（机械电子工程专业论文）硅片自旋磨削试验台关键技术的研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着集成电路( i c ) 制造技术的飞速发展，硅片趋向大直径化。同时对硅片加工精 度、表面粗糙度、表面缺陷、表面洁净度和硅片强度等提出更高的要求。超精密磨削被 认为是最有发展前景的大尺寸硅片高效超精密加工技术，其中，硅片自旋转磨削是普遍 采用的硅片磨削方式，已经应用于大直径硅片加工中的材料制备阶段和图形硅片的背面 减薄。但是，目前先进半导体硅片磨削技术与设备被发达国家及跨国公司所垄断，严重 制约了国内半导体制造业的发展。 本文分析了硅片超精密磨削设备的关键技术：介绍了硅片真空夹持系统的原理、真 空吸盘的修整与检测方法、硅片厚度在线测量系统的原理及调整方法、磨削力在线测量 原理等；在此基础上，设计了硅片磨削试验台的整体结构；完成了磨头主轴的结构设计 及主轴轴线与旋转工作台轴线之间夹角的调整机构：设计了主轴传动机构，并通过理论 分析，确定了硅片磨削试验台的进给速度范围；完成了旋转工作台的结构设计，磨削试 验台的制造、安装和调试工作。 本文研究开发了磨削试验台的磨酎力测量系统，进行了压电测试系统的理论分析和 旋转工作台的受力分析；完成了三向压电石英测力平台的结构设计以及整个、坝4 量系统的 安装、调试及标定工作，借助计算机控制系统及专用的磨肖4 力测量软件进行了磨削力的 试验标定工作。 本文的研究对开发和研制大尺寸半导体硅片超精密磨削设备迸行了积极技术探索， 做了重要的技术准备，对于发展我国半导体超精密加工设备的制造技术具有重要的应用 价值。 关键词：i c ；硅片：磨削：磨削力；硅片磨床 硅片自旋磨削试验台关键技术的研究 r e s e a r c ht h e k e yt e c h n o l o g y o fs i l i c o nw a f e r sg r i n d i n g d e v i c eb a s e do ns i l i c o nw a f e r r o t a t i n g a b s t r a c t w i t hf a s t e rd e v e l o p i n go f i n t e g r a t e d c i r c u i t ( i c ) m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y ，t h ed i a m e t e ro f s i l i c o nw a f e rt e n d st ob el a r g e r i nm a n u f a c t u r eo ft h en e x tg e n e r a t i o ni c ，s o m er e q u i r e m e n t s f o rw a f e r ，s u c ha sm a c h i n i n ga c c u r a c y ，s u r f a c er o u g h n e s s ，s u r f a c ed e f e c t , s u r f a c ep u r i t ya n d s 嘲l g t l ，a r ep r o p o s e d m u c hh i g h e r u l l r a - p r e c i s i o n g r i n d i n g i sc o n s i d e r e da st h em o s t p r o m i s i n gt e c h n o l o g yf o rp r o c e s s i n g t h el a r g e - s c a l es i l i c o n w a f e r a m o n g t h ep r e c i s i o n p r o c e s s m e t h o d s ，t h ew a f e rr o t a t i o ng r i n d i n gm e t h o di sw i d e l ya p p l i e d ，w h i c hi su s e di nb o t h p r e p a r a t i o no ft h eb l a n kw a f e rm e d i aa n db a c kt h i n n i n go f t h ep a t t e r nw a f e r h o w e v e r ，a t p r e s e n t ，t h ea d v a n c e dg r i n d i n gt e c h n o l o g i e sa n de q u i p m e n t sf o rw a f e ra r em o n o p o l i z e db y d e v e l o p e dc o u n t r i e s a n dm u l t i n a t i o n a l c o m p a n i e s ，s ot h ed e v e l o p m e n to fs e m i c o n d u c t o r