專利名稱：小尺寸晶片拋光摩擦力在線測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于晶體材料拋光技術(shù)領(lǐng)域，涉及到一種小尺寸晶片拋光摩擦力在線測量直O(jiān)
背景技術(shù)：
隨著微電子、光電子、超導體、光學透鏡等行業(yè)的發(fā)展，金剛石、單晶硅、藍寶石和氧化鎂等各種晶體材料的應(yīng)用日益廣泛。這些行業(yè)的產(chǎn)品對晶片表面質(zhì)量的要求極其苛刻，必須對表面進行精密或超精密拋光。目前較高效的拋光方式主要以機械拋光和化學機械拋光等接觸式拋光為主，其中晶片所受機械作用直接影響拋光效率和表面質(zhì)量，準確量化機械作用對研究拋光機理和指導拋光工藝均具有重要意義，而摩擦力是量化機械作用最重要和最準確的指標。現(xiàn)存的拋光摩擦力測量方法主要有滑動平臺法和扭矩測量法?；瑒悠脚_法是將整臺拋光機置于一個在X和Y方向可以自由滑動的平臺上，拋光時通過測量平臺在X和Y方向受到的力來計算出摩擦力。該方法無需改變拋光狀態(tài)，與實際加工情況較為接近，但是將整臺拋光機置于測量平臺上會引入大量誤差，不能滿足小尺寸晶片摩擦力小、測量精度高的要求。扭矩測量法是一種間接測量法，即通過測量拋光頭扭矩變化來衡量摩擦力，主要是針對摩擦力不易直接測量的問題。但是拋光中拋光頭扭矩是一個綜合量，由晶片各個點的摩擦力對拋光頭軸線的轉(zhuǎn)矩合成。所以扭矩的變化只能反應(yīng)所有試件摩擦力的合力。由于每個晶片的所受摩擦力和力臂不同，通過所有試件合力很難準確計算出單個晶片所受的摩擦力。甚至如果拋光頭回轉(zhuǎn)中心和拋光盤回轉(zhuǎn)中心存在偏心時，采用該方法無法計算出單個晶片所受摩擦力?？傊?，在拋光頭隨動、晶片尺寸較小的拋光中，摩擦力小，所需測量裝置精度高，采用目前現(xiàn)存方法會不可避免的引入測量誤差，并且通常拋光頭底部貼有數(shù)片晶片，目前存在的測量方法僅能測量幾片晶片摩擦力的合力，不同晶片摩擦力方向不同，合力會掩蓋單個晶片所受摩擦力的信息，無法精確反映每個轉(zhuǎn)動周期內(nèi)單個晶片所受摩擦力的大小及變化情況。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種針對小尺寸晶片拋光中摩擦力在線測量裝置。本發(fā)明摩擦力測量裝置包括拋光頭、電阻應(yīng)變儀、數(shù)據(jù)采集儀、導線以及計算機。 拋光頭主要由集電環(huán)、三個配重塊(配重塊A、配重塊B、配重塊C)、彈性元件、電阻應(yīng)變片組成。通過調(diào)節(jié)配重塊B的個數(shù)和高度來調(diào)節(jié)拋光壓力。在配重塊C底面有垂直于該面的孔，孔長度根據(jù)配重塊尺寸及測試系統(tǒng)靈敏度要求確定，孔徑比彈性元件直徑略大；在配重塊B上加工出M6的螺紋孔，螺紋孔和配重塊C的光孔同軸，以方便裝夾彈性元件。將一片晶片粘貼在彈性元件的端面，其余晶片均勻布置于配重塊C底面。彈性元件材料采用彈性模量較小的鋁合金，以滿足測試系統(tǒng)的靈敏度要求。彈性元件為圓柱體，直徑根據(jù)晶片的尺寸確定，比晶片尺寸略大，下端用于貼晶片，上端加工有M6的螺紋，用于與配重塊B內(nèi)部的螺紋孔連接，使其固定于配重塊C的孔中。在裝配過程中保證彈性元件的圓柱部分不與配重塊C接觸，彈性元件的下端面與配重塊C下底面相平。配重塊A、配重塊 B和配重塊C通過螺栓固定在一起。在距離彈性元件上端約三分之一處繞彈性元件中心軸間隔90°分布兩組電阻應(yīng)變片，以感知摩擦力X方向和Y方向的分量(方向垂直)。線柵方向與軸線方向相同，每組電阻應(yīng)變片由兩片相對的電阻應(yīng)變片組成，用于補償溫度及正壓力帶來的誤差。電阻應(yīng)變片采用半橋連接方式。集電環(huán)固定于配重塊上部A，用于輸出摩擦力測量信號。拋光時晶片所受摩擦力使彈性元件產(chǎn)生彈性變形，電阻應(yīng)變片將彈性應(yīng)變轉(zhuǎn)化成電信號，通過導線經(jīng)由集電環(huán)和電橋盒輸出到電阻應(yīng)變儀上，并通過數(shù)據(jù)采集儀輸
