著立柱3。在該立柱3的內(nèi)側(cè)面，設(shè)有沿豎直方向的一對直線 導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)6。主軸座9固定裝配在溜板7上。溜板7安裝于直線導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)6上，同時(shí)與 絲杠機(jī)構(gòu)5相連接，絲杠機(jī)構(gòu)5沿直線導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)6方向放置(沿Z軸方向)，與安裝在立 柱2上的伺服電機(jī)3的軸連接。絲杠機(jī)構(gòu)5由伺服電機(jī)3的驅(qū)動(dòng)。砂輪10安裝于主軸 8的下端，并隨主軸8同步轉(zhuǎn)動(dòng)。隨著伺服電機(jī)3的轉(zhuǎn)動(dòng)，砂輪10沿豎直方向運(yùn)動(dòng)。半導(dǎo)體晶片磨床1還具有圓柱狀的工作臺(tái)12。配設(shè)在工作臺(tái)12上的吸盤11隨 工作臺(tái)12同步轉(zhuǎn)動(dòng)。磨削加工用的薄圓片狀半導(dǎo)體晶片W在真空作用下吸附在吸盤11
5上。如圖2所示，磨削力檢測裝置15安裝于主軸8與主軸座9之間，具體安裝方法 是4組壓電石英力傳感器151安裝于主軸5的下蓋板154上表面與上蓋板153的凹槽下 表面之間，通過4組連接螺釘152分別連接并施加一定預(yù)緊力。安裝時(shí)，先用連接螺釘 14將下蓋板154固定在主軸8的法蘭上端面，再用連接螺釘13將上蓋板153固定在主軸 座9的下端面。如圖3所示，磨削力監(jiān)測裝置15共有4組壓電石英力傳感器151，分別為Al、 A2、A3和A4，每組壓電石英力傳感器151具有相同的結(jié)構(gòu)。以其中一組Al來說明壓 電石英力傳感器151的結(jié)構(gòu)，Al由三對石英晶組構(gòu)成，共計(jì)6片石英晶片，該6片石英 晶片表面分別貼有電極，壓電石英力傳感器151用密封膠密封。其中一對采用承受拉壓 效應(yīng)的X0°切型，該對石英晶組中的兩片石英晶片采取電軸相對方向放置，在兩片石英 晶片的界面處貼有電極，用于輸出對應(yīng)軸向力Fz的電荷；另外兩對采用相同的承受剪切 效應(yīng)的Y0°切型，該兩對石英晶組中的每對石英晶組中的兩片石英晶片采取機(jī)械軸相對 方向放置，該兩對石英晶組不同之處在于在水平面內(nèi)該兩對石英晶組的光軸正交方向 的放置，在每對石英晶組中的兩片石英晶片的界面處貼有電極，可分別輸出對應(yīng)徑向力 Fr和切向力Ft的電荷。在每對石英晶組的界面處的電極并聯(lián)輸出后接地。然后將4組 壓電石英力傳感器151 (Al、Α2、A3和Α4)的輸出電極一一對應(yīng)并聯(lián)連接，通過導(dǎo)線引 出。磨削力監(jiān)測裝置軸向力Fz性能的標(biāo)定結(jié)果如表1所示。表1磨削力監(jiān)測裝置軸向力Fz性能標(biāo)定
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體晶片磨削力在線測量裝置，其特征在于，該半導(dǎo)體晶片磨削力在線測量裝置包括包括磨削力測量裝置和數(shù)據(jù)處理單元；磨削 力測量裝置為圓環(huán)式結(jié)構(gòu)，包括4組壓電石英力傳感器、上蓋板、下蓋板和連接螺釘，4 組壓電石英力傳感器由測量徑向力Fr、切向力Ft和軸向力Fz三個(gè)方向力的三組石英晶組 組成的，其中一組承受拉壓效應(yīng)的X0°切型，兩組承受剪切效應(yīng)的Y0°切型，每組石英 晶片表面貼有電極，石英晶片并聯(lián)連接后，通過導(dǎo)線經(jīng)空心螺釘引出；4組壓電石英力 傳感器為中空結(jié)構(gòu)，周圍用密封膠密封，均勻分布在底座的上表面的等半徑圓上，連接 螺釘將底座、上蓋以及4組壓電石英力傳感器剛性連接在一起；該磨削力測量裝置安裝 在砂輪主軸和主軸座之間，即砂輪主軸的法蘭上表面與磨削力測量裝置下表面通過螺 釘連接，主軸座的下表面與磨削力測量裝置上表面通過螺釘連接；數(shù)據(jù)處理單元包括數(shù) 據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)。
2.權(quán)利要求1所述半導(dǎo)體晶片磨削力在線測量裝置的測量方法，其特征在于，在磨削過程中產(chǎn)生的靜態(tài)力、動(dòng)態(tài)力和瞬時(shí)力，作用在4組壓電石英力傳感器上， 壓電石英力傳感器輸出與磨削力Fx、Fy和Fz對應(yīng)的電荷量，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接收4個(gè)壓電 石英力傳感器的電荷信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換、濾波處理，根據(jù)磨削力與電壓成線性關(guān)系，計(jì)算出 磨削力Fx、Fy和Fz，處理后的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)將用戶預(yù)設(shè)參數(shù)于接收的 數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，然后根據(jù)比較結(jié)果反饋控制伺服系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)整砂輪進(jìn)給速度和進(jìn)給量；利用所述的半導(dǎo)體晶片磨削力在線測控裝置，實(shí)現(xiàn)控制力磨削，包括高效磨削和恒 力磨削兩種方式；其中高效磨削的方法是，控制最大磨削力在許用值下，使砂輪進(jìn)給速 度和進(jìn)給量達(dá)到最大；恒力磨削的方法是，控制磨削力維持在某一預(yù)設(shè)值或最佳磨削工 藝條件下的磨削力值，實(shí)時(shí)調(diào)整砂輪進(jìn)給速度和進(jìn)給量。
全文摘要
本發(fā)明屬于硬脆的半導(dǎo)體晶體材料超精密加工領(lǐng)域，涉及一種半導(dǎo)體晶片磨削過程中磨削力在線測量裝置及控制力磨削方法。本發(fā)明公開了一種半導(dǎo)體晶片磨削力在線測量裝置，并作為磨削力自適應(yīng)控制系統(tǒng)反饋元件。該磨削力測量裝置采用壓電式測量原理，包括傳感器部分和數(shù)據(jù)處理單元。傳感器部分用于在線測量徑向力Fr、切向力Ft和軸向力Fz三個(gè)方向力，數(shù)據(jù)處理單元用于采集分析磨削力數(shù)據(jù)，并反饋控制砂輪進(jìn)給速度和進(jìn)給量，以期達(dá)到的目的。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)磨削力在線測量裝置的結(jié)構(gòu)簡單，對原有設(shè)備改造小；磨削力在線測量環(huán)節(jié)少、響應(yīng)速度快、精度高；可提高半導(dǎo)體晶片的磨削效率，降低損傷層厚度。
文檔編號B24B49/16GK102009387SQ20101055369
公開日2011年4月13日 申請日期2010年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月20日
發(fā)明者康仁科, 朱祥龍, 郭東明, 金洙吉 申請人:大連理工大學(xué)