m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y a n d e q u i p m e n t i no u r c o u n t r y i ss e v e r e l yc o n f i n e d i nt h i sp a p e r ，t h ek e yt e c h n o l o g i e so fs i l i c o nw a f e rg r i n d i n ge q t t i p m e n ta l ea n a l y z e d t h e p r i n c i p l eo f v a c u u mc h u c ks y s t e m ，t h ed r e s s i n ga n d t e s t i n go f v a c u u mc h u c kt h ep r i n c i p l ea n d a d j u r i n gm e t h o d o fs i l i c o nw a f e r0 n - l i n et e s ts y s t e m , a n dt h ep r i n c i p l eo ft h eg r i n d i n gf o r c e m e a s u r i n g ，a r ei n t r o d u c e d b a s e do nt h i s ，t h eo v e r a l ls h u c t u r eo f t h et e s ta p p a r a t u sf o rs i l i c o n w a f e rg r i n d i n gi sd e s i g n e d t h eg r i n d i i l gh e a ds p i n d l e ss t r u c t u r ea n dt h e 喇u s t i n gd e v i c ef o r t h ea n g l eb e t w e e nt h ea x e so f s p i n d l ea n dt h ea x e so f r o t a r yt a b l ea r ed e s i g n e dc o m p l e t e l y ；t h e s t r u c t u r eo fs p i n d l ef e e d i n gd e v i c ei sd e s i g n e d ，a n dt h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h ef e e d i n g v e l o c i t yr a n g eo f t h et e s ta p p a r a t u si sd e f i n e d ；t h es t r u c t u r eo f t h er o t a r yt a b l ei sd e s i g n e d ，a n d t h eg r i n d i n gt a b l ei sm a n u f a c t u r e d ，i n s t a l l e da n d d e b u g g e d i nt h i sp a p e r ，t h eg r i n d i n gf o r c em e a s u r i n g s y s t e m i sd e v e l o p e d ，a n db o t ht h e p i e z o - e l e c t i c m e a s u r i n gs y s t e m a n dt h ef o r c e so n r o t a r y t a b l ea r e a n a l y z e d t h e s t r u c t u r eo f t h r e e - d i m e n s i o n a l p i e z o e l e c t i cq u a r t z f o r c ec e t l p l a t e i s d e s i g n e d n l e i n s t a l l m e n ta n d d e b u g g i n g o f t h i ss y s t e ma r ef i n i s h e d f o r c ee x p e r i m e n t a t i o ni sd o n e 、v i t lt h ec o m p u t e rc o n t r o l s y s t e ma n dt h e s o t t w a r eo f g r i n d i n gf o r c e sm e a s u r i n g s y s t e m t h i s p a p e re x p l o r e s o n d e v e l o p m e n t a n d d e s i g n o fs e m i c o n d u c t o rs i l i c o nw a f e r u l t r a - p r e c i s i o ng r i n d i n ge q u i p m e n t , a n dp r o v i d e s t h e t e c h n i q u e f o r s u b s e q u e n t r e s e a r c h a c c o r d i n g t ot h e d e v e l o p m e n t o f n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o rm a n u f a c t u r ei n d u s w ，i th a si m p o r t a n t p r a c t i c a l v a l u e ， k e yw o l d s ：i c ；s i l i c o nw a f e r ；g r i n d i n g ；g r i n d i n gf o r c e ；g r i n d i n g m a c h i n e i i 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 论文的选题背景及来源 集成电路( i n t e g r a t e c i r c u i t , i c ) 是电子信息产业的核心，是推动国民经济和社会信息 化发展最主要的高新技术之一 i 卅。i c 的制造离不开高精度、高表面质量的硅片，全球 9 0 以上的i c 都要采用硅片。下一代i c 制造采用大直径( 3 0 0 m m ) 硅片和o 1 弘m 刻 线技术，对硅片面型精度和表面粗糙度等提出很高的要求，需要研究和开发先进的硅片 超精密加工技术与设备。目前，国外直径2 0 0 r a m 硅片加工技术已很成熟，直径3 0 0 m m 硅片的加工技术正在普及。国内硅片制造水平与国外相比有很大差距，仍以直径1 0 0 1 5 0 m m 的硅片为主流产品，直径2 0 0 r a m 以上的硅片才开始规模生产，从生产工艺到测 试方法，从生产测试设备到清洗包装等外围支持设备，几乎都要从国外引进，难以独立 创新。而大直径( 一3 0 0 m m ) 硅片的先进n - r 捌t 和设备的引进还要受到发达国家限制。 因此，我们必须依靠自己的力量研究具有自主知识产权的大直径硅片的超精密加工技术 与设备。 i c 制造过程包括硅片制备( w a f e r m a n u f a c t u r i n g ) 、前道( f r o n t - e n d ) 、检测( w a f e r t e s t ) 和后道( b a c k e n d ) 四个阶段p j ，整个过程中要用到微细加工和超精密加工等先进 工艺装备，其中包括超精密磨床、研磨机、腐蚀设备和抛光机等。在硅片制备阶段，需 要将单晶硅棒加工成具有高面型精度和表面质量的原始硅片，为i c 前道制程中的光刻等 工序准备平坦化超光滑无损伤的称底表面。在i c 制造的后道工序阶段，为满足封装对i c 芯片厚度的要求，必须在划片和封装前对完成i c 前道制程的图形硅片( p a t t e r n e d w a f e r ) 背面减薄( b a c kg r h a d i n g ) ，即尽可能减小硅片的厚度，并尽可能减小硅片背面的表面粗 糙度和表层残余应力，保证硅片强度，避免在封装中产生破裂。在i c 的批量生产中，无 论是进行原始硅片的制造，还是进行图形硅片的背面减薄，应用传统的游离磨料研磨抛 光工艺装备加工硅片存在不易保证高精度面型和表面质量、加工效率底、控制难度大、 不易实现自动化、污染严重等公认的缺点。当硅片尺寸加大( 中3 0 0 m m ) 后，传统的加 工工艺装备在面型精度和生产效率等方面的缺点将更加突出。方面，加工大直径硅片 时，研磨和抛光盘尺寸需要相应加大许多，而应用大尺寸的研磨盘) j n 7 - 硅片，很难达到 很高的面型精度，同时机床占用空间和能源消耗也相应加大；另一方面，硅片厚度增大 使材料去除量增加，而每盘加工大直径硅片的数量有限，因而使硅片的产量减少。相反， 用固着磨料超精密磨肖4 工艺加工硅片具有加工效率高、成本低、可以获得高的面型精度 硅片自旋磨削试验台关键技术的研究 和表面质量、容易实现加工过程在线检测和控制以及加工过程自动化等优点 6 - 0 。因此， 超精密磨床成为i c 制造中大直径硅片加工的先进设备，在半导体加工过程中发挥越来越 重要的作用。 综上所述，研究先进的硅片制造技术与设备，是工业发达国家为了适应i c 技术飞速 发展而非常重视的一个研究方向，也是我国为实现电子信息产业高科技技术跨跃式发展 的必经之路。 为了实现我国电子信息产业的快速发展，我们必须掌握半导体材料一单晶硅片的制 造工艺。为此，大连理工大学精密与非传统加工教育部重点实验室提出如下研究内容： 针对下一代集成电路制造技术对大直径硅片面型精度和表面完整性的要求以及现有硅片 加工工艺与设备所存在的问题，研究基于控制力和工件自旋转磨削原理的大直径硅片高 效率超精密磨削新技术，应用运动学、材料学、分子动力学、纳米摩擦学、表面物理学 等理论，分析超精密磨削硅片时表面材料去除、表面波纹度和粗糙度形成、表面微观形 貌和翘曲变形、表面和亚表面损伤的机理和规律及其影响因素，研究实现硅片纳米级表 面粗糙度、亚微米面型精度和无表面损伤加工的优化工艺方案。