入到計算機。根據(jù)摩擦力X和Y方向分量值(Fx和Fy)及公式Ff = ^F2x +F2y即可求得該晶
片所受的摩擦力。本發(fā)明效果和益處是能夠在不改變實際拋光狀態(tài)的條件下，對小尺寸晶片拋光中的摩擦力進行在線測量，適合拋光頭隨拋光盤轉(zhuǎn)動的拋光方式。并且該方法能夠直接測量單個晶片的摩擦力，避免了測量多個晶片摩擦合力而引入的測量誤差以及間接測量所需的力學分析和計算誤差。因此，該方法測量精度較高，非常適合小尺寸晶片拋光摩擦力小、 測量精度要求高的場合。


圖1是本發(fā)明的測量裝置中的拋光頭結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明的小尺寸晶片拋光摩擦力測量過程示意圖。圖3a是彈性元件上電阻應(yīng)變片分布主視圖。圖北是彈性元件上電阻應(yīng)變片分布俯視圖。圖4是摩擦力測量結(jié)果圖。圖中1集電環(huán)；2配重塊A ；3配重塊B ；4配重塊C ；5彈性元件；6晶片；7電阻應(yīng)變片；8滴料器；9拋光液；10拋光盤；11拋光機底盤；12拋光機；13拋光頭；14電橋盒；15 電阻應(yīng)變儀；16數(shù)據(jù)采集儀；17計算機。Rxi和Rx2是一組對應(yīng)電阻應(yīng)變片，用來測量摩擦力X方向分量Fx造成的應(yīng)變，Ryi 和Ry2是一組對應(yīng)電阻應(yīng)變片，用來測量摩擦力Y方向分量Fy造成的應(yīng)變。
具體實施例方式以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細說明本發(fā)明具體實施例。實施例如附圖1所示，拋光頭結(jié)構(gòu)主要包括集電環(huán)1、配重塊A2、配重塊B3、配重塊C4、彈性元件5、晶片6、電阻應(yīng)變片7。配重塊C4的直徑為100mm，長度為100mm。其上加工出直徑20mm的光孔。在配重塊B3上加工出M6的螺紋孔，螺紋孔和配重塊C4的光孔同軸。通過調(diào)節(jié)配重塊B3的個數(shù)和高度可以實現(xiàn)不同的拋光壓力。彈性元件5為鋁合金材料，長為 120mm。下端圓柱部分直徑為15mm，長為100mm，上端為M6的螺紋，長度為20mm。將彈性元件5裝入配重塊C4的孔中，并通過M6的螺紋固定在配重塊B3上。在裝配過程中保證彈性元件5的圓柱部分不與配重塊C4接觸，彈性元件5的下端面與配重塊C4下底面相平。集電環(huán)1裝在配重塊A2上。配重塊A 2、配重塊B3和配重塊C4通過螺栓固定在一起。在彈性元件5下底面粘貼面積IOmmX IOmm的CVD金剛石膜，并與配重塊C4下底面上的2個CVD 金剛石膜呈圓周均布排列。如圖2，將整個拋光頭置于拋光盤10上，拋光頭回轉(zhuǎn)中心與拋光盤10回轉(zhuǎn)中心存在一定的偏心距。對CVD金剛石膜拋光時，拋光盤10向逆時針方向轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速為70r/min，電機驅(qū)動拋光頭也進行逆時針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為23r/min。用滴料器8不斷向拋光盤表面滴加拋光液。由于拋光過程摩擦力的作用，彈性元件5發(fā)生彈性變形。電阻應(yīng)變片7將彈性應(yīng)變轉(zhuǎn)化成電信號，通過導線經(jīng)由集電環(huán)1和電橋盒14輸出到電阻應(yīng)變儀 15上，并通過數(shù)據(jù)采集儀16輸入到計算機17中，實現(xiàn)摩擦力的實時監(jiān)測。