通过对硅片高精度平整 化夹持定位、磨削力在线精密测量与控制、微驱动迸给和控制、硅片厚度在线测量、超 细金剐石砂轮的在线精细修锐、工艺系统和磨削液的温度检测与控制、磨削液的过滤及 供给、加工系统的隔振、面型精度和表面完整性的检测等关键技术的研究，设计和开发 大尺寸硅片的高效超精密磨削设备样机，取得发明专利、著作权、版权等具有自主知识 产权的技术成果，为大尺寸硅片高精度、高质量和高效率的工业化生产提供技术支持， 提高我国微电子制造业的技术水平和竞争能力，推动微电子制造业的跨越式发展。这一 研究内容已被列为国家自然科学基金重大项目( 项目批准号：5 0 3 9 0 0 6 1 ) 和国家高技术研 究发展计划( 8 6 3 计划) 项目( 项目批准号：2 0 0 2 从4 2 1 2 3 0 ) ，本文的选题正是来源于这 两个研究项目。作为该项目的一个子课题，本文系统地研究超精密磨削设备中的关键技 术。 1 2 国内外研究现状 早期的用于硅片加工的磨床由普通平面磨床改装而成，主要使用平行砂轮磨肖0 硅片。 磨削硅片的平面度为0 3um 2 0 0 m m ，粗糙度r y 0 0 2um ，可以代替研磨。使用平行砂轮 磨削硅片时，由于砂轮宽度有限，必须进行横向进给磨削，磨削精度和磨削效率较低。 2 大连理工大学硕士学位论文 目前硅片磨削广泛采用专用的杯型金冈4 石砂轮端面磨床，其中具有代表性的是基于 旋转工作台磨削( s u r f a c e g r i n d i n g o n a r o t a r y t a b l e ) 原理的超精密磨床和基于硅片自旋转 磨削( r o t a t i o n g r i n d i n g m e t h o d ) 原理的超精密磨床。 1 2 1 旋转工作台式超精密磨床 旋转工作台平面磨床是较早的端面硅片超精密磨床，这种磨床使用静压空气轴承的 砂轮主轴，采用杯型金刚石砂轮进行端面磨削，与采用平行砂轮的平面磨床相比，砂轮 直径不受限制，不需要横向进给，因而具有较高的磨削效率。通常采用往复磨削或缓进 给磨削方式，利用旋转工作台可以同时进行多片硅片的加工( 如图1 1 所示) 。与研磨 方法相比，旋转工作台式端面磨削具有材料去除率高，硅片表面损伤小，容易实现自动 化的优点。但是，由于磨削过程中砂轮与硅片间的接触长度、接触面积、切入角0 ( 砂 轮外圆与工件外圆之间的夹角) 随砂轮与工件相对位置的变化而变化( 如图1 2 所示) ， 因此，磨削力不能保持恒定。变化的法向磨削力引起的工艺系统的弹性变形使硅片产生 中凸现象；当磨削砂轮离开硅片时，砂轮与硅片间的切入角0 显著减小，会产生硅片塌 。边现象。因此，利用旋转工作台端面磨床取代研磨和腐蚀工艺设备时难以获得理想的面 型精度和表面质量 ”，特别是硅片直径增大后，磨床旋转工作台的尺寸也相应增大许多， 会对工作台的面型精度和运动精度提出更高的要求。此外，机床占用空间和能源消耗也 相应加大。 图1 1 旋转工作台超精密磨床 f i g 1 1u l t r a - p r e c i s eg r i n d i n g m a c h i n eo na r o t a r yt a b l e 3 。 硅片自旋磨削试验台关键技术的研究 图1 2 普通端面磨削时磨削宽度和切入角 f i g 1 2g r i n d i n gw i d t ha n d e n t r a n c ea n g l e o f o r d i n a r yf a c e 萌n d i 玎g 1 2 2 硅片自旋转式超精密磨床 1 9 8 4 年日本的s m a t s u i 等人提出了硅片自旋转磨肖方法 8 】。基于该磨削方法的超 精密磨床，成为目前大尺寸硅片超精密磨削由工的主流设备。这神磨氆q 装置采用尺寸略 大于硅片的工件转台，通过真空吸盘装夹硅片，使硅片的中心与转台的中心重合，杯型 金刚石砂轮的工作面调整到硅片的中心位置。磨自4 时，硅片和砂轮绕各自的轴线回转， 砂轮轴向进给( 如图1 3 所示) 。 图1 3 硅片自旋转超精密磨床 f i g 1 3g r i n d i n gm a c h i n eo f s i l i c o nw a f e rm t a t i n g 硅片自旋转式磨床与普通端面磨床相比具有以下优点： 1 ) 由于杯型砂轮只进行轴向切入磨削，砂轮与硅片的接触长度、接触面积、切入角 8 固定，因而磨削力相对恒定，如图1 4 所示，可以改善硅片的面型精度。 - 4 大连理工大学硕士学位论文 图1 4 硅片自旋转时磨削宽度和切入角 f i g 1 4g r i n d i n gw i d t ha n de n t r a n c ea n g l eo f s i l i c o nw a f e rr o t a t i o ng r i n d i n g 2 ) 砂轮轴线和工件轴线之间的夹角与硅片磨削表面轮廓之间存在定量的关系，根据 所检测的硅片表面轮廓，通过微调整砂轮轴线和工件轴线之间的夹角，从理论上可以实 现硅片面型精度的主动控制。 3 ) 随着硅片直径的增大，磨削加工余量相应增大。采用旋转工作台的端面磨削工艺， 需要增加砂轮的数量或增加往复磨削的次数。而利用硅片自旋转磨削方法进行磨削时， 材料去除通过杯型砂轮的连续轴向切入磨削实现，不受硅片加工余量大小的限制，适应 大余量磨削。 4 ) 通过调整加工参数，可以在粗磨时实现硅片高效磨削；在精磨时实现硅片的延性 域磨削，减少硅片表面损伤。 5 ) 硅片自旋转磨床，被加工硅片始终有一半处于砂轮外面，因此易于实现硅片的在 线厚度测量与控制。 正是由于上述优点，目前，基于硅片自旋转磨削原理的超精密磨床成为硅片特别是 大直径硅片制造和背面减薄普遍采用的加工设备，代替了传统的研磨腐蚀和传统的端面 磨削加工设备。 国外学者针对硅片自旋转磨削方法开展了一系列研究工作。美国k a n s a ss t a t e u n i v e r s i t y 的z j p e i 等人对自旋转磨削法精密磨削硅片的加工过程，以及加工参数、砂轮 粒度、冷却液供给等加工条件对磨削力、硅片面型精度、表面磨削纹路、表面粗糙度的 影响进行了系统的试验研究口訇。日本h 0 h m o r i 等人l 7 1 将开发的在线电解修锐( e l i d ) 技术 5 硅片自旋磨削试验台关键技术的研究 应用于硅片自旋转工艺，采用铸铁结合剂微粉金刚石砂轮，以恒压力切入进给磨削 ( i n f e e dg r i n d i n g ) 方式磨削硅片。通过对硅片材料塑性模式去除机理的研究和对超 精密磨削关键技术的研究，获得表面粗糙度为纳米级甚至亚纳米级的镜面，直径6 0 m m 硅 片的面型精度达到 4 ( 九= 6 3 2 s n m ) ，由于实现了硅片的延性域磨削，亚表面损伤层深 度 o 4hm ，只有传统研磨硅片损伤层深度的l 3 1 1 0 。 1 2 3 国外硅片超精密磨床的现状 国外硅片的超精密磨床制造起步较早，发展迅速，技术先进。其中美国、德国，日 本等发达国家生产的硅片超精密磨床制造技术最为成熟，代表着磨床制造的晟高水平。 近几年来，在硅片超精密磨削理论研究和试验研究的基础上，国外的一些大学和公 司已研究和开发了大直径硅片的超精密磨削系统和装备。臼本i b a r a k i 大学的h e d a 等人 删，研究了基于自旋转磨削原理的集成磨削系统，该系统采用超磁致伸缩驱动装置调整 砂轮轴与工件轴的夹角控制工件的面型精度，应用精密气缸和磨削力检测系统进行控制 力磨削，可以在一个工序中完成硅片的延性域磨削加工和减小损伤层的磨抛( p o l i s h i n g l i k eg r i n d i n g ) ) i l i ，加工3 0 0 m m 硅片达到表面粗糙度r a l n m ，平面度 0 2um ，能源消 耗比传统工艺降低7 0 。 英国c r a n f i e l d 大学与c r a n f i e l d 精密工程有限公司联合，提出了针对大直径硅片的单 工序) h i ( s i n g l ep r o c e s s ) t t 术，又研制成功一种新型的硅片超精密磨床。该磨床为敞开式 结构，砂轮主轴和回转轴均安装空气轴承，采用静压空气导轨和微迸给机构，具有磨削 力控制系统，并采取控温、隔振等措施，可在一个工序中以很高加工效率完成硅片的塑 性域纳米磨削，获得很好的表面和亚表面完整性。据称，用该磨床超精密磨削大尺寸硅 片可以完全代替传统工艺的研磨和腐蚀工序，甚至有望代替抛光加工。 澳大利亚悉尼大学l z t m n g 等人【m “】采用金刚石磨盘进行硅片磨抛加工，研究了超 低载荷下单晶硅在纳米尺度的材料去除机理和表面损伤。该试验装置通过测力平台精密 检测过程中的磨抛力，可进行超低载荷磨抛加工；采用磨抛液循环过滤和温度控制系统， 排除磨抛液中的废屑和保持磨抛温度恒定。利用磨削液的化学作用和磨盘的机械作用， 通过控制力进行硅片超精密平整化加工，在正常磨抛力下，大直径硅片的平面度可控制 在5 1 0 n m 之间。通过磨抛液对硅片表面的物理化学效应，来避免磨抛过程产生表面损 伤。 6 大连理工大学硕士学位论文 1 2 4 国外硅片超精密磨床的特点 目前国外发达国家和跨国公司生产的硅片超精密磨床普遍具有高精度化、集成化、 自动化，加工硅片大尺寸化等特点 9 , 1 2 q 5 1 。 1 2 4 1 机床高精度化 随着硅片加工技术指标的不断提高，对硅片超精密磨床的精度要求也越来越高。国 外超精密磨床的砂轮主轴和工作台回转轴均安装空气轴承，采用伺服电机驱动，主轴回 转精度高：普遍采用静压空气导轨和微进给机构，高分辨率的测量系统和闭环控制，可 以使磨削主轴实现亚微米级的进给，实现脆性材料的塑性域去除，从而得到高质量的表 面；采用超磁致伸缩或电致伸缩驱动装置调整砂轮轴与工件轴之间的夹角控制硅片面型 精度；自动化磨床普遍带有高精度接触式测微仪，其精度可达到0 1l - tm ，实时测量硅片 厚度，并将测量结果返回到磨床控制系统，由磨床控制系统根据厚度检测结果精确控制 磨床微进给装置的迸给运动；有些超精密磨床，粗磨和精磨硅片时分别采用软质和硬质 真空吸盘，实现高精度的硅片夹持：部分超精密磨床应用精密汽缸和磨削力检测系统以 实现控制磨削力的方法磨削硅片，减小磨削加工时的表面与亚表面损伤；硅片超精密磨 床还采取控温、隔振等措施减小硅片加工过程中温度变化以及振动等带来的机床误差， 以保障机床的精度。 