權(quán)利要求
1.一種小尺寸晶片拋光摩擦力在線測量裝置，包括拋光頭、電阻應(yīng)變儀、數(shù)據(jù)采集儀、 導線以及計算機；拋光頭結(jié)構(gòu)主要由集電環(huán)(1)、配重塊^^2)、配重塊8(3)、配重塊((4)、彈性元件(5)、電阻應(yīng)變片(7)組成；配重塊C (4)底面有垂直于該面的孔，孔長度根據(jù)配重塊尺寸及測試系統(tǒng)靈敏度要求確定，孔徑比彈性元件直徑略大。在配重塊B(3)上加工出M6 的螺紋孔，螺紋孔和配重塊C(4)的光孔同軸；通過調(diào)節(jié)配重塊BC3)的個數(shù)和高度可以實現(xiàn)不同的拋光壓力；將一片晶片粘貼在彈性元件的端面，其余晶片均勻布置于配重塊C底面； 彈性元件(5)為圓柱體，比晶片尺寸略大，下端用于貼晶片，上端加工有M6的螺紋，用于與配重塊B內(nèi)部的螺紋孔連接，使其固定于配重塊C的孔中；在裝配過程中保證彈性元件(5) 的圓柱部分不與配重塊C(4)接觸，彈性元件(5)的下端面與配重塊C(4)下底面相平；配重塊A O)、配重塊B C3)和配重塊C(4)通過螺栓固定在一起。在距離彈性元件( 上端約三分之一處繞彈性元件中心軸間隔90°分布兩組電阻應(yīng)變片(7)；線柵方向與軸線方向相同，每組電阻應(yīng)變片由兩片相對的電阻應(yīng)變片組成；電阻應(yīng)變片采用半橋連接方式；集電環(huán)(1)固定于配重塊上部AQ)，用于輸出摩擦力測量信號；拋光時晶片所受摩擦力使彈性元件(7)產(chǎn)生彈性變形，電阻應(yīng)變片(7)將彈性應(yīng)變轉(zhuǎn)化成電信號，通過導線經(jīng)由集電環(huán) (1)和電橋盒(14)輸出到電阻應(yīng)變儀(15)上，并通過數(shù)據(jù)采集儀(16)輸入到計算機(17)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小尺寸晶片拋光摩擦力在線測量裝置，其特征是彈性元件 (5)材料采用彈性模量較小的鋁合金。
全文摘要
一種小尺寸晶片拋光摩擦力在線測量裝置，包括拋光頭、電阻應(yīng)變儀、數(shù)據(jù)采集儀、導線及計算機。拋光頭由配重塊，彈性元件、電阻應(yīng)變片、集電環(huán)組成。拋光時，晶片所受摩擦力使拋光頭內(nèi)部的彈性元件產(chǎn)生彈性變形，貼在彈性元件表面的電阻應(yīng)變片將彈性元件的彈性應(yīng)變轉(zhuǎn)化成電信號經(jīng)集電環(huán)傳給電阻應(yīng)變儀，并通過數(shù)據(jù)采集儀輸入計算機。本發(fā)明的效果和益處是能夠?qū)π〕叽缇瑨伖庵械哪Σ亮M行在線測量，不改變拋光狀態(tài)，適合拋光頭隨拋光盤轉(zhuǎn)動的拋光方式。該方法直接測量單個晶片的摩擦力，避免了測量多個晶片摩擦合力而引入的測量誤差以及間接測量所需的力學分析和計算誤差。測量精度高，適合小尺寸晶片拋光摩擦力小、測量精度要求高的場合。
文檔編號H01L21/304GK102157413SQ20111002357
公開日2011年8月17日 申請日期2011年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月20日
發(fā)明者康仁科, 王坤, 苑澤偉, 金洙吉 申請人:大連理工大學