此外，一些先进的超精密磨床将粗磨和精磨杯型金刚石砂轮组合在同一个主轴上， 目前有两种组合方式：一种为粗、细砂轮同轴整体制造的组合结构；另一种为牙形排列 的伸缩式组合结构，细粒度和粗粒度砂轮块交错组合，通过细砂轮块的伸缩实现精磨和 粗磨。采用组合式砂轮的超精密磨床，硅片一次装夹即可完成粗磨、精磨、无火花磨削， 由于加工基准不变，可以实现较高的磨削精度。 1 2 4 2 设备集成化 设备集成化，功能齐全化也是国外超精密磨床的一大特色。硅片磨削加工通常分为 粗磨( r o u g hg r i n d i n g ) 和精磨( f i n eg r i n d i n g ) 。粗磨时采用粗粒度金刚石砂轮，去除大部分加 工余量；精磨则采用细粒度的金刚石砂轮去除粗磨剩余的加工余量，并通过无火花磨削 将硅片的表面亚表面损伤降到最低，获得超光滑镜面。国外硅片加工超精密磨床普遍采 用多主轴多工位机床结构，将粗磨、精磨以及硅片的清洗、甩干甚至检测和分选功能集 成在同台磨床上。日本t o k y os e i m i t s u 公司所研制的硅片抛磨机床( p o l i s hg r i n d e r s ) 在金刚石微粉砂轮粗磨和精磨的基础上又增加一个抛光系统，利用固着磨料抛光盘去除 磨削损伤层的系统，可以进行硅片的镜面加工，使表面损伤层 0 1hm 。利用该磨床进行 7 硅片自旋磨削试验台关键技术的研究 图形硅片的背面减薄，可以快速减小硅片的厚度，为3 d 贴片、i c 卡制作等一些特殊应 用场合提供厚度1 5 0 1 1i n 以下的薄硅片。如图1 5 所示为典型的超精密磨床结构示意图。 硅片的超精密磨床功能的集成化，减少了装夹硅片的次数，缩短了工艺路线：降低了硅 片在装夹、传输过程中所引起的表面损伤，易于保证硅片的加工精度，提高加工效率； 减小了磨床占用的空间。功能集成度较高的硅片超精密磨床更加适应于大批量生产。 图1 5 具有高精度化集成化自动化典型磨床结构示意图 f i g ，1 5s 1 x u c t u r eo f t y p i c a lg r i n d i 卫gm a c h i n e w i t hh i g h d e g r e eo f a c c u r a c y ，i n t e g r a t i o na n da u t o m a t i z a t i o n 1 2 4 3 加工自动化 为了适应大规模批量生产的需要，国外各大超精密磨削设备制造厂家都致力于开发 高效的自动化磨削设备。所制造的硅片超精密磨床的自动化程度很高，加工过程中，从 发片、定心、粗磨、精磨、抛光、清洗、甩于到收片全部自动化连续处理。可连续加工 一盒或多盒硅片，无需人的干预，实现了硅片的干进干出r y i i l d r y o u t ) 式加工。另外， 在硅片磨削过程中从快进给粗磨、慢进给精密，直到无火花磨削，大部分磨床均可根据 设定实现磨削方式的自动切换，既提高了生产效率，又保证了硅片磨削质量的一致性。 磨削过程中的硅片自动传输是在磨床控制系统的控制下由传输机械手以及数控转盘 工作台实现的。机械手具有旋转支臂和真空吸盘，具有较高的定位和装夹精度，保证传 输过程中硅片不受损伤。磨削开始，机械手将硅片从片盒中取出，放在定心单元上进行 8 大连理工大学硕士学位论文 定心。定心后的硅片由机械手抓起，放在数控转盘的装卸工位的发片真空吸盘上。磨削 结束，机械手将硅片从装卸工位的收片真空吸盘上取下，送到清洗工位清洗和甩干，然 后将其送入片盒保存。空气轴承结构的回转工作台，用来转换粗磨、精密和装卸片各工 位。而相应工位上，旋转真空吸盘固定在数控转盘上。每次卸片时，在真空回路中反向 通去离子水( d iw a t e r ) ，便于自动卸片，并对真空吸盘进行冲洗，然后用空气吹干。 1 2 4 4 磨削硅片大尺寸化、精细化 随着i c 设计和制造技术的发展与进步，硅片的尺寸逐渐增大，硅片磨削设备的加工 尺寸也在相应增加。目前国外硅片超精密磨床生产厂家的主流产品为加工硅片直径 2 0 0 m m ( 8 ”) 和3 0 0 m m ( 1 2 ”) 超精密磨床，3 0 0 r a m 为主流技术，2 0 0 m m 硅片磨削机床的市 场逐渐减少。同时，加工4 0 0 t u r n 或更大尺寸硅片的磨床也已经在研发中，并已有实验样 机出现。日本的o k a m o t o 公司研制v g - 4 0 1 m k i i ，扩展后可用于加工直径4 0 0 r a m 硅片， 目前已经推向市场。表1 1 所示为具有代表性的硅片磨床参数。 表1 1 各种型号磨床参数比较【4 t a b a l 1 1c o m p a r i n gs e v e r a l k i n d s o f g r i n d i n g m a c h i n e s p a r a m e t e r 1 2 5 国内现状 国内半导体专用设备在技术水平、稳定性、可靠性、电动化程度方面与国际相比有 很大差距口- 4 ，导致了我国半导体设备市场成为进1 2 1 成套设备占绝大部分市场份额的局 9 硅片自旋磨削试验台关键技术的研究 面，从市场乃至技术完全控制在他人手中，甚至连最基本的零部件和消耗材料几乎都依 赖进口。目前国内半导体制造设备绝大部分是从国外直接进口的成套生产线。但是，发 达国家和跨国公司严格限制向我国出口直径3 0 0 m m 以上先进的硅片超精密加工设备。国 内虽然开始生产直径2 0 0 r a m 硅片，但主要是采用传统的研磨抛光加工工艺，针对大尺寸 硅片( 3 0 0 m m 大直径硅片) 的超精密磨削装备生产技术国内半导体设备企业尚不掌握。 大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室对单晶硅等硬脆材料的超精密加工 技术开发开展了大量的研究工作，目前正在承担国家自然科学基金重大项目和国家“8 6 3 计划”项目，正在开展基于自旋转磨削原理的大直径硅片超精密磨削系统与装备的开发 与研究，并取得了初步成果。 1 3 课题的意义及主要研究内容 1 3 1 课题的意义 随着i t 行业的竞争加剧以及我国的加入w t o ，使得世界电子制造业的中心转向亚 洲和中国，国际预测机构认为，中国将发展成为全球最大的电子信息市场。随着计算机、 移动通信、随身电器以及家用电器的进一步普及和发展，作为电子信息产业基础的硅材 料工业也将与集成电路的需求保持同步发展，硅片的需求量巨大，并将以极高增幅增加， 今后1 0 年间将增加4 倍。尤其是大尺寸硅片的需求将进一步扩大。 近年来，在我国硅片生产线的建设和投产过程中，对硅片高效超精密加工技术和设 备有很大需求市场。随着硅片尺寸的不断加大，现有硅片生产线还将面临技术和设备更 新换代问题，大直径硅片的加工技术和设备还具有巨大的潜在需求市场。因此，本项目 依靠自己力量研究开发硅片高效超精密磨削技术和设备，所取得的拥有自主知识产权的 研究成果必将在国内具有重要的推广价值和广阔应用前景。 此外，下一代的计算机磁盘所用的高精度高表面质量的玻璃基片，高清晰电视所用 的高精度光学基片，核工业和国防军事工业中的高反射率的激光反射镜等都需要高效率 超精密加工技术和设备。本项目的研究成果不仅可以应用于半导体制造领域，而且也可 以应用于计算机硬盘、光学基片、激光反射镜等电子器件和光学零件的制造领域，将为 半导体、电子器件及光学零件的制造提供全面的技术支持。 因此，无论是满足国内日益增长的硅片市场需求，发展我国的半导体民族工业，还 是抢占技术制高点，参与激烈的国际竞争，与国际市场接轨，研究和开发大尺寸硅片超 一l o 大连理工大学硕士学位论文 精密加工技术和设备具有重要战略意义。本项目研究成果的转化和应用必将产生巨大的 经济效益和重要的社会作用。 i 3 2 本文的主要研究内容 本文对基于自旋转原理的硅片超精密磨床展开研究，主要内容包括以下几个方面： 1 ) 硅片自旋转磨削试验台整体结构的设计。通过对硅片自旋转原理的分析，对硅片 磨削试验台整体方案进行确定，实现对磨削试验台整体机构的设计。 2 ) 硅片磨削试验台磨头机构的研究。对整个磨头主轴机构进行结构设计，包括杯型 金刚石砂轮安装方式，磨头电主轴装夹方式，磨头调整机构等。磨头主轴轴线与旋转工 作台轴线之间的夹角应在一定范围内可调，将全接触式磨削转变为半接触式磨削，从而 能够实现硅片磨削时面型精度的主动控制。 3 ) 主轴进给传动机构研究。主轴进给机构应具有传动精度高，定位准确，高速噪音 低、损失小，低速无爬行的特点。并需要实现主轴进给的无级调速，进给速度应同时满 足主轴的快速进给与微迸给要求。 4 ) 旋转工作台的结构研究。为加工出高质量的硅片，旋转工作台应具有高阏6 性、高 回转精度的特点：为使硅片实现在旋转工作台上的准确定位与夹持，旋转工作台应安装 有高性能的真空夹持系统；同时在硅片磨削过程中对硅片厚度在线测量也是提高硅片加 工精度的一个有效方法。 5 ) 磨削力测量系统研究。磨削加工中，磨削力是表征磨削状况的一个主要参数，直 接影响磨削加工精度和表面质量以及砂轮寿命等。因此，实时检测和控制磨削力，亦是 实现硅片高精度、高质量、高效率磨削加工的关键技术之一。本课题将开发出一套动态 磨削力测量系统。要求这一系统能够精确逾在线钡6 量动态磨削力的三个分量，并通过软 件系统对测得的三向力进行分析计算，根据计算结果，判断出硅片磨削所处的阶段，然 后根据具体判断结果，采取有效的控肯措施，使得磨削设备始终工作在最佳的状况下。 硅片自旋磨削试验台关键技术的研究 2 硅片磨削试验台磨头机构研究 2 1 磨头主轴的结构设计 图2 1 为本课题所研制的硅片自旋转磨削试验台整体结构，显然该磨床主要由磨头 主轴机构、厚度在线测量系统、硅片真空夹持系统、磨削力测量系统及旋转工作台等组 图2 1 磨头主轴结构 f i g 2 1s t r u c t u r e o f g r i n d i n g h e a ds p i n d l e 1 ) 杯型砂轮，2 ) 电主轴，3 ) 主轴夹紧机构， 4 ) 连接滑台，5 ) 主轴滑台，6 ) 调整螺母，7 ) 调整楔块 1 2 大连理工大学硕士学位论文 成。正是这些相对独立的系统进行相互协调的工作，完成对硅片的超精密磨削加工。 图中双点划线所包含的区域为硅片磨床的磨头主轴机构。三向压电石英测力平台、 旋转工作台和真空吸盘依次安装在试验台的工作平面上，同时立柱也安装在工作台平面 上，磨头电主轴2 通过特制的主轴夹紧机构3 、连接过渡滑台4 安装在竖直方向的主轴 工作滑台5 上。主轴偏转角度调整机构是为实现磨头主轴调整的目的而特别设计的，调 整楔块7 就可以调整电主轴与竖直方向的夹角，即前后偏角n ；调整螺母6 是一个左右 对称结构，调整左右两个螺母可以调整电主轴的左右偏角b 。工作滑台与滚珠丝杠螺母 副的螺母相连，同时通过滚动导轨副与立柱相连。磨头主轴需要电主轴的轴端连接尺寸 按实验室现有的杯型金刚石砂轮连接方式进行特制，电主轴轴端与金刚石杯型砂轮相连。 整个硅片磨削试验台在装配时要确保电主轴的轴线与旋转工作台轴线平行，并且同 时要保证金刚石杯型砂轮的边缘通过旋转工作台的轴线重合。此时杯型金刚石砂轮的端 面与旋转工作台端面平行，这种状态下进行硅片磨削为全接触式磨削，如图2 2 所示。 图2 2 全接触式磨削 f i g 2 2f u l l - c o n t a c tg r i n d i n g 该磨床的磨头主轴基本参数如表2 1 所示。 1 3 硅片自旋磨削试验台关键技术的研究 表2 1 磨头主轴的基本参数 t a b l e 2 1t h ep a r a m e t e ro f g r i n d i n gh e a ds p i n d l e 最大工件直径：巾2 0 0 r a m 磨削方式： 硅片自旋转磨自0 磨头主轴 磨头主轴数量： l 磨头转速： 0 3 0 0 0 r p m 主轴轴承： 2 7 0 0 8 c p 4 电主轴功率： 5 5 k w 主轴最大行程： 1 5 0 m m 主轴向下进给速度： 1 0 9 9 9um m i n 主轴向上进给速度： 2 5 0 m m m i n 磨头驱动伺服电机： s g m a h 0 8 a7 5 0 w 砂轮类型： 杯型金刚石砂轮 砂轮直径： 由3 5 0 m m 2 2 高速电主轴结构原理及选择 2 2 1 高速电主轴的特点 现代机械制造工业向高精度，高速度，高效率的方向飞速发展，对加工机床提出了 更高的要求，这就需要可以高速运转的主轴部件一高速主轴单元。电主轴具有结构紧凑， 重量轻，惯性小，振动小，噪音低，响应快等优点 1 9 - 2 2 ，可以减少齿轮传动，简化机床 外形设计，易于实现主轴定位，是高速主轴单元中一种理想结构，现代的高速电主轴是 一种智能型功能部件，它的种类多，应用范围日益广泛。 2 2 2 高速电主轴结构 高速电主轴要获得好的动性能和使用寿命，必须对高速电主轴各个部分进行精心设 计和制造。高速电主轴基本结构原理简图如图2 3 所示。 轴壳是高速电主轴的主要部件。轴壳的尺寸精度和位置精度直接影响主轴的综合精 度。通常将轴承座孔直接设计在轴壳上。电主轴为加装电机定子，必须开放一端。大型 或特种电主轴，可将轴壳两端均设计成开放型。高速、大功率和超高速电主轴，其转子 直径往往大于轴承外径，为控制整机装配精度，应将后轴承安装部分设计成无间隙配合。 转轴是高速电主轴的主要回转主体。它的制造精度直接影响电主轴的最终精度。成 品转轴的形位公差和尺寸精度要求都很高，转轴高速运转时，由偏心质量引起振动，严 1 4 大连理工大学硕士学位论文 重影响其动性能，必须对转轴进行严格动平衡测试。部分安装在转轴上的零件也应随转 轴一起进行动平衡测试。 图2 3 高速电主轴结构原理图 f i g 2 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h eh i g h - s p e e de l e c t r i c a ls p i n d l e ss t r u c t u r e 高速电主轴的核心支承部件是高速精密轴承。因电主轴的最高转速取决于轴承的大 小、布置和润滑方法，所以这种轴承必须具有高速性能好、动负荷承载能力高、润滑性 能好、发热量小等优点。近年来，相继开发研制了陶瓷轴承和磁浮轴承，在超精密设备 中，甚至采用空气轴承。目前，应用最多的高速主轴轴承还是混合陶瓷球轴承。即滚动 体使用热压s i 3 n 4 陶瓷球，轴承套圈仍为钢圈。这种轴承标准化程度高，对机床结构改动 小，便于维护保养，特别适合高速运行场合。用其组装的高速电主轴，能兼得高速、高 刚度、大功率、长寿命等优点。 高速电主轴的定子由具有高导磁率的优质矽钢片迭压而成。迭压成型的定子内腔带 有冲制嵌线槽。转子是中频电机的旋转部分，它的功能是将定子的电磁场能量转换成机 械能。转子由转子铁芯、鼠笼、转轴三部分组成 2 2 _ 3 高速电主轴工作原理 高速电主轴电机的绕组相位互差1 2 0 。，通以三相交流电后，三相绕组各自形成一 个正弦交变磁场，这三个对称的交变磁场互相迭加，合成一个强度不变，磁极朝一定方 向恒速旋转的磁场，磁场转速就是电主轴的同步转速。异步电动机的同步转速n 由输入 电机定子绕组电流的频率f 和电机定子的极对数p 决定( n = 6 0 f p ) 。电主轴就是利用变 换输入电动机定子绕组的电流的频率和激磁电压来获得各种转速。在加速和制动过程中， 1 5 硅片自旋磨肖4 试验台关键技术的研究 通过改变频率进行加减速，以免电机温升过高。由于电机旋转磁场的方向取决于输入定 子三相交流电的相序，故改变电主轴输入电流的相序，便可改变电主轴的旋转方向。 2 2 ：4 高速电主轴的驱动 高速电主轴由静止升速至每分钟数万转乃至数十万转是相当困难的。电主轴为保证 正常工作，必须施加一定量的预负荷，这又增加了电主轴的阻力矩